Применение теплообменника в регенеративном холодильном цикле.

В.В. Шишов, Н.В. Ходакова, А.Ю. Михайлов, Д.И. Ракитин
(см. журнал "Холодильная техника" №8, 2002 г.) .

Рассмотрена эффективность применения теплообменника в одноступенчатом цикле с регенерацией теплоты для различных хладагентов.

Регенеративный теплообмен широко используется в холодильных установках малой и средней мощности. Решение о применении теплообменника принимается в каждом отдельном случае, исходя из энергетической эффективности или безопасности эксплуатации.

Практикам известно, что теплообменник защищает компрессор от влажного хода и при его расположении выше компрессора облегчается возврат масла в картер, кроме того увеличивается коэффициент подачи компрессоров, работающих на хладагентах, взаимно растворяющихся с маслом [1].

Ранее предполагалось, что перегрев в теплообменнике, в установках с регенеративным теплообменом имеет какое-то оптимальное значение, которому соответствует максимальный холодильный коэффициент. Для проверки этого утверждения был проведен расчет и анализ одноступенчатого цикла простого и с теплообменником для различных хладагентов (рис.1) при температуре конденсации tk=+45°С (318К), и температуре кипения t_o=-5÷-40°С (268÷233К). Перегрев пара в теплообменнике с регенеративным теплообменом (РТО) принимался- Δt_РТО=20К.

Рис.1.Цикл парокомпрессионной холодильной машины (простой 1-2-3-4 и с теплообменником 1'-2'-3'-4').

Для определения термодинамических свойств хладагента, использовалась программа "CoolPack", Тechnical University of Denmark Department of Energy Engineering.

Положение точки 3' определялось из теплового баланса РТО, при заданном перегреве пара в РТО:
Δt _РТО= t ₁–t ₁'.

Основные параметры цикла q_o, q_v, l_s, ε_T определялись по известным соотношениям.

Рис.2.Зависимость удельной массовой холодопроизводительности q_o от температуры кипения to при tk= 45°С (318 К).

Рис.3.Зависимость удельной объемной холодопроизводительности qv от температуры кипения to при tk = 45°С (318 К).

Рис.4.Зависимость теоретического холодильного коэффициента ε_T от температуры кипения to при tk=45°C (318 K).

Приведенные зависимости (рис.1-4) в рассматриваемом диапазоне to (Δt_РТО=20К), не имеют максимумов или минимумов. Применение теплообменника в холодильном цикле, его влияние на эффективность неоднозначно и приводит

• к увеличению удельной объемной холодопроизводительности q_v
  на ~4,5 % для хладагента R404a,
  ~ 1,8 % для R134a,
  ~ 0,8 % для R12,
  ~ 0,3 % для R407с;
• уменьшению удельной объемной холодопроизводительности q_v
  на ~ 1,6 % для хладагента R22;
• к увеличению удельной массовой холодопроизводительности q_o:
  на ~ 14 % для хладагента R404a,
  ~ 12 % для R134a,
  ~ 10 % для R407с,
  ~ 10 % для R12,
  ~ 8 % для R22;
• к увеличению теоретического холодильного коэффициента ε_T
  на ~ 2,2...4,6 % для R404a,
  ~ 1,1...3,2 %для R134a,
  ~ 1% для R12;
• к уменьшению теоретического холодильного коэффициента ε_T
  на ~ 4,5% для R717 [2],
  ~ 1,1...1,8% для R22,
  ~ 0,5% для R407с.

Для хладагента R22 определено влияние перегрева в РТО (Δt_РТО= 0...40К) на параметры цикла (рис.5).

Величина перегрева пара перед входом в герметичный компрессор не должна превышать 30К, иначе температура нагнетания чрезмерно вырастет.

Рис.5 Зависимость q_o, q_v , l_s, ε_T для хладагента R22 в регенеративном цикле от величины перегрева пара в РТО при tо=-10°С (263 К) , tо =-30°С (243 К) и tк=30°С (303 К); при tо = 5°С (278 К) и tк = 45°С (318 К).

Зависимости, приведенные на рис.5, как и ранее рассмотренные, имеют линейный характер без каких либо оптимумов.

Необходимо отдельно рассмотреть циклы с хладагентами RC318 (рис.6) и R218, которые часто используются в холодильных установках с турбомашинами.

Перегрев пара на всасывании в компрессор в циклах с этими хладагентами обязателен. Если перегрев недостаточен, то в рабочей полости компрессора при сжатии начинается конденсация хладагента, вызывающая гидравлический удар и выход из строя компрессора. Перегрев можно осуществить при помощи теплообменников или охлаждением обмоток электродвигателя паром. Необходимая величина перегрева RC318 на всасывании при различных температурах кипения и температуре конденсации +45°С помещена в таблицу 1.
Таблица 1

Температура кипения, °С	+10	0	-10	-20
Перегрев, К	31	37,5	42	48,5

Рис. 6. Сравнение циклов при различных температурах кипения.

Таким образом, для данного хладагента понижение температуры кипения на 10К, требует увеличение перегрева в среднем на 6,5К.

Регенеративный теплообмен широко применяется в холодильных установках с капиллярной трубкой. Капиллярная трубка обычно соприкасается со всасывающим трубопроводом, т.е. она является частью теплообменника. Охлаждение жидкости предотвращает преждевременное образование пузырьков пара в ней от теплопритоков, что стабилизирует работу капилляра. На практике в холодильных системах малой мощности применяются два основных варианта регенеративного теплообмена, которые иллюстрируются на рис.7.

Рис.7. Теплообменник с капиллярной трубкой: а) капилляр обвит снаружи всасывающего трубопровода; б) капилляр - внутри всасывающего трубопровода.

Предполагается, что в начальной точке соприкосновения капиллярной и всасывающей трубок температуры жидкого хладагента и окружающей среды равны.

Таким образом, регенеративный теплообмен применяется для повышения эффективности холодильного цикла или из практических соображений эксплуатации.

Регенеративный теплообмен обеспечивает:
-увеличение удельной объемной холодопроизводительности и теоретического холодильного коэффициента для некоторых хладагентов (R404a, R134a, R12);
-предотвращение конденсации хладагентов в полости сжатия для некоторых хладагентов (RC318 и R218);
-увеличение коэффициента подачи хладоновых компрессоров;
-улучшение работы капиллярной трубки;
-оптимизацию возврата масла;
-защиту компрессора от "влажного" хода.

Последние два обстоятельства облегчают автоматизацию холодильных установок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Л.М. Розенфельд, А.Г. Ткачев. Холодильные машины и аппараты. Гос. изд. торговой литературы. М.1960.
2. В.В. Шишов, А.С. Никишин. Применение теплообменника в циклах холодильных машин. Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение.1993.№3. М. Изд. МГТУ.