Дроссельные устройства в холодильных установках

Холодильная установка должна иметь дроссельное устройство, позволяющее понизить давление после конденсатора до давления кипения, регулирующее заполнение испарителя жидким хладагентом.

Дросселированием называется снижение давления жидкости или газа при прохождении их через небольшое отверстие или другое гидравлическое сопротивление (вентиль, капиллярную трубку и т.д.). Поток вещества при этом не производит внешней работы (внутренняя энергия вещества расходуется на преодоление внутреннего трения при прохождении через суженное отверстие) и давление снижается так быстро, что можно считать этот процесс, совершающимся без теплообмена с внешней средой (адиабатическим), при этом в реальном веществе наблюдается изменение температуры (у хладагентов понижается температура).

Важнейшим регулируемым параметром, характеризующим стабильность и безопасность работы холодильной установки, является степень заполнения испарителя хладагентом.

Регулировать подачу хладагента можно тремя способами:

- поддерживая постоянный уровень жидкого хладагента в затопленных испарителях, например, в кожухотрубных - с межтрубным кипением;

- поддерживая необходимый постоянный перегрев в испарителе или на всасывании в компрессор (Δt = t_вых – t₀), например в «сухих» испарителях;

-анализируя хладагент c помощью датчика фаз и поддерживая однофазный паровой состав хладагента на выходе из испарителя.

1)Капиллярные трубки. В холодильных машинах мощностью до 5 кВт обычно применяют дроссельное устройство - капиллярную трубку (название «капиллярная» является неточным, так как проходное сечение таких трубок велико для осуществления явлений капиллярности), представляющую собой отрезок медной трубки с внутренним диаметром 0,6 - 4 мм и длиной 600 – 6000 мм. Располагается она на пути хладагента из конденсатора к испарителю. Впервые применили капиллярную трубку в холодильных герметичных машинах в качестве регулирующего органа в 1931 году.

На капиллярные трубки для холодильных машин распространяется ГОСТ 2624 -77 «Трубки капиллярные медные и латунные». Таблица стандартных размеров внутренних диаметров капиллярных трубок включает 24 размера от 0,66 до 4,45 мм.

Изготовляют трубки из меди марок М2 или М3 по ГОСТ 859-78. Пропускная способность по воздуху нормируется ГОСТом с допуском примерно ±5%. Трубки проверяются на герметичность давлением 4÷5 МПа.

Замерить внутренний диаметр капилляра довольно сложно – для одного и того же наружного диаметра изготавливаются капилляры различных диаметров.

Давление жидкого хладагента, поступающего в такую трубку, падает при прохождении по ней вследствие трения и ускорения хладагента. Часть жидкости по мере прохождения хладагента по трубке превращается в пар. Проходное сечение капиллярной трубки всегда открыто и, естественно, не регулируется. Размеры трубки и, следовательно, ее пропускная способность должны обеспечивать в расчетном режиме протекание хладагента в количестве, точно равном массовой производительности компрессора. Следует учитывать, что, например, в однокамерных холодильниках заряд хладагента оборачивается в системе 10 – 20 раз в час.

Капиллярные трубки имеют свои достоинства и недостатки.

Достоинства капиллярных трубок (отсутствие движущихся частей, удобство сборки агрегата, высокая надежность, долговечность, дешевизна, облегчение запуска компрессора) способствовали вытеснению ими в кондиционировании и в домашних холодильниках (повсеместно) всех других видов дроссельных устройств, называемых обычно «регулирующими».

Капиллярные трубки выравнивают давление в системе при остановках циклично работающей холодильной машины, а, следовательно, обеспечивают легкий пуск электродвигателя компрессора, при этом сокращаются длительность пуска и выделение теплоты в двигателе от пускового тока. Электродвигатель для привода компрессора может иметь малый пусковой крутящий момент, а, следовательно, и малые размеры. Следует помнить, что герметичные «компрессоры с малым пусковым моментом» применяются только в холодильных установках с капиллярной трубкой.

Недостатками капиллярных трубок является то, что они не могут быть настроены в зависимости от изменяющихся условий нагрузки и требуют, чтобы количество хладагента, заполняющего систему, было выдержано в строго определенных пределах. Последняя особенность капиллярных трубок диктует необходимость применения их только в герметичных холодильных машинах, в которых менее вероятны возможности утечки хладагента из системы. Следует отметить, что величина зарядки хладагентом системы с капилляром существенно влияет на работу установки:

-недозарядка приводит к понижению температуры кипения;

-перезарядка приводит к влажному ходу и гидравлическому удару.

Возможность закупорки проходного сечения на входе в трубку грязью и на выходном конце льдом (выпадающим из маслохладонового раствора при понижении температуры в случае содержания влаги в системе) требует применения надежных фильтров - осушителей, размещаемых перед капиллярной трубкой. Трубка диаметром 0,8 мм (сечением 0,5 мм²) при кристаллизации всего 5 мг льда может быть забита на длине 1 см.

Для получения желаемых результатов можно применить различные сочетания длины и диаметра трубки. После ее установки следует помнить, что капиллярная трубка рассчитана на определенные условия работы, и всякое изменение нагрузки, температур конденсации или кипения по сравнению с проектными параметрами вызывает снижение эффективности работы холодильной машины. Минимально допустимый диаметр капиллярной трубки определяется техническим оснащением производства.

В большинстве случаев лучше брать трубку максимальной длины, поскольку проще ее укоротить, чем удлинить. Холодильная установка с длинной капиллярной трубкой мягче реагирует на изменение условий работы. Короткий капилляр увеличивает риск отклонения результатов от расчетов. Считается, что оптимальная длина капилляра не должна превышать 5000 внутренних диаметров (рекомендуется длина до 2,5 м). Если в течение испытаний необходимо укоротить капилляр, то его уменьшение на 2% изменяет температуру конденсации на 1 К. Изменение на 10 К температуры конденсации приводит к изменению температуры кипения приблизительно на 5 К.

2)Терморегулирующие вентили (ТРВ). Первый в мире механический терморегулирующий вентиль и сам термин «ТРВ» были предложены фирмой Alco Controls в 1925 году.

Cуществует большое количество различных типов механических ТРВ: разборные и герметичные, с фиксированным и регулируемым перегревом и т.д. Диапазон производительности этих ТРВ от 0,3 кВт до 1500 кВт.

Современные ТРВ отличают следующие особенности:

1. Разборная, модульная конструкция, облегчающая сервисное обслуживание;

2. Сменные клапанные узлы, работающие на любом из известных хладагентов (HFC, HCFC, CFC);

3. Наличие функции МОР, защищающей электродвигатели низкотемпературных компрессоров во время выхода системы на режим (ограничение максимального рабочего давления кипения).

Для испарителей, устанавливаемых в небольших шкафах, охлаждающих прилавках, применяют ТРВ с внутренним выравниванием.

Рекомендуется использовать ТРВ с внешним выравниванием при гидравлическом сопротивлении испарителя для систем кондиционирования ≥ 0,2 бар, для среднетемпературных режимов ≥ 0,14 бар и для низкотемпературных режимов ≥ 0,07 бар. Поэтому в низкотемпературных системах и для испарителей с распределительным устройством, состоящих из нескольких змеевиков (секций), ТРВ с внешним выравниванием должны использоваться практически всегда.

При внешнем выравнивании эффективнее работает испаритель и ТРВ:
- испаритель лучше заполняется жидким хладагентом;
- в ТРВ практически не конденсируется пар над мембраной.

Alco выпускает ТРВ и для сверхнизких температур кипения –45ºС ..-120ºС, в них применены хладостойкие материалы.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) является наиболее распространенным типом регулирующего устройства для холодильных установок средней величины. Название «терморегулирующий» может ввести в заблуждение, так как регулирование осуществляется не по температуре в испарителе, а по величине перегрева паров, отсасываемых из испарителя.

ТРВ устанавливают на жидкостном трубопроводе перед испарителем, при этом капсула крепится на всасывающем трубопроводе как можно ближе к испарителю. При наличии компенсации внешнего давления компенсационный трубопровод врезают во всасывающий трубопровод сразу после капсулы.

Капсулу рекомендуется устанавливать на горизонтальной части всасывающего трубопровода в зоне нижней трети его сечения (Рис.8.16). Размещение капсулы зависит от размеров трубопровода. Нельзя устанавливать капсулу внутри трубопровода, так как наличие масла может затруднить работу капсулы.

Капсула должна контролировать температуру перегретого пара на линии всасывания, поэтому устанавливать ее нужно таким образом, чтобы избежать влияния посторонних источников теплоты или холода. Если есть опасность попадания на капсулу потока горячего воздуха, ее нужно теплоизолировать.

Нельзя устанавливать капсулу после теплообменника; это может вызвать появление ложных команд в контуре регулирования.

Искажение команд может возникнуть, если капсула установлена вблизи агрегатов, имеющих значительную массу. Установка капсулы на вертикальном участке или после масляной ловушки (петли) запрещена.

Механические ТРВ имеет следующие недостатки:

ТРВ замеряет перегрев не по дифференциалу температуры «до» и «после» испарителя, акосвенно через разность давлений в термобаллоне и в испарителе, поэтому следуетиспользовать ТРВ с заправкой, соответствующей данному хладагенту;

большинство ТРВ требуют сезонной регулировки перегрева, т.к. при изменении перепада давления перегрев «ползет»;

ТРВ имеют достаточно узкий допустимый диапазон изменения производительности 40 -120%;

ТРВ работает при постоянном перегреве, определяемом положением регулировочного винта, поэтому его возможности в регулировании производительности испарительной системы ограниченны;

ТРВ может эффективно и надежно работать только до определенного минимального перепада давления на нем, ниже которого регулирование становится невозможным;

ТРВ с функцией MOP при определенных условиях (когда в надмембранном пространстве температура заметно ниже, чем в термобаллоне) перестает чувствовать величину перегрева, в результате ТРВ «прикрыто», обеспечивая лишь минимальную подачу хладагента в испаритель; холодильная система скорее всего не выйдет на режим, давление кипения понизится до вакуума, компрессор будет отключен по низкому давлению.

Приборы, лишенные вышеуказанных недостатков - электронные расширительные вентили.

3)Электронные расширительные вентили. В современных холодильных установках и кондиционерах применяются электронные расширительные вентили (ЭРВ).

Существует два типа ЭРВ:
- импульсно – модулирующие;
- с шаговым двигателем.

Импульсно-модулирующий ЭРВ (вентили Alco Controls серии EX2 или АКV Danfoss) работает в прерывистом режиме (хладагент поступает в испаритель порциями): какой-то промежуток времени вентиль полностью открыт, какой-то – закрыт. В течение 6 секундного цикла вентиль один раз полностью открывается и один раз – полностью закрывается. Период открытия вентиля вычисляет электронный контроллер-термостат (например, серии EC2 Alco) в зависимости от величины перегрева в испарителе. Замер перегрева осуществляется напрямую температурными датчиками на входе/выходе испарителя .По сути импульсно-модулирующий ЭРВ является соленоидным вентилем с очень большим рабочим ресурсом (80 млн. циклов, ~15 лет работы). EX2 совмещает в себе функции расширительного и соленоидного вентилей, т.е. не только точно поддерживает перегрев (фиксированный или самонастраиваемый под «нагрузку»), но и перекрывает жидкостной трубопровод по сигналу термостатирующего контроллера ЕС2. Вентиль «нормально» закрыт (т.е. закрыт при отключении питания соленоидной катушки). Таким образом, можно заменить ТРВ, соленоидный вентиль, таймер оттайки, термостат и термометр двумя приборами, позволяющими полностью автоматизировать работу холодильной установки: вентилем EX2 и контроллером EC2. Некоторые практики все же рекомендуют устанавливать соленоидный вентиль с модулирующим ЭРВ.

Преимущества вентиля ЭРВ:
- диапазон регулирования производительности от 10% до 100%;
- один и тот же вентиль можно использовать с любым хладагентом и маслом;
- может работать на очень малых перепадах давления;
применение ЭРВ позволяет работать при низких давлениях конденсации (в связи с малым гидравлическим сопротивлением этих вентилей) и тем самым экономить электроэнергию, потребляемую компрессорами. Так, для AKV 10-4 ( Danfoss)при уменьшении перепада давления с 12 до 6 бар снижение хладомощности составляет только 10%;
- идеальное поддержание перегрева на минимальных значениях (не менее 30C – безопасный уровень для компрессора; у механических ТРВ не менее 6..8 ⁰C);
- режим автоматически самоподстраивающегося перегрева позволяет отказаться от сезонной регулировки перегрева;
- идеальная работа с функцией МОР.

Импульсно-модулирующий ЭРВ EX2 выпускается производительностью только до 17 кВт (R22) из - за возможных гидроударов в испарителе. Для производительностей свыше 20 кВт Alco Controls рекомендует использовать ЭРВ с шаговым двигателем.

ЭРВ с шаговым электродвигателем может работать как обычный запорный вентиль, как ТРВ с расширенными возможностями и - по любому наперед заданному закону.

Обе модели ЭРВ при работе получают команды от двух термисторов, фиксирующих перегрев хладагента в испарителе, или от термистора, установленного на выходе из испарителя и датчика давления кипения. Второй вариант предпочтительнее.