How to choose an air cooler for a vapor compression freon refrigeration unit?

Abstract

Currently, in vapor compression freon refrigeration units, air coolers based on evaporators with forced airflow and electric defrost are most widely used.

Full Text

В настоящее время в парокомпрессионных фреоновых холодильных установках наибольшее распространение получили воздухоохладители на базе испарителей с принудительным обдувом и электрооттайкой. По состоянию на конец 90-х годов такие воздухоохладители составляют свыше 80 % общего числа поставляемых на отечественный рынок моделей. В основном это так называемые всасывающие воздухоохладители, у которых вентиляторы принудительного обдува расположены на лицевой (передней) стороне, что обеспечивает по сравнению с нагнетательными воздухоохладителями, у которых вентиляторы смонтированы на тыльной (задней) стороне, следующие преимущества:

• состояние вентиляторов и их работа легко поддаются визуальному контролю;
• эксплуатация и техническое обслуживание вентиляторов существенно упрощаются;
• сечение воздушной струи может быть прямоугольным с отношением сторон от 1,0 до 1,7;
• температура обмотки электродвигателя вентилятора снижается примерно на 20 °C.

С целью повышения эффективности работы всасывающие воздухоохладители могут быть оборудованы решетчатыми диффузорами с регулируемым наклоном ребер, которые не только обеспечивают безопасность персонала, находящегося вблизи вентиляторов, но и выполняют направляющие функции, позволяя формировать однородную струю, способную выходить из аппарата строго горизонтально или организовать обдув в желаемом направлении.

Ниже даны рекомендации по подбору воздухоохладителей именно такого типа.

В общем случае при подборе воздухоохладителей по каталогу производителя (поставщика) в качестве исходных могут служить следующие параметры:

• требуемая холодопроизводительность Q₀, значение которой определяют на основании расчета теплового баланса охлаждаемого объема с учетом внешних и внутренних теплопритоков в него;

• требуемые значения температуры t_B и влажности φ_н в охлаждаемом объеме;

• линейные размеры охлаждаемого объема в направлении распространения воздушной струи от вентиляторов воздухоохладителя.

Требуемая холодопроизводительность Q₀, полученная в результате расчета теплового баланса, как правило, не учитывает теплопритоков от электродвигателей вентиляторов и нагревательных элементов системы оттайки воздухоохладителей, поскольку их тип и количество заранее не известны. Поэтому при подборе воздухоохладителей необходимо требуемую холодопроизводительность увеличить на 15-20 % с тем, чтобы учесть возможные теплопритоки от них.

После подбора воздухоохладителей следует проверить, укладываются ли реальные теплопритоки в эти 15.. .20 %. В случае, если они превышают данную

величину, необходимо повторить процедуру подбора для получения нового значения фактически требуемой холодопроизводительности.

Таким образом, подбор воздухоохладителей начинается с расчета фактически требуемой холодопроизводительности Q_0ф = (1,15... 1,20) Q₀.

Далее следует определить шаг оребрения испарительных трубок. Как правило, он составляет от 3 до 12 мм. Чем меньше шаг оребрения, тем при прочих равных условиях компактнее воздухоохладитель и соответственно ниже его стоимость. Однако в камерах с повышенной влажностью и отрицательными температурами при малом шаге оребрения быстро снижается эффективность аппарата вследствие зарастания его межреберного пространства инеем (снежной шубой). Это ведет к снижению, а в конечном итоге - к полному прекращению циркуляции воздуха и, как следствие, к резкому падению теплопередачи от охлаждаемого объема к хладагенту. Поэтому при выборе шага оребрения необходимо учитывать условия эксплуатации испарителей.

Испарители с шагом оребрения до 5 мм целесообразно использовать при температуре в охлаждаемом объеме 8... 10 °C и выше (в системах кондиционирования воздуха, камерах созревания бананов, овощехранилищах и т.п.) и при перепаде между температурой воздуха на входе в воздухоохладитель и температурой кипения не более 6 °C (в камерах с низкой влажностью и незначительным выделением влаги от хранящейся продукции замороженной в герметичной упаковке и др.).

Испарители с шагом оребрения от 6 до 8 мм, более универсальные, можно применять при температуре от 5 до -7...-10 °C (в камерах для хранения охлажденных и замороженных грузов, в том числе неупакованных продуктов животного происхождения).

Испарители с шагом оребрения 9... 12 мм следует использовать при температуре кипения от -3 °C и ниже (в морозильных камерах, помещениях с высоким выделением влаги, а также в установках, которые по тем или иным причинам можно оттаивать только ночью).

Есть еще одна проблема, которую следует учитывать при подборе воздухоохладителя по каталогу производителя. Это температурный напор в воздухоохладителе, т. е. разность между температурой в охлаждаемом объеме t_в и температурой кипения t₀. В общем случае, чем выше температурный напор Δt = t_в - t₀, тем больше, при прочих равных условиях, фактическая холодопроизводительность испарителя, которая определяется как

Q_0ф= αFΔt

где α - коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к поверхности испарителя, Вт/(м²*К);

F - площадь наружной поверхности испарителя, м².

Однако при одном и том же значении t_в снижение температуры кипения t₀, т. е. увеличение температурного напора АЛ приводит к росту доли влаги, которая может выделиться из окружающего воздуха и осесть на наружной поверхности испарителя в виде конденсата или инея. Иначе говоря, с ростом температурного напора влажность воздуха в охлаждаемом объеме будет падать при температуре в камере выше 0 °C.

На рис. 1 приведена зависимость влажности воздуха φ_в от температурного напора Δt

Из рис. 1 видно, что температурный напор Δt = t_в - t₀ не может задаваться произвольно. Его значение, а следовательно, и значение температуры кипения г₀ должны выбираться таким образом, чтобы фактическая влажность воздуха в камере (охлаждаемом объеме) φ_вф была нe ниже заданной φ_в, т. е. φ_вф≥  φ_в, для Δt=Δt_max

Чтобы соблюсти это условие, можно воспользоваться номограммой (рис. 2), которая связывает минимально допустимые значения влажности охлаждаемого воздуха с максимально возможным температурным напором для различных типов продуктов питания, находящихся в холодильной камере. Приведенные на номограмме примеры показывают, что заданной температуре в камере t_в и влажности φ_в соответствует вполне определенное значение температуры кипения t₀, а следовательно, и температурного напора Δt, который способен обеспечить требуемые параметры воздуха в охлаждаемом объеме.

Рис. 1. Изменение относительной влажности охлаждаемого воздуха Ф_в. при росте температурного напора в воздухоохладителе Δt для камер с температурой воздуха t₀>0 °C

Рис. 2. Номограмма для определения температурного напора: 1 — продукты, охлажденные без упаковки; 2 - продукты, замороженные без упаковки; 3 — продукты в упаковке

После того как выбраны шаг оребрения и температурный напор, можно переходить к подбору конкретной модели воздухоохладителя требуемой производительности Q_0ф по каталогу производителя. При этом необходимо учитывать, что характеристики воздухоохладителя, приведенные в каталоге, были получены при вполне определенных стандартных условиях, которые, в частности, для европейских производителей регламентируются европейским стандартом EN 328:1999

“Теплообменные аппараты. Методы и условия испытаний по определению характеристик воздухоохладителей с принудительным обдувом”. Согласно документу предусмотрено пять вариантов стандартных условий (SC) для определения холодопроизводительности воздухоохладителей с принудительным обдувом (см. таблицу).

В том случае, когда условия работы воздухоохладителя в составе холодильной установки будут отличаться от любого из перечисленных выше вариантов, необходимо вносить соответствующую поправку на отличие фактически обеспечиваемой с помощью данного воздухоохладителя холодопроизводительности от каталожного значения.

Рис. 3. Влияние степени перегрева на холодопроизводительность испарителя

Для определения величины поправки рекомендуется использовать диаграмму состояния Igp-I для данного хладагента. Однако оценить, насколько фактическая холодопроизводительность будет отличаться от каталожного значения при отношении (степени перегрева) Δt_пер/Δt≠ 0,65, с помощью этой диаграммы нельзя. Дело в том, что отношение Δt_пер/Δt влияет на фактическую холодопроизводительность согласно графику на рис. 3.

Из графика следует, что с ростом степени перегрева холодопроизводительность испарителя резко падает. Поскольку в большинстве случаев степень перегрева всегда больше 0,65, фактическая холодопроизводительность испарителя, как правило, будет составлять не более 80 % каталожной при прочих равных условиях. При этом следует иметь в виду, что обычный (не электронный) терморегулирующий вентиль обеспечивает стабильность режима только в тех случаях, когда перегрев равен, по меньшей мере, 5...7 °C. Отсюда можно заключить, что полный температурный напор не должен быть меньше 8 °C, поскольку в противном случае эффективность воздухоохладителя заметно снижается.

Последний параметр, который необходимо принимать во внимание при подборе воздухоохладителя, это напор воздушной струи на выходе из вентилятора воздухоохладителя или, что то же самое, так называемая дальнобойность вентилятора. Эта величина в каталогах выражается, как правило, в метрах и характеризует расстояние, на котором скорость воздушной струи составляет не менее 0,25...0,5 м/с.

Таблица 1.

Вариант условий	Температурный режим испытаний, °C				Δtпер/Δt
	tв	tр	t0	tж
SCI	+ 10	<-2	0	30	0,65
SC2	0	<-10	-8	30	0.65
SC3	-18	<-27	-25	20	0,65
SC4	-25	<-33	-31	20	0,65
SC5	-34	<-42	-40	20	0,65

Обозначения: t_в - температура воздуха в охлаждаемом объеме; t_р температура точки росы воздуха в охлаждаемом объеме; t₀ - температура кипения хладагента в испарителе; Δt_пер - перегрев пара на выходе из испарителя; t_ж - температура жидкого хладагента на входе в терморегулирующий вентиль.

Согласно принятым в настоящее время рекомендациям именно такая скорость воздушной струи должна поддерживаться вблизи противоположной от воздухоохладителя стены холодильной камеры. Поэтому, если расстояние до стены, противоположной предполагаемому месту размещения воздухоохладителя, больше, чем дальнобойность вентилятора, необходимо ориентироваться на установку в

камере нескольких (как минимум, двух) воздухоохладителей, чтобы обеспечить выполнение указанного выше требования по минимальной скорости воздушного потока.

Еще одним условием, необходимым для обеспечения требуемой холодопроизводительности воздухоохладителя, являются такие значения продолжительности и числа циклов его оттайки, при которых образующийся на наружной поверхности испарителя иней не будет оказывать заметного влияния па коэффициент теплоотдачи от окружающей среды к наружной поверхности аппарата.

Кроме того, проектная холодопроизводительность воздухоохладителя может быть достигнута только тогда, когда надлежащим образом организована циркуляция воздушных потоков в холодильной камере, т. е. когда на пути воздушных потоков нет препятствий вследствие неудачного расположения самого воздухоохладителя, а струя первичного воздушного потока, выходящая из воздухоохладителя, не попадает на вход вентилятора.