Напомним, что VRF-системы (Variable Refrigerant Flow — системы с переменным расходом хладагента), являются сегодня самым динамично развивающимся классом систем кондиционирования воздуха. Мировой рост продаж систем класса VRF ежегодно увеличивается на 20-25 %, вытесняя с рынка конкурирующие варианты кондиционирования. Благодаря чему происходит этот рост?
Во-первых, благодаря широким возможностям систем Variable Refrigerant Flow: большой выбор наружных блоков — от мини-VRF до больших комбинаторных систем. Огромный выбор внутренних блоков. Длины трубопроводов — до 1000 м (рис. 1).
Во-вторых, благодаря высокой энергоэффективности систем. Инверторный привод компрессора, отсутствие промежуточных теплообменников (в отличие от водяных систем), индивидуальный расход хладагента — всё это обеспечивает минимальное энергопотребление.
В-третьих, положительную роль играет модульность конструкции. Нужная производительность системы набирается из отдельных модулей, что без сомнения очень удобно и повышает общую надёжность в целом.
Именно поэтому сегодня VRF-системы занимают как минимум 40 % мирового рынка систем центрального кондиционирования и эта доля с каждым годом растёт.
Система переохлаждения хладагента
Какая максимальная длина фреоновых трубопроводов может быть у сплит-системы кондиционирования? Для бытовых систем производительностью до 7 кВт холода она составляет 30 м. Для полупромышленного оборудования эта цифра может достигать 75 м (инверторный наружный блок). Для сплит-систем данное значение максимально, но для систем класса VRF максимальная длина трубопроводов (эквивалентная) может быть и значительно большей — до 190 м (суммарная — до 1000 м).
Очевидно, что VRF-системы принципиально отличаются от сплит-систем с точки зрения фреонового контура, и это позволяет им работать при больших длинах трубопроводов. Это отличие заключается в наличии специального устройства в наружном блоке, которое называется переохладитель хладагента или subcooler (рис. 2).
Прежде чем рассмотреть особенности работы систем VRF, давайте обратим внимание на схему фреонового контура сплит-систем и поймём, что происходит с хладагентом при больших длинах фреоновых трубопроводов.
Холодильный цикл сплит-систем
На рис. 3 изображён классический цикл фреона в контуре кондиционера в осях «давление-энтальпия». Причём это цикл для любых сплит-систем на фреоне R410a, то есть от производительности кондиционера или марки вид данной диаграммы не зависит.
Начнём с точки D, с начальными параметрами в которой (температура 75 °C, давление 27,2 бара) фреон попадает в конденсатор наружного блока. Фреон в данный момент — это перегретый газ, который сначала остывает до температуры насыщения (около 45 °C), затем начинает конденсироваться и в точке А полностью переходит из состояния газа в жидкость. Далее происходит переохлаждение жидкости до точки А (температура 40 °C). Считается, что оптимальная величина переохлаждения равна 5 °C.
После теплообменника наружного блока хладагент поступает на устройство дросселирования в наружном блоке — терморегулирующий вентиль либо капиллярную трубку, и его параметры меняются до точки B (температура 5 °C, давление 9,3 бара). Обратим внимание, что точка В находится в зоне смеси жидкости и газа (рис. 3). Следовательно, после дросселирования в жидкостный трубопровод поступает именно смесь жидкости и газа. Чем больше величина переохлаждения фреона в конденсаторе, тем больше доля жидкого фреона поступает во внутренний блок, тем выше КПД кондиционера.
На рис. 3 обозначены следующие процессы: В-С — процесс кипения фреона во внутреннем блоке с постоянной температурой около 5 °C; С-С — перегрев фреона до +10 °C; С -L — процесс всасывания хладагента в компрессор (происходят потери давления в газовом трубопроводе и элементах фреонового контура от теплообменника внутреннего блока до компрессора); L-M — процесс сжатия газообразного фреона в компрессоре с повышением давления и температуры; М-D — процесс нагнетания газообразного хладагента от компрессора до конденсатора.
Потери давления в системе зависят от скорости фреона V и гидравлической характеристики сети:
Что будет происходить с кондиционером при увеличении гидравлической характеристики сети (вследствие повышенной длины или большого количества местных сопротивлений)? Повышенные потери давления в газовом трубопроводе приведут к падению давления на входе в компрессор. Компрессор начнёт захватывать хладагент меньшего давления и, значит, меньшей плотности. Расход хладагента упадёт. На выходе компрессор будет выдавать меньшее давление и, соответственно, упадёт температура конденсации. Пониженная температура конденсации приведёт к пониженной температуре испарения и обмерзанию газового трубопровода.
Если повышенные потери давления будут происходить на жидкостном трубопроводе, то процесс даже более интересный: так как мы выяснили, что в жидкостном трубопроводе фреон находится в насыщенном состоянии, а точнее, в виде смеси жидкости и пузырьков газа, то любые потери давления будут приводить к небольшому вскипанию хладагента и увеличению доли газа.
Последнее повлечёт за собой резкое увеличение объёма парогазовой смеси и увеличению скорости движения по жидкостному трубопроводу. Повышенная скорость движения снова вызовет дополнительную потерю давления, процесс станет «лавинообразным».
На рис. 4 приведён условный график удельных потерь давления в зависимости от скорости движения хладагента в трубопроводе.
Если, например, потери давления при длине трубопроводов 15 м составляют 400 Па, то при увеличении длины трубопроводов в два раза (до 30 м) потери увеличиваются не в два раза (до 800 Па), а в семь раз — до 2800 Па.
Поэтому простое увеличение длины трубопроводов в два раза относительно стандартных длин для сплит-системы с On-Off-компрессором фатально. Расход хладагента упадёт в несколько раз, компрессор будет перегреваться и очень скоро выйдет из строя.
Холодильный цикл VRF-систем с переохладителем фреона
На рис. 5 схематично изображён принцип работы переохладителя хладагента. На рис. 6 изображён тот же холодильный цикл на диаграмме «давление-энтальпия». Рассмотрим подробно, что же у нас происходит с хладагентом при работе системы Variable Refrigerant Flow.
1-2: Жидкий хладагент после конденсатора в точке 1 делится на два потока. Бóльшая часть проходит через противоточный теплообменник. В нём происходит охлаждение основной части хладагента до +15…+25 °C (в зависимости от его эффективности), которая далее поступает в жидкостный трубопровод (точка 2).
1-5: Вторая часть потока жидкого хладагента из точки 1 проходит через ТРВ, его температура понижается до +5 °C (точка 5), поступает на тот же противоточный теплообменник. В последнем происходит его кипение и охлаждение основной части хладагента. После кипения газообразный фреон сразу поступает на всасывание компрессора (точка 7).
2-3: На выходе из наружного блока (точка 2) жидкий хладагент проходит через трубопроводы к внутренним блокам. При этом теплообмена с окружающей средой практически не происходит, а вот часть давления теряется (точка 3). У некоторых производителей дросселирование производится частично в наружном блоке системы VRF, поэтому давление в точке 2 меньше, чем на нашем графике.
3-4: Потери давления хладагента в электронном регулирующем вентиле (ЭРВ), который располагается перед каждым внутренним блоком.
4-6: Испарение хладагента во внутреннем блоке.
6-7: Потери давления хладагента при его возврате в наружный блок по газовому трубопроводу.
7-8: Сжатие газообразного хладагента в компрессоре.
8-1: Охлаждение хладагента в теплообменнике наружного блока и его конденсация.
Рассмотрим подробнее участок от точки 1 до точки 5. В системах VRF без переохладителя хладагента процесс из точки 1 сразу переходит в точку 5 (по синей линии рис. 6). Удельная величина производительности хладагента (поступающего к внутренним блокам) пропорциональна длине линии 5-6. В системах, где переохладитель присутствует, полезная производительность хладагента пропорциональна линии 4-6. Сравнивая длины линии 5-6 и 4-6, становится понятной работа переохладителя фреона. Повышение эффективности охлаждения циркулирующего хладагента происходит как минимум на 25 %. Но это не означает, что производительность всей системы стала больше на 25 %. Дело в том, что часть хладагента не поступила к внутренним блокам, а сразу ушла на всасывание компрессора (линия 1-5-6).
Именно в этом состоит баланс: на какую величину повысилась производительность фреона, поступающего к внутренним блокам, на столько же уменьшилась производительность системы в целом.
Так в чём тогда смысл применения переохладителя хладагента, если общую производительность системы VRF он не увеличивает? Чтобы ответить на этот вопрос, снова вернёмся к рис. 1. Смысл применения переохладителя — снижение потерь на длинных трассах систем Variable Refrigerant Flow.
Дело в том, что все характеристики VRFсистем приводятся при стандартной длине трубопроводов 7,5 м. То есть сравнивать VRF-системы разных производителей по данным каталога не совсем корректно, поскольку реальные длины трубопроводов будут гораздо больше — как правило, от 40 до 150 м. Чем больше отличается длина трубопровода от стандартной, тем больше потери давления в системе, тем больше происходит вскипание хладагента в жидкостных трубопроводах. Потери производительности наружного блока по длине приводятся на специальных графиках в сервис-мануалах (рис. 7). Именно по этим графикам необходимо сравнивать эффективность работы систем при наличии переохладителя хладагента и при его отсутствии. Потери производительности VRF-систем без переохладителя на длинных трассах составляют до 30 %.
Выводы
1. Переохладитель хладагента является важнейшим элементом для работы VRF систем. Его функциями являются, во-первых, увеличение энергетической ёмкости хладагента, поступающего к внутренним блокам, во-вторых, уменьшение потерь давления в системе на длинных трассах.
2. Не все производители систем VRF снабжают свои системы переохладителем хладагента. Особенно часто исключают переохладитель ОЕМ-бренды для удешевления конструкции.
Под переохлаждением конденсата понимают понижение температуры конденсата против температуры насыщенного пара, поступающего в конденсатор. Выше отмечалось, что величина переохлаждения конденсата определяется разностью температур t н -t к .
Переохлаждение конденсата приводит к заметному снижению экономичности установки, так как с переохлаждением конденсата увеличивается количество тепла, передаваемое в конденсаторе охлаждающей воде. Увеличение переохлаждения конденсата на 1°С вызывает перерасход топлива в установках без регенеративного подогрева питательной воды на 0,5%. При регенеративном подогреве питательной воды перерасход топлива в установке получается несколько меньший. В современных установках при наличии конденсаторов регенеративного типа переохлаждение конденсата при нормальных условиях работы конденсационной установки не превышает 0,5-1°С. Переохлаждение конденсата вызывается следующими причинами:
а) нарушением воздушной плотности вакуумной системы и повышенными присосами воздуха;
б) высоким уровнем конденсата в конденсаторе;
в) излишним расходом охлаждающей воды через конденсатор;
г) конструктивными недостатками конденсатора.
Увеличение содержания воздуха в паровоздушной
смеси приводит к увеличению парциального давления воздуха и соответственно к снижению парциального давления водяных паров по отношению к полному давлению смеси. Вследствие этого температура насыщенных водяных паров, а следовательно, и температура конденсата будет ниже, чем было до увеличения содержания воздуха. Таким образом, одним из важных мероприятий, направленных на снижение переохлаждения конденсата, является обеспечение хорошей воздушной плотности вакуумной системы турбоустановки.
При значительном повышении уровня конденсата в конденсаторе может получиться такое явление, что нижние ряды охлаждающих трубок будут омываться конденсатом, вследствие чего конденсат будет переохлаждаться. Поэтому надо следить за тем, чтобы уровень конденсата был всегда ниже нижнего ряда охлаждающих трубок. Лучшим средством предупреждения недопустимого повышения уровня конденсата является устройство автоматического регулирования его в конденсаторе.
Излишний расход воды через конденсатор, особенно при низкой ее температуре, будет приводить к увеличению вакуума в конденсаторе вследствие уменьшения парциального давлении водяных паров. Поэтому расход охлаждающей воды через конденсатор необходимо регулировать в зависимости от паровой нагрузки на конденсатор и от температуры охлаждающей воды. При правильной регулировке расхода охлаждающей воды в конденсаторе будет поддерживаться экономический вакуум и переохлаждение конденсата не будет выходить за минимальное значение для данного конденсатора.
Переохлаждение конденсата может происходить вследствие конструктивных недостатков конденсатора. В некоторых конструкциях конденсаторов в результате тесного расположения охлаждающих трубок и неудачной разбивки их по трубным доскам создается большое паровое сопротивление, достигающее в отдельных случаях 15-18 мм рт. ст. Большое паровое сопротивление конденсатора приводит к значительному снижению давления над уровнем конденсата. Уменьшение давления смеси над уровнем конденсата происходит за счет уменьшения парциального давления водяных паров. Таким образом, температура конденсата получается значительно ниже температуры насыщенного пара, поступающего в конденсатор. В таких случаях для уменьшения переохлаждения конденсата необходимо идти на конструктивные переделки, а именно на удаление некоторой части охлаждающих трубок с целью устройства в трубном пучке коридоров и снижения парового сопротивления конденсатора.
Следует иметь в виду, что удаление части охлаждающих трубок и уменьшение вследствие этого поверхности охлаждения конденсатора приводит к увеличению удельной нагрузки конденсатора. Однако увеличение удельной паровой нагрузки обычно бывает вполне приемлемым, так как конденсаторы старых конструкций имеют сравнительно низкую удельную паровую нагрузку.
Мы рассмотрели основные вопросы эксплуатации оборудования конденсационной установки паровой турбины. Из сказанного следует, что главное внимание при эксплуатации конденсационной установки должно быть обращено па поддержание экономического вакуума в конденсаторе и на обеспечение минимального переохлаждения конденсата. Эти два параметра в значительной степени влияют па экономичность турбоустановки. С этой целью необходимо поддерживать хорошую воздушную плотность вакуумной системы турбоустановки, обеспечивать нормальную работу воздухоудаляющих устройств, циркуляционных и конденсатных насосов, поддерживать трубки конденсатора чистыми, следить за водяной плотностью конденсатора, недопускать повышения присосов сырой воды, обеспечивать нормальную работу охлаждающих устройств. Имеющиеся на установке контрольно-измерительные приборы, автоматические регуляторы, сигнализирующие и регулирующие устройства позволяют обслуживающему персоналу вести наблюдение за состоянием оборудования и за режимом работы установки и поддерживать такие режимы работы, при которых обеспечивается высокоэкономичная и надежная эксплуатация установки.
-> 13.03.2012 - Переохлаждение в холодильных установках
Переохлаждение жидкого хладагента после конденсатора – существенный способ увеличения холодопроизводительности холодильной установки. Понижение температуры переохлаждаемого хладагента на один градус соответствует повышению производительности нормально функционирующей холодильной установки примерно на 1% при том же уровне энергопотребления. Эффект достигается за счёт уменьшения при переохлаждении доли пара в парожидкостной смеси, которой является сконденсированный хладагент, поступающий к ТРВ испарителя даже из ресивера.
В низкотемпературных холодильных установках применение переохлаждения особенно эффективно. В них переохлаждение сконденсированного хладагента до значительных отрицательных температур позволяет увеличивать холодопроизводительность установки более чем в 1,5 раза.
В зависимости от размеров и конструкции холодильных установок реализовать этот фактор можно в дополнительном теплообменнике, устанавливаемом на жидкостной линии между ресивером и ТРВ испарителя, различными способами.
Переохлаждение хладагента за счёт внешних источников холода
- в водяном теплообменнике за счёт использования доступных источников очень холодной воды
- в воздушных теплообменниках в холодное время года
- в дополнительном теплообменнике холодными парами от внешней/вспомогательной холодильной установки
Переохлаждение за счёт внутренних ресурсов холодильной установки
- в теплообменнике - переохладителе за счёт расширения части фреона, циркулирующего в основном холодильном контуре - реализуется в установках с двухступенчатым сжатием и в сателлитных системах, а также в установках с винтовыми, поршневыми и спиральными компрессорами, имеющими промежуточные порты всасывания
- в регенеративных теплообменниках холодными парами, всасываемыми в компрессор из основного испарителя - реализуется в установках, работающих на хладагентах с низким значением показателя адиабаты, главным образом HFC (ГФУ) и HFO (ГФО)
истемы переохлаждения, использующие внешние источники холода всё ещё довольно редко применяются на практике. Переохлаждение от источников холодной воды применяется, как правило, в тепловых насосах – водонагревательных установках, а также в средне- и высокотемпературных установках, где в непосредственной близости от них есть источник прохладной воды - используемые артезианские скважины, естественные водоёмы для судовых установок и т.д. Переохлаждение от внешних дополнительных холодильных машин реализуется крайне редко и только в очень больших установках промышленного холода.
Переохлаждение в воздушных теплообменниках применяется тоже весьма нечасто, так как эта опция холодильных установок пока малопонятна и непривычна для российских холодильщиков. Кроме того, проектировщиков смущают сезонные колебания значений повышения холодопроизводительности установок от применения в них воздушных переохладителей.
Системы переохлаждения, использующие внутренние ресурсы широко применяются в современных холодильных установках, причём с компрессорами практически всех типов. В установках с винтовыми и двухступенчатыми поршневыми компрессорами применение переохлаждения уверенно доминирует, так как возможность обеспечивать всасывание паров с промежуточным давлением реализована непосредственно в конструкции этих типов компрессоров.
Главной задачей, стоящей в настоящее время перед производителями холодильных и климатических установок различного назначения, является повышение производительности и эффективности входящих в них компрессоров и теплообменного оборудования. Эта идея не потеряла своей актуальности за всё время развития холодильного оборудования с момента зарождения этой отрасли промышленности до наших дней. Сегодня, когда стоимость энергоресурсов, а также размер парка эксплуатируемого и вводимого в эксплуатацию холодильного оборудования достигли таких впечатляющих высот, повышение эффективности систем производящих и потребляющих холод стало актуальной мировой проблемой. С учётом того, что проблема эта носит комплексный характер, действующие законодательства большинства европейских государств стимулируют разработчиков холодильных систем на повышение их эффективности и производительности.
Кондиционера
Заправка кондиционера фреоном может осуществляться несколькими способами, каждый из них имеет свои преимущества, недостатки и точность.
Выбор метода заправки кондиционеров зависит от уровня профессионализма мастера, необходимой точности и используемых инструментов.
Также необходимо помнить о том что не все хладагенты можно дозаправлять, а лишь однокомпонентные (R22) или условно изотропные (R410a).
Многокомпонентные фреоны состоят из смеси газов с различными физическими свойствами, которые при утечке улетучиваются неравномерно и даже при небольшой утечке их состав изменяется, поэтому системы на таких хладагентах необходимо полностью перезаправлять.
Заправка кондиционера фреоном по массе
Каждый кондиционер заправлен на заводе определённым количеством хладагента, масса которого указана в документации на кондиционер (также указана на шильдике), там же указана информация о количестве фреона которое надо добавить дополнительно на каждый метр фреоновой трассы (обычно 5-15 гр.)
При заправке этим методом необходимо полностью освободить холодильный контур от оставшегося фреона (в баллон или стравть в атмосферу,экологии это нисколько не вредит- об этом читайте в статье о влиянии фреона на климат)и отвакуумировать. После залить в систему указанное количество хладагента по весам или с помощью заправочного цилиндра.
Преимущества этого метода в высокой точности и достаточной простоте процесса заправки кондиционера. К недостаткам относятся необходимость эвакуации фреона и вакуумирования контура, а заправочный цилиндр, к тому же имеет ограниченный объём 2 или 4 килограмма и большие габариты, что позволяет использовать его в основном в стационарных условиях.
Заправка кондиционера фреоном по переохлаждению
Температура переохлаждения – это разница между температурой конденсации фреона определённой по таблице или шкале манометра (определяется по давлению считанному с манометра, подсоединённого к магистрали высокого давления непосредственно на шкале или по таблице) и температурой на выходе из конденсатора. Температура переохлаждения обычно должна находится в пределах 10-12 0 C (точное значение указывают производители)
Значение переохлаждения ниже данных значений указывает на недостаток фреона- он не успевает достаточно охладиться. В этом случае его надо дозаправить
Если переохлаждение выше указанного диапазона, значит в системе переизбыток фреона и его необходимо слить до достижения оптимальных значений переохлаждения.
Заправить данным способом можно с помощью специальных приборов, которые сразу определяют величину переохлаждения и давление конденсации, а можно и с помощью отдельных приборов- манометрического коллектора и термометра.
К достоинствам этого метода относится достаточная точность заправки. Но на точность данного метода влияет загрязнённость теплообменника, поэтому до заправки данным методом необходимо очистить (промыть) конденсатор наружного блока.
Заправка кондиционера хладагентом по перегреву
Перегрев- это разница между температурой испарения хладагента определённой по давлению насыщения в холодильном контуре и температурой после испарителя. Практически определяется путём измерения давления на всасывающем вентиле кондиционера и температуры всасывающей трубки на расстоянии 15-20 см от компрессора.
Перегрев обычно находится в пределе 5-7 0 C (точное значение указывает производитель)
Снижение перегрева говорит о переизбытке фреона - его необходимо слить.
Переохлаждение выше нормы говорит о недостатке хладагента- систему нужно заправлять до достижения требуемой величины перегрева.
Данный метод достаточно точен и его можно существенно упростить, если использовать специальные приборы.
Другие методы заправки холодильных систем
Если в системе есть смотровое окошко, то по наличию пузырьков можно судить о нехватке фреона. В этом случае заправляют холодильный контур до исчезновения потока пузырьков, делать это нужно порциями, после каждой ждать стабилизации давления и отсутствия пузырьков.
Также можно заправлять по давлению, добиваясь при этом температур конденсации и испарения указанных производителем. Точность этого метода зависит от чистоты конденсатора и испарителя.
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»