Система автоматического регулирования температуры перегрева паров хладагента в испарителе.

Отвод теплоты из охлаждаемой среды происходит в испарителе в результате кипения хладагента при более низкой температуре. От того, насколько полно для отвода теп­лоты используются возможности ис­парителей, зависит эффективность работы всей холодильной установ­ки. Чем больше активная площадь поверхно­сти, через которую жидкий хлад­агент поглощает теплоту из охлаж­даемой среды, тем больше он ее от­ведет.

Теоретически максимальная холодопроизводительность испарителя будет при полном его заполнении жидким хладагентом. Однако пол­ное заполнение теплообменного ап­парата жидким хладагентом невозможно, поскольку при кипении образуется пар, который займет часть полез­ного объема испарителя. С другой стороны, полное заполнение не нуж­но и даже вредно, так как часть жидкого хладагента, не успевшего выкипеть в испарителе, попадет че­рез всасывающий трубопровод в компрессор. Это вызовет влажный ход компрессора, резкое снижение его холодопроизводительности и создаст условия для гидравличе­ского удара.

Для эффективной работы всей холодильной установки в целом тре­буется такое максимальное запол­нение испарителей, при котором жид­кий хладагент успеет выкипеть и во всасывающую магистраль поступит в парообразном состоянии.

Снижение заполнения испарителя жидким хладагентом приведет к увеличению объема, занятого его парами. Пар, ввиду низкого коэффициента теплоотдачи, значительно меньше отводит теп­лоту, чем жидкий хладагент в про­цессе кипения, поэтому холодопроизводительность испарителя понизится. Поглощая теплоту, пар выходит из испарителя перегретым до темпера­туры t_вых, где температура перегрева

∆t_п = t_вых. – t₀, (5.10)

где t₀ - температура кипения, °С.

Чем меньше жидкого хладагента в аппарате, тем больше будет перегрев его паров. Поэтому по перегреву паров хладагента оценивают степень заполнения испарителя жидким хладагентом.

Степень заполнения испарителя жидким хладагентом сохранится постоянной, если количество подаваемого хладагента будет равно выкипевшему хладагенту. Возрастание тепло­вого потока на аппарат приведет к более интенсивному парообразо­ванию и увеличению занимаемого в нем объема пара. При неизменной подаче заполнение испа­рителя жидким хладагентом в этом случае уменьшится. Очевидно, что для поддержания заданной сте­пени заполнения испарителя жидким хладагентом при изменении теплового потока должна меняться и подача хладагента в ис­паритель.

Для современных хладагентов при их бурном кипении основным показателем сте­пени заполнения является перегрев паров хладагента на выходе из испарителя. Этот принцип использо­ван в системе автоматического регулирования, изображенной на рис.5.10.

Рис.5.10. Система автоматического регулирования температуры перегрева паров хладагента в испарителе.

В ней объектом регулиро­вания является испаритель И, а авто­матическим регулятором, конструк­тивно выполненным совместно с ре­гулирующим органом,— терморегулирующий вентиль (ТРВ). ТРВ обеспечивает регулирование (поддержание постоянным) пере­грева паров хладагента ∆t_п на вы­ходе из испарителя И, тем самым поддерживая неизменной степень заполне­ния теплообменного аппарата жид­ким хладагентом. При повышении перегрева регулятор увеличивает подачу хладагента в испари­тель, при снижении — умень­шает.

Для определения температуры перегрева, температуру кипения хладагента в выражении (5.10), также как и температуру на выходе из испарителя, оценивают по значениям давления насыщенных паров, которым они соответствуют. В зависимости от места отбора давления кипения аген­та различают ТРВ с внутренним и внешним уравниванием давления. Рассмотрим принцип работы ТРВ с внутренним уравниванием давления(рис. 5.11).

Пусть ТРВ работает на испаритель И с малым гидравлическим сопротивлением. Тогда давление хладагента при движении внутри змее­вика будет практически одинаковым, а значит, одинаковой будет и температура его кипения. Температура паров хладагента на выходе из испарителя оценивается давлением насыщенных паров в термобаллоне 7. Мем­брана 5 сравнивает действие двух противоположно направленных сил: сверху от давления паров в термосистеме p_вах, состоящей из термобаллона 7 и капиллярной трубки 6, снизу – от давления кипения на входе в испаритель p₀ плюс усилие затяга настроечной пружины 2, за­дающее перегрев паров.Давле­ние p_вых зависит от температуры хладагента на выходе из испари­теля, давлению р₀ соответствует температура кипения t₀ хладагента. Таким образом, с помощью разности давления ∆р=р_вых—р₀ ТРВ косвенно определяет перегрев ∆t_п = t_вых — t₀.

Рис. 5.11. Принципиальная схема ТРВ

При увеличении теплового по­тока на испаритель повышается температура па­ров хладагента на выходе из него. Давление в термобаллоне 7 возрастает и передается по ка­пиллярной трубке 6 в верхнюю по­лость над мембраной 5. Перепад давления ∆р на мембрану увели­чится и через шток 3 вызовет даль­нейшее открытие клапана 1. По­дача агента в испаритель возрас­тет. Необходимо отметить, что увеличение открытия клапана 1, а значит и возрастание подачи жидкого хладагента в испаритель возможно толь­ко при росте перепада давлений на мембрану, т. е. перегрева.

Наоборот, при снижении тепло­вого потока температура паров хладагента на выходе из испари­теля понизится. Перепад давлений ∆р, действующий на мембрану 5, уменьшится, и клапан 1 под действи­ем пружины 2 убавит подачу агента в испаритель. Перегрев паров на выходе из испарителя начнет воз­растать. Однако новое установив­шееся значение перегрева паров бу­дет меньше прежнего, так как при­крытому положению клапана 1 должен со­ответствовать меньший перепад дав­лений, воздействующий на мемб­рану.

Таким образом, заданный пере­грев паров в испарителе поддер­живается терморегулирующим вен­тилем не строго постоянным, а в не­которых пределах, причем каждому значению подачи хладагента соответствует стро­го определенный перегрев.

Зависимость регулируемого па­раметра (перегрева паров ∆t_п) от подачи хладагента т_а изобра­жается статической характеристи­кой ТРВ (рис.5.12.). На ней точ­ка 1 соответствует минимальному перегреву ∆t_п^мин, при котором ТРВ начнет открываться. Для этой точки характерно закрытое положение кла­пана 1 (см. рис. 5.11) при равен­стве усилий, действующих на мем­брану 5 . Указанный перегрев называется перегревом на­чала открытия, или закрытым пере­гревом. Величина закрытого перегрева зависит от затяга пружины 2. Чем больше за­тяг, тем больший перегрев паров в испарителе потребуется для начала от­крытия клапана 1. При максимально сжатой пружине статическая харак­теристика сместится эквидистантно в крайнее правое положение (по­казана прерывистой линией). Точка 2 на статической характеристике определяет значение регулируемого параметра при номинальной подаче хладагента (m_а^ном = (75 - 85%)m_а^макс) m_а^ном.

Рис. 5.12. Статические характеристики ТРВ.

Разность δ = ∆t_п^ном — ∆t_П^мин, назы­ваемая неравномерностью регулиро­вания, показывает, на сколько ме­няется регулируемый перегрев при изменении подачи хладагента на испаритель от минимального до максимального значения. Неравномерность регулирования присуща каждому ТРВ, зависит от его конструкции, жесткости пру­жины и рода хладагента и лежит в пределах от 3 до 10°С. Глубина настройки ТРВ (4 - 8 )°С характеризуется разностью ∆t_п^мин(+) и ∆t_п^мин соответ­ственно при полностью затянутой и ослабленной пружине.

Приведенные статические харак­теристики ТРВ приводятся для опре­деленной температуры кипения и определенного давления в конденса­торе. Понижение температуры ки­пения увеличивает неравномерность регулирования перегрева (статиче­ская характеристика будет более пологой). Это обусловлено характе­ром кривой давления насыщенных паров хладагента.

Рассмотренный способ регулирования перегрева предполагает незначи­тельное изменение давления хлад­агента по ходу испарителя, при котором температура кипения прак­тически постоянна. В случае пита­ния испарителя, имеющего повышенное гид­равлическое сопротивление, давле­ние кипения p₀ при движении хлад­агента по аппарату падает. По мере падения давления снижается и тем­пература кипения t₀. Понижение температуры t₀ в конце процесса кипения вызовет падение темпера­туры паров агента на выходе из испарителя t_вых. Это изменение отра­зится на снижении давления p_вых над мембраной. Разность давлений на мембрану ∆р=р_вых — p₀ умень­шится и клапан 1 прикроется. При равных тепловых потоках в этом случае подача на испаритель уба­вится, а значит ухудшится запол­нение испарителя жидким хладаген­том. Следовательно, ТРВ с внутрен­ним уравниванием давления не смо­жет обеспечить качественное заполнение испарителя с высоким сопро­тивлением.

Чтобы оставить неизменной подачу хладагента в испаритель с по­вышенным гидравлическим сопро­тивлением, нужно сохранить преж­ний перепад давлений ∆р=р_вых — p₀ на мембрану. Разность ∆р сохра­нится постоянной, если уменьшаемое и вычитаемое изменятся на одно и то же значение. Из-за высокого сопротивления в испарителе умень­шается давление в термосистеме р_вых, действующее на мембрану сверху. Поэтому для сохранения преж­ней подачи нужно уменьшить и дав­ление, подводимое к мембране снизу.

Подобное решение реализовано в ТРВ с внешним уравниваниемдавления. В регуляторе перегрева этого типа мембрана изолируется от хладаген­та, поступающего в испаритель, сальником 4 (на рис. 5.11. показан прерывистыми линиями). Изолированная нижняя полость соединяется трубкой 8 (показана прерывистой линией) с хладаген­том на выходе из испарителя, около места крепления термобаллона 7. Таким образом, к мембране снизу подводится давление, пониженное на величинц гидравлического сопротив­ления в испарителе. В отличие от ТРВ с внутренним уравниванием давления перепад ∆р на мембрану сохранится прежним. Клапан 1 так­же не изменит своего положения. Подача и заполнение испарителя жидким хладагентом останутся неизменными. Гидравлическое сопротивление испарителя определяется его типом и назначением.

Так, испарители непосредственного охлаждения воз­духа имеют малое гидравлическое сопротивление (падение давления около 10 кПа). Поэтому его пита­ние может осуществляться терморегулирующим вентилем с внутрен­ним уравниванием. Подобные испа­рители выполняются в виде бата­рей с конвективным движением воздуха (рис. 5.13, а).

Рис. 5.13. Принципиальные схемы автоматического регулирования перегрева паров в испарителе

Воздухоохладители с принуди­тельным обдувом (рис. 5.13,6) из­готовляются для параллельно соеди­ненных секций. Гидравлическое со­противление всех секций практи­чески различно, что приводит к их неравномерному заполнению при питании от одного ТРВ. Равномер­ное распределение подачи в этом случае достигается введением рас­пределителя Р с большим гидрав­лическим сопротивлением.

Распределители (рис. 5.14) пред­ставляют собой устройства с кана­лами малого диаметра, от которых хладагент поступает к секциям испа­рителя.

Рис. 5.14. Распределители жидкости типа RD фирмы «Данфосс» а) –внешний вид; б) – разрез;

1 – конус; 2 – распределительная насадка; 3 – стопорное кольцо; 4 – диаметр распределительной насадки.

Так, если гидравлическое сопротивление секций испарителя 1,0; 2,0 и 3,0 кПа, то в последний аппарат из-за большой относительной разности сопротивлений посту­пит значительно меньше хладагента, чем в первый. Если в рассмотрен­ном примере установить распреде­литель с гидравлическим сопротив­лением 100 кПа, это даст сопро­тивление соответственно 101, 102 и 103 кПа на каждую секцию испа­рителя, и незначительная относи­тельная разность сопротивлений обеспечит равномерную подачу хлад­агента по всем секциям. Получен­ная равномерность подачи дости­гается определенной ценой: введение дополнительного сопротивления сни­жает холодопроизводительность ТРВ на 20—30%. Очевидно, что пита­ние подобных испарителей осуществляется ТРВ с внешним уравниванием давления.

Часто в системах автоматического ре­гулирования заполнения испарите­лей жидким хладагентом для объектов, требующих точного поддержания температуры перегрева паров хладагента на выходе из испарителей (например, на рефрижераторных судах, перевозящих бананы) применяется система термоэлектрической коррекции (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Принципиальная схема термо­электрического корректора работы ТРВ

Как отмечалось выше, при неизменном задании перегрева на ТРВ, боль­шей тепловой нагрузке на испари­тель соответствует больший пере­грев паров хладагента в нем, так как для увеличения подачи ТРВ требуется по­вышенная температура паров на выходе из испарителя. Это ведет к меньшему заполнению аппарата жидким хладагентом и снижению эффективности теплообмена в са­мый нужный момент — при высоких тепловых потоках. На трубопроводе 1 подачи жидкого хладагента в воз­духоохладитель 3 установлен ТРВ 2, термобаллон 7 которого с термоэлект­рической батареей 9 закреплен на выходе 8 из испарителя. Баллон и термобатарея изолированы от окружающего воздуха теплоизоля­цией 10. При повышении темпе­ратуры на одном из датчиков 5 более чем на 0,5 °С электронный блок 6 даст сигнал на соответствую­щий подогрев батареи 9, имитируя больший перегрев пара на выходе из воздухоохладителя. ТРВ увеличит подачу жидкого хладагента без возрастания перегрева паров, а зна­чит, без уменьшения заполнения испарителя жидким хладагентом. С понижением температуры в трю­ме 4 батарея 9 в соответствии с сигналом от блока 6 охладит термо­баллон 7, имитируя меньший пере­грев. ТРВ уменьшит подачу жид­кости.

Таким образом, термоэлектриче­ская батарея 9 играет роль усилителя корректора, позволяющего поддерживать заданное заполнение воздухоохладителя жидким хладагентом, практически не зави­сящим от тепловой нагрузки.

В заключении рассмотрим широко распространенные в судовых холодильных установках типы терморегулирующих вентилей.

а) б)

Рис. 5.16 а), б). Терморегулирующий вентиль типа TE2 фирмы «Данфосс».

1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка; 3 – мембрана; 4 – пружина; 5 – седло с дросселем; 6 – игольчатый клапан; 7 – сменный клапанный узел; 8 – фильтр; 9 – корпус; 10 – втулка; 11 – винт настройки перегрева;

Термочувствительная система ТРВ состоит из термобаллона 1, заполненного в зависимости от диапазона температуры кипения твердым наполнителем либо жидкостью (см .п. 7.7.5), капиллярной трубки 2 и полости над мембраной 3. Жидкий хладагент поступает в терморегулирующий вентиль через фильтр 8 сменного клапанного узла 7, который предохраняет дроссельное отверстие ТРВ от засорения. Клапан и седло изготовлены из специального сплава с высокими износостойкими характеристиками. Проходя через отверстие в седле 5, хладагент дросселируется от давления конденсации до давления кипения. Образовавшаяся холодная парожидкостная смесь по выходному штуцеру направляется в испаритель, а также в полость под мембрану. При снижении теплового потока падает температура паров хладагента на выходе из испарителя, а значит и температура термобаллона 1, в результате чего уменьшается перепад давления, действующего на мембрану 3. Под действием пружины 4 и втулки 10 клапанный узел уменьшает подачу жидкого хладагента в испаритель. Увеличение теплового потока вызовет возрастание температуры перегрева и рост давления в термобаллоне 1. В свою очередь это приведет к повышению перепада давления на мембрану и увеличению подачи жидкого хладагента в испаритель. Перегрев в испарителе можно изменять винтом 11.

Терморегулирующие вентили с внешним уравниванием давления применяются для испарителей с распределителем жидкости.

а) б)

Рис. 5.17 ,а), б). Терморегулирующие вентили TE 12/TE20 фирмы «Данфосс».

1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка; 3 – пружина; 4 – гайка; 5 – винт настройки перегрева; 6 – седло; 7 – клапан; 8 – мембрана; 9 – шток клапана; 10 – штуцер внешней уравнительной линии; 11 – сменный клапанный узел.

Пары хлад­агента, выходящего из испарителя, по уравнительной трубке через шту­цер 10 поступают под мембрану 8. Сверху на мембрану действует давление от термосистемы (термо­баллон 1, капиллярная трубка 2 и полость над мембраной), соответ­ствующее температуре перегретых паров хладагента на выходе из испарителя. С увеличением пере­грева возрастает разность давлений на мембрану 8, которая, преодо­левая усилие сжатия пружины 3, прогибается вниз, увеличивая открытие клапана 7. Хладагент из конденсатора поступает в ТРВ сни­зу, дросселируясь в отверстии седла 6, и проходит в испаритель. Клапанный узел 11 изолирует пары хладагента в испарителе от полости под мембра­ной. Перегрев начала открытия за­дается натяжением пружины 3. При повороте винта настройки перегрева 5 по часовой стрелке перемещается гайка 4 по направляющим корпуса вверх. Сжа­тие пружины 3 увеличивает закры­тый перегрев, что уменьшает по­дачу хладагента в испаритель.

В начале ХХI века для регулирования перегрева в испарителях появились электронные ТРВ типа AKV разработанные фирмой «Данфосс», работа которых основана на принципе пульсирующей модуляции (рис.5.18 )

Рис. 5.18. Принцип пульсирующей модуляции.

В течение периода, равного 6 с, клапан совершает цикл от­крытия-закрытия. В зависимости от нагрузки на испаритель время открытия клапана (τ_р), в течение всего цикла (τ_ц) различное. Более высокой нагрузке на испаритель соответствует и большее время открытия клапана.

Электронные ТРВ типа AKV (рис. 5.19) имеют ту же конструкцию, что и элек­тромагнитные соленоидные вентили с некоторыми изменениями, повышающими долговечность и надежность конструкции. В частности, примененная сис­тема гидравлического демпфирования в сочетании с изготовлением седла и подушки клапана из специального пластика, обладающего значительной механической прочностью, позволили существенно повысить их стойкость к кави­тации и надежность в работе, а тефлоновые направляющие сердечника клапана - уменьшить зазор между ним и гильзой.

Рис. 5.19 . Электронный расширительный вентиль типа AKV фирмы «Данфосс».

1 - входной патрубок; 2 - выходной патрубок; 3 -дроссельная вставка; 4 –клапан; 5 - подушка клапана; 6 – сердечник; 7 - прокладка; 8 - катушка;

Надежная и эффективная работа холодильной установки с традиционным механическим ТРВ будет только в том случае, когда его статическая характеристика (рис.5. , красная линия 1) при любых режимах эксплуатации не пересекает кривую минимального стабильного перегрева (Minimum Stable Superheat - MSS) своего испарителя , иначе требуется его настройка(см.п. 7.7.5).

а) б)

Рис. 5.20 а) – положение статической характеристики (1, 2) механического ТРВ и б) – положение статической характеристики (1) электронного ТРВ относительно кривой MSS.

Эта кривая MSS показывает минимальный стабиль­ный перегрев, необходимый для устойчивой работы холодильной установки в зависимости от нагрузки на испаритель. Как видно из рис. 5.20 , при максимальной нагрузке на ис­паритель система работает со слишком большим перегревом (показанным красными штрихованными линиями), что снижает холодопроизводительность установки. Уменьшение ста­тического перегрева (линия 2, рис. 5.20 ,а) позволит повысить холодо­производительность при максимальной нагрузке, однако любое снижение нагрузки на испаритель вызовет работу во «влажной, нестабиль­ной зоне» слева от кривой MSS (показана синими штрихованными линиями) с возникновением нежелательных пульсаций давления, которые могут привести к попаданию неиспарившегося жидкого хладагента в линию всасывания.

Использование электронных расширительных вентилей позволяет изменить форму статической характеристики ТРВ (рис. 5.20 ,б), реализовать адаптивное регулирование перегрева и добиться того, чтобы заданный перегрев сле­довал за линией MSS при любых нагрузках, обеспечивая при этом надежную и эф­фективную эксплуатацию холодильной установки.

Для измерения перегрева используют датчик температуры вы­ходящего из испарителя хладагента и преобразователь давления, измеряющий давление кипения. Адаптивное регулирование перегрева с помощью электронных ТРВ типа AKV показано на рис. 5.21 .

Контроллер, воздействуя на работу вентиля посредством пульсирующей модуляции, плавно уменьшает значение перегрева , пока амплитуда колебания давления не будет превышать определенно­го значения. Когда амплитуда колебаний превысит допустимый уро­вень, перегрев станет плавно увеличиваться, пока не будет достиг­нут стабильный режим работы. Таким образом, обеспечивается мак­симально эффективный перегрев в испарителе на всех режимах работы.

Рис.5.21 . Адаптивное регулирование перегрева.

Для управления электронными расширительными вентилями (до 4-х) служит электронный контроллер семейства AK 2, который дополнительно отслеживает обмерзание испарителя и проводит оттайку по необходимости.

При включении функции от­тайки по необходимости контроллер вычисляет во время ра­боты величину расхода воздуха для нормально работающего испарителя и сверяет ее с фактическим расходом воздуха конкретного испарителя. При уменьшении расхода воздуха последовательно выдает три сообщения:

• малое обмерзание испарителя

• среднее обмерзание испарителя

• сильное обмерзание испарителя

•

Рис. 5.22. Контроллер семейства AK2

При сред­нем обмерзании обслуживающий персонал может самостоятельно решить, должен ли контроллер проводить дополнительную оттайку или будет достаточно предупреждения о нарастании льда. В случае, если дополнительная оттайка не привела к уве­личению расхода воздуха, контроллер выдает сообщение о проблеме с производительностью испарителя, при полу­чении которого обслуживающие специалисты должны дополнительно обследовать и проанализировать его работу.