Эффективность работы кондиционеров с капиллярной трубкой на нерасчетных режимах

Опубликовано: 03.09.2018

Summary:

Описание:

В настоящей статье обсуждается влияние капиллярной трубки на энергоэффективность кондиционеров и отмечается увеличение необратимых потерь при отклонениях рабочих параметров в любую сторону от проектных значений. Авторы статьи предлагают подбирать капиллярные трубки не по стандартным, а по характерным для каждого региона условиям работы кондиционеров.

А. И. Ейдеюс , канд. техн. наук, профессор Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота;

В. Л. Кошелев , генеральный директор компании «ФАВВ рефимпэкс»

В настоящей статье обсуждается влияние капиллярной трубки на энергоэффективность кондиционеров и отмечается увеличение необратимых потерь при отклонениях рабочих параметров в любую сторону от проектных значений. Авторы статьи предлагают подбирать капиллярные трубки не по стандартным, а по характерным для каждого региона условиям работы кондиционеров.

В большинстве бытовых кондиционеров дросселирование жидкого хладагента осуществляется посредством капиллярной трубки (КТ). Основным ее достоинством считается простота конструкции и отсутствие подвижных частей. Недостатки, обусловленные возможностью засорения КТ и необходимостью строго дозированного заполнения холодильной системы хладагентом, при современной технологии изготовления удается преодолеть. В то же время отрицательное влияние КТ на энергетическую эффективность работы холодильной машины (ХМ) в нерасчетных режимах сохраняется, но изготовители об этом стараются не упоминать. Характерно, что во многих кондиционерах одна и та же КТ используется как в режиме охлаждения, так и в режиме обогрева, хотя рабочие параметры теплового насоса существенно отличаются от их значений для ХМ.

КТ давно и с успехом применяются в бытовых холодильниках. Условия их работы значительно отличаются от условий работы кондиционеров. Конденсатор холодильника находится в квартире, где температура в течение года изменяется всего на 10–15 °С. Конденсатор кондиционера охлаждается наружным воздухом, температура которого может изменяться на 10–15 °С в течение суток, а в течение года эти изменения могут превысить 50 °С.

Снижение эффективности ХМ с КТ при отклонении рабочих параметров от расчетных (номинальных) значений отмечают многие исследователи. Количественная оценка этого снижения оказывается весьма затруднительной. Дело в том, что ХМ обладает самовыравниванием и может работать в широком диапазоне режимов и нагрузок. Если, к примеру, растет нагрузка на испаритель, то повышается давление кипения хладагента Ро, увеличивается массовая производительность компрессора, что вызывает повышение давления конденсации Рк. Вследствие этого растет расход дросселируемого хладагента. С течением времени наступает равновесие при новых значениях параметров ХМ. Снижение температуры наружного воздуха увеличивает отвод теплоты от конденсатора и несколько понижает теплоприток к испарителю, что сопровождается понижением давления кипения. Из-за более ощутимого снижения давления конденсации расход дросселируемого хладагента уменьшается, может начаться накопление жидкости в конденсаторе, что способствует частичному восстановлению давления конденсации.

Рассуждения о самовыравнивании ХМ с КТ при других воздействиях продолжать не стоит. Приведенных примеров достаточно, чтобы сформулировать две нерешенные задачи анализа работы подобных ХМ: 1 – как определить количественную зависимость рабочих параметров от внешних факторов, состояния и расхода воздуха на входе в испаритель и конденсатор; 2 – какова степень отклонения само-устанавливающихся параметров от оптимальных значений, которые установились бы при идеальном регулировании подачи хладагента в испаритель. Обе задачи могут решаться экспериментально и расчетным путем.

Экспериментальное исследование оборудования позволяет получить наиболее достоверные результаты, но оно является наиболее трудоемким и дорогостоящим. Особенность бытовых кондиционеров заключается в отсутствии контрольно-измерительных приборов за исключением нескольких датчиков для измерения температуры воздуха и поверхности теплообменников. Не предусматривается возможность подключения датчиков давления и тем более расхода хладагента. Измерение расхода циркулирующего воздуха также проблематично. Поэтому экспериментальные данные о характеристиках кондиционеров реально могут получить лишь их изготовители во время испытаний головных образцов. Похоже, что программа таких испытаний по соображениям экономии является достаточно узкой, т. к. многие изготовители в технических характеристиках кондиционеров указывают лишь номинальную холодопроизводительность Q0 и теплопроизводительность Qт, если предусмотрен режим обогрева, а также потребляемую мощность в этих режимах.

Расчетный анализ работы холодильной системы заключается в совмещении характеристик генератора и потребителя холода или тепла. Методика такого анализа успешно применяется для оптимизации параметров оборудования и режимов работы судовых холодильных установок [1]. Чтобы воспользоваться ею, необходимо иметь характеристики основных узлов. Для кондиционера – это компрессор, конденсатор, испаритель, КТ и, возможно, регенеративный теплообменник или переохладитель жидкого хлад-агента. Опорные данные для построения характеристики компрессора всегда получают по результатам испытаний, а влияние реальных условий учитывают расчетным путем. Поскольку компрессоры одного и того же типоразмера применяются в кондиционерах разных модификаций, затраты на испытания компрессоров вполне оправданы и относительно невелики. Есть основания требовать, чтобы изготовители кондиционеров включали в техническую документацию характеристики компрессора, отражающие зависимость производительности и потребляемой мощности от давления всасывания и нагнетания при фиксированных значениях частоты вращения коленчатого вала компрессора.

Характеристики теплообменных аппаратов в большинстве случаев строят расчетным путем. Для этого в документации должны быть подробные сведения о конструкции теплообменников, включая внутренний диаметр и толщину стенок используемых теплообменником труб, а также информацию о материале труб и ребер или о коэффициенте теплопроводности используемых материалов. В настоящее время в технической документации указывают лишь габаритные и присоединительные размеры теплообменников. Данные по вентиляторам наружного и внутреннего блоков кондиционера должны включать значения производительности и напора при разных частотах вращения вала вентилятора.

Расход дросселируемого КТ хлад-агента сложным образом зависит от его давления и состояния на входе, определяемого степенью переохлаждения или начальным паросодержанием недоохлажденной жидкости. Давление кипения в испарителе влияет лишь в тех случаях, когда на выходе из КТ не наступает критический режим течения. Общепринятой методики расчета характеристик КТ не существует. Многие компании пользуются номограммами и формулами, пригодными для ограниченной области использования КТ. Трудно ожидать, чтобы изготовители кондиционеров приводили сложные характеристики КТ или собственные методики их построения. Тем не менее, данные о внутреннем диаметре и длине КТ в документации обязательны. Желательно также иметь диаметр навивки при спиралевидном исполнении КТ.

Недостаточная разработанность методики анализа и отсутствие в технической документации необходимых данных в настоящее время препятствуют расчетному анализу работы бытовых кондиционеров. По этим причинам не удается оценить и степень отклонения самоустанавливающихся параметров от их оптимальных значений. Экспериментально такую оценку можно осуществить путем испытаний однотипных ХМ, различающихся лишь дроссельным органом. Опубликованных данных о результатах подобных испытаний очень мало. Все же в книге [2] приводятся результаты сравнительных испытаний ХМ с КТ и терморегулирующим вентилем (ТРВ) (рис. 1). К сожалению, полная информация об условиях испытаний не приводится; отсутствуют данные о потребляемой мощности; не указаны и параметры расчетного режима ХМ с КТ. Тем не менее, убедительно показано возрастающее влияние КТ на холодопроизводительность машины по мере отклонения температуры охлаждаемого воздуха по мокрому термометру tв.м. от расчетного его значения, которое предположительно составляло около 15 °С, хотя ТРВ тоже не является идеальным регулятором.

Рисунок 1.

Сопоставление холодильных машин с КТ и ТРВ

Рисунок 2.

Характеристики кондиционера SIM 12

При общем нежелании поставщиков приводить подробные характеристики кондиционеров встречаются приятные исключения. В частности, по некоторым кондиционерам компании Airwell в технической документации содержатся графики зависимости холодопроизводительности Qо, потребляемой мощности N, давлений кипения Ро и конденсации Рк от температуры наружного воздуха по сухому термометру tн.с. и температуры внутреннего воздуха по мокрому термометру tв.м. В качестве примера рассмотрим кондиционер SIM 12. По снятым с его графиков данным значения холодильного коэффициента e = Qо / N приводятся в табл. 1. Как видим, при расчетной температуре tн.с = 35 °С небольшие изменения tв.м. от 18 до 24 °С не влияют на эффективность работы кондиционера. При tн.с. < 35 °С с ростом tв.м. коэффициент повышается. Когда tн.с. > 35 °С, наблюдается обратная тенденция. Влияние наружной температуры оказывается более ощутимым. Оценка влияния tв.м. при tн.с. = сonst на производительность Q0 показывает, что с повышением tв.м. холодопроизводительность кондиционера возрастает во всех случаях, т. е. перегиб, показанный на рис. 1, не обнаруживается. И все же темп роста производительности кондиционера замедляется с повышением tн.с.

Таблица 1Холодильный коэффициент кондиционера SIM 12
tв.н. / tн.с. 15 25 35 45
18 3,32 2,98 2,56 1,96
20 3,42 3, 05 2,58 1,94
22 3,54 3,11 2,57 1,93
24 3,67 3,15 2,57 1,91

От графиков значений давлений Р0 и Рк не трудно перейти к температурам кипения t0 и конденсации tк. Их значения приводятся в верхней части табл. 2. Из значений, приведенных в табл. 2, видно, что изменение tв.м на 6 °С приводит к изменению t0 на 7,4–7,8 °С. Значения tк при этом изменяются на 2–2,5 °С. В свою очередь, изменению tн.с. на 30 °С соответствует изменение t0 на 6,6–7,2 °С, а tк – на 26–26,6 °С.

Таблица 2Параметры работы кондиционера SIM 12
Параметр t в.м. / tн.с. 15 25 35 45
t0, °С 18 –11,42 –9,19 –7,00 –4,49
20 –9,19 –6,59 –4,53 –1,94
22 –5,60 –3,68 –1,41 1,15
24 –3,68 –1,63 0,40 3,0
tk, °С 18 28,38 36,65 45,78 55,02
20 29,40 37,14 46,61 55,73
22 30,07 37,72 47,42 56,43
24 30,95 38,67 48,07 57,0
q0 = iп – iж,

кДж/кг
18 168,49 158,73 147,69 135,91
20 167,99 159,23 147,52 135,87
22 168,66 159,59 147,63 136,302
24 168,27 160,06 147,43 135,89
G = 3 600 •

• Q0 / q0,

кг/ч
18 77,99 77,68 78,0 78,14
20 82,50 81,96 82,73 82,14
22 86,87 86,55 87,05 86,28
24 91,57 89,97 90,35 89,41

Предположим, что к КТ поступает насыщенная жидкость с энтальпией iж, зависящей от давления Рк, а из испарителя отсасывается пар с перегревом d t = tп – t0 = 5 °C. Энтальпия пара получается в виде суммы i = i’’ + cn • d t. Здесь i” определяется давлением Р0, а удельная теплоемкость перегретого пара R22 в рассматриваемом диапазоне cп = 0,62 кДж/(кг • °С). Разность энтальпий определяет массовую холодопроизводительность q0, значения которой приводятся в табл. 2. Там же приведены расчетные значения массового расхода циркулирующего хладагента G.

При сделанном предположении получается, что на расход G заметно влияет температура tв.м. и практически не влияет tн.с. По действительным же характеристикам холодопроизводительность кондиционера с номинальным значением Q0 = 3 300 Вт при изменении tн.с. на 30 °С изменяется на 700–900 Вт, в то время как при изменении tв.м. на 6 °С она изменяется лишь на 495–630 Вт. Отсюда вытекает, что в ХМ с КТ далеко не всегда дросселируется насыщенная жидкость и перегрев отсасываемого пара не остается постоянным. Следовательно, изменяются эффективно используемые площади теплопередающих поверхностей испарителя и конденсатора. Переполнение испарителя жидким хладагентом предотвращается дозированной заправкой, а недостаточное его заполнение сопровождается ростом перегрева и увеличением удельного объема пара, что приводит к уменьшению массовой производительности компрессора. Накопление жидкости в конденсаторе увеличивает необратимые потери, обусловленные увеличением разности между температурами хладагента и охлаждаемого воздуха. Если к КТ вместо жидкости от конденсатора начинает поступать парожидкостная смесь, то уменьшается не только расход дросселируемого хладагента, но и его удельная холодопроизводительность q0.

О влиянии КТ на работу холодильной машины с КТ можно судить и по необычному виду зависимости производительности Q0 кондиционера SIM 12 от температур t0 и tн.с.. Приведенные на рис. 2 кривые близки к прямым линиям и слегка изгибаются вправо. Характеристика же обычной ХМ при достаточном питании испарителя жидким хладагентом имеют вид параболы, а Q0 их растет тем интенсивнее, чем выше t0 (показано пунктиром).

Номинальная холодопроизводительность кондиционеров Q0н согласно стандарту ISO/CD13253 указывается при tв.с. = 27 °С, tв.м. = 19 °С, tн.с. = 35 °C. Рабочий диапазон определяется температурами tв.с. = 21–32 °С, tв.м. = 15–23 °С, tн.с. = 21–46 °C. Расчетные же условия летнего кондиционирования для каждого региона свои. Например, в Калининградской области температура наружного воздуха достигает 35 °С крайне редко, а 46 °С не наблюдалось никогда. В качестве расчетных условий в данном регионе принимается tв.с.= 21 °С, tв.м. = 15 °С, tн.с. = 24,7 °С. Понятно, что подбирать кондиционер следует не по Q0н, а по производительности Q0 в наиболее характерных условиях. Отсутствие характеристик в технической документации затрудняет даже грамотный подбор кондиционера.

Для любого кондиционера с изменением условий работы изменяются холодопроизводительность и потребляемая мощность. Особенность кондиционеров с КТ обусловлена тем, что при отклонениях от расчетных условий появляются необратимые потери вследствие неоптимальной подачи жидкого хладагента в испаритель и отсутствия линейного ресивера. Эти потери возрастают по мере удаления от расчетного режима в любую сторону. Уменьшить необратимые потери и тем самым повысить энергоэффективность кондиционеров с КТ можно, если приблизить расчетный режим к рабочему. Практически это означает, что кондиционеры, поставляемые в конкретный регион, должны иметь КТ, подобранные по характерным для него условиям работы.

Для изготовителей выполнение указанного требования не создает ощутимых затруднений. Зато экс-плуатация кондиционеров будет происходить с более высокими показателями эффективности. Номинальная холодопроизводительность по-прежнему может указываться при стандартных условиях. Следует лишь дополнительно указывать, при каких условиях обеспечивается оптимальная подача хладагента в испаритель. Некоторое ужесточение требований к изготовителям и поставщикам может привести к вполне ощутимой экономии энергоресурсов в масштабах страны ввиду возрастающего количества кондиционеров, устанавливаемых в жилых и служебных помещениях.

Литература

1. Константинов Л. И., Мельниченко Л. Г. Расчеты холодильных машин и установок. – М. : Агропромиздат, 1991.

2. Захаров Ю. В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. – СПб. : Судостроение, 1994.

Hавигация
Реклама
Популярные новости
Мини рейтинг всесезонной резины для легковых автомобилей
Выбрать всесезонные шины для легковых автомобилей среди разнообразия продукции, предлагаемой на авторынке достаточно сложно. Необходимо учитывать множество параметров покрышек, чтоб приобретенная авторезина

Как выбрать летнюю резину? | Критерии выбора + немножко теории


Зимние, всесезонные и грязевые шины для внедорожников:
Производители автомобилей изначально выпускают модели, которые рассчитаны на определенные условия эксплуатации. Для этого они комплектуются соответствующими системами, вспомогательными приборами, ходовыми

Шины из Китая оптом
В Китае  насчитывается более 300 предприятий, производящих шины для автомобилей. Среди наиболее известных иностранному потребителю значатся: – LongMarch (производитель резины для грузовых и легкогрузовых

Зимние шины Данлоп: отзывы зимней резине Dunlop Винтер Айс 01, цена 16 15 радиус
С приходом холодного времени года перед всеми автовладельцами встает вопрос о том, во что переобуть автомобиль. Отзывы владельцев могут во многом помочь, рассказав о том, насколько надежна та или иная

Резина для внедорожников 4Х4: обзор, цены
В мире автомобильной резины присутствуют предложения универсального характера, а также шины непосредственно для внедорожников и проходимых джипов. Используются на автомобилях с повышенной проходимостью

Сравнение шин Gislaved Nord Frost 100 и Gislaved Nord Frost 5
Gislaved Nord Frost 100 следующая модель за Gislaved Nord Frost 5 выпущенная под новые правила в Скандинавских странах.  И соответственно главным отличием этой моделей как и моделей конкурентов в 2013-2014

Как выбрать летние шины на легковое авто
Необходимость выбора летней резины, с приходом теплого периода, определяется особенностью условий эксплуатации, характеристик продукта. Такие покрышки производятся из жесткой резины, которая не теряет

Зимняя резина Кама Евро 519: цена на 14, отзывы зимних шин Kama шипованные 13 15
История зимних шин Кама началась в далеком 1968 году со строительством шинного завода в городе Нижнекамск Татарской АССР. И вот уже 40 лет продукция завода пользуется народной популярностью среди автомобилистов,

Выбор шин для внедорожников – нужен особенный подход!
Резина для внедорожников создается по специальным технологиям. В первую очередь, внедорожные шины обладают весьма прочной структурой. Кроме того, они отличаются составом резиновой смеси и усиленным

Реклама
Архив
Реклама
Календарь сайта
Реклама
Облако тегов
rss