Главные статьи

Построение холодильных циклов в Log P-h диаграмме.

 

            От умения правильно пользоваться диаграммами во многом зависит качество работы инженера. В данной статье рассмотрен пример и даны основные понятия по построению цикла и определению исходных данных.

 

1. Исходными данными для построения цикла служат:

- Температура воздуха в обслуживаемом холодильной установкой объёме, °С;

- Температура воздуха на улице, °С;

- В случае, если применяется промежуточный теплоноситель, то его температуры.

2. Для того, чтобы определиться с исходными данными необходимо понимание протекания процессов холодильного цикла и общепринятых констант как в изготовлении, так и в проектировании.

 

Принимая во внимание, что расчёты теплообмена довольно сложны, производители и проектировщики приняли типовые коэффициенты для расчётов и подборов оборудования. Эти коэффициенты прежде всего – температурные напоры.

Температурный напор.

Для конденсаторов:

а) Температура конденсации и температура на выходе после конденсатора. Разность составляет от 5 до 10 °С.

Температура конденсации и температура на входе в конденсатор. Разность составляет от 10 до 20 °С.

Переохлаждение в конденсаторе от 4 до 7 °С.;

Для испарителей:

б) Температура воздуха на входе в испаритель и температура воздуха после испарителя:

- климатическая техника (без образования инея на поверхности) от 5 до 10 °С.

- средний и низкий холод от 3 до 5 °С.

Температура воздуха на входе в испаритель и температура кипения в испарителе

- климатическая техника (без образования инея на поверхности) от 15 до 20 °С.

- средний и низкий холод от 5 до 10 °С.

Перегрев паров при охлаждении воздуха от 5 до 8 °С.

в) Температура воды на входе в испаритель и температура воды после испарителя

от 6 до 8 °С.

Температура воды на входе в испаритель и температура кипения в испарителе 10 °С.

Перегрев паров при охлаждении воздуха от 5 до 8 °С, при охлаждении воды от 4 до 8 °С. Обычно задаются перегревом не ниже от 6 до 8 °С.

г) Температура нагнетания после компрессора в районе от 60 до 90 °С.

 

3. Перейдём к диаграмме. Что представляет диаграмма Log P-h.

Пограничная кривая или линия насыщения изображена в виде «горба», и разделяет области состояния газа.

- Верхняя точка «горба» характеризует критическую температуру. Выше неё газ возможно сконденсировать применяя транскритические схемы с газовыми охладителями, эжекторами и т.п., или каскадные схемы.

- Точка критической температуры газа делит «горб» на 2 части.

Левая часть и всё что за ней влево – область жидкости.

Правая часть и всё что за ней вправо – область газа.

Внутри «горба» - область пара, а нисходящие линии из точки критической температуры характеризуют паросодержание. Параллельные линии оси ординат (энтальпии) внутри «горба» характеризуют изотермы и соответствуют температурам.

Параллельные оси абсцисс (давление) линии – адиабаты. Наклонные вправо – изохоры. Сетка соответствует абсолютному давлению (Pманометра + 1 бар) и энтальпии.

! Линии конденсации и расширения строятся по изотермам. Линии дросселирования и сжатия в компрессоре строятся параллельно адиабатам.

4. Теперь понимая, что к чему можно приступать к определению исходных данных.

Возьмём, например задачку для цикла холодильной установки в камере хранения цветов цветочного магазина в г. Москва.

 Испаритель будет охлаждать воздух в камере. Температуру в камере примем +10 °С.

Ориентируясь на п.п. 2. б), температура кипения в испарителе будет 0 °С. Эта область работы соответствует среднетемпературному холодильному оборудованию с диапазоном Т кипения +5 / -15 °С. Эти диапазоны характеризуют типы компрессоров, применяемых в схемах. Т.к. существует привязка к массовым расходам прокачиваемого компрессором газа, и, соответственно к рабочим токам электродвигателей и рабочим полостям сжатия.

Итак, мы получили первую исходную точку. Она составляет: То= 0 °С.

Среднетемпературное торговое (а в нашем случае именно торговое – холодильные моноблоки и сплит-системы т.к. объёмы таких камер небольшие, требуемые холодопроизводительности также небольшие) холодильное оборудование в основном работает на фреоне R-404a. Может применяться фреон R-507a, но он чаще используется в промышленном холоде.

Итак, мы определились с рабочим телом (газом). Это фреон R-404a.

Получить вторую точку можно из справочников по климатологии, или задавшись температурными условиями работы конденсаторов. Из п.п. 2.а) мы знаем температурный напор. Примем его значение = 15 К (°С). Для Москвы примем уличную температуру в тёплое время года Тн= +28 °С. Тогда температура конденсации составит:

Тк = + 43 °С.

Итак, мы получили вторую исходную точку. Она составляет Тк = + 43 °С.

 

5. Получив исходные данные, а их в данном примере только часть, можно приступать

к работе в диаграмме. Существует несколько программ, позволяющих выполнять построения, рассчитывать параметры циклов. Наиболее популярные Solkane и CoolPack. Вооружимся Solkane.

Выбираем тип хладагента, вводим значения: То, Тк, перегрева, переохлаждения. Если выполнить расчёт нагрузок и теплопритоков, то можно задать значение требуемой холодопроизводительности.

В примере мы приняли Qхол. = 2500 Вт. и То = -15 ºС (реальная сплит-система) и 0 ºС (расчётная Т)

Выводим диаграмму для просмотра:

 

 

Выводим таблицу входных данных, где можно посмотреть значения во всех точках процесса.

Выводим таблицу с показателями производительности. По этим параметрам можно ориентироваться при выборе элементов холодильного контура, конструировании холодильной машины, и проч..

По пученным из диаграммы данным и используя формулы из учебников не сложно найти требуемы значения рабочих параметров холодильной установки.

Надеемся, что материал был полезен инженерно-техническому персоналу предприятий, обслуживающему холодильное оборудование. А так же новичкам холодильной индустрии.

Вы можете проконсультироваться у нас по всем возникающим вопросам.

Построение схем холодильного контура

с насосной циркуляцией хладагента.

(примерные расчёты,  описание)

Современные мировые тенденции развития холодильной индустрии диктуют нам новые условия, в которых многие технические решения прошлых лет вновь становятся актуальными. Это связано с переходом на природные хладагенты по экономическим показателям. Одним из эффективных решений как на ГФУ, так и на природных хладагентах, является схема с затопленным испарителем.

Схемы с затопленным испарителем бывают двух видов:

- С гравитационным побуждением, когда все испарители и аппараты находятся на примерно одном уровне с циркуляционным ресивером (ЦР), и жидкий хладагент поступает в них под действием сил от уровня жидкости в ЦР и разряжением паров над зеркалом жидкости в ЦР.;

- С принудительным побуждением, когда все потребители холода запитываются от насоса, перекачивающего жидкий хладагент из ЦР к потребителю. Это позволяет существенно увеличить кратность циркуляции хладагента в приборах охлаждения, но одновременно такая схема более сложная.

Схемы с гравитационным побуждением (естественной циркуляцией) довольно хорошо освещены в литературе и их мы не рассматриваем далее. Насосно-циркуляционные схемы представляют направление с большим профессиональным интересом из-за их вариабельности и множества технических нюансов как при проектировании, так и в наладке с эксплуатацией.

            Отправной точкой в реализации насосно-циркуляционной схемы, как и любой иной, служит задание технолога. В котором прописывается:

- вид производства;

- виды продукции и ее оборот в сутки;

- температурные режимы;

- удельные показатели по продукции, характеризующие начало процесса охлаждения и окончание;

- временные рамки набора температуры и технологическая цепочка;

- объёмно-планировочные решения и пути движения продукции;

- прочие технические требования.

От полноты и правильности задания технолога во многом будет зависеть качество работы холодильного оборудования и его долговечность.

Какие параметры рассчитываются при выборе оборудования:

- Кол-ва тепла, отводимое от продукта.

Q=m(iп-iв1000/T х 3600), где

m-суточное поступление продукта(кг/сут), iп и iв--удельные энтальпии продукта при температуре поступления и температуре выпуска(кДж\кг), Т--время холодильной обработки(час). Время по норме 22-24 часа для обработки воздухом, 3 - 8 часов при контактном способе, в зависимости от толщины блоков и вида продукта.

Большую сложность вызывает нахождение энтальпий продукта. Эта информация содержится в специализированном ПО, либо справочниках по технологии, и за редким исключением в литературе по холодильному делу в ограниченном объёме. Можно посмотреть в таблицах Рютова Д.Г., или зарубежной литературе.

Время заморозки и криоскопическую температуру можно приблизительно рассчитать по программе CoolTime, либо расчётным формулам из справочников.

Встречаются упрощённые методики типа:

Q=m х K / Т, где К- коэф-т для процессов замораживания и охлаждения,

и более сложные с учётом кол-ва вымороженной влаги, и проч. параметров.

Так же необходимо особое внимание уделять теплопритокам/теплоизбыткам, качеству сборки строительных конструкций, наличию тамбуров при переходах в зоны низких температур, режимам работы установки и связанных с ними дополнительными нагрузками на компрессор.

Так же остановимся подробнее на параметре кратности циркуляции.

Этот параметр необходим для определения производительности циркуляционного насоса.

Достаточное снабжение испарителей хладагентом необходимо для того, чтобы:

•  полностью задействовать площадь поверхности теплопередачи испарителей;

•  гарантировать равномерное распределение между несколькими испарителями, подвергаемыми разным нагрузкам.

Коэффициент циркуляции рассчитывается следующим образом:

Коэффициент циркуляции    =    производительность подачи насоса / испарившийся хладагент = 

М насоса / М Qо

 Так, например, коэффициент циркуляции 4 означает, что 3 части хладагента отводятся

назад в жидком состоянии, а 1 часть испаряется.

Коэффициент циркуляции зависит от типа испарителя и условий эксплуатации.

Чем выше нагрузка или количество циклов нагрузки, тем больший коэффициент циркуляции должен выбираться. Известная компания WITT рекомендует следующие значения:

Примерное значение напора на линии подачи жидкости после насоса должно составлять около 35-38 м..

Помимо этого, необходимо обращать внимание на конструктив аппарата, как организованы линии подачи жидкости, линия парожидкостной фракции, на степень загрязненности внутренних поверхностей, и т.д..

Особенности обвязки эксплуатации и наладки циркуляционных насосов, отдельная тема.

Много вопросов по проработке схемы холодильного контура можно решить на базе оборудования WITT. В спектр их продукции входят такие элементы насосно-циркуляционных схем как:

Насосы

HRP

 

и GP

 

Экономайзеры для обеспечения режимов работы винтовых компрессоров

 

Поплавковые регуляторы жидкости

 

 

И другие схемные решения высокого качества.

Всё это применяется для обеспечения требований нормальной и эффективной работы холодильной установки.

Например, с помощью поплавковых регуляторов решаются вопросы увязки нескольких конденсаторов равной или различной мощности, обеспечение оттайки горячими парами, обеспечение качественной работы экономайзера.

С помощью ректификатора (выпаривателя) масла

Решается очень важный вопрос возврата масла из циркуляционного ресивера.

Это очень важный момент. Смазочные масла, применяемые для ГФУ в большинстве случаев, замерзают при -24 °С. При этом для схем с температурами до -15 °С возврат масла нужно вести от 3-х уровней на одном из торцов ЦР. Довольно часто температуры гораздо ниже, и масло уже густеет очень сильно, ложится на дно ЦР, далее подхватывается насосом и вместе с жидким хладагентом подаётся в систему циркуляции. Это крайне негативно сказывается на работе как самого насоса, компрессоров, так и элементов обвязки аппаратов и их теплообмене. В этом случае с напорной ветки циркуляционного насоса устраивается отбор части жидкости, которая подаётся через ректификатор в выпаренном состоянии вместе с маслом во всасывающий коллектор холодильной централи.

(продолжение следует.)

Казалось бы всё просто и понятно. Заполнили блок-формы продуктом, загрузили в аппарат, включили компрессорную, и жди положенное время. И тут что-то пошло не так. Смены спланированы, тоннаж в сутки расчитан, а продукт замерзает за 8 часов вместо положенных 3-х.
Давайте разберёмся с схемой гидравлических контуров. 
Каждый проектировщик знает что схема насосной циркуляции состоит из:
- контура сжатия паров хладагента включающего холодильный агрегат, конденсатор, маслоотделитель, маслоохладитель и экономайзеры (для винтовых компрессоров), ректификатор выпариватель на линии возврата масла, жидкостной ресивер;
- контура насосной циркуляции хладагента состоящего из циркуляционного ресивера, насосов, трубопроводов обвязки аппаратов потребителя и арматуры:
- потребителей. Ими могут быть воздухоохладители (в т.ч. шокеры), плиточные скороморозильные аппараты.
Что же не так может быть с схемой? На самом деле всё. Если с стороной контура сжатия более-менее понятно, то с оставшимися двумя контурами не всё так просто. Есть ещё проблемы механического характера связанные с работой подпрессовки, контакта форм с плитой, кратность циркуляции воздуха, теплопритоками и влагой. 
Давайте разбираться по порядку с принципами работы.
1. Криоскопическая температура. Это один из самых важных показателей, влияющих на время заморозки. У каждого продукта она своя, и характеризует время, за которое вся влага в объеме продукта переходит в твёрдое состояние т.е. в лёд. Только после этого перехода, температура замораживаемого продукта начинает стремительно снижаться. Для мясных блоков значение криоскопической температуры обычно составляет от -1,7 до - 2,5 градусов Цельсия. А время набора этой температуры варьируется от высоты блок-формы т.е. толщины блока, и качества укладки продукта в форме. Воздушные зазоры только увеличивают время заморозки.
2. Следующий параметр не менее важен. Это контакт поверхностей и подпрессовка. Крайне важно применять заводские фирменные формы и следить за исправным состоянием гидравлической станции. Продукт обязательно должен полностью заполнять форму без воздушных полостей и с обеспечением контакта в верхней части. В случае заморозки воздухом крайне важно выдерживать схему расстановки рамок с продуктом и скорость омывания воздухом.
3. Объём замораживаемой продукции. Необходимо правильно выбирать количество скороморозильных аппаратов. Нужно учитывать, что если кол-во аппаратов в одной схеме более одного, то часы загрузок-разгрузок совпадать не будут. Соответственно при работе в режиме заморозки одного аппарата, другой может находиться в оттайке. В большинстве случаев оттайка приводит к резкому повышению нагрузки на агрегат, и если он неверно подобран, то обязательно будет провал режима, и увеличение времени заморозки. Работа персонала должна быть организована таким образом, чтобы строго выполнялись все инструкции и регламенты.
4. Качество оттайки. Во избежание термического ожога продукта допускается производить разгрузку на холодных плитах. Но после этого обязательно необходимо провести полный цикл оттайки. Для чего это нужно? 
- Во первых удаляя лёд с поверхности плит вы на следующей заморозке обспечите правильный контакт формы с плитой. 
- Во вторых лёд образуется не только на плитах, а и на анакондах - гибкой подводке к плитам. Зачатую этот лёд настолько блокирует подвижность анаконд, что они либо рвутся, либо раскручиваются на плитах, давая большие утечки хладагента. Это сильно бьёт по бюджету любого предприятия. 
- В третьих - необходимо обеспечивать возврат масла в систему смазки компрессоров. Обычно на агрегаты устанавливают винтовые компрессоры. Масла, применяемые для смазки в подобных схемах гарантированно замерзают при -24 градусов Цельсия, превращаясь из жидких плавающих на поверхности фреона в загустевшее и более плотное масло (как мёд). Оно уже не плавает на поверхности, а ложится на дно циркуляционного ресивера, и насосом подаётся в систему. Соответственно количество масла которое залегает в аппаратах может достигнуть критического уровня. А учитывая особенности подключения затопленных схем, вернуть его возможно только проведением порой нескольких серий продолжительных оттаек.
5. Правильность проведения расчётов и подбора оборудования.
Как ранее отмечалось, оттайка сильно нагружает систему. Также от вида продукта будет зависеть холодильная мощность развиваемая компрессором. При криогенных температурах массовые расходы невелики, а производительности конденсатора должно быть достаточно для снатия первичного перегрева и конденсации фреона. Объема жидкостных ресиверов должно хватать для обеспечения работы схемы, а в идеале для возможности эвакуации всего фреона из циркуляционного ресивера. К выбору арматуры и насосов в линии подачи жидкости нужно подходить особо тщательно, учитывая особенность поведения масла. На парожидкостной линии сечения арматуры и трубопроводов должны быть достаточными для нормальной работы аппарата. Линию подачи горячих паров тоже нужно подбирать соответствующего сечения. Объёмы сосудов и проч. информацию можно посмотреть в ПБ на фреоновые и аммиачные установки. 
Проектировщику необходимо помнить, что агрегат и насос различные контуры с своими особенностями подбора, а подпитка циркуляционного ресивера при неверном расчёте и выборе схемы лишь увеличит нагрузку на агрегат, гарантированно обеспечив просадку режима заморозки.
6. Ремонты планово-предупредительные. Обычно раз в год оборудование останавливается для выполнения санитарных требований. На это время рекомендуется планировать и работы с хододильным оборудованием - сердцем системы. Помимо круглосуточного наблюдения и сервисного обслуживания, во время остановки рекомендуется обслужить компрессоры и насосы. Обслуживание винтового компрессора включает его разборку, дефектовку, замену подшипников, сальников, прокладок. Цена от 110 до 200 тыс. руб.. Работы выполняются не на месте, а в специализированных сервисных центрах. Время для одного компрессора около 1 недели. 

Выполняя эти рекомендации и учитывая описанные нюансы, вы сможете избежать проблем в будущем.