ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫЙ СУДОВОЙ АВТОНОМНЫЙ КОНДИЦИОНЕР
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
УДК 621.57
Радченко А.Н., к.т.н., с.н.с.; Есин А.И., инженер; Сапармамедов А.Н., магистр,
Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова,
НИИ проблем экологии и энергосбережения, г. Николаев
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНЫЙ СУДОВОЙ
АВТОНОМНЫЙ КОНДИЦИОНЕР
Проанализирована эффективность работы судового автономного кондиционера и разработаны
схемно-конструктивные решения, обеспечивающие безопасную эксплуатацию компрессора сухим
ходом и сокращение потребляемой им электроэнергии на 10…20 %.
The efficiency of ship self container conditioner is analyzed and scheme-constructive decisions
providing safety work of compressor with dry vapour at the inlet and the reduce in electricity consumption
by 10…20 % are developed.
1. Анализ состояния вопроса, выходе из испарителя-воздухоохладителя и
постановка цели и задач вследствие дополнительного его нагрева во
всасывающем тракте герметичного компрессора
исследования (включая теплоподвод от встроенного
электродвигателя) температура пара на нагнетании
Э нергетическая эффективность судовых
автономных кондиционеров во многом
зависит от энергетических потерь в холодильном
компрессора может повыситься до недопустимо
высокого значения, когда минеральное масло
коксуется и теряет свои смазывающие свойства, что
цикле, вызванных внутренней и внешней вызовет заклинивание поршней в цилиндрах
необратимостью. Внутренняя необратимость компрессора [2]. Кроме того, при повышенной
обусловлена дроссельными потерями, внешняя – температуре пара на нагнетании компрессора
конечными разностями температур в испарителе и температура встроенного электродвигателя может
конденсаторе, зависящими в свою очередь от превышать предельно допустимые значения. Хотя в
интенсивности теплообмена в аппаратах. результате срабатывания тепловой защиты
Безопасность эксплуатации кондиционера компрессор и будет отключаться, однако
определяется надежностью работы компрессора. продолжительная его работа в таких условиях
Условием надежной эксплуатации герметичных неминуемо приведет к сгоранию электродвигателя.
компрессоров судовых кондиционеров является их Поэтому необходимо обеспечивать эффективный
работа сухим ходом, исключающим опасность отвод теплоты от электродвигателя,
гидравлических ударов в цилиндрах из-за предотвращающий превышение предельно
попадания капельной жидкости. Помимо опасности допустимого уровня температуры его обмоток.
гидравлических ударов испарение капель в За рубежом эта проблема решается путем
цилиндрах приводит к уменьшению массовой впрыска жидкого хладагента во всасывающий
производительности компрессора, т.е. его патрубок компрессора [2, 3]. Впрыск
коэффициента подачи и, в конечном счете, осуществляется с помощью дроссельного клапана,
холодильного коэффициента холодильной машины срабатывающего по сигналу от датчика
кондиционера [1]. температуры, установленного на линии нагнетания
Специфическая особенность герметичного компрессора. При температуре пара выше 120 ºС
компрессора состоит в том, что охлаждение (для R22) дроссельный клапан открывается и
электродвигателя и других его элементов происходит впрыск жидкости в линию всасывания.
осуществляется всасываемым парообразным Кроме того, на линии нагнетания установлен
хладагентом. При больших перегревах пара на термостат, отключающий компрессор приЕкологія
Техногенна безпека 125
достижении температуры пара 130 ºС. Этот способ рационального схемно-конструктивного решения,
требует надежной работы системы автоматического обеспечивающего надежную эксплуатацию
регулирования. В зарубежных кондиционерах задача компрессора и высокие тепловую эффективность
снятия перегрева всасываемых компрессором паров испарителя-воздухоохладителя и,
решается также инжектированием жидкости через следовательно, энергетическую эффективность
отверстие во всасывающей U-образной трубке, всего кондиционера.
смонтированной в отделителе жидкости. Так,
фирмой “Refrigeration Research” (США) запатентован 2. Анализ эффективности работы
ряд конструкций всасывающей трубки компрессора, судовых автономных кондиционеров
обеспечивающих подсос жидкости из отделителя
жидкости всасываемым компрессором паром. Решение задачи повышения эффективности
Однако сокращение количества инжектируемой охлаждения герметичных компрессоров судовых
жидкости c понижением производительности кондиционеров невозможно без учета условий
компрессора (при низкой температуре кипения t0) эксплуатации всего испарительно-компрессорного
вызывает уменьшение теплоотвода от его узла и прежде всего воздухоохладителя, поскольку
элементов, прежде всего электродвигателя, от параметров хладагента на выходе из него зависит
охлаждаемого всасываемым паром, повышение состояние хладагента на всасывании компрессора.
тепловой напряженности компрессора при Чем ниже давление всасывания Pвс (соответственно и
наиболее неблагоприятных режимах его работы – температура кипения t0), тем сильнее перегрев
при низкой t0. Таким образом, схемное решение электродвигателя и всего компрессора, поскольку
испарительно-компрессорного узла кондиционера уменьшается производительность компрессора, т.е.
должно выбираться с учетом совместной работы расход хладагента, отводящего теплоту от его
испарителя-воздухоохладителя и компрессора. элементов. С другой стороны, с повышением Pвс и t0
Из технических решений испарительно- увеличивается опасность попадания влаги в
компрессорного узла отечественных судовых цилиндры компрессора, поскольку возрастает
кондиционеров известно схемное решение с производительность компрессора и расход
отделителем жидкости и регенеративным хладагента через испаритель-воздухоохладитель.
теплообменником (РТО), использованное в судовых Чтобы избежать этого, после воздухоохладителя
автономных кондиционерах типа АК 18, перед компрессором устанавливают отделитель
разработанных ЦНИиПИ “Тайфун” и выпускаемых жидкости.
АООТ “Завод “Эква-тор” (г. иколаев). Однако опыт Схема холодильной машины автономного
эксплуатации таких кондиционеров показал, что кондиционера с отделителем жидкости показана на
практически на всех режимах из воздухоохладителя рис. 1. Для защиты компрессора от гидравлического
выходил сухой насыщенный или перегретый пар, что удара предусмотрен отделитель жидкости (ОЖ) со
свидетельствует о его низкой тепловой встроенным регенеративным теплообменником
эффективности. Это явилось результатом того, что (РТО) змеевикового типа. Влажные пары R22
принятое схемное решение не было подкреплено поступают из испарителя-воздухоохладителя в ОЖ.
соответствующим рациональным проектированием После отделения капельной влаги пары обтекают
испарительно-компрессорного узла. змеевик РТО, перегреваются и всасываются
Таким образом, на всасывание компрессора компрессором в перегретом состоянии, а жидкость
должен поступать сухой насыщенный или высокого давления (после конденсатора перед
незначительно перегретый пар. В то же время с точки капиллярной трубкой) переохлаждается в змеевике
зрения тепловой эффективности испарителя- РТО. Переохлаждение жидкости перед КТ
воздухоохладителя (И-ВО) целесообразна его работа о б е с п е ч и в а е т п р и р а щ е н и е
с влажным паром на выходе, когда вся внутренняя холодопроизводительности. Скапливающаяся в ОЖ
поверхность змеевиков омывается жидким маслофрео новая см есь напр ав ля етс я в
хладагентом. Только в случае выполнения этих теплообменник-масловыпариватель типа “труба в
противоречивых требований испарительно- трубе” и испаряется, отводя теплоту от перегретых
компрессорный узел и весь кондиционер будут паров на нагнетании компрессора.
работать эффективно. От узла “отделитель жидкости – РТО” во
Известные схемно-конструктивные решения многом зависит энергетическая эффективность и
холодильных машин автономных кондиционеров не безопасность эксплуатации автономного
обеспечивают эффективное функционирование кондиционера. Необходимо, чтобы пар,
испарительно-компрессорных узлов, поступающий в компрессор, с одной стороны, не
удовлетворяющих указанным противоречивым содержал капель жидкости, а с другой, его перегрев
требованиям к параметрам хладагента на выходе из был не более 10…15 ºС или вовсе отсутствовал.
воздухоохладителя и на входе в компрессор. Возможны следующие варианты исполнения
Целью настоящего исследования РТО:
является анализ эффективности работы судовых 1. РТО установлен в паровой полости ОЖ.
автономных кондиционеров и выбор их126 Наукові праці. Том 53. Випуск 40
Воздух
1 2 3 5
8 4
6
7
Вода
Рис. 1. Схема холодильной машины судового автономного кондиционера
с отделителем жидкости и РТО: 1 – компрессор; 2 – отделитель жидкости;
3 – РТО; 4 – капиллярная трубка; 5 – испаритель-воздухоохладитель;
6 – фильтр-осушитель; 7 – конденсатор; 8 – масловыпариватель
Переохлаждение жидкости высокого работы РТО.
давления в его змеевике происходит с На рис. 2, а показана конструкция базового
отводом теплоты на испарение дисперсной варианта узла ОЖ, выпускаемого АООТ “Завод
смеси и перегрев всасываемого “Экватор” (г. Николаев), со встроенным РТО,
компрессором пара. основная часть (2/3 L = 6 м) змеевика которого
2. РТО вынесен за пределы ОЖ. В змеевике расположена в паровой полости ОЖ, а меньшая (1/3 L
РТО происходит переохлаждение жидкости = 3 м) − в жидкостной полости.
высокого давления, а снаружи змеевика Из-за крайне низкой интенсивности
кипит жидкий хладагент, неиспарившийся теплоотдачи к пару, обтекающему основную часть
в ВО и отводимый из ОЖ. змеевика, и теплопередачи в целом такое
3. РТО установлен в жидкостной полости ОЖ. конструктивное решение не обеспечивает
Жидкость высокого давления испарение дисперсной смеси, т.е. работу ВО со
переохлаждается в змеевике РТО, а смоченной внутренней поверхностью трубок.
неиспарившаяся в ВО жидкость кипит на его Поэтому было предложено конструктивное решение
поверхности. модифицированного узла ОЖ с РТО, базирующееся
Результаты расчетов показали следующее. на результатах расчета РТО по разработанной
Первый вариант исполнения РТО не обеспечивает авторами программе. При этом основная часть
работу ВО в режиме со смоченной поверхностью. змеевика (L = 6 м) была размещена в жидкостной
Глубина переохлаждения жидкости высокого полости ОЖ (рис. 2, б) и обеспечивала (благодаря
давления после конденсатора была малой. Большая интенсивной теплоотдаче к кипящему на его
длина змеевика (около 16 м) делала невозможным поверхности жидкому R22) испарение всей
его установку внутри ОЖ. жидкости, отсепарированной из дисперсной смеси,
Второй вариант исполнения обеспечивает выходящей из ВО, т.е. работу ВО со смоченной
работу ВО со смоченной поверхностью и внутренней поверхностью трубок.
доиспарение всей неиспарившейся в нем жидкости. Выбор в качестве объекта исследования
Переохлаждение жидкости после конденсатора судового автономного кондиционера с РТО и
было глубоким − до температуры не более чем на 5 отделителем жидкости позволял исследовать его
ºС выше температуры кипения жидкого хладагента работу в широком диапазоне изменения тепловых
низкого давления на поверхности змеевика РТО. нагрузок на воздухоохладитель – от небольших
Расчетная длина змеевика составляла 6 м. Чтобы нагрузок с отсутствием или незначительными
гидравлическое сопротивление по линии кипящего перегревами пара на выходе из воздухоохладителя,
хладагента низкого давления (на всасывании средних нагрузок с умеренными перегревами пара
компрессора) было минимальным, кипение должно на 5…10 ºС, характерными для кондиционеров с
происходить при естественной циркуляции. Это ТРВ, до повышенных нагрузок с перегревом пара на
возможно при установке змеевика РТО в 20…30 ºС.
жидкостном объеме ОЖ, т.е. при третьем варианте Анализировались два способа работы узлаЕкологія
Техногенна безпека 127
∅145 ∅145
530 530
а б
Рис. 2. Отделители жидкости с РТО: а – базовый; б – модифицированный
“воздухоохладитель − отделитель жидкости − РТО”. схема с РТО, установленным сразу после
При первом способе пар на выходе из воздухоохладителя. Отделитель жидкости в этом
воздухоохладителя был перегрет или в состоянии, случае оставался практически пустым, и змеевик
близком насыщению. Этому случаю РТО обтекали всасываемые компрессором пары.
соответствовала традиционная регенеративная При втором способе из воздухоохладителя выходил
t02'', tвс'', tu', tТО', °C t02'', tu', tТОЖ', °C
tu' tu'
tТО'
30 30
ΔtРТО'
20 20
tвс''
ΔtРТО' tТОЖ '
10 10 t02''
ΔtРТО'' t02''
0 0
-10 -5 0 5 t0, °C -10 -5 0 5 t0, °C
а б
Рис. 3. Опытные значения температуры R22 на входе и выходе из РТО:
а − РТО в паровой полости ОЖ; б − РТО в жидкостной полости ОЖ;
t02" − температура пара на выходе из И-ВО; tвс" − пара на всасывании в компрессор
после РТО; tu′ − жидкости после конденсатора; tТО′ и tТОЖ′ − жидкости после РТО;
ΔtРТО′ и ΔtРТО" – переохлаждение жидкости и перегрев пара в РТО128 Наукові праці. Том 53. Випуск 40
Из рис. 3, а видно, что при первом способе электродвигателя. В результате выполненных
работы узла “воздухоохладитель − отделитель исследований была рекомендована эксплуатация
жидкости − РТО” имеют место повышенные узла “воздухоохладитель − отделитель жидкости −
п е р е г р е в ы РТО” только по второму способу.
Δt"РТО ≥ 15 °С пара, всасываемого компрессором.
Это приводит к ухудшению охлаждения Выводы
электродвигателя и всего компрессора.
Переохлаждение жидкости Δt'РТО высокого давления Разработаны схемно-конструктивные решения
после конденсатора при этом небольшое (не более холодильной машины автономного кондиционера,
10 °С). При втором способе благодаря интенсивной обеспечивающие безопасную эксплуатацию
теплопередаче от жидкости в РТО к кипящей компрессора сухим ходом и сокращение
жидкости низкого давления на его поверхности потребляемой им электроэнергии на 10…20 %.
достигается глубокое (25…30 °С) переохлаждение Δ Применение отделителя жидкости с РТО, основная
t'РТО жидкости высокого давления (рис. 3, б). При часть которого размещена в его жидкостной
этом температура всасываемых компрессором паров полости, обеспечивает поступление в компрессор
практически равна температуре насыщения, что пара в состоянии, близком к насыщению, и
обеспечивает эффективное охлаждение встроенного следовательно, эффективное охлаждение
Література
1. Якобсон В.Б. Малые холодильные машины. – М.: Пищевая 3. R22 как низкотемпературный хладагент − неудачный
промышленность, 1977. – 386 с. выбор // Холодильная техника. – 1999. – № 11. – С. 16-17.
2. У с т р о й с т в о о х л а ж д е н и я н и з к о т е м п е р а т у р н ы х
компрессоров, работающих на R22 // Холодильная техника.
– 1999. – № 11. – С. 18-19.Вы также можете почитать
