Лекции по “Промышленная вентиляция и кондиционирование воздуха ”

 

4.1.4. Работа холодильной машины в режиме теплового насоса

       Как  видно из схемы холодильного  цикла, в кондиционере идет как бы перекачка тепла из помещения, в котором установлен испаритель, в окружающее пространство, как правило на улицу, где установлен конденсатор. Из испарителя всегда выходит более холодный воздух, а из конденсатора — более теплый.

  Если поменять  местами конденсатор и испаритель, то мы будем греть помещение и охлаждать улицу, перекачивая тепло с улицы в комнату. Поскольку кондиционер не создает тепло (если, конечно, не учитывать нагрев от компрессора), а только перекачивает его, то затраты энергии получаются примерно в три раза меньше тепла, которое выделяется в помещении. Когда речь идет о замене конденсатора на испаритель, то под этим понимается так называемый реверсный (обратный) цикл или иначе цикл «теплового насоса», для чего в схему встраивается 4-х ходовой клапан, переключающий направление потоков хладагента.

  Схема холодильного  контура, способного работать  как в режиме охлаждения, так и в режиме «теплового насоса», показана на рис. 4.9.

       В режиме охлаждения (рис. 4.9, а) пары хладагента с выхода компрессора (1) четырехходовым клапаном (2) направляются в теплообменник наружного блока (8), где конденсируются. Через обратный клапан (3) и ресивер (4) жидкий фреон с высоким давлением попадает на терморегулирующий вентиль (6). Терморегулирующий вентиль (9) и обратный клапан (6) при этом закрыты. Из ТРВ (5) жидкий хладагент поступает к теплообменнику внутреннего блока (7), где испаряется и через четырехходовой клапан (2) поступает на вход компрессора (1).

 

                                                 

 

Рис. 4.9. Схема реверсивного холодильного цикла:

1 – компрессор; 2 –  четырёхходовой клапан; 3,6 – обратный  клапан; 4 – ресивер; 5,9 – терморегулирующий вентиль; 7,8 – теплообменник внутренненго блока 

 

       В  режиме обогрева (рис. 4.9, б) пары хладагента четырехходовым клапаном (2) направляются в теплообменник внутреннего блока (7), выполняющего роль конденсатора. Через обратный клапан (6) и ресивер (4) жидкий фреон с высоким давлением попадает на терморегулирующий вентиль (9). Терморегулирующий вентиль (5) и обратный клапан (3) при этом закрыты.

 

 

 

Рис. 4.10.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.11.

 

 

       Реверсирование цикла производится четырехходовым клапаном (2).

Схема работы четырехходового  клапана в разных режимах показана на рис. 4.10 и 4.11.

       В  режиме охлаждения (см. рис. 4.10) обмотка  клапана обесточена и управляющий клапан соединяет левую полость поршня клапана с линией всасывания перед компрессором. Поршень перемещается влево и соединяет выход компрессора с теплообменником внешнего блока, а вход — с теплообменником внутреннего блока.

   В режиме  обогрева (см. рис. 4.11) электропитание подается на обмотку клапана и управляющий клапан соединяет правую полость поршня с линией всасывания перед компрессором. Поршень перемещается вправо и соединяет выход компрессора с теплообменником внутреннего блока, а вход — с теплообменником внешнего блока.

  Таким образом,  для обеспечения возможности работы кондиционера в режиме теплового насоса необходимо выполнить следующие мероприятия:

1. Установить четырехходовой клапан реверсирования цикла.
2. Изменить (усилить) конструкцию теплообменника внутреннего блока, так как в режиме обогрева он работает под высоким давлением.
3. Установить отделитель жидкости перед компрессором, чтобы исключить попадание жидкого хладагента в компрессор при изменении режима работы кондиционера с охлаждения на обогрев и обратно.
4. Установить еще один ТРВ и комплект обратных клапанов.
5. Установить дополнительный ресивер для жидкого хладагента, так как усложняются условия работы кондиционера и увеличивается количество заправляемого хладагента.

 

       Эффективность  работы кондиционера в режиме  обогрева оценивается отношением изменения энтальпии хладагента (или количества тепла, выделяемого в конденсаторе (HD-HB) к изменению энтальпии хладагента в процессе сжатия (HD-HC) см. рис. 4.3.

       Аналогично  режиму охлаждения, значение коэффициента  эффективности кондиционера в  режиме обогрева определяется как отношение тепловой мощности к электрической мощности компрессора, а также других вспомогательных элементов кондиционера.

 

4.1.5. Работа кондиционера  при низкой температуре окружающего воздуха.

       Как  правило воздушный конденсатор  холодильной машины эксплуатируется в атмосферных условиях (на открытой площадке).

   Работа  холодильной машины при низких температурах окружающего воздуха связана с рядом проблем, среди которых выделим пять основных:

1. Уменьшение холодопроизводительности в режиме охлаждения

   Из-за снижения  температуры воздуха, обдувающего конденсатор наружного блока, уменьшаются температура и давление конденсации. Как следствие, уменьшается расход жидкого хладагента, поступающего в испаритель через регулятор расхода.

   В результате уменьшения расхода хладагента падает давление испарения и возможно отключение кондиционера при срабатывании устройств защиты по низкому давлению.

   Особенно  заметно снижение расхода хладагента  и уменьшение холодопроизводительности в кондиционерах с капиллярной трубкой, которой оснащаются практически все бытовые кондиционеры.

В кондиционерах, оборудованных  терморегулирующим вентилем, открытие ТРВ до какого-то момента компенсирует падение давления конденсации, но после того, как ТРВ откроется полностью, эффект будет таким же, как и в случае с капиллярной трубкой.

Для увеличения давления конденсации при низкой температуре наружного воздуха принимаются следующие технические меры:

• уменьшается скорость вращения вентилятора обдува конденсатора (плавно или ступенчато) вплоть до полной его остановки;
• охлаждающий воздух перепускается мимо конденсатора или полностью перекрывается;
• перед конденсатором устанавливается специальный клапан регулирования давления конденсации, который отводит большую часть хладагента мимо конденсатора. Такое техническое решение позволило, например, в прецизионных кондиционерах фирмы UNIFLAIR (см. раздел 3.7) сохранить холодопроизводительность до температуры наружного воздуха минус 35 °С.

       Эффективной  мерой сохранения холодопроизводительности блоков с центробежными вентиляторами, установленных в помещении (подвале, на чердаке и т.д.), является выброс выходящего из конденсатора воздуха не на улицу, а в это же помещение. Для этого в воздуховоде отвода воздуха от конденсатора устанавливаются дополнительные заслонки, которые перепускают часть или полный расход теплого воздуха, идущего от конденсатора.

2. Уменьшение  теплопроизводительности в режиме  обогрева

       В  режиме обогрева происходит реверсирование  цикла и теплообменник наружного блока выполняет роль испарителя.

  При низкой температуре  наружного воздуха уменьшается перепад между температурой кипящего хладагента и температурой окружающего воздуха. Количество передаваемого тепла, необходимого для кипения хладагента, уменьшается и соответственно ухудшаются условия кипения хладагента.

  Как следствие,  снижается давление всасывания, падает производительность компрессора. Одновременно снижаются давление и температура конденсации, что приводит к уменьшению теплопроизводительности кондиционера.

  В этих  условиях необходимо максимально увеличить обдув испарителя.

  Обычно это достигается  увеличением скорости вращения  вентилятора наружного блока.

  По мере приближения  температуры наружного воздуха  к температуре кипения хладагента теплопроизводительность кондиционера снижается и при достижении минус 20-22 °С составляет 20-25%.

3. Обмерзание теплообменника наружного блока при длительной работе в режиме обогрева

       При  работе кондиционера в режиме  обогрева происходит охлаждение  наружного воздуха, обдувающего теплообменник.

       При определенном соотношении температурных и влажностных параметров атмосферного воздуха возможно появление конденсата на пластинах теплообменника наружного блока, образование льда и обмерзание теплообменника. В ряде случаев возможно образование льда и обмерзание теплообменника.

  Образовавшийся лед  не только ухудшает характеристики кондиционера, уменьшая теплопередачу, но и может физически повредить наружный блок, что может привести к довольно дорогостоящему ремонту.

       Поэтому предотвращению обмерзания  и своевременной разморозке теплообменника наружного блока уделяется самое большое внимание.

  Для удаления льда  и снеговой шубы с теплообменника наружного блока кондиционер кратковременно переводят в режим охлаждения. Теплообменник прогревается горячим конденсирующимся хладагентом, накопившийся лед растапливается, и наружный блок вновь готов к эксплуатации. На время оттайки теплообменника вентиляторы наружного и внутреннего блоков останавливаются.

  Алгоритм  системы оттайки должен быть построен таким образом, чтобы, с одной стороны, — режим оттаивания включался как можно реже и на минимальное время, с другой стороны, чтобы не возникало накопление льда на теплообменнике.

 

4. Возможность  повреждения компрессора при пуске.

       При  низких температурах наружного  воздуха жидкий хладагент может  растворяться в масле компрессора. Поэтому во время остановки компрессора возможно попадание хладагента в масло, находящееся в картере компрессора.

  Во время пуска  поршневого компрессора при движении поршня вверх в картере возникает разрежение и может происходить вскипание хладагента. Одновременно вспенивается масло и происходит его выброс в выходной трубопровод.

  Для исключения  этого на компрессорах средней  и большой мощности обязательно устанавливаются обогреватели картера, предотвращающие накопление жидкого хладагента в масле при выключенном компрессоре.

  В компрессорах  роторного типа, не имеющего масляного  картера, эта проблема менее остра, чем в поршневых компрессорах. Поэтому на компрессорах SCROLL малой мощности (примерно до 8-10 кВт) отсутствие обогревателя картера практически не влияет на работоспособность компрессора.

 

5. Опасность  попадания жидкого хладагента в компрессор при работе в режиме обогрева.

       Ухудшение условий кипения хладагента в теплообменнике наружного блока при работе кондиционера в режиме охлаждения может привести к «проскоку» жидкого хладагента и попаданию его в компрессор.

  Возникающий  при этом гидравлический удар может повредить компрессор.

  В связи с этим приходится устанавливать дополнительный ресивер (отделитель жидкости) перед компрессором на линии всасывания.

 

4.1.6. Основные сведения  о хладагентах.

       Наиболее важными характеристиками  хладагента являются следующие показатели:

• отсутствие негативных эффектов при воздействии на внешнюю среду, отсутствие токсичности и воспламеняемости;
• невысокое рабочее давление, приближенное к атмосферному, совместимость с материалами, используемыми в холодильных контурах, и со смазывающими маслами;
• высокие удельные показатели перехода в газообразную фазу (для перевода килограмма жидкости в газообразную фазу требуется большее количество тепла и, соответственно, меньшее количество хладагента при сохранении заданной производительности);
• невысокий удельный объем в газообразной фазе, что позволяет сократить объем и массу компрессора;
• умеренные температуры в конце сжатия в компрессоре с тем, чтобы избежать сгорания смазки;
• низкие показатели удельной теплоемкости в жидкой фазе с тем, чтобы сократить до минимума количество образуемого пара при прохождении через терморегулирующий расширительный клапан;
• низкая себестоимость и достаточный объем производства.

 

   В практике  холодильной техники применяются две группы фреоновых хладагентов: хлорофтороуглероды (CFC) и гидрофтороут-лероды {HCFC).

  К первым относятся  хладагенты типа R-11,R-12, R-500 и R-502. Ко вторым — R-22.

 

  В прошедшие годы выяснилось, что перечисленные хладагенты при утечке в атмосферу вредно влияют на озоновый слой, защищающий землю от ультрафиолетовых солнечных лучей. Кроме того, подтвердились данные о влиянии их на увеличение парникового эффекта в атмосфере Земли (так называемые «парниковые газы»).