Холодильные установки с малой заправкой при применении микроканальных теплообменников: возможность для расширения сферы применения аммиака. Часть 2

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.


4. ПОДХОДЫ И ДОСТИЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ И ТЕПЛООБМЕННИКАХ С МАЛОЙ ЗАПРАВКОЙ ХЛАДАГЕНТОМ


Уменьшение внутреннего объема обычно увеличивает соотношение поверхности к объему и, таким образом, не оказывает существенного влияния на сопротивление теплопередаче (имея в виду, что теплоотдача со стороны хладагента вряд ли может быть узким местом). Поэтому уменьшение гидравлического диаметра таким образом, чтобы эффект падения давления был минимальным, является наиболее рациональным подходом. Параллельное расположение каналов снижает падение давления, но ограничивает применение одноходовой конструкции. Таким образом, на сегодняшний момент, баланс между падением давления и эффективностью является основной целью исследований.


Увеличение паросодержания путем управления тепловым потоком и массовым расходом в некоторой степени способствует решению поставленной задачи. Условия, при которых задержка жидкости минимальна, возникают, когда скорости паров и жидкости одинакова, то есть в основном при нестационарном и неоднородном режиме течения. Более высокие значения массового расхода приводят к увеличенному паросодержанию. Схемы потоков в микроканалах также зависят от распределения поверхностного натяжения, характеризующего диапазон наличия нестационарного режима течения, в результате паросодержание характеризуется сходностью с однородным потоком практически по всей длине канала.


Конденсаторы с промежуточным отводом жидкости обладают улучшенными характеристиками теплопередачи и меньшим количеством жидкости, но технологически являются более сложными.


В данный момент развития технологии создания теплообменников, самый низкий объем заправки хладагентом был достигнут с применением микроканальной технологии, ниже он будет представлен более детально. Тем не менее, микроканальная технология не является единственным способом снижения заправки хладагентом. С другой стороны, превосходные результаты были достигнуты при использовании пластинчатого испарителя или конденсаторов с водяным охлаждением или охлаждением другими жидкостями (паяные, разборные, кассетные, кожухо-пластинчатые и т.д.). Автомобильная промышленность разработала пластинчатые испарители для воздушного охлаждения, но применение данной технологии ограничивается транспортными системами кондиционирования воздуха (авиация, автомобили, внедорожники и т.д.) Испарители с распылением жидкости также известны низкой заправкой хладагентом. Не следует забывать, что в микроканальных теплообменниках значительное количество жидкости задерживается в коллекторах.


Стандартные значения количества хладагента в больших теплообменниках, представленных Пирсоном [13], приведены в Таблице 1.


Таблица 1.jpg


Аюб в своих работах ([1] - [3]) сообщает о низком объеме заправки в испарителе с распылением жидкости и недавних усовершенствованиях технологии. Данные результаты приведены в Таблице 2


Таблица 2.jpg


Пирсон [13] сообщает, что «оптимальная заправка» холодильной установки составила 100 г/кВт. Оптимальное значение также учитывало дополнительный коэффициент заправки для компенсации утечек при эксплуатации.


Литч и Хрняк [9] описывают некоторые небольшие аммиачные системы со значением заправки хладагентом, приведенным в Таблице 3.


Таблица 3.jpg


Б. Палм [20] представил небольшую аммиачную систему (лабораторная установка моделирования бытового теплового насоса вода-вода) в рамках проекта «Шерпа». Наибольшей проблемой стал возврат масла обратно в компрессор в схеме непосредственного кипения, для решения которой были использованы смешивающиеся масла и теплообменник с узкими каналами. Подобные специальные теплообменники из алюминия были использованы в качестве конденсатора и испарителя. Пластинчатые теплообменники были также испытаны и использовались в качестве конденсаторов, но их применение в качестве испарителей оказалось невозможным в связи с проблемами возврата масла. Система с открытым компрессором обеспечивала холодопроизводительность 9 кВт при 100 г заправки (удивительный результат в 11 г / кВт, при половине заправки дала установка ILKA MAFA 100,2-11K45).


5. ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ


Последние достижения в области технологии производства микроканальных «труб» и теплообменников привели к расширению ряда важных рынков для массового производства и, следовательно, к возможности дальнейшего сокращения расходов. Такая ситуация создает возможности для применения микроканальных теплообменников в областях с традиционно мелкосерийным производством, например там, где используется аммиак.


5.1. Потенциальные преимущества микроканальных теплообменников


Документально подтверждено, что уменьшение диаметра канала увеличивает теплоотдачу, но не более чем на ~d-0.2. Большинство из установленных корреляций подтверждают это отношение.


Внутренний объем (а, следовательно, и заправка) снижается с уменьшением площади сечения. Это, безусловно, является преимуществом, потому что соотношение поверхности теплоотдачи к объему заправки увеличивается.


Микроканальные «трубы» имеют гладкую поверхность, что, как правило, влияет на уменьшение падения давления со стороны воздуха, по сравнению с аналогичными трубчато-ребристыми теплообменниками.


В результате проведения активных исследований в области складчатого, решетчатого, а также прерывистого оребрения теплообменная поверхность со стороны воздуха является детально изученной, а коэффициент теплоотдачи очень высоким, как правило, от 100 до 200 Вт/м2*К.


5.2. Основные вопросы внедрения микроканальных теплообменников


Уменьшение диаметра требует большего количества контуров, чем в обычных теплообменниках с применением круглых труб большего диаметра, для поддержания низкого уровня падения давления со стороны холодильного агента. Таким образом, использование традиционных распределителей не представляется возможным. Данное явление увеличивает значение распределения хладагента в коллекторах.


Структура оребренных трубок не способствует более легкому удалению конденсата при применении в качестве испарителя. С другой стороны, высокие коэффициенты теплоотдачи и управления потоком увеличивают плотность оребрения в микроканальных теплообменниках. Эти два элемента в сочетании делают процессы охлаждения и оттайки главной проблемой микроканальных испарителей. Хотя современные технологии предоставляют решение данной задачи, мы не являемся сторонниками использования аммиака в малых системах воздух-воздух. По сравнению с другими хладагентами, аммиак хорошо работает в микроканалах (портах). Высокая скрытая теплота парообразования обеспечивает высокое значение коэффициента отношения производительности к массовому расходу, поэтому массовый расход аммиака, проходящий через данный небольшой канал меньше, чем массовый расход большинства других хладагентов. С другой стороны, высокое значение удельного объема паров приводит к более высокому коэффициенту падения давления для такого же массового расхода. Таблица 4 и рисунок 3 представляют результаты сравнения между несколькими рабочими веществами при использовании микроканального конденсатора. Значение заправки показывает массу в трубах из расчета однородного потока, производительностью 2 кВт, при длине 2 м, при температурах кипения и конденсации 0 ° C и 40 °С соответственно, и с переменным сечением (размером канала), для обеспечения падения давления, снижающего холодильный коэффициент на 1 % для каждого из хладагентов. Более подробную информацию можно найти в работе Траегера и Хрняка [15].


Таблица 4.jpg


Несмотря на упрощения, эти результаты ясно показывают большие возможности по сокращению объема аммиака для заправки системы в микроканальных теплообменниках по сравнению с другими хладагентами. Ближайшее значение заправки хладагентом в этом примере представлено углеводородами, но вопрос об их высокой растворимости в маслах остается нерешенным.


Рис. 3.jpg


Малое значение коэффициента отношения площади поверхности со стороны воздуха к площади поверхности со стороны хладагента по сравнению с некоторыми обычными решениями компенсируется значительным увеличением коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха. Оба эти различия способствовали существенному повышению компактности и снижению массы.


Теги: снижение заправки, аммиак, микроканальный теплообменник Автор: Хрняк Пега   |   8 Мая 2014
Комментарии 0

Комментариев пока нет