отношение давления нагнетания к давлению всасывания в компрессоре
Пособие для ремонтника
| 61. Некоторые особенности торгового и коммерческого холодильного оборудования |
ТИПЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ
Чтобы поддерживать требуемое значение температуры воздуха в охлаждаемом объеме, прежде всего необходимо правильно выбрать место размещения чувствительного элемента (термобаллона) датчика температуры. Термобаллон датчика температуры воздуха в охлаждаемом объеме следует располагать таким образом, чтобы на его показания не оказывал влияния воздух с выхода из испарителя (иначе компрессор будет работать в режиме «циклирования»). Также не рекомендуется размещать термобаллон вблизи от входной двери в охлаждаемое пространство, так как это приведет к нежелательному запуску компрессора при каждом открытии двери. Термобаллон датчика температуры воздуха желательно устанавливать в воздушном потоке на входе в испаритель, однако крепить его нужно не к стенке холодильной камеры, а скорее, просверлив отверстие в стенке, пропустить через это отверстие управляющий тракт вместе с термобаллоном и зафиксировать термобаллон на некотором удалении от стенки (см. рис. 61.1).
Термобаллон датчика температуры заполняют какой-либо средой (иногда — жидким хладагентом), которая при изменении температуры термобаллона расширяется или сжимается точно так же, как наполнение термобаллона ТРВ. В связи с этим у датчиков температуры могут появляться те же проблемы, что и в управляющих трактах ТРВ (см. раздел 47 «Проблемы управляющего тракта ТРВ «).
Как правило, используются три основных варианта заполнения термобаллонов и управляющих трактов датчиков температуры.
1) Жидкостная заправка (см. рис. 61.1)
Данный тип заправки используют, когда температура в охлаждаемом объеме может достаточно быстро (более 0,2 К в минуту) изменяться. При этой заправке температура термобаллона всегда должна быть ниже температуры корпуса датчика во избежание перетекания жидкости в полость датчика.
В частности, корпус датчика можно устанавливать за пределами охлаждаемого объема, поскольку температура окружающей среды всегда выше температуры в охлаждаемом объеме. Для предотвращения ложных показаний рекомендуется не допускать контакта капиллярной трубки управляющего тракта датчика с холодильными трубопроводами, особенно с трубопроводом всасывания.
2) Паровая заправка
Этот тип заправки лучше всего подходит для низкотемпературных камер с медленно (менее 0,2 К в минуту) меняющейся температурой, например, при больших объемах холодильных камер. Термобаллоны датчиков с паровой заправкой монтируют по тем же правилам, что и термобаллоны с жидкостной заправкой: корпус термобаллона всегда должен находиться при более низкой температуре, чем корпус датчика во избежание перетекания и конденсации пара в корпусе датчика.
Например, если температура в охлаждаемом объеме равна +2°С, а температура окружающей среды может упасть ниже этого значения (допустим, зимой), этот тип заправки использовать нельзя.
3) Адсорбционная заправка
Адсорбционную заправку (см. пункт 2 раздела 47 «Проблема управляющего тракта ТРВ «) используют в тех случаях, когда корпус термобаллона датчика может иметь более высокую температуру, чем корпус самого датчика (например, датчик температуры конца оттайки в низкотемпературной камере).
Преимуществом этого типа заправки является то, что в управляющем тракте нет жидкой фазы, а, следовательно, нет и не может быть ее перетекания. Датчик нормально работает при любых соотношениях между температурой корпуса термобаллона и температурой самого датчика. Этот тип датчиков часто называют датчиками, показания которых не зависят от температуры окружающей среды.
Для снижения температуры нагнетания можно также использовать двухступенчатую схему сжатия и, соответственно, двухступенчатые компрессоры.
В некоторых случаях для снижения температуры нагнетания применяют ТРВ впрыска (см. рис. 31.6) или его более современную модификацию — электромагнитный клапан впрыска, работающий по аналогичной схеме (см., например, систему DC «Demand cooling» на ком прессорах Copeland или систему CIC «Controlled injecton cooling» на компрессорах Bitzer).
Для чего нужен клапан постоянного давления?
Вход этого клапана (см. рис. 61.6) соединен с выходом из испарителя, выход клапана связан с всасывающей магистралью компрессора. Конструкция клапана такова, что площадь поверхности сильфона и площадь тарели равны. В результате давление всасывания действует с одной и той же силой и на тарель, и на силь-фон, поэтому при любом изменении давления всасывания положение тарели не изменится.
Таким образом, положение тарели будет определяться только соотношением двух противоположно направленных сил: силы натяжения пружины и силы давления кипения хладагента в испарителе. Если сила давления кипения Ро падает, то сила пружины становится преобладающей, и клапан закрывается.
В чем состоит отличие между компрессорами высокого (НР), среднего (МР) и низкого (ВР) давления?
Согласно таблице мы видим три области кипения температур То: высокотемпературная. Среднетемпературная и низкотемпературная. Как правило компрессоры работающие в высокотемпературной области называют компрессорами высокого давления кипения (НР), а в среднетемпературной области – среднего давления кипения МР) и низкотемпературной – низкого давления кипения (ВР). При определенных условиях данные компрессоры могут работать в области высоких, средних и низких давлений кипения. Но как мы видим в табл.61.1 некоторые поля остались незаполненными, а это значит, что данная модель компрессора не предназначена для работы при слишком низких или высоких значениях давления всасывания, согласно заданной величины давления нагнетания.
Также можно сказать, что компрессоры высокого давления (НР) используют в системах кондиционирования, среднего давления (МР) в камерах с положительной температурой, а низкого давления (ВР) в камерах с отрицательной температурой.
Так в бессальниковых и герметичных компрессорах всасываемые пары хладагента предназначены для охлаждения электродвигателя. Но не зависимо от типа компрессора (НР, МР и ВР) с учетом заданной температуры конденсации Тк, давление нагнетания будет одинаковым. Таким образом, получается, что отношение давления нагнетания к давлению всасывания будет выше для компрессоров ВР, чем для компрессоров НР.
Другими словами, при снижении давления всасывании, отношение давлений растет. Но массовый расход зависит от отношения давлений. Поэтому при снижении давления всасывания, снижается и массовый расход, и электродвигатель начинает худшее охлаждаться.
Также известно, что при снижении давления всасывания, уменьшается холодопроизводительность. Таким образом, вполне объяснимо, почему компрессор Км-18 (табл.61.1) имеет при t0/ tk=10 С/40 С холодопроизводительность 3900 Вт, а при t0/ tk=-25 С/+40 С всего 1050 Вт, что практически в четыре раза меньше.
С целью увеличения КПД компрессоров ВР разработчики стараются уменьшить инерционность клапанов, для того, чтобы снизить до минимума их время открытия. Следует также учитывать то, что охлаждение приводных электродвигателей компрессоров ВР не достаточно эффективно и их приходится тщательно изготавливать. Именно поэтому компрессор КМ-18 не пригоден для работы, когда давление нагнетания слишком высокое или низкое. Для того, чтобы компрессор работал стабильно, необходимо правильно установить режим давления.
Из-за снижения температуры кипения может возникнуть еще одна проблема: для постоянной температуры конденсации снижение температуры кипения, приведет к уменьшению массового расхода и увеличению температуры нагнетания. В зависимости от степени температуры кипения, температура нагнетания может выйти за рамки допустимого.
Так, если взять хладагент R22 с температурой конденсации 45 С, то для него температура нагнетания составит 70 С при температуре кипения 5 С и 100 С при температуре кипения – 25 С (рис.61.4). В свою очередь, для хладагента R404А (при одинаковых условиях) температура нагнетания составит 55 С и 70 С. Из этого следует, что он больше подходит для работы при низких температурах кипения.
Отметим, что чрезмерно высокая температура нагнетания является причиной разложения масла, а следовательно — поломкой компрессора. Некоторые модели компрессоров оснащают датчиком температуры нагнетания, сигнал которого останавливает компрессор, когда значение температуры выше допустимой отметки.
Поэтому с целью дополнительного охлаждения на головку цилиндров компрессора устанавливают вентилятор (рис. 61.5). Чаще всего такое решение используют для компрессоров, работающих в области низких температур кипения (ВР). Но его эффективность не слишком высока.
Регулирование поршневых компрессоров
Компрессор рассчитывается и проектируется на определенные заданные номинальные параметры, при этом необходимо, чтобы номинальный режим работы компрессора совпадал или находился вблизи оптимального режима (режима с максимальным КПД).
В условиях эксплуатации компрессор, как правило, должен работать при разных режимах (производительностях). Представление об энергетических возможностях компрессора дают его характеристики.
Условия работы компрессора в значительной мере определяются свойствами системы, в которой он должен работать.
Необходимо оценить возможности компрессора, обеспечить те или иные условия работы системы, правильно подобрать компрессор и обеспечить его эффективную и экономическую эксплуатацию.
Регулирование работы поршневого компрессора — это обеспечение равенства производительности компрессора и расхода сжатого газа потребителем. При превышении количества газа, нагнетаемого компрессором, над потреблением давление в ресивере за компрессором растет, и, наоборот, давление падает, если потребление превышает производительность компрессора. Потребление сжатого газа, например, воздухоразделительной установкой меняется в зависимости от времени года, режима работы (пусковой режим, режим с увеличенным потреблением газа), продолжительности работы (ухудшается теплообмен в холодильниках). За расчетную (номинальную) производительность поршневого компрессора обычно принимают производительность, соответствующую максимальному потреблению, т. е. при регулировании в подавляющем большинстве случаев производительность компрессора следует уменьшать.
Номинальный (расчетный) режим характеризуется, как правило, Лмакс- Поэтому при регулировании КПД имеет тенденцию к уменьшению. За критерий экономичности любого способа регулирования принимают уменьшение КПД по сравнению с номинальным, или просто значение КПД, или удельный расход энергии, кВт/м³. Целесообразнее за номинальный режим принимать режим максимальной продолжительности работы. В этом случае регулирование ведется в обе стороны.
Возможны следующие способы регулирования поршневых компрессоров:
Регулирование может быть ручным и автоматическим, ступенчатым и непрерывным, должно быть высокоэкономичным, компактным и удобным в эксплуатации.
Способы воздействия на привод
Периодические остановки двигателя компрессора (применяемые до N = 250 кВт). При остановке агрегата мощность не потребляется; при работе в постоянном режиме КПД сохраняется. Недостатки резкоеизменение параметров тока в сети, частые повторения процедур пуска и остановки компрессорного агрегата (рис. 6.1).
Периодические остановки компрессора путём отключения его от работающего двигателя (например, автоматически с помощью электромагнитной муфты). Преимущества: нет колебаний параметров тока. Указанный способ менее экономичен — потери энергии в результате холостого хода двигателя.
Изменение частоты вращения вала компрессора. Ступенчатое регулирование — при использовании многоскоростных электродвигателей (N
Пособие для ремонтника
Несмотря на то, что в настоящее время вместо поршневых компрессоров предпочитают использовать ротационные (обладающие целым рядом преимуществ), мы будем рассматривать поршневые компрессоры (для простоты изложения), чтобы показать основные явления, которые не зависят от типа применяемого компрессора.
Рассмотрим три позиции на рис. 9.1, показывающие ход поршня холодильного компрессора при всасывании.
Поз. 1. Поршень находится в верхней мертвой точке (точка А). Поскольку поршень не должен ударяться в клапанную плиту, в верхней части цилиндра предусмотрено свободное пространство, обеспечиваюшее механическую безопасность (его называют мертвым объемом).
В рассматриваемом примере этот объем содержит пары хладагента при давлении 15 бар. Поскольку низкое давление равно 4 бар, всасывающий клапан закрыт.
Поз. 2. По мере опускания поршня в цилиндре пары хладагента, которые были сжаты в мертвом объеме до давления в 15 бар, начинают расширяться и их давление уменьшается.
Всасывающий клапан не сможет открыться до тех пор, пока давление в цилиндре не упадет несколько ниже 4 бар, что произойдет, например, в точке В. Следовательно, ход поршня между точками А и В служит только для расширения паров и в этот период ни одна молекула газа не может проникнуть в цилиндр.
Поз. 3. Поршень приходит в нижнюю мертвую точку (точка С). Цилиндр целиком заполнен парами хладагента при давлении 4 бара, однако в компрессор поступило только то количество газа, которое содержится в пространстве между точками В и С.
Таким образом, в связи с тем, что в цилиндре существует так назы- ваемый мертвый объем, ход поршня между точками А и В является
бесполезным ходом и компрессор начинает работать на всасывание
только между точками В и С.
Теперь рассмотрим ход поршня при сжатии (см. рис. 9.2).
Поз. 4. Поршень находится в нижней мертвой точке (точка С) и в компрессор поступило только то количество газа, которое содержится между точками В и С.
Поз. 5. По мере того, как поршень поднимается, давление в цилиндре возрастает (следовательно, всасывающий клапан закрыт) до тех пор, пока рост давления не приведет к открытию нагнетательного клапана и вытеснению газа при давлении 15 бар в коллектор ВД.
Поз. 6. Поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Вредное пространство цилиндра содержит точно такое лее количество паров при давлении 15 бар, что и в поз. 1 на рис. 9.1.
Итак, подведем итог нашим рассуждениям. По мере опускания поршня компрессор всасывает только такое количество паров, которое содержится между точками В и С при давлении 4 бара. При подъеме поршня компрессор нагнетает только то количество газа, которое предварительно поступило в цилиндр. Следовательно, при нагнетании компрессор вытесняет точно такое же количество паров, которое вошло в него при всасывании.
Посмотрим, что произойдет, если давление всасывания упадет?
Если давление всасывания станет, например, равным 2 бар вместо 4 бар, клапан всасывания будет открываться, когда давление в цилиндре при всасывании упадет чуть ниже 2 бар.
Следовательно, поршень должен опуститься гораздо ниже, чтобы газ, заключенный во вредном пространстве при 15 бар, расширился до давления 2 бара.
В связи с этим, бесполезный ход поршня, заключенный между точками А и В, будет более значительным, а масса газа, поступающая в компрессор при всасывании, уменьшится.
Таким образом, чем больше падает давление всасывания, тем больше уменьшается масса газа, поступающего в компрессор при всасывании.
А что будет, если возрастет давление нагнетания?
Если давление нагнетания станет, например, равным 20 бар вместо 15 бар, газ, заключенный во вредном пространстве при нахождении поршня в верхней мертвой точке, также будет сжат до давления в 20 бар.
Следовательно, чтобы при всасывании давление в цилиндре смогло упасть до величины, не-^i сколько меньшей 4 бар, и открылся клапан всасывания, поршень должен опуститься гораздо ниже.
В связи с этим, бесполезный ход поршня между точками А и В также увеличится, а масса газа, поступающая в цилиндр при всасывании, уменьшится.
Итак, чем больше растет давление нагнетания (7\), тем больше па-^•vl^ дает масса газа, поступающая в компрессор при всасывании (Ы).
Влияние давления на массовый расход
Мы смогли убедиться, что массовый расход хладагента при обращении в контуре зависит от значений давлений всасывания и нагнетания, при которых работает компрессор, и что выход массы газа через вентиль нагнетания точно такой же, как вход через вентиль всасывания.
Следовательно, массовый расход строго одинаковый в любой точке контура и меняется только фазовое состояние хладагента (жидкость или пар). При этом, если давление нагнетания растет 71, то массовый расход падает il, если давление всасывания падает il, то массовый расход также падает X.
Влияние на холодопроизводительность
В усредненных условиях функционирования небольшого кондиционера массовый расход R22 величиной I кг/ч способен обеспечить поглощение испарителем около 50 Вт (то есть 0,05 кВт) тепла.
Если расход составляет 100 кг/ч, холодопроизводительность достигает 100 х 0,05 = 5 кВт. При массовом расходе 80 кг/ч холодопроизводительность падает до 80 х 0,05 = 4 кВт.
Следовательно, холодопроизводительность прямо пропорциональна массовому расходу. Если массовый расход падает il, точно так же падает и холодопроизводительность ^1.
Поскольку массовый расход зависит от рабочих значений давлений всасывания и нагнетания, от них точно так же зависит и холодопроизводительность
Если давление нагнетания растет7\, массовый расход падаете их производительность падает. Если давление всасывания падает И, массовый расход падает ^1 и холодопроизводительность падает.
Эти изменения холодопроизводительности нельзя не принимать во внимание, поскольку расчеты показывают, что при уменьшении температуры кипения на 1 К потери холодопроизводительности составляют от 3 до 5 %, а при повышении температуры конденсации на 1К теряется около 1 % холодопроизводительности.
В качестве подсказки учтите, что одним из параметров, определяющих изменение массового расхода, является отношение давлений, то есть отношение ВД/НД (нагнетание/всасывание).
Решение
Массовый расход действительно зависит от отношения давлений в компрессоре (доказательство этого не является предметом рассмотрения настоящего учебника).
Отношение давлений определяется отношением ВД/НД, причем оба эти значения должны быть выражены в абсолютных величинах (Вспомните ваши старые знания в области холодильной техники!).
Отметим, что манометры проградуированы в относительных (избыточных) величинах.
Когда манометр показывает 0 бар относительных (избыточных), это показание означает 0 по отношению к атмосферному давлению.
По отношению к абсолютному вакууму абсолютное давление будет равно 1 атмосфере (то есть около 1 бар).
Поэтому показанию манометра 4,5 бар избыточных соответствует около 5,5 бар абсолютных.
Следовательно, в первом случае степень сжатия равна:
ВДабс / НДабс = 17,5 / 5,5 = 3,18. Во втором случае степень сжатия равна:
ВДабс / НДабс = 16,4 / 5,2 = 3,15.
Поскольку во втором случае степень сжатия компрессора упала, массовый расход будет возрастать и, следовательно, возрастет холодопроизводительность.
Производительность компрессора по всасыванию и нагнетанию. Уловки производителей. Как выбрать компрессор?
Чаще всего покупатели при выборе компрессора ориентируются на паспортные характеристики производительности и давления. Но далеко не все из них знают о нюансах, которые скрываются за этими простыми терминами.
В данном материале мы попытаемся разобраться во всех особенностях термина «производительность компрессора», чтобы в дальнейшем вы могли избежать возможных ошибок при выборе оборудования.
Определение производительности компрессора
Под «производительностью» понимается выработку «чего-либо» за единицу времени. Применительно к компрессорам этим количественным параметром является сжатый воздух или газ. Итак, производительность компрессора — это параметр, который определяет, какой объем воздуха/газа он может сжать в единицу времени. Производительность оборудования принято измерять в «единицах объема за единицу времени», т.е. в л/мин, м3/мин, м3/ч и т.д. Но все мы знаем, что воздух меняет свой объем при изменении температуры и давления. Это значит, например, что компрессор, установленный у вас в цеху, и тот же компрессор высоко в горах будут иметь разную производительность. Другой пример: тот же компрессор в жаркий день произведет меньший объем сжатого воздуха, чем в холодный. Влажность воздуха также оказывает влияние на производительность компрессора. Вот почему при указании производительности компрессора необходимо также указывать условия (температуру, давление, влажность), при которых эта производительность определяется.
Обозначение производительности компрессора: IUPAC, ГОСТ 2939-63, FAD
Как производители обычно указывают производительность компрессоров в своих красивых глянцевых каталогах? Какую производительность реально ожидать от компрессора?
Производительность указывается в так называемых «Нормальных кубических метрах в час (минуту)» – Nm 3 /h, Nm 3 /min. Под буквой «N» подразумеваются «нормальные условия», установленные Международным Союзом Теоретической и Прикладной Химии (IUPAC) — температура 0°С, абсолютное давление 101325 Па (760 мм рт. ст.), относительная влажность 0%. В России продолжает действовать ГОСТ 2939-63 «Газы. Условия для определения объема», согласно которому объем газов должен приводиться к следующим условиям: температура 20°С, абсолютное давление 101325 Па, относительная влажность 0%. Это означает следующее: встретив обозначение Nm 3 /h, можно с уверенностью сказать, что это производительность, приведенная к «нормальным условиям», установленным IUPAC. Встретив такое же обозначение на русском языке Нм 3 /ч, однозначно сказать, какие из «нормальных условий» ( ГОСТ или IUPAC) подразумеваются становится сложно. Этот вопрос необходимо обязательно уточнить у менеджеров поставляющей организации при выборе оборудования!
Часто зарубежные изготовители компрессоров указывают производительность компрессора в m 3 /h (m 3 /min) FAD при определенном выходном давлении. Что же означает аббревиатура FAD? Это не что иное, как сокращение от «Free Air Delivery» или «Подача Атмосферного Воздуха». Очень часто встречается пояснение, что это производительность компрессора, приведенная к условиям всасывания, которые обязательно при этом указываются. То есть, производительность по FAD – это количество сжатого компрессором атмосферного воздуха за единицу времени при заданных условиях на входе.
Как соотносятся значения производительности компрессора при нормальных условиях Nm 3 /h и производительность, приведенная к условиям всасывания
Если условно считать воздух идеальным газом, то справедливо следующее выражение:
где P1, V1, T1 – давление, объем и температура воздуха на входе в компрессор (условия всасывания)
P2, V2, T2 – давление, объем и температура воздуха на выходе из компрессора (условия нагнетания)
R – универсальная газовая постоянная.
Из выражения, приведенного выше, легко можно получить следующее:
В этом выражении индексы 1 и 2 не обязательно указывают на «вход» и «выход» компрессора. Это просто разные условия состояния воздуха. Добавив в данное выражение значение интервала времени, получим аналогичное выражение, но уже для производительности:
где Q1 и Q2 – производительность при различных условиях. Теперь обозначим индексом N параметры, относящиеся к нормальным условиям, а индексом FAD — параметры определения производительности FAD:
Подставим в полученное выражение параметры для нормальных условий и условий FAD, которые указал производитель компрессора (они, как правило, перечислены в сноске к таблице характеристик компрессора, например, температура 20°С, абсолютное давление 1 бар = 100000 Па).Не забываем при этом, что температуру следует указывать не в °С, а в °К – градусах Кельвина, (°С + 273):
Итак, даже используя простейшую формулу пересчета, мы получили очень важный результат:
Производительность компрессора, приведенная к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0°С), на 8% меньше производительности, приведенной к условиям всасывания (1 бар, 20°С)!
Что же это означает на практике? Предположим, вам требуется подобрать компрессор с производительностью 180 Nm 3 /h в модельном ряду какого-то определенного зарубежного производителя. Вы находите компрессор с производительностью 185 m 3 /h, но не обращаете внимания на условия, для которых эта производительность указывается. Вас все устраивает, совершается покупка. И только после ввода компрессора в эксплуатацию оказывается, что его производительность указана для условий 1 бар, 20 °С. А производительность при нормальных условиях: 185 × 0,92 = 170,2 Nm 3 /h. Это может стать неприятным сюрпризом, производительности выбранного компрессора может не хватить для нормальной работы установленного оборудования!
И еще одно небольшое уточнение: так как при измерении производительности и потребляемой мощности компрессора нормативно допускается погрешность, при выборе всегда ориентируйтесь на худший вариант (минимальная производительность и максимальная потребляемая мощность). Так же стоит учитывать возможные утечки в оборудовании, фильтрах и осушителях, трубопроводах и соединительных фитингах пневмосистемы.
Выбирая компрессор, закладывайте запас в 20-25% по производительности!
Надеемся, что этот небольшой материал поможет вам избежать ошибок при подборе компрессорного оборудования. Если у Вас есть какие либо вопросы по выбору и эксплуатации оборудования воздухоподготовки, наши сервисные инженеры с удовольствием ответят на них. Звоните: +7 (831) 413-77-41, 216-48-06. Будем рады Вам помочь!
Возможно, Вам будут так же интересны следующие материалы сайта: