Влияние перегрева на холодопроизводительность холодильной системы. Недозаправка и перезаправка системы хладагентом Холодильный цикл сплит-систем
Рис. 1.21. Сема дендрита
Таким образом, механизм кристаллизации металлических расплавов при высоких скоростях охлаждения принципиально отличается тем, что в малых объемах расплава достигается высокая степень переохлаждения. Следствием этого является развитие объемной кристаллизации, которая у чистых металлов может быть гомогенной. Центры кристаллизации с размером больше критического способны к дальнейшему росту.
Для металлов и сплавов наиболее типична дендритная форма роста, впервые описанная еще в 1868 г. Д.К. Черновым. На рис. 1.21 показан эскиз Д.К. Чернова, поясняющий схему строения дендрита. Обычно дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви – оси второго и последующих порядков. Дендритный рост протекает в определенных кристаллографических направлениях с ответвлениями через одинаковые промежутки. В структурах с решетками гранецентрированного и объемно-центрированного кубов дендритный рост идет в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Экспериментально установлено, что дендритный рост наблюдается только в переохлажденном расплаве. Скорость роста определяется степенью переохлаждения. Задача теоретического определения скорости роста в функции степени переохлаждения еще не получила обоснованного решения. Исходя из экспериментальных данных, полагают, что эта зависимость приближенно может рассматриваться в виде V ~ (D Т) 2 .
Многие исследователи полагают, что при некоторой критической степени переохлаждения наблюдается лавинообразное увеличение числа центров кристаллизации, способных к дальнейшему росту. Зарождение все новых и новых кристаллов может прервать дендритный рост.
Рис. 1.22. Трансформация структур
По последним зарубежным данным, с ростом степени переохлаждения и температурного градиента перед фронтом кристаллизации, наблюдается трансформация структуры быстро затвердевающего сплава от дендритной к равноосной, микрокристаллической, нанокристаллической и далее к аморфному состоянию (рис. 1.22).
1.11.5. Аморфизация расплава
На рис. 1.23 иллюстрируется идеализированная ТТТ-диаграмма (Time-Temperature-Transaction), поясняющая особенности затвердевания легированных металлических расплавов в зависимости от скорости охлаждения.
Рис. 1.23. ТТТ-диаграмма: 1 – умеренная скорость охлаждения:
2 – очень высокая скорость охлаждения;
3 – промежуточная скорость охлаждения
По вертикальной оси отложена температура, по горизонтальной – время. Выше некоторой температуры плавления ‑ Т П жидкая фаза (расплав) стабильна. Ниже этой температуры жидкость переохлаждается и становится нестабильной, поскольку появляется возможность зарождения и роста центров кристаллизации. Однако при резком охлаждении может возникнуть прекращение движения атомов в сильно переохлажденной жидкости и при температуре ниже Т З сформируется аморфная твердая фаза. Для многих сплавов температура начала аморфизации ‑ Т З лежит в пределах от 400 до 500 ºC. Большинство традиционных слитков и отливок охлаждаются медленно в соответствии с кривой 1 на рис. 1.23. За время охлаждения возникают и растут центры кристаллизации, формируя кристаллическую структуру сплава в твердом состоянии. При очень высокой скорости охлаждения (кривая 2) образуется аморфная твердая фаза. Представляет также интерес промежуточная скорость охлаждения (кривая 3). Для этого случая возможен смешанный вариант затвердевания с наличием как кристаллической, так и аморфной структуры. Такой вариант имеет место в том случае, когда начавшийся процесс кристаллизации не успевает завершиться за время охлаждения до температуры Т З. Смешанный вариант затвердевания с формированием мелких аморфных частиц поясняется упрощенной схемой, представленной на рис. 1.24.
Рис. 1.24. Схема формирования мелких аморфных частиц
Слева на этом рисунке изображена крупная капля расплава, содержащая в объеме 7 центров кристаллизации, способных к последующему росту. В середине эта же капля разделена на 4 части, одна из которых не содержит центров кристаллизации. Эта частица затвердеет аморфной. Справа на рисунке исходная частица разделена на 16 частей, 9 из которых станут аморфными. На рис. 1.25. представлена реальная зависимость числа аморфных частиц высоколегированного никелевого сплава от размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде (аргон, гелий).
Рис. 1.25. Зависимость числа аморфных частиц сплава никеля от
размера частиц и интенсивности охлаждения в газовой среде
Переход металлического расплава в аморфное, или как его еще называют, стеклообразное состояние является сложным процессом и зависит от многих факторов. В принципе, все вещества можно получить в аморфном состоянии, но для чистых металлов требуются столь высокие скорости охлаждения, которые пока не могут быть обеспечены современными техническими средствами. В то же время высоколегированные сплавы, в том числе эвтектические сплавы металлов с металлоидами (В, С, Si, Р) затвердевают в аморфном состоянии при более низких скоростях охлаждения. В табл. 1.9 приведены критические скорости охлаждения при аморфизации расплавов никеля и некоторых сплавов.
Таблица 1.9
19.10.2015
Степень переохлаждения жидкости, получаемой на выходе конденсатора, является важным показателем, который характеризует стабильную работу холодильного контура. Переохлаждением называют температурную разность между жидкостью и конденсацией при данном давлении.
При нормальном атмосферном давлении, конденсация воды имеет температурный показатель 100 градусов по Цельсию. Согласно законам физики, вода, которая 20 градусов, считается переохлажденной на 80 градусов по Цельсию.
Переохлаждение на выходе из теплообменника изменяется как разность между температурной жидкости и конденсации. Исходя из рисунка 2.5, переохлаждение будет равно 6 К или 38-32.
В конденсаторах с воздушным охлаждением показатель переохлаждения должен быть от 4 до 7 К. В случае если он имеет иную величину, то это говорит о нестабильной работе.
Взаимодействие конденсатора и вентилятора: перепад температур воздуха.
Нагнетаемый воздух вентилятором имеет показатель 25 градусов по Цельсию (рисунок 2.3). Он забирает тепло у фреона, за счет чего его температура меняется до 31 градуса.
На рисунке 2.4 изображено более детальное изменение:
Tae - температурная отметка воздуха, подаваемого в конденсатор;
Tas – воздух с новой температурой конденсатора после охлаждения;
Tk –с манометра показания о температуре конденсации;
Δθ – разность температурных показателей.
Вычисление температурного перепада в конденсаторе с воздушным охлаждением происходит по формуле:
Δθ =(tas — tae), где К имеет пределы 5–10 К. На графике это значение равно 6 К.
Разница перепада температур в точке D, то есть на выходе из конденсатора, в данном случае равняется 7 К, так как находиться в том же пределе. Температурный напор составляет 10-20 К, на рисунке это (tk- tae). Чаще всего значение данного показателя останавливается на отметке в 15 К, но в этом примере – 13 К.
Тепловой баланс поверхностного конденсатора имеет следующее выражение:
G к (h к -h к 1 )=W (t 2в -t 1в )с в , (17.1)
где h к - энтальпия пара, поступающего в конденсатор, кДж/кг; h к 1 =с в t к - энтальпия конденсата; с в =4,19 кДж/(кг× 0 С) – теплоемкость воды; W – расход охлаждающей воды, кг/с; t 1в, t 2в - температура охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора. Расход конденсируемого пара G к, кг/с и энтальпия h к известны из расчета паровой турбины. Температура конденсата на выходе из конденсатора принимается равной температуре насыщения пара t п , соответствующей его давлению р к с учетом переохлаждения конденсата Dt к : t к = t п - Dt к .
Переохлаждение конденсата (разность между температурой насыщения пара при давлении в горловине конденсатора и температурой конденсата во всасывающем патрубке конденсатного насоса) является следствием понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора (рис.17.3).
Рис.17.3. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе: а – изменение парциального давления пара p п и давления в конденсаторе p к; б – изменение температуры пара t п и относительного содержания воздуха ε
Применяя закон Дальтона к движущейся в конденсаторе паровоздушной среде, имеем: р к =р п +р в , где р п и р в – парциальные давления пара и воздуха в смеси. Зависимость парциального давления пара от давления в конденсаторе и относительного содержания воздуха e =G в /G к имеет вид:
(17.2)
При входе в конденсатор относительное содержание воздуха мало и р п »р к . По мере конденсации пара значение e растет и парциальное давление пара падает. В нижней части парциальное давление воздуха наиболее значимо, т.к. оно повышается из-за роста плотности воздуха и значения e . Это приводит к снижению температуры пара и конденсата. Кроме того, имеет место паровое сопротивление конденсатора, определяемое разностью
Dр к = р к - р к´ . (17.3)
Обычно Dр к =270-410 Па (определяется эмпирически).
В конденсатор, как правило, поступает влажный пар, температура конденсации которого однозначно определяется парциальным давлением пара: меньшему парциальному давлению пара соответствует меньшая температура насыщения. На рис.17.3, б показаны графики изменения температуры пара t п и относительного содержания воздуха ε в конденсаторе. Таким образом, по мере движения паровоздушной смеси к месту отсоса и конденсации пара температура пара в конденсаторе уменьшается, так как снижается парциальное давление насыщенного пара. Это происходит из-за присутствия воздуха и возрастания его относительного содержания в паровоздушной смеси, а также наличия парового сопротивления конденсатора и снижения общего давления паровоздушной смеси.
В таких условиях формируется переохлаждение конденсата Dt к =t п -t к, которое приводит к потере теплоты с охлаждающей водой и необходимости в дополнительном подогреве конденсата в регенеративной системе турбоустановки. Кроме того – сопровождается возрастанием количества растворенного в конденсате кислорода, вызывающего коррозию трубной системы регенеративного подогрева питательной воды котла.
Переохлаждение может достигать 2-3 0 С. Средством борьбы с ним является установка воздухоохладителей в трубном пучке конденсатора, из которых отсасывается паровоздушная смесь в эжекторные установки. В современных ПТУ переохлаждение допускается не более 1 0 С. Правила технической эксплуатации строго предписывают допустимые присосы воздуха в турбоустановку, которые должны быть меньше 1%. Например, для турбин мощностью N Э =300 МВт присосы воздуха должны быть не более 30 кг/час, а N Э =800 МВт – не более 60 кг/час. Современные конденсаторы, обладающие минимальным паровым сопротивлением и рациональной компоновкой трубного пучка, в номинальном режиме эксплуатации турбоустановки практически не имеют переохлаждения.
Варианты работы холодильной установки: работа с нормальным перегревом; с недостаточным перегревом; сильным перегревом.
Работа с нормальным перегревом.
Схема холодильной установки
Например, хладагент подаётся под давлением 18 бар, на всасывании давление 3 бара. Температура, при которой в испарителе кипит хладагент t 0 = −10 °С, на выходе из испарителя температура трубы с хладагентом t т = −3 °С.
Полезный перегрев ∆t = t т − t 0 = −3− (−10)= 7. Это нормальная работа холодильной установки с воздушным теплообменником . В испарителе фреон выкипает полностью примерно в 1/10 части испарителя (ближе к концу испарителя), превращаясь в газ. Дальше газ будет нагреваться температурой помещения.
Перегрев недостаточный.
Температура на выходе будет уже, к примеру, не −3, а −6 °С. Тогда перегрев составляет всего 4 °С. Точка, где перестаёт кипеть жидкий хладагент, перемещается ближе к выходу испарителя. Таким образом, большая часть испарителя заполняется жидким хладагентом. Такое может случиться, если терморегулирующий вентиль (ТРВ) будет подавать больше фреона в испаритель.
Чем больше фреона будет находиться в испарителе, тем больше будет образовываться паров, тем выше будет давление на всасывании и повысится температура кипения фреона (допустим уже не −10, а −5 °С). Компрессор начнет заливать жидким фреоном, потому что давление увеличилось, расход хладагента увеличился и компрессор не успевает откачать все пары (если компрессор не имеет дополнительных мощностей). При такой работе холодопроизводительность повысится, но компрессор может выйти из строя.
Сильный перегрев.
Если производительность ТРВ будет меньше, то фреона будет поступать в испаритель меньше и выкипать он будет раньше, (точка выкипания сместиться ближе к входу испарителя). Весь ТРВ и трубки после него обмерзнут и покроются льдом, а процентов 70 испарителя не обмерзнут вообще. Пары фреона в испарителе будут нагреваться, и их температура может достигнуть температуры в помещении, отсюда ∆t ˃ 7. При этом холодопроизводительность системы понизится, давление на всасывании понизится, нагретые пары фреона могут вывести из строя статор компрессора.
В этой статье мы расскажем о самом точном способе заправки кондиционеров.
Заправлять можно любые фреоны. Дозаправлять - только однокомпонентные фреоны (напр.: R-22) или изотропные (условно изотропные, напр.: R-410) смеси
При проведении диагностики систем охлаждения и кондиционирования, процессы, происходящие внутри конденсатора, скрыты от сервисного инженера, а часто именно по ним можно понять, почему упала эффективность системы в целом.
Кратко рассмотрим их:
- Перегретые пары хладагента попадают из компрессора в конденсатор
- Под действием воздушного потока температура фреона снижается до температуры конденсации
- До тех пор, пока последняя молекула фреона не перейдет в жидкую фазу, на протяжении всего участка магистрали, на котором происходит процесс конденсации, температура остается одинаковой.
- Под действием охлаждающего потока воздуха температура хладагента снижается с температуры конденсации до температуры охлажденного жидкого фреона
Зная давление, по специальным таблицам производителя фреона можно определить температуру конденсации в текущих условиях. Разность между температурой конденсации и температурой охлажденного фреона на выходе из конденсатора — температура переохлаждения — величина обычно известная (уточняется у производителя системы) и диапазон этих величин для данной системы фиксирован (например: 10-12 °C).
Если значение переохлаждения ниже указанного производителем диапазона — значит фреон не успевает охладиться в конденсаторе — его недостаточно и требуется дозаправка. Недостаток фреона снижает эффективность работы системы и увеличивает нагрузку на нее.
Если значение переохлаждения выше диапазона — фреона слишком много, требуется слить часть до достижения оптимального значения. Переизбыток фреона увеличивает нагрузку на систему и снижает срок ее службы.
Дозаправка по переохлажению без использования :
- Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе.
- Устанавливаем термометр/датчик температуры на линию высокого давления.
- Запускаем систему.
- По манометру на линии высокого давления (жидкостной линии) измеряем давление, вычисляем температуру конденсации для данного фреона.
- По термометру контролируем температуру переохлажденного фреона на выходе из конденсатора (она должна быть в диапазоне значений суммы температуры конденсации и температуры переохлаждения).
- Если температура фреона превышает допустимую (температура переохлаждения ниже требуемого диапазона) — фреона недостаточно, потихоньку добавляем его в систему до достижения нужной температуры
- Если температура фреона ниже допустимой (температура переохлаждения выше диапазона) — фреон в избытке, часть надо потихоньку стравливать до достижения нужной температуры.
- Сбрасываем прибор в ноль, переводим в режим переохлаждения, выставляем тип фреона.
- Подключаем манометрический коллектор и баллон с фреоном к системе, причем шланг высокого давления (жидкостный) подключаем через Т-образный тройник, поставляемый вместе с прибором.
- Устанавливаем датчик температуры SH-36N на линию высокого давления.
- Включаем систему, на экране отобразится значение переохлаждения, сравниваем его с требуемым дипазоном и в зависимости от того, выше или ниже отображаемое значение, потихоньку стравливаем или добавляем фреон.
Алексей Матвеев,
технический специалист компании «Расходка»
