Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год)

1. Применения.

В воздушных теплообменниках обычно применяется поперечный по"

14. Реверсивные системы

ток, т.е. реверсирование потока хладагента очень мало сказывается

на СРТ хотя может отчасти повлиять на коэффициент теплопередачи.

14.1. Применения

Итак, выбор прямоточной или противоточной схемы работы ППТО

В некоторых системах можно реверсировать направление движе"

определяется условиями эксплуатации. Как правило, ППТО проек"

ния хладагента, кроме потока через компрессор, который всегда

тируется так, чтобы обеспечить наиболее эффективную теплопе"

работает в одном направлении. Для реверсирования потока хлада"

редачу, что требует максимальной СРТ. Обычно, но не всегда, это

гента от компрессора к другим компонентам холодильного контура

означает использование противоточной схемы. В этом случае при

используется специальный четырехходовой клапан.

реверсировании холодильного цикла теплообменник работает по

На рис. 13 изображен основной принцип работы таких систем. Здесь

прямоточной схеме.

используется четырехходовой клапан с пилотным устройством. При

При реверсировании цикла функции компонентов холодильного

реверсировании цикла конденсатор становится испарителем, а

контура, например, конденсатора, обычно изменяются. Как прави"

испаритель " конденсатором.

ло, при реверсировании цикла изменяются и температурный ре"

Использование теплообменников и ТРВ в таких системах требует

жим, и производительность.

специального обсуждения, особенно если один из них является теп"

Поэтому не существует общих правил выбора направления потока

лообменником воздух"жидкость. Здесь рассматриваются системы,

теплоносителя в ППТО, решение определяется условиями конкрет"

имеющие хотя бы один ПТО.

ной установки.

14.1.1. Холодильные камеры

♦ Реверсирование потока хладагента только для размора

Конденсатором является ППТО, а испарителем " ВО с температу"

живания. Поскольку эта операция занимает непродолжитель"

рой испарения меньше 0 °C. В таких ВО образуется иней, поэтому

ное время, состав оборудования системы определяется основ"

их надо регулярно размораживать.

ным циклом.

Это можно осуществить, выключив испаритель и включив вентиля"

Пример. ВО охлаждает воздух до -5 °C, температура испарения

тор и электрический нагреватель или подав в ВО горячий газ из ком"

-10 °C. В качестве конденсатора используется ППТО, темпера"

прессора.

тура конденсации 45 °C. Конденсатор охлаждается водой, ее тем"

Очень эффективным методом размораживания является реверси"

пература изменяется от 27 до 32 °C.

рование холодильного цикла. Когда ВО работает как конденсатор,

В цикле размораживания в ВО конденсируется хладагент с на"

теплота конденсации быстро растапливает иней на оребрении теп"

чальной температурой конденсации 45 °C. В ППТО испаряется

лообменника.

хладагент с начальной температурой -10 °C.

14.1.2. Тепловые насосы

Температура хладагента изменяется, но при этом разность тем"

В тепловых насосах, использующих наружный воздух в качестве

ператур остается достаточно большой для эффективного теп"

источника тепла, испарение хладагента происходит в наружном

лообмена при любом направлении потока хладагента в ППТО.

теплообменнике, а конденсатор нагревает воду, которая затем рас"

пределяется по разным комнатным воздухонагревателям. Пример

Обратите внимание на приведенный ниже раздел,

такой системы приведен на рис. 13. Зимой, когда температура ок"

посвященный проблеме замораживания

ружающего воздуха понижается, температура испарения может

♦ Реверсивные тепловые насосы/воздухоохладители (ТН/ВО).

опуститься ниже нуля, и на испарителе образуется иней, как и в

Для таких установок невозможно определить, какой цикл явля"

предыдущем случае. И здесь реверсирование холодильного цикла

ется основным. В регионах с теплым климатом представляют

эффективным способом размораживания теплообменника.

интерес только ВО. В местности с более холодным климатом

Критерии проектирования различны для кондиционеров воздуха и

требуется ВО с некоторыми функциями ТН, в еще более холод"

для тепловых насосов. Подробности приведены в таблице 1. Смот"

ных регионах - ТН с некоторыми функциями ВО, и, наконец, толь"

рите также гл. 8. «Масла и хладагенты», таблица 6, где указаны свой"

ко ТН. Тепловой насос также нуждается в размораживании, но

ства хладагентов, которые необходимо учитывать при проектиро"

реверсирование цикла в этом случае не всегда имеет преиму"

вании тепловых насосов.

щества по сравнению с другими методами.

14.1.3. Реверсивные кондиционеры

На рис. 11 А и 11 Б показаны типичные температурные режимы и

А. Воздух в качестве источника низкой и высокой температу

функции теплообменников в реверсивных сплит"системах, зап"

ры, комнатный водо воздушный ППТО. Подобная ситуация уже

равленных R22 либо R407С. Из рисунков ясно видно, что испа"

обсуждалась выше, в п. 2. Еще несколько примеров приведено на

ритель не может работать по прямоточной схеме в температур"

рис. 14"16. Цикл теплового насоса теперь используется не только

ном режиме, необходимом для нормального охлаждения воз"

для размораживания, но и для кондиционирования воздуха летом.

духа. В особенности это относится к хладагентам с температур"

ным глайдом, таким как R407С. Отсюда следует, что в цикле теп"

Б. Вода в качестве источника низкой и высокой температуры,

лового насоса, когда теплообменник выполняет функцию кон"

комнатный теплообменник хладагент воздух. ППТО служит для

денсатора, он должен работать по прямоточной схеме. Допол"

передачи теплоты от хладагента к воде или от воды к хладагенту. В

нительные сведения о хладагентах с температурным глайдом

комнатном теплообменнике воздух нагревается или охлаждается.

приведены в гл. 8. «Масла и хладагенты».

Для такой системы применима показанная на рис. 13 схема, воз"

можно, с реверсированием потока воды. Обратите внимание, что

Из сказанного можно сделать следующий вывод: если ППТО при

размораживание не является обязательным.

меняется в качестве испарителя, работающего в обычном

для воздухоохладителя температурном режиме (12/7/2 °C),

В. Водо водяные теплообменники. Так как теплообмен с возду"

то необходимо использовать противоточную схему.

хом здесь не происходит, иней не образуется и размораживание не

требуется.

Этот вывод справедлив для всех типов сплит"систем независимо

от того, является ли основным тепловой или холодильный цикл.

14.2. Конструкция

Заметим, что в тех случаях, когда цикл охлаждения имеет меньшее

14.2.1. Сравнение прямоточных и противоточных теп

значение, например, в местности с холодным климатом, можно

лообменников

повысить температуру охлажденной воды. Это позволит ППТО ра"

При реверсировании цикла направление потока хладагента в испа"

ботать в качестве испарителя по прямоточной схеме в цикле охлаж"

рителе и конденсаторе меняется, но направление потока воды, как

дения и по противоточной схеме в качестве конденсатора в цикле

правило, остается постоянным. ППТО работает попеременно то по

теплового насоса, когда требуется максимальная эффективность.

прямоточной, то по противоточной схеме. В таком теплообменнике

как ПТО, где каналы расположены параллельно и реальная схема по"

♦ Реверсивная система ТН/ВО с двухходовыми теплообмен

токов близка к истинному прямотоку или противотоку, реверсирова"

никами. Интересная новая разработка показана на рис. 12.

ние очень сильно влияет на среднюю разность температур (СРТ).

1. Применения.

Компонент

Системы кондиционирования воздуха Тепловые насосы

Лучший компрессор

Открытый, для наружной установки

Герметичный, для внутренней или наружной установки

Худший компрессор

Герметичный, для внутренней

Открытый, для наружной установки

или наружной установки

Хладагенты

См. ниже п. B

←

ТРВ и испаритель

Как можно меньший перегрев

←

Лучший испаритель

Непосредственное охлаждение

Вода или рассол предпочтительнее воздуха

Температура испарения Как можно более высокая

←

Конденсатор

Как можно большего размера

Лучший конденсатор

Водяное охлаждение артезианской водой Нагрев воды на этажах, непосредственный был бы лучше,

но он невозможен

Температура

Как можно более низкая за счет эконо" Поддерживается на достаточном уровне регулятором давления, что

конденсации

майзера, водяного переохладителя

особенно важно зимой. Этот уровень должен быть как можно ниже

конденсата или переохладителя -

(большой конденсатор), чтобы достичь высокого холодильного коэф"

перегревателя пара.

фициента. Имейте в виду, что применение различных методов переох"

лаждения конденсата обычно не оправдано.

Холодильный

Зависит от соотношения функцией ВО/ТН ←

коэффициент

Важен на юге США,

Важен в Европе

в азиатско"тихоокеанском регионе.

Не очень важен в Европе

Не очень важен на юге США, в азиатско"тихоокеанском регионе.

Таблица 1. Сравнение систем кондиционирования воздуха с тепловыми насосами

˚C

Прямоток неприменим из"

за выравнивания темпера"

Может применяться как пря"

тур двух сред на выходе из

моток, так и противоток

испарителя.

R 22

Производительность, 100%

Нагрузка, 100%

ППТО (испаритель) 20,6 кВт

Воздушный теплообменник

ППТО (испаритель) 23,1 кВт

Воздушный теплообменник

(конденсатор)

25,9 кВт

(конденсатор)

25,9 кВт

Вода 12

→ 7 °C

R 22

45 °C + 35 К

→ 42 °C

R 22 50 °C + 39 К → 47°C

Воздух 10 °C

→ 7 °C

R 22 2 °C + 5 К

← 2°C

Воздух 35 °C

← 30 °C

Вода 45

← 40 °C

R 22

0 °C + 5 К

← 0 °C

Рис. 11А. Температурный режим

Рис.11Б. Температурный режим ППТО

ППТО в цикле охлаждения.

в цикле нагрева

Вода

Хладагент

А. Конденсатор. Пар подается снизу и остывает до мень"

шего значения перегрева. Затем он поступает во второй ход,

где конденсируется, двигаясь вниз в противотоке с водой.

В. Испаритель. Хладагент течет в противоположном направ"

лении, и испарение происходит в режиме прямотока. Кри"

тически важный перегрев происходит в последней секции,

где хладагент теперь движется в противотоке.

Преимущество такой схемы особенно заметно для хла"

дагентов с о температурным глайдом, например, R 407С.

Из"за глайда температуры хладагента и воды могут сбли"

зиться в параллельных потоках, что нежелательно.

Хладагент подается таким образом, что в последней сек"

ции он всегда движется в противотоке с водой.

Вода всегда подается снизу, что гарантирует заполнение

теплообменника водой даже при низких перепадах дав"

ления.

Рис.12. Реверсивная установка ТН/ВО с двухходовыми теплообменниками

1. Применения.

14.2.2. Опасность замораживания системы при ре

♦ Ресивер жидкого хладагента не следует устанавливать

версировании

между ТРВ и испарителем, см. ниже.

При реверсировании потока хладагента давление в конденса"

♦ Длинные трубы, в которых находится жидкий или двухфаз"

торе падает приблизительно с 15 бар до давления испарения,

ный хладагент, означают, что при реверсировании цикла по"

около 5 бар. В испарителе давление, соответственно, увели"

требуется испарить большую массу хладагента.

чивается. В переходный период при реверсировании цикла

давления в этих двух теплообменниках сблизятся, затем ста"

♦ Четырехходовой клапан может залипнуть из"за обледе"

нут равными, а потом уже давление в испарителе начнет пре"

нения, механического повреждения или засорения. В ре"

вышать давление в конденсаторе.

зультате увеличится время замораживания.

Таким образом, давление в испарителе растет очень быстро и

♦ Системы с одним ТРВ. ТРВ в таких системах имеет для

становится значительно выше, чем в обычном режиме работы.

обратного направления потока более низкую пропускную

Требуемая мощность на валу компрессора пропорциональна

способность, что может продлить время замораживания, см.

давлению всасывания. В результате возрастания давления вса"

рис. 13.

сывания электродвигатель не может справиться с нагрузкой, и

♦ Системы с двумя ТРВ, такие, как показаны на рис. 14, име"

его обмотка сгорает.

ют свой недостаток - более сложную систему трубопрово"

Для предотвращения этого в реверсивных системах применя"

дов и большее количество обратных клапанов, то есть, в ре"

ются, как правило, ТРВ типа МРД (максимальное рабочее дав"

зультате, большее количество хладагента в трубах.

ление). Такой вентиль закрывается, если давление превышает

♦ Установка ТРВ. Этот вопрос обсуждается ниже в этой гла"

определенное значение, независимо от перегрева пара. В этот

ве и, более подробно, в главе, посвященной испарителям.

момент, когда перепад давлений на ТРВ " движущая сила для

хладагента " становится малым или нулевым, и МРД"вентиль

♦ Байпас. Можно применить небольшой электромагнитный

закрыт, через него не проходит хладагент или проходит в ми"

клапан, установленный параллельно ТРВ. Этот клапан от"

нимальном количестве. В результате производительность ком"

крывается на некоторое время и пропускает в испаритель "

прессора значительно превышает пропускную способность

компрессор определенное количество хладагента, когда

вентиля. Это ведет к падению давления в испарителе, из"за чего

перепад давлений на ТРВ мал или когда ТРВ закрыт.

температура в нем может опуститься ниже нуля, а вода - за"

Существуют ТРВ, которые пропускают хладагент при нуле"

мерзнуть.

вом перегреве. Как правило, такие ТРВ имеют встроенный

Осложняет ситуацию наличие большого количества конденса"

байпас. Их можно применять в данных системах.

та в конденсаторе в тот момент, когда он становится испарите"

14.2.3. Отделители жидкости в линии всасывания.

лем. Если длина трубопровода между ППТО и ТРВ (см. рис.13)

Соответствующие рисунки приведены в главе, посвященной

велика, в нем может находиться значительное количество жид"

испарителям. Наличие капель жидкости в выходящем из испа"

кого хладагента. Этот хладагент и тот конденсат, который при"

рителя паре может привести к гидравлическому удару (см.

сутствует в конденсаторе, должен испариться после реверси"

выше). Во избежание этого в линии всасывания устанавлива"

рования, когда ППТО становится испарителем. Эффект анало"

ют отделитель жидкости.

гичен тому, который наблюдается при откачке. В результате

температура опускается ниже точки замерзания воды.

Обратите внимание, что отделитель жидкости в системах не"

посредственного охлаждения не должен работать в качестве

Если это количество жидкого конденсата достаточно велико, а

аккумулятора. Эту функцию должен выполнять жидкостный

компоненты установки не согласованы между собой, жидкость

ресивер. Он эффективно предотвращает жидкостное голода"

может попасть в компрессор и повредить его в результате гид"

ние ТРВ. Существует также опасность, что накопленная в се"

равлического удара. Кроме того, этот жидкий хладагент может

параторе жидкость вскипит и попадет в компрессор, что при"

уменьшить или даже предотвратить перегрев пара. Это приве"

ведет к его повреждению.

дет к закрытию ТРВ и еще большему уменьшению потока хла"

дагента.

14.2.4. Переохладитель конденсата

Жидкий хладагент на выходе из конденсатора обычно переох"

♦ Температуры хладагента ниже точки замерзания воды

лажден на несколько градусов. Как правило, этого достаточно,

обычно не вызывают больших проблем, если они не слиш"

однако иногда требуется более низкая температура.

ком низкие и не держатся слишком долго, поскольку тем

пература воды достаточно высока, и она обеспечивает

♦ Конденсат снова нагревается в жидкостном ресивере (ЖР).

ППТО достаточным запасом теплоты. Если же водяной

В результате давление в ЖР возрастает, и конденсат вытал"

контур будет перекрыт или по какой"либо причине прекра"

кивается обратно в конденсатор. Подробнее об этом ниже в

тится проток в части теплообменника, то вода, оставшаяся

описании жидкостных ресиверов.

в замкнутом пространстве, может при замерзании разру"

♦ Регулирующий вентиль работает при более низких давле"

шить ППТО.

ниях, чем ЖР. В результате хладагент испаряется в трубо"

♦ Применение МРД вентилей означает, что ради защиты

проводе.

компрессора, подвергается опасности испаритель. Целесо"

Пониженную температуру конденсата можно получить с

образность такого решения не бесспорна с инженерной точ"

помощью:

ки зрения. Такие вентили должны открываться при темпе"

ратурах существенно выше нуля, однако возможные запаз"

♦ Экономайзера, рис. 03 и 04 этой главы.

дывания могут стать причиной разрушения теплообменни"

♦ Переохладителя с водяным охлаждением, рис. 02 этой главы.

ка. Существует лучшее решение…

♦ Переохладителя с охлаждением всасываемыми парами,

♦ Регулятор давления всасывания. Он решает проблему,

рис. 5 и 15.

поскольку устанавливается после компрессора. Регулятор

дросселирует поток, пока давление не опускается ниже за"

14.2.5. Маслоотделитель, смотровое стекло и филь

данного значения. Однако высокая стоимость препятствует

тры осушители.

его повсеместному применению. Кроме того, этот регуля"

Маслоотделитель следует устанавливать сразу за компрессо"

тор нельзя применять совместно с МРД"вентилем.

ром в линии L3, как показано на рис. 14 и 15. Смотровое стек"

♦ Образование инея на ППТО обычно не происходит благо"

ло, а лучше два " одно для наблюдения, другое для подсветки "

даря высокой температуре воды. Если на наружной поверх"

следует установить в линиях L1 " L3. Существуют фильтры"осу"

ности образуется иней, это может указывать на нарушение

шители как для пара, так и для жидкости. Они могут работать

протока воды на данном участке, скорее всего, из"за засо"

как в одном направлении, так и в двух направлениях. Их также

рения канала.

следует устанавливать в линиях L1 " L3.

1. Применения.

14.2.6. Жидкостные ресиверы в реверсивных системах

♦ Две конденсационные трубы, показанные на рис. 14 и 15,

♦ Типы. Существуют два типа ресиверов: проходной и буфер"

могут быть соединены до подключения к ЖР. Этот прием уп"

ный. Здесь мы будем иметь дело исключительно с проход"

рощает монтаж, поскольку дает возможность применять

ным ЖР.

стандартные ЖР.

♦ Емкость для хранения хладагента. Во время проведения

С помощью тщательного подбора компонентов, а также длины

профилактических и ремонтных работ хладагент хранится в

и диаметра труб можно так спроектировать установку, по край"

ЖР. В особенности это относится к большим установкам. При

ней мере, небольшую, что разница в количестве хладагента для

обслуживании небольших установок хладагент можно вре"

различных режимов работы будет невелика. Тогда избыток хла"

менно хранить в любых подходящих резервуарах.

дагента может храниться в полостях ППТО у входного или вы"

ходного отверстий или в соединительных трубах. В таком слу"

♦ Демпфирующее устройство. Ресивер гасит возмущения

чае отпадает необходимость в ЖР. Такой вариант приведен на

в потоке хладагента.

рис. 16.

♦ Емкость для хранения хладагента при реверсировании

цикла. Теплообменник содержит различное количество хла"

дагента, в зависимости от того, является ли он конденсато"

14.2.8. Системы с одним или двумя ТРВ.

ром или испарителем. Точно также, в системе трубопрово"

При установке ТРВ совместно с ПТО, независимо от того, яв"

дов содержится разное количество хладагента в зависимо"

ляются ли они паяными, сварными или полусварными, необ"

сти от того, находится ли он там в виде пара, жидкости или

ходимо соблюдать следующие основные требования:

двухфазной смеси.

♦ Труба между испарителем и вентилем должна быть прямой.

Теплообменник хладагент"воздух, установленный на крыше

♦ На этой трубе не должно быть изгибов, фитингов, армату"

здания вдали от компрессора и конденсатора, содержит су"

ры, сосудов и прочих устройств, где могло бы происходить

щественно разное количество хладагента в зависимости от

разделение фаз. Распространенной ошибкой является ус"

того, работает ли он в режиме испарителя или в режиме кон"

тановка нескольких колен на трубе между вентилем и испа"

денсатора. Для ППТО, размещенного вблизи компрессора,

рителем.

различие в количестве хладагента несущественно. Избыток

жидкого хладагента хранится в ЖР.

♦ Диаметр трубы не должен быть больше выходного диамет"

ра ТРВ.

♦ Питание ТРВ обеспечивается запасом жидкого хладагента,

накопленного в ЖР. Этот резерв гасит колебания расхода

♦ Допускается установка промежуточного клапана при отсут"

хладагента в процессе работы установки и обеспечивает по"

ствии изгибов трубы после клапана. Встроенный клапан, на"

стоянное наличие жидкости в ТРВ.

пример, обратный клапан, может даже улучшать работу си"

стемы, повторно смешивая разделившиеся пар и жидкость.

♦ Сторона ВД должна быть всегда заполнена жидкостью.

14.2.7. Установка жидкостного ресивера

♦ На некоторых участках системы, возможно, потребуется

установить электромагнитные запорные клапаны. Эти кла"

14.2.9. Системы с жидкостным ресивером

паны здесь не показаны.

Для того чтобы жидкостный ресивер не оказался между ТРВ и

♦ ЖР следует устанавливать ниже конденсатора. Соединя"

испарителем в одном из режимов работы системы, можно ис"

ющая их труба не должна содержать каких"либо уст"

пользовать либо два ТРВ и два обратных клапана, как показано

ройств, заметно ограничивающих поток хладагента. При"

на рис. 14, либо один ТРВ и четыре обратных клапана, как по"

меры расположения компонентов установки приведены

казано на рис. 15.

на рис. 14 и 15.

Системы с двумя вентилями. На рис. 14 показана система с

♦ ЖР не должен нагреваться, например, из"за размещения в

двумя ППТО, которая удовлетворяет всем вышеперечисленным

теплом помещении или вблизи тепловыделяющих машин.

требованиям. Обратите внимание на следующее:

Если ресивер нагреется, то жидкость начнет испаряться и

♦ Наличие двух ТРВ означает, что каждый из них может быть

пар через конденсационную трубу будет поступать на вы"

выбран и установлен так, чтобы наилучшим образом соот"

ход конденсатора. Это может блокировать расход хладаген"

ветствовать требуемой производительности и типу испари"

та через каналы и нарушить конденсацию. Данная пробле"

теля.

ма может быть решена с помощью установки уравнитель"

ной линии от ЖР к входу конденсатора, но при этом могут

♦ При реверсировании цикла конденсат должен идти в обход

возникнуть другие проблемы, см. ниже.

ТРВ, который работает в нормальном режиме. Это осуще"

ствляется с помощью параллельно установленного обрат"

♦ Для того чтобы вернуть испарившийся хладагент из ЖР об"

ного клапана, который открывается при реверсировании.

ратно в конденсатор, ЖР и нагнетательная труба компрес"

Когда поток снова пойдет в прямом направлении, обратный

сора могут быть соединены уравнительной линией. В этом

ТРВ будет закрыт, и поток пойдет через запорный клапан,

случае давление нагнетания поднимает конденсат в конден"

соответствующий прямому направлению потока.

сатной трубе, и если конденсатор недостаточно высоко под"

нят над ресивером, он может быть затоплен и проток хлада"

♦ Термобаллон и уравнительные линии неактивного ТРВ те"

гента через него будет затруднен.

перь соединены со входом теплообменника, который стал

конденсатором. Если поступит сигнал о большом значении

Отсюда вытекает следующая рекомендация: не устанавливай"

перегрева, то вентиль будет пытаться открыться. Следова"

те уравнительную линию в реверсивной системе.

тельно, вентиль должен быть типа МРД. Такой вентиль зак"

♦ При реверсировании потока ЖР не должен находиться

рывается, если давление превысит определенное значение.

между ТРВ и испарителем. В противном случае весь со"

Другим решением является установка в линию непосред"

держащийся в ресивере жидкий хладагент должен будет ис"

ственного расширения второго запорного клапана.

париться, что грозит замораживанием воды, протекающей

через испаритель. Если же хладагент испарится не полнос"

тью, попадание жидкости в компрессор приведет к гидрав"

лическому удару и повреждению компрессора. Проблема

замерзания воды обсуждалась в предыдущем параграфе.

1. Применения.

А. Режим воздухоохладителя

Активная линия ВД

Активная линия НД

Неактивная линия ВД

Неактивная линия НД

Конденсатор

Закрытые вентили

непосредственного

расширения и обрат"

45 ˚C + ~ 35 K

ные клапаны.

Фанкойл

(охлаж

2 ˚C + 5 K

дение

воздуха

Данная схема удовлетворяет наиболее

в поме

важным требованиям, определяющим на"

щении)

дежность системы, а именно: прямая тру

12 ˚C

ба между ТРВ и ППТО, а также свобод

ный проток между конденсатором и ЖР.

7 ˚C

Кроме того, труба от ТРВ к теплообменни"

ку хладагент"воздух входит в трубу конден"

сата сверху. Поэтому она не заполняется

конденсатом, когда теплообменник рабо"

тает как конденсатор.

Испаритель

Аналогичная труба, идущая от другого ТРВ

к ППТО, сделана короткой и входит в тру"

бопровод горизонтально. Небольшое ко"

личество конденсата, которое может нако"

Фильтр

питься в этой трубе, не оказывает влияния

осуши

на работу установки.

тель

ТРВ без МРД (не

ЖР

отключающиеся

при достижении

максимального

давления)

В. Режим тепло

На участках трубопровода L1, L2 и L3 на"

вого насоса

правление потока не изменяется. Эти уча"

стки могут быть использованы для монта"

жа устройств, которые должны применять"

ся в обоих режимах.

♦ Фильтр"осушитель в этой схеме уста"

Конденсатор

новлен на участке L1. В данном случае

он работает в обоих режимах, так как ус"

6 ˚C + 5 K

танавливается на участке, где поток

50 ˚C + ~ 35 K

всегда направлен вверх.

Фанкойл

♦ Здесь же может быть установлено

(нагрев

смотровое стекло.

воздуха в

помеще

♦ Маслоотделитель может быть установ"

нии)

лен на участке L3.

40 ˚C

♦ Сепаратор в линии всасывания уста"

навливается на участке L2.

45 ˚C

♦ Охладитель конденсата охлаждает жид"

кость на участке L1 и нагревает пар на

участке L2.

Испаритель

Фильтр

осуши

тель

ЖР

Регулятор давле

Рис.14. Система с двумя ТРВ

ния всасывания

и жидкостным ресивером.

1. Применения.

А. Режим воздухоохладителя

Активная линия ВД

Активная линия НД

Неактивная линия ВД

Конденсатор

Неактивная линия НД

Обратные клапаны

закрыты

45 ˚C + ~ 35 K

Испаритель

Фанкойл

(охлаж

2 ˚C + 5 K

дение

Эта установка оснащена одним ТРВ и четырьмя

воздуха

дополнительными обратными клапанами, что по"

в поме

зволяет направлять испаряющуюся смесь в об"

щении)

вод ЖР. Без этих клапанов ресивер оказался бы

12 ˚C

между ТРВ и испарителем, по крайней мере, в

одном из режимов.

7 ˚C

В этой схеме хладагент всегда течет через ТРВ

только в одном направлении, т.е. вентиль рабо"

тает с полной пропускной способностью в обоих

режимах.

Данная схема удовлетворяет наиболее важным

требованиям, определяющим надежность систе"

мы, а именно: прямая труба между ТРВ и ППТО,

а также свободный проток между конденсато

ром и ЖР.

Фильтр

осушитель

ЖР

В. Режим теплового насоса

Промежуточный обратный клапан не мешает это"

му потоку, он может даже оказать на него поло"

жительное воздействие. Обратите внимание, что

трубы конденсата могут быть соединены между

Испаритель

собой перед присоединением к ЖР, как показано

6 ˚C + 5 K

на рис.14.

50 ˚C + ~ 35 K

На участках трубопровода L1 " L3 направление

Конденсатор

потока не изменяется. Эти участки могут быть

Фанкойл

использованы для монтажа различных устройств.

(нагрев

♦ Маслоотделитель может быть установлен на

воздуха в

помеще

участке L3.

нии)

♦ Сепаратор на линии всасывания устанавлива"

40 ˚C

ется на участке L2.

45 ˚C

♦ Здесь же установлены фильтр"осушитель и

охладитель конденсата " подогреватель пара,

использующие потоки в линиях L1 и L2.

ТРВ с МРД.

Более подходящая

система показана на

рис.14.

Охладитель

конденсата

Рис.15. Система с одним ТРВ

и подогреватель пара

и жидкостным ресивером.

1. Применения.

Четырехходовой

клапан

Фильтр"

осушитель

Испаритель

Конденсатор

Работающий в

обоих направле"

Уровни конденсата в двух ППТО

ниях ТРВ

могут быть выровнены с помощью

горизонтального перемещения

Конденсат

вентиля.

Испаритель

Конденсатор

ТРВ в основном режиме

ТРВ в реверсивном режиме

Рис. 16. Система с одним ТРВ без жидкостного ресивера

Система с одним вентилем. Вместо системы с двумя ТРВ

обратном направлении, чем в прямом. Это связано с тем,

можно спроектировать систему с одним ТРВ, добавив два об"

что поток в прямом направлении стремится открыть вентиль,

ратных клапана для изменения направления потоков. Хитрость

а в обратном - закрыть.

в том, чтобы не создать при этом многочисленных изгибов тру"

Поэтому вентиль необходимо устанавливать так, чтобы в ос"

бы между ТРВ и испарителем ППТО. Один из возможных вари"

новном режиме системы, будь это холодильный цикл или

антов такой системы показан на рис. 15. Обратите внимание,

цикл теплового насоса, поток проходил через него в пря"

что направление потока через ТРВ не изменяется при ревер"

мом направлении.

сировании цикла.

♦ Заправка системы и выбор положения вентиля должны быть

выполнены со всей тщательностью, чтобы к вентилю посту"

14.2.10. Системы без жидкостного ресивера

пало достаточное количество жидкости в обоих направле"

Системы с двумя вентилями. Если уровень конденсата в

ниях. Это легче сделать, если установка спроектирована

ЖР на рис. 14 и 15 остается постоянным, то такой ресивер

максимально симметричной.

можно исключить из состава установки и заменить соеди"

нительной трубой. В результате получится схема с одним

На рис. 13 показана другая система с одним вентилем и тоже

(или двумя) ТРВ.

без ЖР. Система содержит ППТО и теплообменник хлада"

гент"воздух. Этот теплообменник может находиться далеко

Системы с одним вентилем. На рис. 16 показана система с

от ТРВ. В этом случае неизбежны длинные трубы с колена"

двумя ППТО, которая удовлетворяет всем вышеприведенным

ми и фитингами. К счастью, теплообменники хладагент"воз"

требованиям. Обратите внимание на следующее:

дух менее чувствительны к месту установки ТРВ.

♦ В ППТО, как в конденсаторе, так и в испарителе, содержит"

♦ ППТО расположен в соответствии со сделанными выше ре"

ся небольшой объем хладагента. Если оба теплообменника

комендациями. Когда он работает как конденсатор, жид"

примерно одинаковы по размерам, то разница в объемах

кость должна полностью заполнять весь объем входной по"

хладагента в холодильном цикле и цикле теплового насоса

лости. При этом линия от вентиля до испарителя с воздуш"

невелика и легко может быть компенсирована выбором по"

ным охлаждением заполнена двухфазной смесью.

ложения вентиля на горизонтальной трубе, соединяющей

теплообменники.

♦ При реверсировании потока возрастает объем жидкости, но

этот избыток жидкости легко находит себе место в трубе

♦ Единственная жидкостная труба соединяет конденсатор и

между вентилем и конденсатором с воздушным охлажде"

вентиль. Эта труба короткая и содержит лишь небольшое ко"

нием.

личество хладагента.

Внимание! Системы с одним ТРВ без жидкостного ресивера в

♦ Если вентиль не является встроенным, то необходимо пре"

случае применения разных теплообменников и значительной

дусмотреть в соединительной трубе небольшое колено, а

асимметрии, т.е. когда объемы жидкого хладагента в жидко"

лучше установить ППТО на разной высоте. Обратите вни"

стных линиях заметно меняются при переходе с одного режи"

мание! Во встроенном вентиле поток может достаточно кру"

ма на другой, требуют тщательной балансировки и подгонки

то менять свое направление, что нежелательно.

оборудования, даже если используются безупречно работаю"

♦ Обычно, пропускная способность ТРВ немного меньше в

щие ППТО.

1. Применения.

безопасный предел эксплуатации фанкойлов. Такое здание

15. Системы, охлаждаемые

делится по высоте на зоны, в фанкойлы каждой зоны подается

морской водой

охлажденная вода от подстанции на ближайшем техническом

этаже. Технические этажи расположены через одинаковые ин"

На рис. 17 показана система SECOOL, в которой охлаждающая

тервалы, обычно, начиная с 13"го (например, в лифтах отелей

конденсаторы вода в свою очередь охлаждается морской водой

отсутствует соответствующая кнопка). Существует много ва"

в специальном ПТО. Охлажденная пресная вода поступает по

риантов таких систем.

трубам к различным системам кондиционирования воздуха.

♦ Самым простым и наиболее эффективным использовани"

В схеме, показанной на рис. 18, морская вода непосредствен"

ем разности температур комнатного воздуха и морской воды

но охлаждает ПТО"конденсатор центрального чиллера. Вода,

является охлаждение морской водой конденсатора цент"

охлажденная центральным чиллером, поступает к фанкойлам

рального чиллера, расположенного на среднем этаже зда"

напрямую или через промежуточные устройства развязки по

ния. Один контур пресной воды обслуживает верхнюю часть

давлению.

здания, другой " нижнюю. Недостатками являются, во"пер"

В этом разделе обсуждаются преимущества и недостатки вто"

вых, поступление агрессивной и засоренной морской воды

ричного контура с морской водой по сравнению с системами,

в машинное отделение, во"вторых, ограничение на высоту

непосредственно использующими морскую воду для охлажде"

здания.

ния конденсаторов.

♦ В системе, изображенной на рис. 17, циркулирующая пре"

Здесь дается также краткое описание оборудования и спосо"

сная вода охлаждается морской водой. В свою очередь, пре"

бов использования морской, солоноватой и речной воды в ка"

сная вода охлаждает конденсаторы зональных кондиционе"

честве охлаждающей среды в системах кондиционирования.

ров,

находящихся на технических этажах.

Термин «морская вода» (МВ) здесь применяется для обозна"

В такой системе контур пресной воды должен выдерживать

чения всех видов воды, если тип воды не оговаривается особо.

полное давление столба воды от верха здания до цоколя.

В главе, посвященной оптимизации, обе системы рассматри"

Кроме того, уменьшается перепад температур, так как в кон"

ваются с точки зрения наиболее эффективного достижения

денсаторы поступает вода с температурой на 3"7 К выше,

требуемого перепада температур комнатного воздуха и морс"

чем у морской воды.

кой воды. В этой же главе обсуждаются вопросы оптимизации

♦ Общий для всего здания чиллер располагается в цокольном

SECOOL.

этаже. Контур пресной воды проходит от цокольного этажа

до верхнего и гидравлически изолирован от фанкойлов с

15.1. Что такое система SECOOL?

помощью ПТО (развязка по давлению). Такой ПТО представ"

Название происходит от первых букв английского термина

ляет собой небольшое устройство, которое может быть ус"

SEcondary COOLing (вторичное охлаждение). Этот термин при"

тановлено в служебном помещении на каждом этаже или в

думан фирмой Alfa Laval для обозначения метода охлаждения

каждой зоне. Преимущество такой системы очевидно. Ма"

пресной воды в первичном контуре с помощью вспомогатель"

шинное отделение расположено на цокольном этаже. По

ного водяного контура, обычно с морской или речной водой.

зданию распределяется только охлажденная вода. Недоста"

Вода в первичном контуре затем используется для охлажде"

ток данной системы в том, что чиллер должен охлаждать воду

ния оборудования на промышленных предприятиях, например,

на 3"7 °С сильнее, чем в предыдущем случае, чтобы фан"

на химических, сталелитейных, нефтеперерабатывающих за"

койлы работали в том же температурном режиме. С другой

водах, электростанциях, на морских судах и т.д.

стороны, в конденсатор поступает вода с более высокой

Особый интерес специалистов по холодильной технике вызы"

температурой.

вает возможность охлаждения воды для водоохлаждаемых кон"

денсаторов холодильных установок. Во многих регионах, осо"

15.2. Компоненты.

бенно в Гонконге, Сингапуре, Шанхае, Японии и других стра"

Водозабор. В схеме на рис. 17 вода подводится по короткому

нах Дальнего Востока, лето жаркое и влажное, а запасы пре"

каналу к цокольному этажу здания, где расположены насосы

сной воды ограничены. Такие условия не благоприятны для ох"

для подачи морской воды. Преимуществом такой системы яв"

лаждения воды в градирнях. Морская вода, зачастую, легко

ляется низкая стоимость капитального строительства.

доступна и очень удобна для сброса тепла. На рис. 17 и 18 по"

Недостатком является высокое содержание мусора в воде

казаны типичные установки для кондиционирования высотных

вблизи берегов. В таком случае можно брать воду с помощью

зданий.

башенного водозабора на некотором расстоянии от берега и в

Циркулирующая пресная вода охлаждается в двух ПТО с про"

нескольких метрах от дна. Дальше вода по трубам поступает к

кладками и титановыми пластинами и затем используется для

насосной станции. В этом случае вода, как правило, гораздо

охлаждения конденсаторов кондиционеров воздуха.

чище, чем на поверхности, на дне или у берега.

Такая система имеет много преимуществ. Не расходуется пре"

Кроме того, насосная станция может находиться на некото"

сная вода, как это происходит в градирнях. Пресная или, чаще,

ром расстоянии от берега, не занимая полезную площадь по"

деминерализованная вода заполняет замкнутый контур. В ней

бережья.

отсутствуют кислород и другие вещества, вызывающие корро"

Фильтр или решетка. Решетка или самоочищающийся фильтр

зию. Оборудование установки находится в контакте только с

препятствуют попаданию крупного мусора в насосную станцию.

неагрессивной и незагрязненной пресной водой. Агрессивная

и засоренная морская вода присутствует только в разборных

Насосы для подачи морской воды. В схеме на рис.17 насо"

теплообменниках контура SECOOL.

сы расположены ниже поверхности воды, т.е. имеют положи"

тельное давление на входе, так что не требуется никакой спе"

Единственным недостатком такой системы является требова"

циальной системы для заливки насоса.

ние доступности морской или речной воды. Если такой водоем

расположен рядом, система осуществима, если же он находит"

Их можно расположить выше поверхности воды, но тогда по"

ся в километре от установки, то, по всей видимости, такая сис"

требуется система заливки насоса.

тема не практична.

15.2. Сравнение систем с зависимым

и независимым присоединением

конденсаторов к контуру морской воды

В высотных зданиях давление в столбе воды от цокольного эта"

жа до крыши может быть большим, значительно превышающим

1. Применения.

Насос для морской воды обычно имеет бронзовое рабочее ко"

ния можно принять обработку четыре или шесть раз в день про"

лесо, вал из нержавеющей стали и бронзовый или чугунный

должительностью 15 минут с концентрацией хлора на выходе

корпус. Большие насосы должны иметь двойной подвод, т.е.

из ПТО 1"2 млн^"1. Точка впрыска должна находиться непосред"

морская вода поступает к рабочему колесу с двух сторон. На

ственно перед ПТО. Если впрыскивать препарат на большом

рис. 18 показан насос с односторонним подводом.

расстоянии от ПТО, то все микроорганизмы, присутствующие

в трубе между точкой впрыска и ПТО, отделятся от стенок и за"

Самоочищающиеся фильтры. Обратимся к рис. 17. Суще"

бьют теплообменник.

ствуют разные типы таких фильтров. Alfa Laval разработала

фильтр, специально предназначенный для работы с ПТО, ис"

Применяются три основных метода хлорирования:

пользующими морскую или речную воду. Подробнее фильтр

описан в специальной документации. Корпус изготовлен из

♦ Непосредственный впрыск жидкого хлора. Чаще всего ис"

покрытой резиной низкоуглеродистой стали, сетка " из нержа"

пользуется в химической промышленности, где персонал

веющей стали. Фильтр минимального типоразмера имеет при"

обладает необходимыми знаниями и навыками в обраще"

соединительный размер 100 мм. Это стационарный фильтр, в

нии с хлором (по"видимому, больше нигде таких специали"

котором очистка производится частично путем реверсирова"

стов нет).

ния потока воды, частично за счет сдвигающего усилия, воз"

♦ Впрыск водного раствора гипохлорита кальция или натрия.

никающего при течении воды вдоль поверхности сетки. Очист"

Этот способ хлорирования более легкий и безопасный, но

ка производится автоматически через заданные промежутки

требует специальных мер защиты оборудования, так как

времени либо по уровню падения давления. Отсутствие дви"

раствор обладает высокой коррозионной активностью.

жущихся частей (кроме используемых для реверсирования

потока) делает такой фильтр высоконадежным.

♦ Наиболее изящным методом является электролиз морской

воды. В результате электролиза раствора NaCl образуется

При реверсировании потока мусор смывается в небольшую

хлор и водород, причем в воде, именно там, где нужен хлор.

сточную трубу, которую желательно присоединить к основной

Это способ дорог, но зато не требует хранения агрессивной

линии морской воды после ПТО.

и (или) опасной жидкости.

Существуют непрерывно очищающиеся вращающиеся фильт"

Химическая чистка. Морская вода содержит не только мик"

ры. Однако некоторые модели таких фильтров часто выходят

роорганизмы, но и другие загрязнители, такие как нефтепро"

из строя в результате заклинивания мусором.

дукты, частицы дыма, мертвая органическая материя. Все это

Очистка противотоком. Мелкий мусор, водоросли, рыба и

может скапливаться на поверхности теплообменника и подле"

прочие загрязнения, попадающие на вход насосов при отсут"

жит удалению. Очистку необходимо проводить и в том случае,

ствии фильтра, застревают на входе ПТО. Простой путь очист"

когда хлорирование, по тем или иным причинам, невозможно.

ки от такого мусора заключается в пропускании потока воды

В системах безразборной мойки (CIP) подача морской вода в

через ПТО в обратном направлении. На схеме, показанной на

ПТО на некоторое время прекращается, а вместо нее в аппа"

рис. 18, применяется именно такой способ. Очистка произво"

рате циркулирует моющий раствор. Alfa Laval выпускает два

дится автоматически, обычно четыре или шесть раз в день,

вида моющих растворов, специально разработанных для ПТО.

процедура занимает от 15 до 30 минут.

Подробнее их свойства описаны в специальной документации.

Замечание 1. При реверсировании потока режим течения в теп"

Один из них представляет собой промышленный детергент,

лообменнике обычно меняется с противотока на прямоток. В этом

эффективный препятствующий органическим обрастаниям.

случае временно снижается производительность установки.

Второй раствор " это кислота, которая растворяет отложения

Замечание 2. За исключением некоторых, очень специальных

карбоната кальция и магния, чаще всего встречающиеся в тру"

случаев, нет необходимости устанавливать одновременно и

бах с охлаждаемой водой.

фильтр и систему очистки противотоком.

Ручная чистка. Обычно рекомендуется один раз в год демон"

Замечание 3. Система очистки противотоком не требует спе"

тировать разборный ПТО для осмотра и ручной очистки. Ко"

циальной сливной трубы, что упрощает монтаж, правда, не с

нечно, периодичность осмотра может быть разная, от несколь"

юридической точки зрения.

ких раз в год до одного раза в десять лет. Если такая работа

проводится раз в году, это следует делать непосредственно

Замечание 4. Конденсатор с непосредственным охлаждением

перед началом самого теплого времени года, так чтобы в пе"

должен оснащаться более совершенной системой очистки, чем

риод максимальной нагрузки конденсатор был чистым.

конденсатор вторичного контура. Это связано с тем, что демон"

таж его пластин связан с разгерметизацией контура хладаген"

Пластинчатые теплообменники. Для морской воды приме"

та, что требует больших затрат времени и средств на обслужи"

няются только сварные (СПТО) и разборные (РПТО) теплооб"

вание.

менники. ПТО, работающие на морской воде, будь"то конден"

саторы (СПТО) или ПТО SECOOL (РПТО), изготавливаются из

Хлорирование. В морской и солоноватой воде содержится

титана, поскольку этот материал абсолютно устойчив действию

множество морских организмов: водорослей, грибков, рачков,

морской воды и большинства химических веществ. Исключе"

бактерий и т.д, в пресной воде их несколько меньше. Более

ние составляют фторсодержащие вещества, находящиеся либо

крупные организмы задерживаются фильтром, но мелкие про"

в растворе, либо входящие в состав прокладок, например, из

ходят в систему. Личинки балянусов и мидий могут проходить

фторполимера " вайтона. Такие прокладки нельзя применять в

практически через любые сита. Они оседают на стенках, рас"

титановых ПТО. Существуют некоторые высококачественные

тут и, в конце концов, отрываются и засоряют конденсатор. В

марки нержавеющей стали, например, Avesta 254 ( и 654) SMO,

теплообменнике из мягкой стали, охлаждаемом пресной во"

стойкие к воздействию солоноватой воды, но не в сочетании

дой, могут поселиться разрушающие железо бактерии. В зим"

с хлором. Этот вопрос обсуждается в гл.6., «Засорение и кор"

нее время теплый конденсатор представляет собой особенно

розия».

удобное место обитания.

Примечание 1! ПСПТО для R22 не могут работать с паром, тем"

Эффективным способом борьбы с нежелательными биологи"

пература которых в течение длительных периодов превышает

ческими обрастаниями " там, где это позволяет законодатель"

90 °С. При работе с аммиаком температура паров длительное

ство, " является хлорирование, особенно ударное хлорирова"

время может быть выше 120 °С.

ние через неодинаковые промежутки времени, поскольку, на"

пример, балянусы могут запоминать периодичность воздей"

Примечание 2! CuNi разрушается при взаимодействии с заг"

ствия и закрываться на это время. Продолжительность хлори"

рязненной морской водой, взятой в районе портов или про"

рования трудно определить точно, поскольку активность био"

мышленных зон. ПТО из этого материала могут применяться

логических процессов в морской воде зависит от региона, вре"

на кораблях, проводящих большую часть времени в открытом

мени года, времени суток и т.д. В качестве начального значе"

море.

1. Применения.

Однако после испарения 95 % жидкости концентрация масла

16. Растворимое масло

увеличивается до 10 %, до этого момента повышение вязкости

в затопленных системах

остается сравнительно небольшим.

Оставшаяся часть разделения, при которой концентрация мас"

16.1. Испаритель масла

ла должна повыситься от 10 до 100 %, представляет наиболь"

Парожидкостная смесь поступает из испарителя в сепаратор,

шую сложность. К счастью, количество этой жидкости невели"

где пар отделяется от жидкости, и, возможно, затем дополни"

ко, процесс испарения протекает на поверхности капель жид"

тельно осушается в туманоуловителе. Данный процесс отде"

кости, взвешенных в газе, т.е. физические свойства жидкости

ляет от пара не только жидкий хладагент, но и масло.

не имеют большого значения. На практике можно спроектиро"

При таком устройстве в компрессор поступает только сухой пар,

вать аппарат для среды со средними физическими свойства"

а масло, фактически, улавливается в контуре испаритель " се"

ми или в расчете на чистый хладагент, но с большим запасом

паратор. Если не принять специальных мер, то концентрация

(20 - 50 %).

масла в испарителе постепенно увеличится, а в компрессоре "

Конструкция испарителя возврата масла не критична для си"

уменьшится.

стемы. Пусть производительность аппарата составляет 50 %

Поэтому, во"первых, необходимо после компрессора устано"

от требуемой. Это означает, что концентрация масла будет

вить эффективный маслоотделитель, см. рис. 19.

равна 0,75 %, т.е. вполне допустимой для работы основного

испарителя.

Однако этого недостаточно. Даже высокоэффективный масло"

отделитель не может задержать все масло. Какая"то его часть

Итак, из 5000 кг/час смеси, поступающей в контур испаритель"

неизбежно пройдет через маслоотделитель и, в конечном сче"

сепаратор, 1000 кг/час уходит в испаритель возврата масла.

те, сконцентрируется в контуре испаритель " сепаратор.

Снизит ли это производительность установки?

Вторым необходимым шагом является установка испарителя

Нет, так как теплота, необходимая для испарения хладагента,

возврата масла, см. рис. 19.

отбирается у конденсата, температура которого уменьшается,

а охлаждающая способность увеличивается.

В этот испаритель подается часть жидкого хладагента из кон"

тура испаритель - сепаратор. Здесь жидкий хладагент как мож"

На рис.19 изображена схема установки с испарителем возвра"

но полнее испаряется. Пары хладагента увлекают с собой ка"

та масла. Хладагент, поступающий из сепаратора, испаряется,

пельки масла, содержащие хладагент, но в столь малом коли"

и масляный туман возвращается в компрессор. Таким образом,

честве, которое не представляет опасности гидравлического

к данному испарителю предъявляются следующие основные

удара в компрессоре.

требования:

В качестве нагревающей среды обычно используется конден"

♦ Максимально полное испарение раствора масла в хлада"

сат линии высокого давления.

генте.

Подача хладагента в испаритель возврата масла должна быть

♦ Возврат масла в линию всасывания компрессора только в

подобрана так, чтобы скорость поступления масла в сепара"

виде масляного тумана.

тор равнялась скорости его отвода. Отсюда следует, что кон"

♦ Движущей силой, создающей поток через испаритель, мо"

центрация масла в контуре испаритель " сепаратор во много

жет быть статическое давление, как в обычном термоси"

раз больше, чем в поступающем сюда конденсате.

фоне.

Пример. Пусть из конденсатора или жидкостного ресивера

♦ Статическое давление может оказаться недостаточным для

в контур испаритель " сепаратор поступает 5000 кг/час ра"

того, чтобы заставить масляный туман поступать в линию

створа R 22 " масло, причем масла поступает с этим раство"

всасывания. Если линия от испарителя возврата масла вхо"

ром 5 кг/час, т.е. 0,1 %.

дит в линию всасывания после клапана, создающего паде"

Чему будет равна концентрация масла на участке сепаратор "

ние давления, то такое дополнительное давление должно

испаритель?

быть подано на испаритель в качестве движущей силы.

В сепаратор вводится 5000*0,001 = 5 кг/час масла. Все это

♦ Вход в линию всасывания может быть выполнен как эжек"

масло должно уйти из сепаратора с поступающим в испари"

тор, что создаст некоторую дополнительную движущую силу.

тель возврата масла раствором R 22 - масло, расход которого

♦ Входом в испаритель масла может быть нагнетательная тру"

равен 1000 кг/час. Таким образом, концентрация масла в нем

ба насоса в схеме с принудительной подачей жидкого хла"

составит:

дагента.

100×5/1000=0,5 %.

♦ Подача хладагента в испаритель масла регулируется по зна"

Из поступающей в испаритель возврата масла жидкости

чению перегрева, но без мгновенного испарения хладаген"

99,5 % испаряется, т.е. оставшиеся 0,5 % являются маслом.

та, как это происходит в обычном ТРВ. Регулирующий вен"

Таким образом, концентрация масла в контуре испаритель

тиль просто регулирует подачу жидкости так, чтобы ее по"

" сепаратор в пять раз выше, чем в жидкости, поступаю"

ступало в аппарат не больше, чем может испариться. Допу"

щей сюда из конденсатора или жидкостного ресивера.

стимое падение давления невелико, т.е. распределитель для

ППТО здесь, вероятно, будет неприменим. Однако могут

Испаритель возврата масла аналогичен испарителю непосред"

использоваться другие устройства, обычно применяемые в

ственного охлаждения в том отношении, что перед выходом

системах непосредственного охлаждения.

хладагент должен полностью испариться. Отличие заключает"

ся в том, что концентрация масла в нем намного выше, а допу"

стимое падение давления обычно намного меньше.

Это создает определенные трудности при проектировании ис"

парителя, поскольку среда изменяется от почти чистого хла"

дагента до почти чистого масла, соответственно меняются и

физические свойства, особенно вязкость. Испаритель должен

быть разделен по длине на несколько зон, конструкция кото"

рых отвечает физическим свойствам присутствующей в них

среды. К сожалению, это очень кропотливая задача.

1. Применения.

-3/-2 ˚C

Клапан, создающий

перепад давления

-3/-1.2 ˚C

Маслоот"

делитель

-2 ˚C

41.5/101.3 ˚C

42/96.4 ˚C

3,4 ˚C

-2 ˚C

Испаритель

42/101.3˚C

Мас"

возврата масла

ляный

бак

Vent

Газовыпуск"

ной клапан

УЛL

-2 ˚C

37 ˚C

Маслоох"

ладитель

ЖР

Масляный насос

Столб конденсата

Рис. 19. Маслоохладитель и испаритель возврата масла в затопленной системе

с растворимым маслом

16.2. Маслоохладитель.

♦ Вентиль на входе хладагента в маслоохладитель открыт. Хла"

Эта система одинакова для растворимого и для нераствори"

дагент испаряется в маслоохладителе и давление в ЖР по"

мого масла. Масло охлаждается за счет испарения теплого

вышается настолько, чтобы пар прошел через УЛ на вход

конденсата. Другие способы - охлаждение низкотемператур"

конденсатора. Соответственно увеличивается столб жидко"

ным хладагентом или водой " приводят к большим тепловым

сти в конденсационной трубе.

ударам.

♦ В хладагенте могут присутствовать неконденсирующиеся

После испарения пар снова конденсируется в конденсаторе.

газы, поэтому в верхней части конденсационной трубы (но

Он попадает в конденсатор одним из следующих способов:

не в ЖР) необходим газовыпускной клапан.

А) через ЖР и уравнительную линию (УЛ), см. рис. 19;

Если пар попадает в конденсатор по варианту В), то УЛ не нуж"

на, и конденсационная труба должна находится выше уровня

Б) подается непосредственно на вход конденсатора;

конденсата в ЖР. Пар движется навстречу конденсату и входит

В) подается обратно через конденсационную трубу на выход

в нижнюю часть каналов конденсатора.

конденсатора и в нижнюю часть его каналов.

♦ Столб жидкости, необходимый для преодоления гид

В случаях А) и Б) хладагент движется по замкнутому контуру.

равлического сопротивления каналов, образуется в

Чтобы это стало возможным в конденсаторе с довольно высо"

самих каналах. Следовательно, часть каналов затопля

ким падением давления, должны выполняться следующие ус"

ется, и их поверхность не участвует в процессе конден

ловия:

сации.

♦ Давление в ЖР должно быть выше давления на входе кон"

♦ Сложно или невозможно устроить выпуск газа из кон

денсатора, иначе пар не пойдет обратно в конденсатор. Сде"

денсатора, поскольку возможная точка выпуска долж

лать это просто, конденсат нагревается в маслоохладителе

на находиться внутри каналов.

до тех пор, пока давление не возрастет настолько, чтобы пар

Для уменьшения опасности возникновения теплового удара

прошел до входа конденсатора.

поток масла должен быть непрерывным. Небольшой количе"

♦ Пар не должен попадать в трубу конденсата. Для этого не"

ство хладагента постоянно подается в охладитель по линии V1,

обходимо опустить трубу ниже минимального уровня кон"

обеспечивая минимальные потребности в охлаждении. Если

денсата в ЖР.

тепловая нагрузка возрастет (контролируется с помощью тер"

мопары), откроется параллельно установленный клапан (V2) и

♦ Для преодоления гидравлического сопротивления конден"

пропустит количество хладагента, соответствующее макси"

сатора необходимо создать достаточный перепад высот

мальной потребности в охлаждении. Полное включение/отклю"

между уровнем жидкости в ЖР и нижней частью конденса"

чение подачи хладагента вызвало бы большие механические

тора. Тогда образуется столб жидкости, который и создаст

напряжения в системе.

нужный напор.

Что происходит при пуске охладителя масла? Предположим,

УЛ закрыта.

♦ Когда УЛ открывается, входное давление конденсатора пе"

редается на ЖР. Оно выдавливает конденсат в конденса"

ционную трубу. Когда давление столба конденсата стано"

вится равно падению давления в конденсаторе, поток че"

рез УЛ прекращается. Давления в ЖР и на входе конден"

сатора равны.

2. Оптимизация

2. Оптимизация пластинчатых теплообменников в холодильных системах

Следовательно, выбор компрессора ограничен нескольки"

1. Что такое оптимизация?

ми номинальными значениями мощности и заданными тре"

Представим себе простую холодильную систему. Рассол посту"

бованиями к установке. Фактически, невозможно сказать,

пает в нее с некоторой температурой и выходит с более низкой

как увеличение мощности компрессора отразится на харак"

температурой. В то же время охлаждающая вода входит в сис"

теристиках установки.

тему с низкой температурой и выходит с более высокой темпе"

♦ Регулирующие устройства. После того как выбрана про"

ратурой. Система имеет определенную производительность.

изводительность установки и определен ее состав, нет не"

Хотя у нас есть некоторая свобода выбора входной температу"

обходимости менять регулирующие устройства при неболь"

ры рассола, выходной температуры охлаждающей воды и рас"

ших изменениях условий работы установки. Другими сло"

ходов этих жидкостей, все"таки три параметра, как правило,

вами, не нужно заменять регулятор давления при каждом

должны оставаться фиксированными " это выходная темпера"

изменении давления.

тура рассола, входная температура доступной охлаждающей

воды и производительность установки.

♦ Насосы, трубы и арматура. То же самое справедливо и для

насосов, труб и арматуры. Небольшое изменение расхода

Наша цель состоит в проектировании оптимальной системы с

жидкости означает лишь изменение нагрузки на насос. Что"

учетом данных ограничений. Возникает вопрос, что есть опти"

бы возникла необходимость в изменении диаметра трубы,

мальная система, и можно ли такую систему реализовать на

давление должно измениться весьма существенно.

практике. К сожалению, термин «оптимальный» не имеет стро"

го количественного определения. Ниже приведено несколько

♦ Теплообменники. Небольшое изменение давления испа"

произвольное определение.

рения не имеет большого значения для труб, ТРВ или регу"

лятора давления. Но оно может коренным образом повли"

♦ Полная оптимизация. Ее можно определить как создание

ять на размеры испарителя.

такой системы, которая характеризуется низкими, насколь"

ко это возможно, эксплуатационными затратами при дан"

К счастью, ПТО очень хорошо подходят для оптимизации.

ной стоимости оборудования. В этом случае необходимо ми"

Особенно удобными с этой точки зрения являются полусвар"

нимизировать сумму годовых амортизационных отчислений

ные ПТО. Их размеры можно увеличивать, добавляя по од"

и эксплуатационных расходов. Оптимальной в этом смысле

ной пластине, т.е. практически непрерывно. Более того, та"

обычно является дешевая в эксплуатации система, но тре"

кое увеличение размеров можно выполнить на уже суще"

бующая довольно больших капитальных затрат. Однако на

ствующей установке, как только возникнет в этом необхо"

практике владельцы установок предпочитают снижать капи"

димость. Полностью сварные ПТО и паяные ПТО имеют не"

тальные затраты в ущерб расходам на эксплуатацию.

изменяемые размеры. Однако есть возможность индивиду"

ально задать их размеры при заказе, причем тоже с точнос"

Проведение полной оптимизации требует значительных зат"

тью до одной пластины.

рат времени и средств. Как правило, отсутствуют исчерпы"

вающие данные о том, как изменение одного параметра

1.2. Заключение

влияет на другие. Это обстоятельство делает точную пол"

Стоимость вентилей и другие регулирующих устройств, насо"

ную оптимизацию практически невозможной.

сов, труб и арматуры не изменяется при малых изменениях

♦ Оптимизация цикла. Разработчик системы выбирает тип

параметров работы установки, следовательно, они не подле"

хладагента, решает, нужно ли установить экономайзер, двух"

жат оптимизации. Компрессоры разного типоразмера обычно

ступенчатый компрессор, переохладитель и т.д.

существенно отличаются по номинальной мощности. ПТО мож"

но изменять практически неограниченно. Следовательно,

♦ Оптимизация оборудования. Стоит ли сделать испаритель

именно их нужно приспосабливать к компрессору, но не наобо"

чуть меньше, а конденсатор чуть больше? Можно ли исполь"

рот. Изучение проблемы разделено на три этапа:

зовать компрессор меньшей мощности, зато с ТРВ и испари"

телем большей производительности? Можно ли уменьшить

♦ Термические и гидравлические характеристики ПТО. Их

размеры испарителя, если увеличился перепад давлений хла"

можно оптимизировать без учета другого оборудования ус"

дагента? На эти вопросы, зачастую, можно ответить без осо"

тановки, в том числе и других ПТО. Эти характеристики пред"

бых проблем. Они и составляют содержание этой главы.

ставляют собой основу для выполнения следующих шагов.

♦ Оптимизация вторичного контура охлаждения SECOOL для

1.1. Оптимизация оборудования

тех прикладных задач, для которых исходно разрабатыва"

Оптимизация заключается в изменении параметров какого"

лось это техническое решение.

либо компонента для лучшего согласования его с другим ком"

понентом или со всей системой в целом. Для проведения точ"

♦ Взаимодействие ПТО с другим оборудованием системы,

ного анализа системы необходимы хорошие расчетные мето"

особенно с другими теплообменниками, которые уже опти"

дики для каждого вида оборудования: теплообменников, ком"

мизированы.

прессоров, трубопроводов, арматуры и т.д.

Следует решить, какие компоненты нужно оставить без измене"

2. Термические и гидравлические

ния, а какие изменять. Рассмотрим с этой точки зрения основ"

ные компоненты: компрессоры, вентили и другие регулирующие

характеристики ПТО

устройства, насосы, трубы и арматуру, теплообменники.

2.1. Цель изучения

♦ Компрессоры. Они выпускаются определенных типоразме"

Чтобы понимать, каким образом можно модифицировать ПТО

ров. При переходе от одного типоразмера к другому скачок

для оптимизации производительности при заданных условиях,

в стоимости может быть значительным. Если рассматривать

важно знать его термические и гидравлические свойства. Оче"

все имеющиеся компрессоры, выпускаемые всеми фирма"

видно, нет смысла обеспечивать более высокий перепад давле"

ми, то мощности компрессоров можно было бы считать из"

ний в ПТО, если нельзя этим воспользоваться, т.е. если нельзя

меняющимися непрерывно. Но обычно возможности выбо"

уменьшить размеры ПТО или увеличить его производительность.

ра ограничены. Каждый конкретный компрессор может ра"

ботать в неком диапазоне условий. Но максимальная про"

Прекрасный способ наглядно показать свойства ПТО заключа"

изводительность достигается лишь в том случае, если тре"

ется в изучении зависимости общей площади поверхности теп"

буемое давление нагнетания соответствует фактическому

лообмена от расхода жидкости. Расход жидкости будем изме"

давлению нагнетания данного компрессора без примене"

нять от нуля до бесконечности, как показано ниже в примере.

ния дроссельных устройств.

2. Оптимизация

Число каналов, выражен

∆р = 45 кПа

Число каналов, выражен

∆р=

= 45 кПа

ное через площадь, м²

2. Потери давления в соеди"

2. Весь перепад

нительных элементах сокра"

1. Падение давления в со"

давлений теряет"

1. Падение давления в

тились, поэтому общее число

единительных элементах

ся в соединитель"

соединительных эле"

каналов уменьшилось

составляет все большую

ных элементах

ментах составляет все

часть общего падения

большую часть обще"

давления в ПТО.

го падения давления в

ПТО, поэтому добав"

лен второй аппарат

3. Процесс

повторяется

Расход воды, кг/с

Рис. 1. Площадь поверхности теплообмена

Рис. 2. Площадь поверхности теплообмена как функ

как функция расхода воды

ция расхода воды при параллельном подключении ПТО.

2.2. Тепловая нагрузка

Конкретные значения тепловой нагрузки, запаса площади по"

M = 5 %

Площадь,

Хмин = 3,73 кг/с

верхности теплообмена или перепада давлений не имеют боль"

м²

СРТ = 0, бесконечно

шого значения, однако, рассуждения легче проводить с реаль"

большая площадь

ными числами, чем с абстрактными символами. Хотя здесь го"

3. СРТ приближается к нулю,

ворится о теплопередаче в системе «вода " вода», те же рас"

а площадь стремится к беско"

суждения справедливы для конденсатора, испарителя, для си"

нечности

стемы с гликолем и т.д.

Q = 156,2 кВт Запас площади поверхности теплообмена М ≥ 5 %

1. СРТ перестает быть

1: Вода

10 кг/с

12 → 7 °С ∆р: любое

2. СРТ

константой, а площадь

уменьшает"

увеличивается

2: Вода

G2 кг/с

7 ← 2 °С

∆р ≤ 45 кПа

ся, а пло"

Номинальное значение

10 кг/с

щадь увели"

чивается

2.3. Оптимально спроектированный ПТО

Это означает следующее:

Расход воды, кг/с

♦ Запас площади поверхности теплообмена, М, точно равен за"

данному значению 5 %. Другими словами, фактическая пло"

Рис. 3. Площадь как функция расхода воды

щадь поверхности теплообмена на 5 % больше расчетного

налов. Кривая отклоняется вверх от прямой линии.

значения.

При некотором значении расхода воды весь имеющийся перепад

♦ Перепад давлений должен быть полностью использован, т.е.

давлений будет теряться в соединительных элементах, и ничего

равен заданному значению 45 кПа.

не останется на каналы. Другими словами, потребуется бесконеч"

Ниже мы увидим, можно ли выполнить эти требования, и каким

ное число каналов, чтобы пропустить этот расход воды. На гра"

образом. Такой теплообменник будет лучшим для заданных ус"

фике это выражается в появлении вертикальной асимптоты.

ловий. Однако сами условия могут оказаться не оптимальны"

Однако задолго до того как это произойдет, скорее всего, бу"

ми для установки в целом. Далее мы узнаем, как оптимизиро"

дет добавлен второй теплообменник. Добавление второго ап"

вать подобные условия.

парата снизит потери давления в соединительных элементах,

значит, большая часть перепада давления останется на кана"

2.4. Изменение расхода воды

лы. Число каналов при этом скачкообразно уменьшится, как по"

Теперь выясним, как изменяется общая площадь поверхности

казано на рис. 2.

теплообмена при изменении расхода воды, Х, от нуля до бес"

конечности. Мы рассмотрим эту зависимость при двух услови"

Будем увеличивать теперь расход дальше и добавим третий

ях " при постоянном перепаде давления или при постоянном

ПТО, при этом снова скачком уменьшится число каналов. Так

запасе площади поверхности теплообмена.

будет повторяться в четвертый, пятый… раз. Кривая постепен"

но становится все более гладкой, приближаясь к прямой ли"

2.5. Перепад давлений

нии по мере увеличения расхода и добавления блоков.

Перепад давлений не должен превышать 45 кПа при изменении

Внимание! Охлаждаемая сторона теплообменника преднамерен"

расхода воды от нуля до бесконечности. Какие"либо требования

но не рассматривается на этом этапе. Мы вернемся к этому позже.

к значению теплопередачи отсутствуют. Обратимся к рисунку 1.

Зависимость очень простая. Если расход воды равен нулю, то чис"

2.6. Запас площади поверхности теплообмена

ло пластин " и площадь " равны нулю. Если расход увеличивается,

Запас должен быть не меньше 5 %. Какие"либо ограничения на

необходимо добавлять новые пластины, точнее " новые каналы.

перепад давления отсутствуют. Обратимся к рис. 3.

Вначале площадь приблизительно линейно зависит от расхода.

Приблизительно, поскольку увеличение поверхности происходит,

Нам удобнее будет начать рассмотрение с бесконечного рас"

конечно же, дискретно, по одному каналу за один шаг.

хода воды, а затем его уменьшать.

График должен быть ступенчатой линией, но здесь для просто"

Внимание! В предыдущем обсуждении мы добавляли кана

ты картины будем считать эту линию непрерывной.

лы для поддержания определенного перепада давлений. Здесь

мы должны увеличивать площадь поверхности теплообмена,

По мере возрастания расхода появляется новый эффект: па"

чтобы обеспечить требуемую тепловую нагрузку.

дение давления в соединительных элементах. В результате

этого эффекта уменьшается перепад давлений, приходящий"

В случае бесконечного расхода температура воды на выходе

ся на каналы теплообменника. В соответствии с этим умень"

равна температуре на входе, т.е. средняя разность температур

шением потребуется пропорционально увеличивать число ка"

(СРТ) максимальна. Это соответствует малой площади повер"

2. Оптимизация

хности теплопередачи, большой скорости воды в каналах и вы"

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

сокому коэффициенту теплопередачи К.

Вода

7,7 кг/с

8,5 ← 2 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

Два аппарата (CB76"48H; 4,6 м²), М = 6 %,

∆р1/2 ≤ 68/45 кПа

Уменьшение расхода воды сопровождается двумя эффектами,

Запас площади поверхности теплообмена и перепад давления

каждый из которых приводит к увеличению площади:

отвечают требованиям.

♦ СРТ уменьшается, сначала медленно, затем быстрее.

♦ Расход воды через каждый канал уменьшается, а значит,

2.8. Обсуждение результатов

уменьшается и коэффициент К.

Обратимся к рис. 6. В принципе, это тот же самый рис. 5, но

Очевидно, существует минимально возможное значение рас"

расход воды на второй стороне теплообменника выражен те"

хода воды. При еще меньшем расходе воды температура воды

перь в долях расхода на первой стороне. В таком виде кривые

на выходе была бы выше входной температуры на охлаждае"

имеют более общий характер. На кривых отмечены три типич"

мой стороне теплообменника. Чему же равно это минималь"

ных случая от а) до с). Для каждого из них мы можем сформу"

ное значение?

лировать следующие утверждения:

В бесконечно большом теплообменнике вода нагрелась бы до

♦ На правом отрезке кривой " он отмечен голубым цветом "

12 °С, т.е. температура воды возросла бы на 10 К. Это соответ"

перепад давлений равен 45 кПа, в то время как запас пло"

ствует расходу воды

щади больше требуемого. Это случай а). Для него характер"

ны очень высокий расход и (или) низкий перепад давлений

Х = 156,2/(4,186 × 10) = 3,73 кг/с.

на одной или на обеих сторонах.

В том случае, когда поддерживался постоянный перепад давле"

Площадь поверхности, а точнее, число каналов, опре

ний, мы могли уменьшать площадь за счет добавления новых бло"

деляется требованием к перепаду давлений.

ков. Можем ли мы сделать что"нибудь подобное сейчас?

♦ На левом отрезке кривой " он отмечен красным цветом " за"

Главная причина, вынуждающая увеличивать поверхность теп"

пас площади остается постоянным, в нашем случае " это 5 %.

лообмена, заключается в падении СРТ. Мы не имеем возмож"

Перепад давлений меньше, чем заданный уровень в 45 кПа.

ности увеличить СРТ при заданных расходах и температурах.

Это случай в). Для него характерны большая теплопередача

Напротив, теплообменник может ухудшить СРТ по сравнению

или малый расход воды, т.е. малая разность температур.

с режимом противотока, даже если ПТО хорошо спроектиро"

Площадь поверхности определяется условиями тепло

ван в этом отношении.

передачи.

Однако другая причина, вынуждающая увеличивать площадь,

♦ В одной точке " это случай с) " перепад давлений и запас

- снижение коэффициента К из"за уменьшения скорости по"

площади равны заданным значениям.

тока в каналах. Разделим необходимую площадь поверхности

Функция площади имеет минимум, когда выполняют

теплообмена между двумя аппаратами и соединим их после"

ся оба условия.

довательно. Скорость потока в каналах удвоится, что увеличит

♦ В реальных расчетах для случаев от а) до с) получаемые зна"

значение К и позволит уменьшить площадь. См. рис. 4.

чения близки к заданным 5 % и 45 кПа, но не равны им.

Для еще меньших расходов площадь может быть поделена

Увеличение площади происходит не непрерывно, а дискрет"

между тремя, четырьмя…последовательными аппаратами. Это

но. Например, когда добавляется одна пластина, запас пло"

несколько замедлит рост площади, но с приближением разно"

щади может измениться скачком от значения, меньшего 5

сти температур к нулю площадь стремится к бесконечности.

%, до значения, большего 5 %.

♦ Минимальная площадь не обязательно достигается в режи"

2.7. Полный тепловой и гидравлический расчет

мах с равными расходами на теплой и холодной сторонах

Конечно же, мы не можем проектировать блок, принимая во

теплообменника.

внимание только перепад давления или только запас площади

Это часто встречающееся заблуждение, что в опти

поверхности теплообмена. Мы обязаны выполнить одновре"

мальном ПТО оба расхода должны быть равны.

менно оба требования.

Для этого поместим на одном графике кривую для фиксиро"

2.9. Другие свойства, представленные на графиках

ванного перепада давления с рис. 2 и кривую для фиксирован"

Рассмотренный выше пример действителен практически для всех

ного запаса площади поверхности теплообмена с рис. 4. Ре"

типов теплообмена. Однако возникают некоторые вопросы:

зультат приведен на рис. 5.

♦ Как влияет значение перепада давлений на охлаждаемой

стороне?

В точке пересечения этих кривых перепад давления равен 45 кПа,

♦ Что произойдет при изменении значений перепада давле"

а запас площади 5 %. Этой точке соответствует оптимальный ПТО

ний и запаса площади?

с минимальной поверхностью теплообмена. Кроме того, указан"

♦ Как физические свойства теплоносителя влияют на график?

ные условия выполняются для теплообменников, которым соот"

♦ Как влияет на кривую разность температур?

ветствуют обозначенные жирными линиями участки кривых. Тус"

♦ Как влияет на кривую форма пластин?

клым цветом обозначены участки кривых, которые не удовлет"

воряют одновременно обоим условиям: перепад давлений ≥ 45

2.10. Ограничение на перепад давлений на

кПа, а запас площади ≤ 5 %. Давайте теперь подробнее изучим

стороне 1

эти кривые. Расчет паяных теплообменников для заданных на"

грузок дает следующие значения:

Продолжим изучения нашего примера и обратимся к рис. 7.

Предположим, что предельное значение перепада давлений

а). Номинальная нагрузка:

равно 20 кПа, т.е. мы имеем дело со случаем в). Нам понадобит"

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

ся 2 × 96 пластин (или, точнее, 2 × 48 каналов на охлаждаемой

Вода

10 кг/с

7 ← 2 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

стороне) для поддержания перепада давлений на охлаждаемой

Два аппарата (CB76"64H; 6,2 м²), М = 54 %, ∆р1/2 = 41/43 кПа

стороне. При увеличении расхода охлаждающей воды необхо"

Запас площади поверхности теплообмена в этом случае зна"

димая площадь уменьшится, но нам по"прежнему нужно 2 × 48

чительно выше необходимого.

каналов на охлаждаемой стороне. То же самое относится и к слу"

чаям а) и с). В итоге получим постоянное значение площади, ко"

б). Уменьшенный расход охлаждающей воды:

торое показано на рисунке черной горизонтальной линией, иду"

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

щей от точки в) к пересечению с кривой гораздо правее точки а),

Вода

6,25 кг/с

10 ← 2 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

где понадобится параллельное подключение трех аппаратов.

Два аппарата (CB76"96H; 9,4 м²), М = 5 %,

∆р1/2 ≤ 20/9 кПа

Падение давления значительно ниже допускаемого.

2.11. Изменение перепада давлений

в). Оптимальная конструкция. Получена методом подбора:

На рис. 8 показано, как изменятся площадь поверхности теп"

2. Оптимизация

M = 5 %

Оптимальный для теплообменника

5. СРТ → 0

Площадь,

M = 5 %

расход воды соответствует точке

Площадь → ∞

м²

Площадь,

пересечения кривых, полученных

м²

при постоянном перепаде давле"

∆р = 45 кПа

2. С уменьшением расхода

ний и постоянном запасе площади

уменьшается также СРТ и К,

поверхности теплообмена

а площадь возрастает

4. Про"

цесс по"

1. Для бесконечно большого

вторяется

расхода СРТ и К - константы,

поэтому площадь также кон"

станта

3. Два последовательных аппарата.

Скорость воды в каналах и коэффи"

циент К возрастают. Площадь

уменьшается.

Расход воды, кг/с

Рис. 4. Площадь как функция расхода воды

Рис. 5. Тепловые и гидравлические

при последовательном подключении ПТО.

характеристики соответствуют требованиям

Площадь

∆р < 45 кПа

M = 5 %

∆р = 45 кПа

Случай:

M > 5 %

б)

∆р = 45 кПа

Случай:)а)

Случай: б)

Случай: в)

Случай: а)

M = 5 %

Случай: в)

0.625

0.77

1.0

G2/G1

0.625

0.77

1.0

G2/G1

Рис. 6. Общий вид зависимости площади от

Рис. 7. Ограничение на перепад давления

расхода.

на охлаждаемой стороне.

1. Требуемый

2. В результате

Площадь

1. Уменьшение

запас площа"

увеличиваются

разрешенного пе"

∆р = 30 кПа

ди увеличи"

площадь и опти"

репада давления

вается.

мальный расход.

M = 10

В результате

M = 5 %

площадь (коли"

чество каналов)

∆р = 45 кПа

увеличивается,

поэтому опти"

мальный расход

умеьшается.

G2/G1

Рис. 8. Влияние уменьшения перепада давления на

Рис. 9. Влияние увеличения запаса

охлаждающей стороне на оптимальный расход.

площади на оптимальный расход.

лопередачи и оптимальный расход воды, если уменьшить пе"

лее высокий оптимальный расход. Уменьшение запаса площа"

репад давлений на охлаждающей стороне теплообменника.

ди приведет к обратному эффекту.

Увеличение перепада давлений приведет, разумеется, к про"

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

тивоположному результату. Рассчитаем параметры нашей си"

Вода

7,93 кг/с

8,9 ← 2 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

стемы для новых условий:

Два аппарата (CB76"50H; 4,8 м²), М = 10 %, ∆р1/2 = 63/45 кПа

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

Вода

7,24 кг/с

8,9 ← 2 °С

∆р2 0≤ 30 кПа

2.13. Изменение физических свойств жидкостей

Два аппарата (CB76"56H; 5,4 м²), М = 6 %,

∆р1/2 = 52/30 кПа

Строго говоря, физические свойства не входят в число пара"

Изменение перепада давлений на охлаждаемой стороне не ока"

метров оптимизации. Мы не можем оптимизировать теплооб"

зывает непосредственного влияния на оптимальный расход воды,

менник с помощью изменения вязкости, поскольку вязкость

см. рис. 7. В данном случае мы не накладываем ограничений на

является свойством жидкости, а не аппарата. Тем не менее,

перепад давлений на охлаждаемой стороне, чтобы исследовать

иногда важно определить, как повлияет на характеристики теп"

влияние перепада давлений на охлаждающей стороне.

лообменника замена, например, воды на гликоль.

Коэффициент теплопередачи уменьшается при увеличении вяз"

2.12. Изменение запаса по тепловой мощности

кости и уменьшении теплопроводности. Его зависимость от

На рис.9 показано, как изменятся площадь поверхности теп"

удельной теплоемкости и плотности не такая явная и, во всяком

лообмена и оптимальный расход воды, если увеличить запас

случае, она менее сильная. Коэффициент теплопередачи возра"

площади. Увеличение запаса площади означает большее чис"

стает с увеличением этих параметров, но это означает, что по"

ло пластин, которые допускают более высокий расход - и бо"

требуется меньше жидкости, т.е. меньший расход через каналы.

2. Оптимизация

Во всяком случае, если мы будем применять жидкость с более

На рисунке показаны два температурных режима, которые на

высокой вязкостью и более низкой теплопроводностью, то пло"

вид сильно отличаются друг от друга, однако расчет приводит

щадь " т.е. число каналов " возрастет. Как правило, это означа"

к одинаковым значениям КТД. Выходная температура воды

ет, что расход жидкости может быть увеличен, что приведет к

изменяется в обоих случаях между крайними значениями, со"

увеличению СРТ и полного коэффициента теплопередачи. Это,

ответствующими минимальному и бесконечному расходам, но

в свою очередь, позволит снижать площадь и число каналов до

не достигает их.

тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Итак, если мы изменим КТД, как это повлияет на оптимальный

Если же увеличение вязкости будет очень большим, то перепад

расход воды? Какие другие параметры влияют на оптималь"

давлений возрастет, и это может потребовать уменьшения рас"

ный расход? Что произойдет с перепадом давлений? Мы при"

хода. Площадь будет увеличиваться, но оптимальный расход

ведем примеры нескольких расчетов:

может быть как больше, так и меньше чем для первой жидкости.

а) Увеличим входную температуру охлаждающей воды до 4 °С

В качестве примера рассмотрим что произойдет, если в нашей

и определим оптимальные параметры:

системе заменить воду на 20 % пропиленгликоль (ПГ). Пара"

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

метры системы при сохранении оптимального температурно"

Вода

10,9 кг/с

9 ← 4 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

го режима, найденного для воды, следующие (см. рис. 10):

Два аппарата (CB76"70H; 6,8 м2), М = 5 %,

∆р1/2 = 35/43 кПа

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

При КТД = 5/3 = 1,67 расход возрастает до G2/G1 = 1,09.

20 % ПГ 8 кг/с

8,5 ← 2 °С

∆р2 = 45 кПа

Два аппарата (CB76"70H; 6,8 м2), М = 5 %,

∆р1/2 = 35/26 кПа

б) Во втором примере уменьшим КТД до 0,5, изменив входную

температуру воды до 9,5 °С:

Площадь " и число каналов " возросли, поэтому перепад дав"

лений снизился до 26 кПа. Запас площади равен заданному

Вода

10 кг/с

9,5 → 7 °С

∆р1: любое

значению. Как показано на рис. 10, точка, соответствующая

Вода

4,54 кг/с

7,5 ← 2 °С

∆р2 ≤ 45 кПа

этому режиму, находится на левом участке кривой для гликоля.

Два аппарата (CB76"30H; 2,8 м2), М = 10 %, ∆р1/2 = 164/42 кПа

Расчет оптимального режима дает следующие результаты:

Комментарий. Давление на стороне 1 падает очень сильно, т.е.

Вода

10 кг/с

12 → 7 °С

∆р1: любое

оптимальный режим, по"видимому, будет находиться на линей"

20 % ПГ 8.82 кг/с

8,5 ← 2 °С

∆р2 = 45 кПа

ном отрезке, как на рис. 7. Оптимальный расход при КТД = 2,5/5

Два блока (CB76"56H; 5,4 м2), М = 5 %,

∆р1/2 = 52/45 кПа

= 0,5 равен G2/G1 = 0,454.

Последний теплообменник ненамного больше, чем оптималь"

Таким образом, мы можем составить таблицу:

ный теплообменник для воды, однако, расход жидкости через

КТД

0,5

1,0

1,67

∞

него значительно увеличился.

G2/G1 0

0,454 0,77

1,09

∞

В заключение можно отметить, что если учет физических

свойств жидкости приводит к увеличению ПТО, то оптимум

Оптимальный расход получен Оптимальный расход

сдвигается в сторону более высокого расхода и большей пло"

предельным переходом

получен предельным

щади теплообменника.

переходом

Обратимся к рис. 12, на котором показана зависимость опти"

2.14. Разность температур

мального расхода воды от КТД, а запас площади и перепад дав"

Как температурный режим влияет на оптимальные параметры?

лений являются параметрами. Направление изменения этих

В нашем примере вода охлаждается с 12 до 7 °С охлаждающей

параметров можно определить из результатов предыдущего

водой, имеющей температуру 2 °С. Если увеличить температуру

обсуждения.

охлаждающей воды до 4 °С, то площадь поверхности теплооб"

мена, скорее всего, придется увеличивать. Но как изменится

Полученные выше результаты находятся в согласии со здра"

оптимальный расход воды, при котором получается минималь"

вым смыслом. Когда разность температур двух сред очень мала

ная площадь? Если входная температура охлаждаемой воды из"

и (или) температура охлаждаемой воды изменяется очень силь"

менится с 12 до 10 °С, как это повлияет на оптимальный расход?

но, т.е. для больших КТД " случай а), здравый смысл подсказы"

вает увеличить разность температур. Для того чтобы понизить

Чтобы ответить на эти вопросы, нам следует приводить темпе"

выходную температуру охлаждающей воды, необходимо уве"

ратурный режим к стандартному виду. Очевидно, что охлаждать

личить ее расход.

воду с 12 до 7 °С не то же самое, что с 8 до 7 °С, даже если тем"

пература охлаждающей воды в обоих случаях 2 °С.

При небольшом изменении температуры охлаждаемой воды и

(или) значительной разности температур двух сред, т.е. для

Введем понятие термической длины. Под этим понимается

малых КТД " случай в), требуется сравнительно небольшая пло"

выраженное в кельвинах изменение температуры одной из

щадь поверхности теплообмена и большой расход воды. Чис"

сред, как правило, охлаждаемой, приходящееся на один кель"

ло каналов определяется допустимым перепадом давлений.

вин СРТ. Смысл этой величины можно понять без углубления в

Теплообменник, скорее всего, будет иметь очень большой за"

детали вычислений. Если принять, что общий коэффициент

пас площади поверхности теплообмена.

теплопередачи остается неизменным, то охлаждение воды от

12 до 7 °С с помощью воды, нагревающейся от 2 до 7 °С, это то

Поэтому следует уменьшить расход воды и число пластин. По"

же самое, что и охлаждение воды от 120 до 70 °С с помощью

скольку теплообменник имеет большой запас площади, это не

воды, нагревающейся от 20 до 70 °С.

повлияет на производительность.

В первом случае мы охлаждаем воду на 5 К при СРТ, равной 5 К,

2.15. Изменение свойств пластин

во втором случае охлаждаем на 50 К при СРТ 50 К. В обоих слу"

2.15.1. Теплопередача в каналах

чаях мы получаем 1 К/К. Термическая длина, обычно обознача"

Выше мы видели, что выбранный теплообменник может не

емая Q (тэта), равна в нашем случае просто 1,0 (безразмерная

удовлетворять требуемому температурному режиму. В таком

величина). Проблема заключается в том, что для расчета СРТ

случае мы пытались менять режим работы, изменяя расход

нам нужно знать все четыре конечные температуры. Однако мы

воды за счет избыточного запаса площади или снижения пе"

не знаем выходную температуру охлаждающей воды, она за"

репада давлений.

висит от расхода, а этот расход нам и предстоит определить.

Другим решением является изменение самого теплообменни"

Введем понятие конечной термической длины (КТД). Оно про"

ка. Для этого нам нужно знать свойства ПТО.

иллюстрировано рис. 11. КТД представляет собой отношение

изменения температуры охлаждаемой воды к разности между

Обратимся снова к примеру, в котором вода с температурой 12 °С

выходной температурой охлаждаемой воды и входной темпе"

охлаждается водой, имеющей температуру 2 °С. Посмотрим, что

ратурой охлаждающей воды.

произойдет в паре каналов с холодной и теплой водой при увели"

2. Оптимизация

Площадь

Температура, °С

Применение жидкости с большей вяз"

костью приводит к увеличению площа"

ди и оптимального расхода

∆tw

TTL =

∆tw K

20 % пропиленгликоль

∆tw

∆t1

Вода

∆t1 K

G2/G1

РежимI

РежимII

100 %

Рис. 10. Замена охлаждающей жидкости

Рис.11. Определение конечной

термической длины (КТД)

G2/G1

Расход воды

Температура, °С

СРТ Q

∆р

кг/ч на канал

вх.

вых.

∆t

кПа

2000

12 - 8.14 =

3.86

6.14

0.629

129.

1500

12 - 7.86 =

4.14

5.86

0.707

74.8

1000

12 - 7.48 =

4.52

5.48

0.826

34.7

Возрастание запаса пло"

щади и перепада давлений

500

12 - 6.86 =

5.14

4.86

1.056

9.75

250

12 - 6.30 =

5.70

4.30

1.326

3.03

TTL

203.5

12 - 6.14 =

5.86

4.14

1.414

2.14

Рис. 12. Оптимальный расход как функция

Таблица 1. Значения Q и ∆р для М каналов

конечной термической длины

СВ76

чении расхода. Изменения температуры воды на охлаждающей и

в). Нам требуется охладить 20 350 кг/ч воды от 12 до 6,1 °С при

охлаждаемой сторонах равны между собой. В дальнейшем будем

максимальном падении давления Dр = 70 кПа.

вести речь только об охлаждаемой стороне, на охлаждающей сто"

Из таблицы находим, что расход 203,5 кг/ч на канал соответ"

роне происходит аналогичный процесс. Мы будем рассматривать

ствует выходной температуре 6,14 °С

не теплообменник целиком, а только отдельный канал. В таблице

1 представлены некоторые данные для СВ76.

Следовательно, потребуется 20 350/203,5 = 100 каналов. Дав"

ление упадет всего лишь на 2,14 кПа, и на рисунках с 5"го по

Величина Q обозначает термическую длину, т.е. снижение тем"

10"й соответствующая точка будет находиться на левом участ"

пературы, отнесенное к средней разности температур. Отме"

ке кривой.

тим, что нет смысла говорить об абсолютном значении сниже"

ния температуры, оно всегда должно быть отнесено к движу"

г). Есть другой путь. Предположим, что мы соединили два ка"

щей силе процесса - средней разности температур.

нала последовательно и пропускаем через них 1500 кг/ч на ка"

нал. Каждый канал будет характеризоваться значением Q, рав"

а) Нам нужно охладить 16 000 кг/ч воды с12 до 8,2 °С равным

ным 0,707. Мы получим следующий температурный режим:

количеством воды, имеющей температуру 2 °С.

Канал 1

Канал 2

При расходе 2000 кг/ч на канал получаем 8,14 °С, достаточно

→

9,07

→

6,14 °С

близко к требуемому значению. Для охлаждения необходимо

7,86

←

4,93

←

2 °С

16 000/2000 = 8 каналов (двойных). Однако падение давления

на охлаждаемой стороне будет весьма значительным, 129 кПа.

Это близко к тому, что мы хотели бы получить. Но теперь нам

нужно только:

Что если мы можем допустить только 10 кПа? В случае расхода

2 × 20 350/1500 = 27,1 ~ 28 каналов.

500 кг/ч на канал перепад давлений составит 9,75 кПа, а вы"

ходная температура будет равна 6,86 °С, но при этом потребу"

К сожалению, суммарное падение давления при последова"

ется 32 канала. На рисунках с 5 по 10 соответствующая точка

тельном соединении увеличится вдвое: 2×74,8 = 150 кПа. Для

находится далеко на правом участке кривой. Число каналов

того чтобы падение давления было равно требуемому значе"

определяется только допустимым падением давления.

нию 70 кПа, на один канал должно приходиться 35 кПа. Это вы"

полняется для расхода 1000 кг/ч на канал. Тогда получаем:

б). Предположим, что требуется охладить 10 000 кг/ч воды от 16

до 8,8 °С с помощью равного количества воды, имеющей темпе"

2 × 20 350/1000 = 40,7 ~ 41 канал. Это все"таки лучше, чем 100

ратуру 2 °С. Предположим также, что величина коэффициента

каналов, которые мы получили вначале. Имеется еще одно до"

теплопередачи К не изменяется при изменении температуры от

полнительное преимущество - выходная температура воды

12 до 16 °С. Допустимое падение давления равно ∆р = 10 кПа.

составит около 5,8 °С вместо требуемых 6,1 °С. Точка на графи"

ке расположится на этот раз справа.

Величина Q для такого режима равна (16 " 8,8)/(8,8"2) = 1,059.

По таблице определяем, что Q, равная 1,056, соответствует

2.15.2. Влияние формы каналов

расходу 500 кг/ч на канал. Это означает, что выходная темпе"

Предыдущий параграф, в основном, повторял первую часть

ратура равна 8,81 °С, а перепад давлений ∆р = 9,75 кПа. Эти

данного раздела. Теперь посмотрим, как можно изменять фор"

значения удовлетворяют поставленной задаче. Следователь"

му каналов для лучшего согласования теплообменника с на"

но, нам потребуется 10 000/500 = 20 каналов.

грузкой.

Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год) - часть 2