Холодильные установки с малой заправкой при применении микроканальных теплообменников: возможность для расширения сферы применения аммиака. Часть 1

В данной статье рассматриваются возможности снижения объема заправки аммиачных систем охлаждения, в целом, и, частности, в холодильных установках с небольшим объемом заправки. Основной упор делается на снижение количествааммиака в теплообменниках, в особенности в микроканальных, а также предоставляется информация о разработке новых технологий компрессорных установок, в частности, о первом в мире герметичном спиральном компрессоре. Данные параметров паросодержания аммиачного потока в микроканалах представлены в статье наряду с данными системы и компрессора воздушного охлаждения. Данная статья также раскрывает неоспоримые преимущества использования аммиака в микроканальных системах в сравнении с другими охладителями.


1. ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ


Автор придерживается мнения, что малая заправка аммиачной системы, в частности чиллеров, используемых для охлаждения или кондиционирования воздуха, в качестве элементов вторичного контура или каскадной системы, гарантирует отличные возможности проникновения аммиачных систем на современный рынок холодильного оборудования. Таким образом, отличные термодинамические и физические свойства хладагента могут быть использованы в полной мере, а подобные системы будут легко приняты в соответствии с местным законодательством из-за крайне малой заправки. Для того чтобы обеспечить высокую эффективность системы, необходимо рассмотреть работу основных элементов, а также осуществить разработку/модификацию таких компонентов:


1. Низкая заправка змеевика теплообменника отвода теплоты (конденсатора), в частности, воздушное охлаждение со всеми наиболее сложными вопросами, связанными с высокой температурой;


2. Компрессор герметичный/полугерметичный;


3. Возможное, но не обязательное, применение смешивающихся масел;


4. Положительное влияние низкой заправки испарителей (разнообразные пластинчатые теплообменники);


5. Конструкция системы трубопроводов и дополнительное оборудование


Таким образом, становится ясным, что мы очень близки к тому, чтобы воплотить подобные системы в жизни: микроканальные конденсаторы для аммиачных и малых систем были представлены раннее (Литч и Хрняк [9], [16], Хрняк [18], [19]), в то время как компания «Майком» в прошлом году в Международном институте аммиачного холодильного оборудования и Университете Пердью анонсировала создание нового полугерметичного компрессора для работы с аммиаком.


2. ПОЧЕМУ НЕОБХОДИМО СНИЖАТЬ ЗАПРАВКУ АММИАКОМ


Снижение количества аммиака в системах охлаждения имеет следующие очевидные преимущества:


• Уменьшение рисков. Снижение объема заправки открывает возможности для использования превосходных хладагентов (высокая эффективность термодинамического цикла, хорошие теплофизические свойства для улучшения теплообмена и снижение потерь давления и т.д.), с высокими показателями воспламеняемости и/или токсичности. Цель состоит в том, чтобы сократить заправку подобными хладагентами настолько значительно, чтобы избежать жестких законодательных ограничений. Данное утверждение особенно актуально для таких веществ, как аммиак и углеводороды.


• Повышение эффективности. Значительное улучшение рабочих показателей проявляется при циклической работе установки из-за низкого эффекта миграции холодильного агента в нерабочем состоянии.


С другой стороны, снижение заправки ниже определенного уровня может привести к проблемам в работе установки по следующим причинам:


• Относительно небольшая утечка может привести к недостаточной заправке, которая значительно снизит эффективность работы системы.


• Снижение, достигнутое путем чрезмерного уменьшения гидравлического диаметра трубок, может повлиять на эффективность и, возможно, производительность системы.


По сравнению с другими холодильными агентами применение аммиака открывает широкие возможности для уменьшения заправки. Простое сравнение показателей свидетельствует о больших потерях давления по сравнению с другими хладагентами. Данный эффект является результатом меньшей плотности паров, в результате чего увеличивается скорость и тем самым увеличивается коэффициент падения давления при том же расходе рабочего вещества. Тем не менее, высокий показатель удельной теплоты парообразования аммиака может привести к десятикратному снижению массового расхода, необходимого для обеспечения данной производительности. Таким образом, показатели эффективности для аммиака, как мы убедимся ниже, являются значительно лучшими в сравнении с другими хладагентами, демонстрируя, что аммиак может быть применен с высокой эффективностью в микроканальном теплообменнике. Кроме того, очень низкая плотность пара способствует увеличению коэффициента паросодержания в теплообменниках в сравнении с другими хладагентами. Использование несмешивающихся масел приводит к уменьшению количества хладагента в картере компрессора.


3. СТРАТЕГИИ СОКРАЩЕНИЯ ЗАПРАВКИ ХЛАДАГЕНТОМ


Для уменьшения заправки хладагентом можно использовать дополнительную среду (вторичный хладагент или хладоноситель) в системе охлаждения, которая несет меньше потенциальных рисков, нежели аммиак и, таким образом, снизит количество аммиака в системе. Основным вариантом снижения заправки является применение каскадных или систем с промежуточным хладоносителем, которые фактически превращают систему охлаждения в чиллер с одно- или двухфазным вторичным хладагентом. Все эти варианты были и остаются очень популярными для снижения заправки при использовании аммиака, а также во избежание утечек аммиака в местах скопления людей.


Другой способ заключается в уменьшении количества жидкости в сосудах путем уменьшения или объема или уровня жидкости. Сокращение внутреннего объема за счет уменьшения гидравлического диаметра труб и теплообменников является безопасным и наиболее эффективным способом сокращения заправки хладагентом, таким образом, мы можем подумать о путях реализации данной цели:


1. Жидкостный трубопровод:


Предполагая, что длина труб является заданной и не может быть уменьшена, сокращение диаметра является очевидной альтернативой. Диаметр трубы должны быть как можно меньше. Очевидным следствием уменьшения диаметра является увеличение падения давления. Падение давления в жидкостном трубопроводе высокого давления не влияет на эффективность системы, так как данный процесс является частью процесса дросселирования, но необходимо избегать вскипания жидкости в трубопроводе. Жидкостный трубопровод низкого давления (при наличии) должен быть как можно короче, также необходимо внимательно отслеживать падение давления, оценивая его воздействие на холодильный коэффициент.


2. Трубопровод возврата:


Уменьшение диаметра трубопровода возврата (двухфазный между испарителем и отделителем жидкости или однофазный всасывающий трубопровод компрессора) ограничивается воздействием на холодильный коэффициент, поскольку любое увеличение падения давления на всасывающем трубопроводе влияет на потребляемую мощность компрессора.


3. Теплообменники:


Самый простой способ снизить внутренний объем в теплообменниках – это уменьшить внутренний диаметр, но это в целом увеличивает падение давления с воздействием, схожим на эффект, который мы можем видеть на всасывающем трубопроводе. В данном случае существуют различные варианты снижения заправки хладагентом:


• Уменьшить внутренний объем, но не увеличивать падение давления;


• Управлять массовой скоростью, чтобы увеличить паросодержание;


• Использование различных видов теплообменников.


Уменьшение внутреннего объема без увеличения падения давления и внутреннего сопротивления теплопередачи можно добиться путем уменьшения внутреннего диаметра или изменения формы (например, придание каналам плоской формы, что применяется в случаях использования пластинчатых теплообменников). Эти параметры существенно изменяют соотношение внутренней площади к внутреннему объему. Контроль падения давления осуществляется за счет увеличения числа параллельных проходов, тем самым сохраняя или даже снижая массовую скорость хладагента. Такой подход очень эффективен, но, к сожалению, открывает другой комплекс вопросов, связанный с распределением двухфазной смеси. Существуют различные способы устранения проблемы распределения, но они не рассматриваются в рамках данной статьи.


Управление паросодежанием требует детального понимания вопросов применения технологии. Несмотря на то, что явление паросодержания тщательно изучено (см. Зиви [14], Буттерворт [5], Ньюэлл [10], и т.д.), насколько нам известно, данных об аммиаке нет, кроме публикаций Литча и Хрняка [9], а также Адамса, Хрняка и Ньюэлла [1], но и та и другая публикации направлены на изучение явления в условиях применения технологии микроканалов. Как правило, для заданного рабочего вещества и местного количества, определенное снижение заправки (увеличение паросодержания) может быть достигнуто увеличением массовой или тепловой скорости, влияющими на режим течения.


Адамс, Хрняк и Ньюэлл [1] внесли некоторую ясность относительно паросодержания аммиака в микроканалах. Основные результаты представлены на следующих двух рисунках, которые описывают данные о паросодержании в зависимости от кличества для трех массовых скоростей, а также сопоставление расчетов для однородной и Ниньо и др. [11] моделей.


рис. 1.jpg


Рис. 1: Паросодержание (ось ординат) аммиака в 6-ти канальном теплообменнике.


рис. 2.jpg


Рис. 2: Паросодержание (ось ординат) аммиака в 14-ти канальном теплообменнике.


Увеличение массовой скорости обычно приводит к увеличению падения давления, если только модель не предполагает наличие нескольких параллельных каналов и уменьшение длины. Параллельный поток предоставляет широкие возможности, но ограничением является разработка одноходовой технологии.


Тепловая скорость и, следовательно, массовая скорость влияют на другую сторону теплообменной поверхности. Как правило, воздушные теплообменники работают при меньших тепловых скоростях, меньшая теплоотдача со стороны воздуха компенсируется увеличением оребрения, в то время как применение воды увеличивает интенсивность теплообмена, что, обычно, приводит к уменьшению заправки хладагентом. На различных примерах было продемонстрировано, что применение холодильной установки с водяным охлаждением конденсатора является простым и эффективным способом снижения заправки хладагентом в сравнении с использованием конденсатора с воздушным охлаждением.


Теги: снижение заправки, аммиак, микроканальный теплообменник Автор: Хрняк Пега   |   16 Апреля 2014
Комментарии 0

Комментариев пока нет