Дроссельные устройства

Для понижения температуры хладагента ниже температуры воздуха в охлаждаемом помещении используется процесс адиабатного (изоэнтропного) расширения хладагента в расширительном цилиндре (детандере) или изоэнтальпийный процесс дросселирования (перетекания хладагента от большего давления р_к к меньшему давлению р_и без совершения внешней работы). В малых холодильных машинах для понижения температуры хладагента используются дроссельные устройства — терморегулирующие вентили (ТРВ) и капиллярные трубки.

Терморегулирующий вентиль (клапан) (ТРВ), являющийся регулятором прямого действия, служит для автоматического регулирования количества жидкого хладагента, подаваемого в испаритель. В технике используются два типа ТРВ: сильфонного и мембранного.

Кроме ТРВ и капиллярных трубок, для регулирования подачи жидкого хладагента в испаритель в соответствии с тепловой нагрузкой на холодильную установку, применяются поплавковые регулирующие клапана (ПРК), которые бывают двух типов — низкого и высокого давления. ПРК низкого давление устанавливается на одном горизонтальном уровне с зеркалом испарения, поэтому изменение уровня хладагента в испарителе вызывает тождественное изменение уровня хладагента в камере ПРК, что фиксируется поплавком, открывающим (закрывающим) иглу клапана, регулирующего подачу хладагента в испаритель. ПРК высокого давления можно устанавливать на разных уровнях по отношению к испарителю. Наличие капиллярной трубки, соединяющей верхнюю полость поплавковой камеры с испарителем, приводит к тому, что давление в корпусе прибора всегда несколько меньше чем в конденсаторе, что надёжно обеспечивает поступление жидкого хладагента из конденсатора в поплавковую камеру прибора и далее — в испаритель.

В лаборатории имеются некоторые из рассмотренных дроссельных устройств. Учащиеся, на данном этапе изучения холодильных установок, должны четко уяснить назначение и место установки используемых дроссельных устройств.

3.6. Вспомогательное оборудование холодильных установок

Маслоотделители. Хладагент и масло в холодильной установке находятся в постоянном контакте, поэтому масло уносится хладагентом из компрессора в систему, попадая при этом в условия как высоких, так и низких (отрицательных) температур. Поэтому к маслам холодильных машин предъявляются особые требования:

– масло не должно химически взаимодействовать с хладагентом;

– масло не должно содержать кислоты, щёлочи, воду и механические примеси;

– масло должно иметь достаточно низкую температуру застывания и высокую температуру вспышки;

– для фреоновых установок необходимо более вязкое масло, так как фреон, растворяясь в масле, разжижает его.

Поэтому для смазки холодильных компрессоров разрешается применять только определённые марки масел в зависимости от используемого хладагента.

Количество уносимого масла зависит от типа компрессора, его производительности, марки масла и других факторов. Количество уносимого масла достигает 23...30 г. на каждые 100 м³/час часового объема компрессора. Масло увлекается парами хладагента в виде жидкости и пара.

Принцип действия большинства маслоотделителей основан на механическом разделении масла и хладагента, поэтому для отделения парообразного масла, его необходимо сначала сконденсировать. Для уменьшения уноса капелек масла, скорость паров хладагента в маслоотделителе не должна превышать 0.8 м/с.

Влияние масла на работу теплообменных аппаратов зависит от взаимной растворимости системы масло-хладагент, её параметров (t, р), принципа и условий работы аппарата. Так, жидкий аммиак мало растворяется в минеральных маслах, поскольку плотность аммиака (650кг/м³) меньше плотности масла (900), поэтому масло оседает в нижней части аппаратов. Наоборот, в испарителях, работающих на R22, при t_u=–20⁰С наблюдается ограниченная растворимость масла в фреоне, поэтому слой масло-фреон располагается над слоем фреон-масло, так как плотность жидкого R22 при этой температуре равна 1350 кг/м³.

Оседая на теплообменных поверхностях аппаратов холодильных установок, масло создаёт дополнительное тепловое сопротивление и уменьшает коэффициент теплопередачи.

В установках, работающих на R12, не наблюдается расслоение масла и фреона, так как при температурах испарения они растворяются неограниченно. Однако в испарителях затопленного типа масло скапливается в них и увеличивается его концентрация в растворе. В результате повышается температура кипения и увеличивается вязкость раствора, что ухудшает теплообмен.

Скопление масла в испарителе нежелательно, ещё и потому, что уменьшается количество масла в компрессоре, что отрицательно сказывается на его смазке. Поэтому в установках с неограниченной растворимостью масла в хладагенте возникает проблема возврата масла в картер компрессора.

В установках с ограниченной растворимостью масла в фреоне прежде всего необходимо предотвращать попадание масла в теплообменные аппараты. Для этого на нагнетательной стороне компрессоров устанавливаются маслоотделители. Отделение масла в маслоотделителе происходит:

– при резком уменьшении скорости паров хладагента (до 0.6 – 0.8 м/с);

– при изменении направления движения смеси.

В результате этого капельки масла сепарируются в нижнюю часть маслоотделителя, а пары хладагента и масла уносятся дальше в систему. В этих маслоотделителях улавливается в среднем не более 65% масла, что является их существенным недостатком.

Для повышения эффективности работы маслоотделителей их охлаждают водой, подаваемой в змеевик или в их зарубашечное пространство. При этом вода не должна быть слишком холодной, для исключения конденсации хладагента и возврата его в картер компрессора в виде жидкости. Поэтому для этой цели используют подогретую воду, выходящую из конденсатора или из зарубашечного пространства компрессора.

В настоящее время широко используются маслоотделители циклонного типа, в которых смесь масло-хладагент проходит сетчатую насадку, а затем попадает в полость с винтовой поверхностью, что способствует лучшему отделению капелек масла от паров хладагента. В некоторых маслоотделителях окончательное отделение масла от паров хладагента происходит в сетчатых фильтрах. Эффективность маслоотделителей такого типа достигает 99,9%. Перепуск масла непосредственно из маслоотделителя в картер компрессора опасен, так как с маслом могут поступать пары хладагента. Поэтому масло из маслоотделительных и теплообменных аппаратов возвращается в специальный бак для отработавшего масла, через маслосборник, давление в котором предварительно понижается. С этой же целью для уменьшения количества NH₃ в масле маслоотделитель перед выпуском масла подогревается. В фреоновых холодильных установках масло из системы специально не возвращается, а обеспечивается его рециркуляция вместе с фреоном.

Воздухоотделители. При длительной работе холодильной установки на вакууме, а также при её ремонте в систему хладагента может попасть воздух. Независимо от того, где и как воздух попадает в систему, он скапливается в конденсаторе и линейном ресивере, так как из всех остальных элементов холодильной установки воздух отсасывается компрессором вместе с парами хладагента. Скапливаясь в конденсаторе, воздух повышает общее давление конденсации (p_k=p_a+p_в) на величину парциального давления воздуха p_в. Температура конденсации хладагента будет соответствовать парциальному давлению хладагента p_a: t_к= f(p_a), создавая ложное впечатление о переохлаждении хладагента в конденсаторе, ибо манометр показывает общее давление в конденсаторе p_к., по которому обычно определяют температуру конденсации. Это видимое переохлаждение является объективным признаком наличия воздуха в системе. Для установления ложности переохлаждения необходимо измерить и сопоставить температуру жидкого хладагента, поступающего в линейный ресивер, с температурой t_к, соответствующей давлению по манометру на конденсаторе.

На практике о наличии воздуха в системе судят:

– по фактическому возрастанию давления конденсации, измеренному манометром, с теоретическим, определённым из соотношения p_к=f{t_з.в.+ (5…8)⁰С};

– по повышению температуры на нагнетательной стороне компрессора;

– по колебанию стрелки манометра на нагнетательной стороне. Последнее объясняется тем, что неконденсирующийся в этих условиях воздух создаёт при пульсирующей подаче компрессора так называемую упругую подушку.

Наличие воздуха и неконденсирующихся газов в системе изменяет физический процесс конденсации пара хладагента: газы на поверхности охлаждения (вокруг трубок) образует газообразную подушку, препятствующую поступлению паров хладагента к охлаждаемым забортной водой трубкам. В результате ухудшается процесс конденсации, уменьшается коэффициент теплоотдачи и, как следствие, коэффициент теплопередачи.

Возрастание давления конденсации является источником дополнительного расхода энергии, потребляемой компрессором. Более того, если воздух не удалять из системы, то давление конденсации может достичь опасных пределов, несмотря на низкую температуру забортной воды.

Несмотря на большую разность плотностей паров хладагента и воздуха разделение их в конденсаторе не происходит, поэтому, если воздух выпускать непосредственно из конденсатора, будут большие потери хладагента. Для уменьшения потерь смесь воздух-хладагент предварительно охлаждают в специальном аппарате — воздухоотделителе. Так, если аммиачно-воздушную смесь при давлении 1,2 МПа охладить до температуры минус 20⁰С, то парциальное давление аммиака в ней составит <10%. При аналогичном охлаждении фреоново-воздушной смеси содержание фреона составит 40%. Поэтому в фреоновых установках рекомендуется смесь предварительно дополнительно сжимать до 2...3 МПа во вспомогательном компрессоре небольшой производительности, а затем охлаждать.

Простейший воздухоотделитель, применяемый в аммиачных холодильных установках, состоит из змеевика, в который подаётся холодный жидкий аммиак, пропускаемый через дроссельный вентиль. Змеевик устанавливается в корпусе, в который поступает аммиачно-воздушная смесь из конденсатора. Аммиак, соприкасаясь с холодной поверхностью змеевика, конденсируется и стекает в ресивер. Воздух, с неизбежными остатками аммиака выпускается в атмосферу через невозвратно-запорный клапан, помещаемый в бачёк с проточной водой. При этом пары аммиака поглощаются водой. Бачок изготавливается из прозрачного материала, чтобы можно было наблюдать за выходом пузырьков воздуха: если их нет, то в системе нет воздуха, и воздухоотделитель следует отключить.

Чем ниже температура змеевика, тем лучшее отделение аммиака от воздуха. Основным недостатком таких воздухоотделителей является ручное управление их работой. Поэтому более широкое распространение получают автоматические воздухоотделители, в которых циклы выпуска воздуха из системы чередуются через 20...30с под управлением поплавкового клапана. Воздухоотделители такого типа монтируются выше линейного ресивера.

Выпуск воздуха из системы фреоновой холодильной установки значительно сложнее. В таких установках воздухоотделители не используются, но применяются устройства, предотвращающие попадание воздуха в систему. Так, в крупных фреоновых установках штатным оборудованием являются вакуумный насос. В этом случае после ремонта любого аппарата, аппарат и участки труб, соединяющие его с остальными элементами установки, перед включением в систему, тщательно вакууммируются.

Отделители жидкости обеспечивают защиту компрессоров от попадания в них жидкого хладагента, предотвращая гидравлический удар. Отделители жидкости применяют в системах непосредственного охлаждения и устанавливают на линии всасывания перед компрессором. В безнасосных системах охлаждения отделитель жидкости устанавливается в верхней части системы охлаждения для создания гидростатического давления, достаточного для подачи жидкого хладагента в приборы охлаждения. В насосно-циркуляционных схемах отделители жидкости могут устанавливаться ниже приборов охлаждения. В большинстве случаев отделители жидкости представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды. Процесс отделения жидкости происходит вследствие резкого изменения скорости и направления движения хладагента. Для предотвращения уноса капель хладагента скорость движения парожидкостной смеси в емкости не должна превышает 0,4...0,6 м/с. Как правило, через отделитель жидкости пропускается не только пар, всасываемый компрессором из испарителя, но и парожидкостная смесь, образующаяся после ТРВ и подаваемая в испаритель. В аммиачных установках в нижней части отделителей жидкости имеется также угловой вентиль для выпуска масла.

В насосных системах охлаждения жидкость из отделителя жидкости подаётся специальным насосом в испаритель. В этом случае отделитель жидкости выполняет функцию циркуляционного ресивера. В кожухотрубных испарителях роль отделителя жидкости играет сухопарник, устанавливаемый в верхней части корпуса испарителя.

В фреоновых отделителях жидкости предусматривается специальное устройство для возврата масла в картер компрессора: во всасывающем патрубке, помещаемом в большой цилиндр, делается небольшое отверстие, через которое масло из испарительной системы поступает во всасывающий патрубок компрессора.

Предохранительные клапана. Для гарантии безопасности эксплуатации судовой холодильной установки, обуславливаемой с не контролированным повышением давления хладагента в системе, на каждой холодильной установке устанавливается по два предохранительные клапана. Для проверки их исправности на отводящих трубопроводах устанавливаются смотровые устройства, наполовину заполняемые маслом. При неисправности (не плотности) предохранительного клапана аммиак в виде пузырьков проходит через слой масла. В фреоновых установках смотровые стёкла заполняют водой. Выпуск аммиака при срабатывании предохранительного клапана производится через аварийный коллектор в забортную воду.

Помимо защиты аппаратов от недопустимого повышения давления предусматривается возможность аварийного выпуска холодильного агента из системы. Для этой цели жидкостная часть каждого аппарата соединена самостоятельным трубопроводом с аварийным коллектором. Благодаря этому при крайней необходимости холодильный агент из любой части системы может быть выпущен за борт. Аварийный коллектор устанавливают у главного входа в рефрижераторное отделение под застеклённым ограждением. Каждый вентиль аварийного выпуска закрыт и опломбирован.

Ресиверы представляют собой ёмкости для сбора, создания и хранения необходимых запасов хладагента в системе. В зависимости от конкретного прямого назначения различают линейные, циркуляционные, дренажные, защитные и запасные ресиверы.

Линейные ресиверы предназначены для приема конденсирующего в конденсаторе хладагента, накапливания и равномерной подачи его в испарительную систему по мере необходимости. Линейные ресиверы устанавливают непосредственно после конденсаторов.

Жидкий хладагент самотёком поступает из конденсатора в корпус ресивера, который монтируется ниже конденсатора. Для уравнивания давлений в конденсаторе и ресивере на корпусе последнего предусматриваются два патрубка, к которым присоединяются жидкостной и паровой уравнительные трубопроводы. Для исключения попадания пара хладагента в испарительную систему конец жидкостного трубопровода, по которому жидкость отводится из ресивера в испарительную систему, находится под уровнем жидкости. Контроль уровня жидкости в линейном ресивере осуществляется с помощью стеклянных и/или дистанционных указателей уровня.

Циркуляционные ресиверы предназначены для накопления и сепарации жидкости хладагента перед подачей её в испарительную систему в насосно-циркуляционных системах охлаждения. Циркуляционные ресиверы устанавливаются между ТРВ и испарительной системой на стороне низкого давления. Циркуляционные ресиверы бывают как горизонтальными, так вертикальными. На судах применяются только вертикальные циркуляционные ресиверы отечественного производства. В отличие от линейного циркуляционный ресивер имеет патрубок для подключения насоса, подающего хладагент в приборы охлаждения, и комплектуется отделителем жидкости.

Дренажные ресиверы предназначены для приема конденсирующегося хладагента во время оттаивания приборов охлаждения (батарей и воздухоохладителей непосредственного охлаждения) и при необходимости освобождения от жидкости другого оборудования перед ремонтом. Дренажный ресивер может использоваться как линейный ресивер при соединении его со сливным трубопроводом конденсатора.

Защитный ресивер используют в безнасосных системах охлаждения для приёма жидкого хладагента при переполнении отделителя жидкости на стороне низкого давления. Конструктивно защитный ресивер аналогичен горизонтальному линейному ресиверу.

Запасной ресивер включают в схему судовой холодильной установки для создания запаса хладагента. Конструктивно запасной ресивер представляет собой горизонтальную цилиндрическую емкость с патрубками для подключения к соответствующим трубопроводам. Объём запасного ресивера зависит от хладагента: для R22 – 0,44…2 м³, а для R717 – 0,7…7 м³.

Предельное заполнение линейных и запасных ресиверов допускается не более чем на 80% их полного объёма; рабочее заполнение линейных ресиверов составляет 50%. Нормальное заполнение циркуляционных ресиверов составляет 30%.

При нормальной работе холодильной установки дренажные и защитные ресиверы жидкостью не заполняются. Циркуляционные, дренажные и защитные ресиверы имеют тепловую изоляцию.