Двухступенчатые низкотемпературные холодильные установки с поршневыми компрессорами
1.Работа установок с параллельным соединением двухступенчатых поршневых компрессоров
В предыдущей статье была подробно описана конструкция и принцип действия двухступенчатых Битцер, поэтому в данной статье будет сделан основной упор на рассмотрение особенностей их параллельной работы и специальные варианты переохлаждения.
1.1 Система регулирования уровня масла
На рисунках 3-5 и 8 представлены структурные типовые схемы низкотемпературных установок с тремя параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами. Уравнивание масла между ними осуществляется с помощью системы регулирования масла, главными составными частями которой являются маслоотделитель 3, масляный ресивер 4, клапан дифференциального давления 5 и регуляторы уровня масла в картерах компрессоров 8.
Важная особенность низкотемпературных холодильных установок с параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами по сравнению с одноступенчатыми состоит в том, что картеры и моторные отсеки двухступенчатых находятся под промежуточным давлением, а поэтому базисное давление в масляном ресивере 4 должно соответствовать этому уровню, а не давлению всасывания, как у одноступенчатых.
Следствием этого является ряд мер, зависящих также от того, используются ли в установке компрессоры одинаковой или различной конструкции. Здесь имеется в виду возможное использование в одной установке четырёх- и шестицилиндровых двухступенчатых.
Параллельная работа компрессоров одинаковой конструкции
В таких установках для сброса давления паров хладагента из масляного ресивера 4 уравнительную линию 6 предпочтительно направляют к крышке моторного отсека, а в установках с открытыми компрессорами - к крышке картера со стороны привода. Такое расположение уравнительной линии обеспечивает избыточное давление масла, достаточное для нормального функционирования регуляторов уровня 8 при изменяющихся эксплуатационных условиях. Выравнивание давления между ними обеспечивается уравнительной коллекторной трубой 7, соединяющей штуцеры, расположенные на крышке моторного отсека (крышке картера), предназначенные для возврата масла из индивидуального маслоотделителя. Эти штуцеры, помеченные красными стрелками, показаны на рис. 2-1 и 2-2.
Уравнительная коллекторная труба 7 должна быть расположена ниже этих штуцеров во избежание перетекания масла в неработающие компрессоры.
Подача паров из масляного ресивера 4 непосредственно в картер не допускается, так как дополнительные порции газа могут вызвать значительные колебания давления в картере, что приведет к возникновению проблем с системой регулирования уровня масла в картере и к сбою внутренней циркуляцией масла.
Следует применять регуляторы уровня масла 8, рассчитанные на дифференциальное давление 6,5 бар (90 psi), так они имеют повышенную степень защиты от протечек масла.С учетом этого для предотвращения продолжительных периодов отключения какого-либо из компрессоров рекомендуется в системе управления установки предусматривать автоматическое чередование включений. Такая мера обеспечивает равномерный нагрев всех компрессоров, что предотвращает повторную конденсацию хладагента внутри выключенного компрессора и снижает опасность внутренних перетечек. Дополнительным преимуществом при этом является одинаковая продолжительность рабочих периодов, что обеспечивает равномерный износ рабочих узлов.
 Рис. 2-1. Штуцер S4T-5.2…S4N-8.2 |  Рис. 2-2. Штуцер S4G-12.2…S6F-30.2 |
| Рис.2 Штуцеры для присоединения уравнительной линии из масляного ресивера или для возврата масла из индивидуального маслоотделителя. | |
Параллельная работа компрессоров различной конструкции (т.е. комбинация четырёхцилиндровых и шестицилиндровых)
В этом случае предпочтительной может оказаться присоединение линии сброса давления паров из масляного ресивера к штуцерам на стороне всасывания (уравнительная линия 6 на рис. 3-5 и 8).
Так как в четырёхцилиндровых и шестицилиндровых двухступенчатых компрессорах величин промежуточных давлений незначительно отличаются друг от друга, возможно возникновение неопределяемого поперечного потока газа между ними, который может вызвать нарушение работы терморегулирующего вентиля 10 и перетекание масла. Поэтому, в таких схемах линия сброса давления паров из масляного ресивера направляется во всасывающий коллектор установки, а специальная уравнительная линия 7 между компрессорами вообще не требуется. Клапаны дифференциального давления 5 должны регулироваться индивидуально и устанавливаться приблизительно на 1,4 бар (20 psi) выше промежуточного давления, измеренного во время работы.
Однако, то обстоятельство, что дифференциальное давление между масляным ресивером 4 и картером (промежуточное давление) не поддается контролю, должно рассматриваться как недостаток этой системы.
Разность между давлением всасывания и промежуточным давлением изменяется в зависимости от эксплуатационных условий, тогда как уставка, выбранная для клапана 5, напротив, остается постоянной. Вследствие этого возникают флуктуации избыточного давления масла, нежелательные для регуляторов уровня масла в картерах 8.
Слишком малое дифференциальное давление может быть причиной недостаточной подачи масла, а слишком большое может вызвать переполнение картера маслом (вследствие увеличения силы, потребной для закрытия поплавкового клапана), что может привести к масляным гидроударам.
В связи с этим, рекомендуется использование регуляторов уровня масла с изменяемой уставкой, рассчитанных на дифференциальное давление 6,5 бар (90 psi).
1.2 Холодильная установка с параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами без переохладителя жидкости
Этот вариант двухступенчатой системы (см. рис. 3) очень похож на одноступенчатую установку. Главное различие состоит в конструкции и наличии добавочного охлаждения (впрыскивание хладагента).
Каждый компрессор оснащен своим собственным терморегулирующим вентилем (ТРВ) или клапаном впрыска (CIC для R22) 10 для промежуточного охлаждения. Перед клапаном устанавливается фильтр, электромагнитный клапан, подключаемый параллельно с двигателем компрессора и смотровое стекло.
Жидкий хладагент к терморегулирующему вентилю поступает из общей жидкостной линии (из ресивера к испарителям). Причём, это ответвление должно быть выполнено ниже горизонтальной секции трубы, чтобы жидкость поступала в вентиль без пузырей, даже когда в системе имеет место нехватка хладагента.
Сечение жидкостной линии нужно выбирать в соответствии со штуцером терморегулирующего вентиля 10, а сечение возможного коллектора для нескольких компрессоров должно равняться сумме поперечных сечений отдельных для них линий.Близкое сходство с одноступенчатыми установками также позволяет нормально выбирать трубопроводы и другие элементы системы. Это справедливо также и в отношении регенеративного теплообменника, обычно используемого, например, в системах с R404А.
В установках с длинными трубопроводами, например в супермаркетах, особенно проявляются преимущества низкотемпературных установок с двухступенчатыми компрессорами - их более высокие холодопроизводительность и эффективность, так как в дополнение к "естественному" переохлаждению может быть использовано эффективное переохлаждение посредством регенеративного теплообмена.
Дополнительный перегрев всасываемого газа и связанное с этим изменение его удельного объема в значительной степени компенсируется увеличением объёмного кпд, работающих на R22.
Проблемы, связанные с высокими температурами нагнетания, которые имели бы место в данном случае с одноступенчатыми, отсутствуют. Высокий перегрев всасываемого газа большей частью воздействует на температуру нагнетания ступени низкого давления, которая, однако, не может быть особенно критической вследствие сравнительно низкого отношения давлений. Условия всасывания для ступени высокого давления определяются промежуточным межступенчатым охлаждением.
Рис. 3 Параллельная система без переохладителя жидкости
Условные обозначения на рис. 3…5, 8 и 9
- Двухступенчатый компрессор
- Одноступенчатый
- Маслоотделитель
- Масляный ресивер
- Клапан дифференциального давления*
- Уравнительная линия давления (масляный ресивер)*
- Уравнительная линия давления
- Регулятор уровня масла (рассчитан на 6,5 бар дифференциального давления)
- Конденсатор
- Терморегулирующий вентиль (впрыскивание хладагента/переохладитель)
- Переохладитель жидкости
- Терморегулирующий вентиль (испаритель)
- Испаритель
- Терморегулирующий вентиль (переохладитель)
* Не подключайте в таких системах линию сброса давления 7 к картерам. Опасность сильных флуктуаций давления и сбоев в подаче масла.
1.3 Холодильная установка с параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами с индивидуальными переохладителями жидкости
Структура этой системы (рис. 4) отличается от предыдущего варианта использованием переохладителей жидкости 11, индивидуально смонтированых для каждого компрессора.
Рис. 4 Параллельная система с индивидуальными переохладителями жидкости (усл. обозначения см. рис. 3)
Переохладитель 11, представляющий собой надёжно теплоизолированный пластинчатый теплообменник, должен быть установлен на стороне испарителя между терморегулирующим вентилем 10 и линией промежуточного давления.
Впрыскиваемый хладагент проходит через переохладитель, где он частично испаряется, отбирая тепло от жидкого хладагента, протекающего в противоположном направлении из ресивера/конденсатора 9 к испарителю 13.
Испарение в переохладителе 11 приводит к охлаждению жидкого хладагента до значения на 5-10K выше промежуточной температуры, в результате чего холодопроизводительность установки существенно возрастает.
Образовавшаяся смесь жидкости и газа всасывается затем в компрессор, где испарение оставшейся жидкости вызывает требуемое охлаждение потока перегретого газа, поступающего из цилиндров низкого давления.
Потребляемая мощность компрессора увеличивается лишь ненамного, так как добавочный поток хладагента, требующийся для переохлаждения, нужно только переправить на сторону высокого давления. При таком способе эксплуатации можно достичь наибольших значений холодопроизводительности и холодильного коэффициента СОР.
При выборе сечения и схемы прокладки жидкостной линии к терморегулирующему вентилю 10 следует руководствоваться теми же критериями, что и для системы без переохладителя, описанной ранее в разделе 1.2.
Остальная система трубопроводов отлична, так же как и некоторые другие компоненты установки.
Специальные рекомендации по проектированию и монтажу
A. При одинаковой холодопроизводительности массовый расход хладагента меньше, чем в системе без переохладителей жидкости. Поэтому диаметры труб в жидкостных линиях и линиях всасывания меньше. Значения массового расхода для точного расчета могут быть определены по "Программе по подбору оборудования BITZER Software 4.2.2. Эту программу можно легко загрузить с интернет сайтов www.bitzer.de и www.bitzer.ru.
B. Массовый расход на стороне высокого давления такой же, как в одноступенчатых установках аналогичной производительности; диаметры труб и компоненты нужно выбирать соответственно.
C. Терморегулирующий вентиль 10 для переохладителя нужно выбирать соответственно большим, чем при работе без переохладителей. Его производительность должна соответствовать 70% от расчётной производительности переохладителя.
D. Переохладитель и жидкостная линия, идущая к испарителю должны быть надёжно теплоизолированы. Сечение труб можно выбирать без особенно большого запаса, так как переохлаждение будет препятствовать возможному испарению (образованию газовых пузырей) даже при больших перепадах давления.
E. Жидкий хладагент на входе переохладителей не должен содержать пузырей при любых эксплуатационных условиях (проверять через смотровое стекло). Мгновенно выделяющийся газ затем конденсируется, и это приводит к неудовлетворительному переохлаждению и снижению холодопроизводительности.
F. Электромагнитные клапаны (изображены прерывистой линией на рис. 4) на входах или на выходах переохладителей необходимы при работе установки на режимах с частичной нагрузкой с выключением одного или нескольких компрессоров. Клапаны выключенных компрессоров закрываются, препятствуя перемешиванию переохлажденной и непереохлажденной жидкости.
G. Применение регенеративных теплообменников между жидкостной линией и всасыванием нецелесообразно, так как их эффективность сильно снижается из-за низкой температуры жидкости.
H. Терморегулирующий вентиль перед испарителем должен соответствовать условиям, изменившимся вследствие переохлаждения. Может также потребоваться оптимизация испарителя.
1.4 Холодильная установка с параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами с общим переохладителем жидкости
Схема этой системы, изображённая на рис. 5 почти идентична варианту, описанному выше в разделе 1.3. Эти системы схожи как с точки зрения термодинамики, так и с точки зрения возможности достижения высокой холодопроизводительности и холодильного коэффициента.Наиболее существенное различие в концепции переохлаждения в этих системах заключается в том, что в данной системе применяется только один общий переохладитель 11 со специально согласованным терморегулирующим вентилем 14.
Всасываемый из переохладителя пар направляется по трубопроводу к компрессорам, где он равномерно распределяется между ними.
Для этого подключения предназначен свободный овальный фланец на компрессоре над масляным насосом (от типа S4G-12.2). В качестве дополнительной опции может быть поставлен переходник (Rotalock). Для малых четырехцилиндровых моделей имеется внешний соединитель между терморегулирующим вентилем 10 и штуцером на промежуточной трубе.Схема с общим переохладителем позволяет упростить конструкцию установки, и, кроме того, переохладители в установках такого типа не привязаны к компрессорам.
Рис. 5 Параллельная система с одним общим переохладителем жидкости (усл. обозначения см. рис. 3)
Специальные рекомендации по проектированию и монтажу
A. См. раздел 3.3, пункты A, B, D, E, G и Н
B. Суммарную производительность общего переохладителя 11 можно вычислить по разности между производительностью компрессора с переохладителем и без переохладителя, умноженной на число компрессоров. Данные о производительности и значения промежуточного давления могут быть определены по "Программе по подбору оборудования BITZER Software 4.2.2 для двухступенчатых". Переохлаждение, основанное на других заданных значениях, требует индивидуального расчета и консультаций со специалистами Битцер. Расчёты и рекомендации для выбора высылаются по запросу.
C. Переохладитель 11 и терморегулирующий вентиль 14 должны быть выбраны так, чтобы обеспечить нормальную работу установки и в условиях частичной нагрузки. При широком спектре нагрузок может потребоваться установка нескольких контуров переохлаждения или нескольких терморегулирующих вентилей.
D. Распределитель, подающий газ промежуточного давления от переохладителя к компрессорам, может быть выполнен по аналогии с коллектором всасывания. Сечения труб должны выбираться в соответствии с производительностью переохладителя.
E. Расширительные клапаны 10 для промежуточного охлаждения такие же, как и те, что применяются при работе без переохладителей (см. раздел 1.2).
1.5 Холодильная установка с параллельно работающими двухступенчатыми компрессорами с общим переохладителем, комбинированная с одноступенчатой среднетемпературной системой
Этот вариант двухступенчатой холодильной установки (см. рис. 8) отличается тем, что в ней одна низкотемпературная система на базе двухступенчатых параллельно работающих компрессоров с одним общим переохладителем скомбинирована с отдельной одноступенчатой среднетемпературной системой. Переохладитель 11 включён в жидкостную линию низкотемпературной двухступенчатой системы, но пары хладагента из переохладителя поступают на всасывание одноступенчатой среднетемпературной системы.
Аналогично описанным выше в разделах 1.3 и 1.4, данная установка при том же заданном массовом расходе может обеспечить более высокую холодопроизводительность благодаря большей разности энтальпий.
Требуемая производительность переохладителя обеспечивается среднетемпературной системой и должна быть учтена при её расчете. Эта среднетемпературная система работает более эффективно благодаря более высокой температуре испарения. Результирующая эффективность всей установки при совместном рассмотрении обеих входящих в неё систем может быть в итоге значительно выше эффективности каждой из входящих в неё отдельных установок.
Дополнительное преимущество этой системы состоит в том, что в ней применяется простейшая обвязка двухступенчатых (без переохладителя), а переохладитель может располагаться в любом удобном месте без его привязки к местоположению компрессоров и к машинному залу.
Рис. 8 Параллельная двухступенчатая низкотемпературная система с одним общим переохладителем в комбинации с одноступенчатой среднетемпературной системой (усл. обозначения см. рис. 3)
Однако важным условием для удовлетворительной работы такого вида комбинированных схем является постоянство базовой нагрузки среднетемпературной системы. Если эта система отключается, то переохлаждения для низкотемпературной системы не будет, что приведет к снижению её холодопроизводительности.
Сильные флуктуации температуры жидкости также могут нарушить работу расширительного клапана и испарителя низкотемпературной системы.
Источник Битцер СНГ/p/p