РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЕЙ И КОМПРЕССОРОВ ССМ
2.1. Обоснование выбора направления и метода исследования
совместной работы воздухоохладителей и компрессоров ССМ
Как было показано в разделе 1, совместная работа ВО и компрессора характеризуется наличием противоречивых требований к параметрам хладагента на выходе из ВО и на входе в компрессор. Для безопасной эксплуатации компрессора сухим ходом пар на выходе из ВО должен быть сухим насыщенным или перегретым, а с точки зрения тепловой эффективности ВО его змеевики должны смачиваться жидким хладагентом, т.е. на выходе из них должен быть влажный пар.
Анализ практики проектирования и эксплуатации испарительно-компрессорных узлов свидетельствует о том, что их развитие идет прежде всего в направлении обеспечения безопасной эксплуатации компрессора сухим ходом. В соответствии с этим расширялась и элементная база с включением в их состав РТО и отделителя жидкости, причем отделителю отводилась функция всего лишь защитного ресивера, предохраняющего компрессор от попадания влаги в цилиндры на режимах, отличных от номинального ? при уменьшении тепловой нагрузки на ВО. При этом предполагалось, что на номинальном режиме ВО работает с перегревом пара на выходе, обеспечивая сухой ход компрессора.
В зависимости от режимов эксплуатации выбирался и способ охлаждения электродвигателя и других элементов компрессора (рис. 2.1 [58]): охлаждение всасываемыми парами хладагента (в области плюсовых температур кипения), принудительный обдув воздухом и (или) впрыскивание в линию всасывания компрессора жидкого хладагента, сдросселированного после конденсатора (при низких температурах кипения). Однако при этом не
а б
Рис. 2.1. Способы охлаждения электродвигателя и компрессора:
а ? охлаждение всасываемыми парами хладагента
(в области плюсовых температур кипения);
б ? принудительный обдув воздухом;
в ? принудительный обдув воздухом и впрыскивание в
линию всасывания компрессора жидкого хладагента
учитывалось снижение тепловой эффективности воздухоохладителя из-за осушения его змеевиков, происходящего как при пониженных, так и при повышенных тепловых нагрузках. Из-за большого термического сопротивления на осушенных участках поверхности змеевиков имели место повышенные температурные напоры между охлаждаемым воздухом и кипящим хладагентом, что приводило к увеличению удельной работы сжатия компрессора и ухудшению энергетических показателей холодильной машины и ССМ в целом.
Поэтому методика теплового расчета и математическая модель воздухоохладителя, положенные в основу рационального проектирования воздухоохладителей и испарительно-компрессорных узлов, должны позволять определять условия, при которых происходит снижение тепловой эффективности охладителя из-за осушения его змеевиков (при соответствующем граничном паросодержании хгр), с целью сведения этого снижения к минимуму или же полного его исключения.
Рациональное проектирование воздухоохладителей предполагает определение таких геометрических и конструктивных характеристик, которые обеспечивали бы максимальные плотности тепловых потоков в них и соответствующие им оптимальные массовые скорости (?w)opt хладагента в трубках.
Таким образом, с целью обеспечения безопасной эксплуатации компрессора необходимо включение в состав испарительно-компрессорного узла между испарителем и компрессором дополнительного звена ? отделителя жидкости, обеспечивающего разделение жидкой и паровой фаз хладагента и работу компрессора сухим ходом, а испарителя ? с влажным паром на выходе. Для достижения некоторого перегрева пара на всасывании компрессора, гарантирующего его работу сухим ходом, в испарительно-компрессорный узел может входить еще и РТО. Как видно, элементная база такого испарительно-компрессорного узла (многоэлементного), обеспечивающего выполнение противоречивых требований к параметрам хладагента, должна включать помимо основных элементов еще ОЖ и РТО.
Хотя развитие испарительно-компрессорных узлов ССМ и шло в направлении расширения их элементной базы, однако при этом ставилась единственная цель ? обеспечение безопасной эксплуатации компрессора сухим ходом. Обратная связь ? влияние режимов работы компрессора на тепловую эффективность воздухоохладителей ? не учитывалась при проектировании воздухоохладителей. Причина этого состоит в том, что существующие методики теплового расчета воздухоохладителей не учитывают зависимость условий осушения их змеевиков от режимов работы компрессора (производительности и давления всасывания).
Так, если проанализировать этапы совершенствования методик теплового расчета и соответственно математических моделей воздухоохладителей, то можно выделить следующие (рис. 2.2).
На 1-м этапе процесс кипения в воздухоохладителе не разбивался по зонам и теплоотдача рассчитывалась по осредненным зависимостям. Авторы методик: А.А. Гоголин [37], Е. Гранрид [39].
На 2-м этапе процесс кипения в воздухоохладителе разбивался на две зоны с разными механизмами теплопереноса и соответственно разной интенсивностью теплоотдачи: зону пузырькового кипения и зону конвективного испарения. Положение границы между этими зонами кипения зависит от массовой скорости: при данной плотности теплового потока с увеличением массовой скорости граница смещается ко входу в змеевик ? в сторону меньших паросодержаний x. Авторы методик: Дж.М. Чавла [41] (предложил расчетные уравнения для теплоотдачи в двух зонах кипения), Б. Слипцевич [42] (определял оптимальные массовые скорости хладагента для испарителей, работающих отдельно в каждой из этих зон), Ю.В. Захаров и др. [1] (предложили учитывать соотношение протяженностей зон пузырькового кипения и конвективного испарения).
Рис. 2.2. Этапы совершенствования методик теплового расчета
воздухоохладителей и соответствующие им зоны кипения