Воздухоотделители

Влияние воздуха на работу холодильной установки. В систему холодильной установки при эксплуатации может проникнуть воздух при ремонте аппаратов и компрессоров, а также через неплотности, когда в системе создается разрежение. Независимо от того, в какой части установки воздух попал в систему, он скапливается в конденсаторе и линейном ресивере, так как из всех частей воздух отсасывается вместе с парами холодильного агента. В конденсаторе или ресивере образуется гидравлический затвор, препятствующий прорыву в испарительную систему не только паров холодильного агента, но и воздуха.

В паровой холодильной машине нет условий для конденсации воздуха, вследствие чего давление в конденсаторе увеличивается на величину парциального давления воздуха р_в. Холодильный агент при наличии воздуха будет конденсироваться в зависимости от температуры воды при своем парциальном давлении р_а. Общее давление р_к в конденсаторе будет складываться из суммы парциальных давлений р_к = р_а + р_в Температура холодильного агента будет соответствовать давлению р_а, поэтому создается ложное впечатление переохлаждения холодильного агента в конденсаторе, так как манометр на конденсаторе показывает общее давление р_к. Это видимое переохлаждение и является объективным признаком наличия воздуха в системе. Для определения наличия воздуха в системе надо измерить температуру жидкого холодильного агента, стекающего из конденсатора, и сравнить с кажущейся температурой насыщения, соответствующей общему давлению по манометру на конденсаторе.

Практическими признаками наличия воздуха в системе холодильной установки являются возрастание давления конденсации и связанный с этим сравнительно большой перегрев на нагнетательной стороне компрессора, а также колебание стрелки манометра. Последнее вызывается тем, что неконденсирующийся воздух создает при пульсирующей подаче компрессора так называемую упругую подушку.

При накапливании воздуха в конденсаторе давление возрастает не только на величину парциального давления воздуха, но также вследствие ухудшения теплообмена. При наличии воздуха несколько изменяется процесс теплоотдачи - воздух на поверхности охлаждения образует (вокруг трубки) газовую пленку. Вследствие этого возрастает тепловое сопротивление, которое выражается в уменьшении коэффициента теплоотдачи и в целом в уменьшении коэффициента теплопередачи. Например, если коэффициент теплоотдачи для чистого аммиака равен 8000 Вт/(м²•°С), то для смеси с содержанием воздуха 2,5% коэффициент теплоотдачи при той же тепловой нагрузке будет равен 3000 Вт/(м²•°С), а при содержании воздуха 17,5% - 1720 Вт/(м²•°С).

Таким образом, наличие воздуха в системе холодильной установки приводит к повышению температуры и давления конденсации вследствие ухудшения теплопередачи и, кроме того, дополнительно возрастает давление в конденсаторе на величину парциального давления воздуха.

Возрастание давления в конденсаторе при несвоевременном удалении воздуха является источником дополнительного расхода энергии при производстве холода, а если воздух своевременно не выпускать, то возможно возрастание давления до опасных пределов, несмотря на низкую температуру охлаждающей воды. Если парциальное давление воздуха будет равно 0,1 МПа, то перерасход энергии составит примерно 6%.

Вредное влияние воздуха на работу холодильной установки очевидно, поэтому следует принимать все меры к предотвращению его попадания. Количество воздуха, попадающего в систему, зависит от режима работы установки, мощности ее, немалое значение имеет техническая культура монтажа и эксплуатации. Однако, если воздух попал в систему, необходимо его своевременно удалить с наименьшей потерей холодильного агента.

Разделения газовой смеси в конденсаторе не происходит даже при большой разности плотностей воздуха и холодильного агента, поэтому, если выпускать воздух непосредственно из конденсатора, будут большие потери холодильного агента. Например, давление в аммиачном конденсаторе 1,2 МПа, температура конденсации 25° С, соответствующее этой температуре давление 1,02 МПа, следовательно, давление воздуха будет равно 0,18 МПа, объемная доля воздуха составляет 15%, масса воздуха будет равна 0,225 кг/кг, масса аммиака 0,775 кг/кг. Следовательно, при выпуске воздуха без специальных устройств с 1 кг воздуха будет выпускаться 3,44 кг аммиака, а в конце процесса из системы практически будет выпускаться чистый аммиак со следами воздуха.

Для указанных условий во фреоновой установке на 1 кг воздуха будет выпускаться 20 кг фреона. Фреоны обладают сравнительно большей молекулярной массой, и этим объясняется приведенное выше соотношение при выпуске воздуха из фреоновой системы.

Таким образом, рекомендуемый способ выпуска воздуха путем прекращения работы компрессоров и охлаждения конденсаторов водой в течение 2 - 3 ч позволяет получить при выпуске смесь с содержанием 78 - 98% аммиака и соответственно от 2 до 22% воздуха. Такой способ связан с большими потерями холодильного агента и необходимостью выключения компрессоров.

Для уменьшения содержания холодильного агента смесь охлаждают в специальном аппарате - воздухоотделителе. Так, если аммиачно-воздушную смесь при давлении 1,2 МПа охладить до температуры -20° С, то содержание аммиака составит при этом не более 10%. Однако при охлаждении воздушно-фреоновой смеси до температуры -20° С содержание фреона составляет 40%, т. е. одно охлаждение не дает желаемых результатов. Поэтому во фреоновых установках для более полного отделения фреона от воздуха рекомендуется смесь дополнительно сжать в специальном компрессоре небольшой производительности до давления 2 - 3 МПа и затем охладить ее.

Устройство и принцип работы воздухоотделителей. Змеевиковый воздухоотделитель является простейшей конструкцией, применяемой в аммиачных судовых холодильных установках. На рис. 1 приведена схема змеевикового воздухоотделителя. В змеевик от регулирующей станции через регулирующий вентиль 6 подается жидкий аммиак, пары его отсасываются из змеевика через вентиль 3. Всасывающий трубопровод воздухоохладителя целесообразнее подключить к отделителю жидкости или сухопарнику испарителя. Смесь воздуха и аммиака подводится внутрь корпуса 1 по трубке 7, аммиак, касаясь холодной поверхности змеевика, конденсируется и по трубке 7 стекает в ресивер. Воздух с неизбежными остатками аммиака через вентиль 4 выпускается в бачок 5 с проточной водой через обратный клапан 8. Оставшиеся пары аммиака поглощаются водой, а воздух в виде пузырей выходит в атмосферу. Бачок изготовляют из прозрачного материала, чтобы можно было наблюдать за выходом пузырьков воздуха. Если их не видно, а слышен легкий треск, значит, в системе нет воздуха. В этом случае воздухоотделитель следует отключить.

Рис. 1. Змеевиковый воздухоотделитель:
1 - корпус; 2 - змеевик; 3 и 4 - вентили; 5 - бачок с водой; 6 - регулирующий вентиль; 7 - трубка; 8 - обратный клапан.

Давление в воздухоотделителе равно давлению в конденсаторе, а температура на поверхности змеевика определяется температурой испарения холодильного агента. Чем ниже температура испарения, тем лучше отделение аммиака от воздуха.

Часто встречаются конструкции змеевиковых воздухоотделителей, в которых жидкий аммиак не сливается в ресивер, а перепускается в змеевик. Это создает неоправданную дополнительную операцию по обслуживанию воздухоотделителя. Эффективность работы змеевикового воздухоотделителя недостаточная (например, при температуре испарения -25° С содержание аммиака на выходе составляет примерно 40%), что объясняется неравномерностью охлаждения смеси.

Для представления о габаритах воздухоотделителя ниже приведены основные размеры (в мм) змеевикового воздухоотделителя, установленного на судах типа «Тропик»: длина 886, диаметр 319x7,5, змеевик из цельнотянутой трубы 22x2; поверхность охлаждения 0,7 м², емкость 55 л, масса 70 кг. Корпус воздухоотделителя испытывается на прочность водой давлением 3,5 МПа, максимальное рабочее давление 2,1 Мпа.

Рис. 2. Четырехтрубный воздухоотделитель:
а - общий вид; 6 - схема включения: 1 - ресивер линейный; 2 - конденсатор; 3 - регулирующий вентиль; 4 - испаритель.

На судах с аммиачными холодильными установками отечественной постройки широкое распространение получил четырехтрубный воздухоотделитель конструкции Кобулашвили (рис. 2). В отличие от предыдущей конструкции в четырехтрубном воздухоотделителе смесь пропускается в кольцевом пространстве между первой и второй трубами, а также между третьей и четвертой трубами. Аммиак для охлаждения кипит во внутренней (четвертой) трубе и в кольцевом пространстве между второй и третьей трубами. Это пространство соединено с четвертой трубой внутренним патрубком. Конденсирующийся из смеси аммиак перепускается по трубке небольшого диаметра во внутреннюю трубу.

Смесь воздуха и аммиака отбирается из верхней части конденсатора и ресивера, пары аммиака отсасываются через сухопарник испарителя. Такое включение системы отсоса позволяет предохранить компрессор от влажного хода при регулировании подачи аммиака в испарительную часть воздухоотделителя. Трудность ручного регулирования заключается в том, что в испарительную часть воздухоотделителя надо подавать очень небольшое количество сдросселированного аммиака (примерно 2 - 4 кг/ч). Некоторый избыток жидкого аммиака при указанной схеме будет отделяться в испарителе. Эффективность работы четырехтрубного воздухоотделителя выше, чем змеевикового, так как смесь охлаждается тонким слоем в кольцеобразном пространстве.

Основным недостатком этих воздухоотделителей является ручное регулирование его работы.

На рис. 3 показана принципиальная схема автоматического воздухоотделителя ВНИИХИ марки АВ-2. Принцип работы его основан также на охлаждении воздушно-аммиачной смеси, находящейся под давлением конденсации, за счет кипения аммиака во внутренней трубе 15. Подача аммиака в нее регулируется автоматически датчиком уровня 4 марки ПРУ-2 в сочетании с соленоидным вентилем 18.

Рис. 3. Автоматический воздухоотделитель АВ-2:
1 - всасывающая труба; 2, 17 и 28 - запорные вентили; 3, 10 и11 - донышки; 4 и 20 - датчики уровня; 5 - изоляция; 6 и 18- соленоидные вентили; 7 и 8 - змеевики; 9 - наружная труба; 12 - кожух; 13 и 27 - пробки; 14 и 15 - патрубки; 16 - реле температуры; 19 - заглушка; 21 - трубка змеевика вторичного охлаждения; 22 - реле промежуточное МКУ-48; 23 и 26 - усилители; 25 - корпус.

Воздушно-аммиачная смесь поступает из конденсатора и ресивера в змеевик 8, который полностью погружен в кипящий слой аммиака температурой кипения, соответствующей давлению испарения. Внутри змеевика смесь находится под давлением конденсации и поэтому при охлаждении пары аммиака конденсируются. Жидкий аммиак из змеевика 8 стекает в межтрубное пространство, а воздух с остатками аммиака барботируется через слой жидкого переохлажденного аммиака в нижней части межтрубного пространства. В дальнейшем паровоздушная смесь по пространству между трубами 25 и 9 поступает в змеевик 21, в котором дополнительно конденсируются пары аммиака из смеси. Жидкий аммиак также стекает в нижнюю часть между донышками 10 и 11, а воздух с небольшим содержанием аммиака периодически выпускается через соленоидный вентиль 6 под уровень проточной воды.

Автоматизация выпуска воздуха осуществляется следующим образом. При выпуске воздуха давление в змеевиках 8 к21, атакже в межтрубном пространстве снижается на незначительную величину (около 0,01 МПа) по сравнению с давлением в конденсаторе и ресивере, жидкий аммиак по жидкостной линии поступает в камеру поплавкового датчика уровня 20. При повышении уровня жидкого аммиака в камере датчика уровня 20 закрывается соленоидный вентиль 6 и выпуск воздуха прекращается. Смесь продолжает поступать в змеевик 8 и в межтрубное пространство, аммиак конденсируется, а воздух, скапливаясь, вытесняет жидкий аммиак из камеры датчика 20, который вновь открывает соленоидный вентиль 6, выпуск воздуха возобновляется.

Рис. 4. Автоматический воздухоотделитель АВ-4:
1 - реле температуры (мембранный клапан); 2 и 19-запорные вентили; 3 - поплавковый регулятор уровня аммнака; 4 - внутренняя труба; 5 и 6 - змеевики; 7 и 20 - трубки; 8, 9 и 17 - донышки; 10 и 11 - угловые клапаны; 12 и14 - патрубки; 13 - поплавковый регулятор выпуска воздуха; 15 - наружная труба; 16 - стержень; 18 - клапан выпуска воздуха.

Циклы выпуска и прекращения выпуска воздуха чередуются через 20 - 30 с, продолжительность их зависит от настройки вентилей 2 и 28 и от количества воздуха в системе. Если в системе воздуха не будет, то пары аммиака будут конденсироваться в змеевике 8 и 21, давление в межтрубном пространстве будет постоянно ниже, чем в конденсаторе, поэтому жидкий аммиак заполнит камеру поплавкового регулятора уровня 20, который закроет соленоидный вентиль 6, и выпуска воздуха не будет.

В систему электропитания соленоидного вентиля 6 последовательно с контактами управления датчика уровня 20 включены контакты промежуточного реле 22 марки МКУ-48. Работа реле управляется с помощью регулятора температуры 16 таким образом, что выпуск воздуха может производиться только при условии заданной температуры охлаждения на поверхности всасывающей трубки 1.

На рис. 4 показана схема модернизированного автоматического воздухоотделителя ВНИХИ марки АВ-4. Принцип работы такой же, как и воздухоотделителя АВ-2, но электрические связи управления и регулирования заменены механическими элементами. Регулирование подачи аммиака в испарительную систему воздухоотделителя производится при помощи поплавкового регулирующего вентиля.

Автоматизация выпуска производится с помощью поплавкового регулятора 13. Регулятор температуры газозаполненного типа заменен мембранным клапаном 1, который открывает линию выпуска воздуха только после достижения во всасывающей линии воздухоотделителя давления, соответствующего температуре кипения в установке.

Рис. 5. Схема включения воздухоотделителя АВ-2 в систему холодильной установки:
1 - воздухоотделитель; 2 - регулятор температуры; 3 - соленоидный вентиль; 4 - датчик уровня; 5 - ресивер линейный.

На рис. 6 приведена схема барботажного воздухоотделителя, работа которого основана также на охлаждении аммиачно-воздушной смеси при давлении конденсации. Однако в этом воздухоотделителе в отличие от предыдущих смесь охлаждается барботажем через слой жидкого аммиака, переохлажденного относительно температуры насыщения.

Жидкий аммиак во внутренней трубе 2 находится под давлением конденсации. В межтрубном пространстве происходит кипение аммиака при давлении испарения, в результате чего жидкий аммиак во внутренней трубе переохлаждается до температуры, близкой к температуре испарения. Смесь аммиака и воздуха из ресивера и конденсатора пропускается через мелкие отверстия (0,6 мм) барботера 11, а образующиеся пузырьки смеси интенсивно охлаждаются при проходе через слой переохлажденного жидкого аммиака.

Пары аммиака конденсируются, а воздух с остатками аммиака выпускается в сосуд с проточной водой через вентиль 8. Выпуск воздуха происходит с помощью поплавкового клапана 6 по принципу изменения уровня при накапливании и выпуске воздуха. Межтрубное пространство является частью участка трубы между испарителем и регулирующим вентилем испарителя, поэтому отпадает необходимость в специальной регулировке подачи аммиака в испарительную часть воздухоотделителя.

Рис. 6. Барботажный воздухоотделитель:
1 - внешняя труба; 2 - внутренняя труба; 3 - трубка подачи смеси; 4 - изоляция; 5 - внешний кожух; 6 - поплавковый клапан; 7 -вентиль для подачи смеси; 8 - вентиль для выпуска воздуха; 9 - всасывающий вентиль; 10 - бачок с проточной водой; 11 - барботер.