Определение количества хладагента и объема ресивера для холодильных установок
Источник: http://www.bitzer.ru/
Авторы: Вольфганг Линк,
г. Фридберг и Манфред Гибе,
г. Майнталь
Ресиверы Битцер
Существует непосредственная зависимость между требуемым количеством холодильного агента в установках различного типа и объемом ресивера, и поэтому их расчет нельзя проводить раздельно друг от друга.
В технической литературе часто приводятся приблизительные вычисления количества хладагента. Кроме того, в большинстве случаев не учитывается миграция хладагента по холодильному контуру при простое оборудования. Все это приводит к ошибочному определению размеров ресивера и возможным сбоям в работе холодильных установок. В нижеприведенных вычислениях во внимание приняты практические условия эксплуатации холодильных установок и требования техники безопасности. Рассчитанные таким образом холодильные установки как правило не испытывают сбоев в работе.
Применение алгоритма расчета количества хладагента и объёма ресиверов будет продемонстрировано на двух примерах.
Количество хладагента
Для расчета количества хладагента холодильной установки
применяется коэффициент заполнения 
, то есть, отношение объема заполненной жидкостью секции
VF к общему объему V
данной секции установки.
 |
коэффициент заполнения | (1) |
Общее количество циркулирующего в установке хладагента равняется M
 |
[ кг ] | |
 |
[ кг ] | (2) |
Где:
| Vi | = | внутренний объем секции установки | м3 |
| i | = | порядковый номер n секции установки | |
 i |
= | плотность жидкости | кг/м3 |
 i |
= | плотность пара | кг/м3 |
Значения плотности берутся с учетом температуры и давления хладагента на рассматриваемом участке установки, из таблиц свойств пара, либо, из диаграмм свойств используемого хладагента. Для оценки достаточно расчетов только по жидким составляющим.
Коэффициенты секций, однозначно заполненных только паром или только жидкостью,
вычисляются просто. Согласно определению, коэффициент для следующих узлов будет равняться:
| Узел | |
| Жидкостный трубопровод (от конденсатора до расширительного клапана) |
1 |
| Всасывающий трубопровод (от испарителя до компрессора) |
0 |
| Нагнетательный трубопровод (от компрессора до конденсатора) |
0 |
Испаритель и конденсатор заполнены паром и жидкостью. Для них существуют опытные величины коэффициентов заполнения, зависящие от конструкционных особенностей и уровня нагрузки на секцию.
Теплообменники воздушного охлаждения
| Узел | |
| Конденсатор | 0,5 - 0,6 |
| Испаритель | 0,18 (полная нагрузка) |
| 0,3 (частичная нагрузка) |
Необходимо, разумеется, также учитывать составляющую имеющегося в наличии ресивера. Его размеры сильно зависят от схемы холодильного контура, (см. далее). В силу этого, количество хладагента рассчитывается сначала, без учета ресивера.
Теплообменники водяного охлаждения
| Узел | |
| Пластинчатый испаритель (подача воды снизу) |
0,8 |
| Пластинчатый конденсатор | 0,25 - 0,35 |
| Кожухотрубный конденсатор (конденсация в кожухе) |
0,3 - 0,4 |
| Кожухотрубный испаритель (испарение в отдельной трубке) |
0,5 - 0,6 |
Схема 1. Схема холодильного контура с конденсатором воздушного охлаждения
Установки со сложной конструкцией, включающие в себя промежуточныме регенеративные теплообменники, системы регулирования производительности компрессоров через обводной трубопровод (байпассирование), аккумуляторы жидкого хладагента на линии всасывания и прочее должны рассматриваться в таком же ключе.
Начать следует со сбора данных об объемах отдельных участков установки, определить согласно холодильному циклу плотности и коэффициенты заполнения, и получить путем подстановки данных в уравнение (2), расчетное количество хладагента.
Кроме того, при простое оборудования хладагент скапливается в наиболее холодных частях установки. Для установок с теплообменниками воздушного охлаждения - это открытые в холодное время года участки установки. Коэффициент заполнения для соответствующих узлов (плотность - при минимальной температуре окружающей среды) будет иметь следующие значения:
| Узел | |
| Конденсатор | 1 |
| Нагнетательный трубопровод от регулятора давления до конденсатора | 1 |
| Нагнетательный трубопровод без регулятора давления | 0 |
| Жидкостный трубопровод | 1 |
Полученные величины количества хладагента для установок, эксплуатируемых во всех режимах, и при простое, необходимо сравнить. Наибольшая из них будет соответствовать требуемому количеству хладагента без ресивера.
Объем ресивера
Ресивер предназначен для предотвращения сбоев в работе холодильной установки, возникающих при различных штатных ситуациях и при изменении условий окружающей среды.
Необходимо также заранее определить, будет ли ресивер использоваться для приема всего объема хладагента, к примеру, на время ремонтных работ, или только для компенсации расхода хладагента вследствие различных условий эксплуатации (частичная нагрузка, изменившаяся температура окружающей среды). Промежуточное решение - холодильные установки с системой регулирования давления в конденсаторе с регуляторами давления и трубопроводом обвода конденсатора.
Следует стремиться к использованию по возможности, меньшего по объему ресивера, чтобы сократить количество хладагента в системе, и, соответственно, снизить затраты на его закупку и нанесение возможного экологического вреда при аварии. Слишком большой ресивер не создаст дополнительных трудностей, но обойдется дорого. Неоправданно маленький ресивер, может стать причиной выхода из строя установки.
Количество хладагента, и все зависимые от него параметры, известны. Предназначение подлежащего использованию ресивера, очевидно. Таким образом, можно приступить к расчету его объема.
Серийные установки с теплообменниками водяного охлаждения (чиллеры) имеют компактную конструкцию. Количество хладагента для них рассчитано производителем и указано в сопроводительной документации. Вследствие укороченной длины трубопроводов уход хладагента едва ли может достигнуть критических масштабов, поэтому в таких установках используются ресиверы малого размера или не устанавливаются вовсе.
Не исключена при определенных обстоятельствах и эксплуатация холодильных установок с теплообменниками воздушного охлаждения также без ресивера. Такие установки должны быть оснащены конденсатором с резервной производительностью, т.е. иметь дополнительный объем, или на протяжении всего срока эксплуатации работать практически в стабильном режиме. Наряду с этим, требуется точное заполнение системы. Малые холодильные установки с такой конструкцией встречаются крайне редко, а аналогичные установки большой производительности с воздушным охлаждением практически неосуществимы. Объёмное расширение, например, жидкого хладагента R22 в температурных пределах от -18 oC и до +50 oC (температура конденсации) составляет 25%.
Если установка оснащена пластинчатым конденсатором,
который по отношению к своей производительности имеет малый внутренний
объем, необходимо (ввиду изменения объема хладагента в пределах
минимальной и максимальной рабочей температуры) предусмотреть
некий буферный объем в виде расширения (увеличения диаметра) трубопровода
после конденсатора. Следует замерить минимальную и максимальную
рабочую температуру и вычислить, не учитывая газонаполненные секции
с соответствующими плотностями и коэффициентами , разницу объемов:
 |
[дм3] | (3) |
Для учета допусков заполнения объема компенсационного ресивера берется двойное значение от рассчитанной разницы объемов:
 |
[дм3] | (4) | ||||||
| Узел | |
| Ресивер | 0,1 |
| Ресивер с резервом допустимых изменений количества хладагента | 0,25 |
Ресивер с остаточным заполнением, не предназначенный для приема всего объема хладагента
Допустим, что подлежащий применению ресивер, подобно компенсационному ресиверу, компенсирующему только разницу объемов во время работы установки, также обязан дополнительно вмещать 10%-ный объем остаточного заполнения, как в случае, рассмотренном выше, но не предназначен для приема всего объема хладагента. При каком-то режиме эксплуатации он должен быть заполнен хладагентом на 100%, и поэтому, не может быть перекрыт со стороны впуска по отношению к холодильной установке. Требуемый объем такого ресивера вычисляется по формуле:
 |
[дм3 | (5) |
где
 |
= | наибольшее расчетное количество хладагента | [кг] |
 |
= | наименьшее расчетное количество хладагента | [кг] |
 |
= | плотность жидкого хладагента при расчетной температуре | [кг/м3] |
Выбираем наиболее близкий по объему ресивер, из
всех имеющихся в наличии, объем которого будет равен 
.
Количество хладагента с учетом такого ресивера вычисляется, см. формулу (2), следующим образом:
 |
[кг] | (6) |
 |
= | плотность жидкого хладагента при температуре +20 oC | [кг/м3] |
 |
= | плотность парообразного хладагента при температуре +20 oC | [кг/м3] |
|
= | объем ресивера |
Ресивер с остаточным заполнением, предназначенный для приема всего объема хладагента
На практике большинство установленных ресиверов в состоянии вмещать весь объем хладагента системы и могут быть перекрыты с впускной и выпускной стороны. Также им необходимо удерживать как 10-15%-ный объем остаточного заполнения, так и парообразную прослойку до 10% собственного объема при температуре +20 oC, в случае заполнения общим количеством хладагента, циркулирующего в системе.
Оно равно:
 |
(7) |
 |
= | плотность жидкого хладагента при наименьшей температуре окружающей среды | [кг/м3] |
 |
= | плотность парообразного хладагента при наименьшей температуре окружающей среды | [кг/м3] |
| M | = | текущее значение количества хладагента | [кг] |
Вследствие требования вмещения газообразной прослойки объемом 10% собственного объема ресивера справедливо следующее тождество:
 |
(8) |
Значение M из формулы (7) вводим в формулу (8) и, перенеся неизвестное в левую сторону равенства, получаем:
 |
[дм3] | (9) |
После этого, мы также должны подбирать близкий по объему ресивер из имеющихся в каталоге Bitzer DP-300, а затем окончательное количество хладагента рассчитать по формуле (6).
Ресивер, вследствие применения хладагентов первой группы (R22, R407C), подлежит испытанию согласно положениям инструкции по испытаниям баллонов высокого давления, если значение произведения рабочего избыточного давления [бар] и полезного внутреннего объема ресивера [дм3] превышает 200 бар*дм3.
При применении хладагентов второй группы (например, NH3), или третьей группы (например, R290 пропана), ресиверы также подлежат испытаниям, но даже, если значение произведения рабочего избыточного давления [бар] и внутреннего объем ресивера [дм3] не превышает 200 бар*дм3.
Если ресивер перекрывается с обеих сторон, как показано на схеме 1, то требуется установка дополнительного предохранительного перепускного устройства, предотвращающего превышение допустимых значений избыточного рабочего давления жидкости. В случае расчета ресивера в соответствии с формулой (9), величина избыточного рабочего давления не может превысить допустимую величину. Однако следует обеспечить заполнение установки хладагентом не выше положенной нормы.
Схема 2. Схема холодильного контура с конденсатором водяного охлаждения
Пример 1
Холодильная установка с теплообменниками воздушного охлаждения
(схема холодильного контура 1)
Регулирование давления в конденсаторе с помощью регулятора давления
Регулирование производительности компрессора с помощью дросселя на всасывании
Ресивер, вмещающий общий объем хладагента
Хладагент R22
Холодопроизводительность 25 КВт
Температура конденсации +45 oС, переохлаждение 2 К
Температура испарения +6 oС, перегрев 10 К
Объем конденсатора, включая трубопроводы коллектора
0,019 м3 = 0,6
Объем испарителя, исключая трубопроводы коллектора
0,0104 м3 = 0,3
Объем жидкостного трубопровода 
18х1 0,00633 м3
Объем напорного трубопровода 22х1 0,00943 м3
Объем всасывающего трубопровода 28х1 0,00160 м3
Без учета компрессора
Минимальная температура окружающей среды при простое оборудования -18 oС
Коэффициент заполнения ресивера, минимальный = 0,15
Сначала, рассчитаем количество хладагента без ресивера. Для этого понадобятся значения плотности, приведенные в Таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Температура | Плотность  |
Примечание | |
|---|---|---|---|
| Жидкость | Пар | ||
| oС | кг/м3 | кг/м3 | |
| 94 | 54,9 | Нагнетание | |
| 45 | 1108 | 75,07 | Конденсатор |
| 43 | 1117 | 71,27 | Жидкостная линия |
| 20 | 1214 | 38,4 | Установка в состоянии покоя |
| 16 | 34,28 | Всасывание | |
| 6 | 1265 | 25,52 | Испарение |
| -18 | 1344 | 11,57 | Мин. to окрсреды |
Количество хладагента в рабочем состоянии по формуле (2), суммируется в соответствии с Таблицей 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Обозначение | V |  |
 |
 |
 |
 |
 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Ед. измерения | м3 | - | кг/м3 | кг/м3 | кг/м3 | кг/м3 | кг |
| Конденсатор | 0,019 | 0,6 | 1108 | 664,8 | 75,07 | 30,03 | 13,2 |
| Испаритель | 0,0104 | 0,3 | 1265 | 379,5 | 25,52 | 17,86 | 4,13 |
| Жидкостный трубопровод | 0,00633 | 1 | 1117 | 1117 | 0 | 7,07 | |
| Нагнетательный трубопровод | 0,00943 | 0 | 54,9 | 54,9 | 0,52 | ||
| Всасывающий трубопровод | 0,0016 | 0 | 34,28 | 34,28 | 0,055 | ||
| Всего: | 24,98 | ||||||
Количество хладагента в состоянии покоя, при температуре -18°С, определяется в соответствии с Таблицей 3.
| Таблица 3 | |||||||
| Обозначение | V | |
|
|
|
|
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Ед. измерения | м3 | - | кг/м3 | кг/м3 | кг/м3 | кг/м3 | кг |
| Конденсатор | 0,019 | 1 | 1344 | 1344 | 0 | 25,54 | |
| Испаритель | 0,0104 | 0 | 0 | 38,4 | 38,4 | 0,40 | |
| Жидкостный трубопровод | 0,00633 | 1 | 1344 | 1344 | 0 | 8,51 | |
| Нагнетательный трубопровод до регулятора давления | 0,00721 | 0 | 0 | 11,57 | 11,57 | 0,08 | |
| Нагнетательный трубопровод от регулятора давления до конденсатора | 0,00222 | 1 | 1344 | 1344 | 0 | 2,98 | |
| Всасывающий трубопровод | 0,0016 | 0 | 38,4 | 38,4 | 0,06 | ||
| Всего: | 37,57 | ||||||
Текущее рассчитанное количество равно 37,6 кг.
Необходимый объем ресивера в соответствии с формулой (9), составит:
 |
= | 42,7 дм3 |
Ближайшие по объему ресиверы "Битцер", из имеющихся в каталоге DP-300-6:
- горизонтальный F552T, имеет объем 54 дм3,
- вертикальный FS562, имеет объем 56 дм3.
Таким образом, в соответствии с формулой (6), окончательное количество хладагента в холодильной установке с горизонтальным ресивером F552T будет равняться:
 |
= | 49,2 кг |
Пример 2
Холодильная установка с теплообменниками водяного охлаждения
(схема холодильного цикла 2)
Пластинчатый конденсатор с регулятором расхода охлаждающей жидкости
Компенсационный ресивер
Хладагент R134a
Холодильная мощность 18 КВт
Расчетная температура конденсации +48 oС, переохлаждение 2 К
Температура испарения +8 oС, перегрев 10 К
| Объемы | ||
| Конденсатор | 1,2 дм3 | = 0,3 |
| Испаритель | 9,0 дм3 | = 0,3 |
| Жидкостный трубопровод | 0,09423 дм3 | = 1 |
Расчет по формулам (3) и (4), без учета заполненных паром секций установки в соответствии со значениями, приведенными в таблице 4.
| Таблица 4 | ||||||||
| Обозначение | Объем | температура | плотность |  |
|
числитель из (3) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| макс. | мин. | макс. | мин. | |
||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| Ед. измерения | дм3 | oС | oС | кг/м3 | кг/м3 | кг/м3 | - | дм3* кг/м3 |
| Конденсатор | 1,2 | 62 | 32 | 1041,8 | 1178,8 | 137 | 0,3 | 49,32 |
| Испаритель | 9,0 | 11 | 3 | 1256,3 | 1283,4 | 27,1 | 0,3 | 73,17 |
| Жидкостный трубопровод | 0,09423 | 62 | 32 | 1041,8 | 1178,8 | 137 | 1 | 12,91 |
| Всего: | 46 | 1120,0 | 135,40 | |||||
Таким образом, в соответствии с формулой (3), объем 
равен:
 |
дм3, |
а объем компенсационный ресивера по формуле (4), равен:
 |
дм3. |
Следовательно, необходимо использовать компенсационный ресивер с внутренним объемом равным 0,24 дм3.
В качестве компенсационного ресивера в данном случае
можно использовать, например, отрезок медной трубы 35х1,5х300, или отрезок медной трубы 54х2х120, интегрированный в жидкостной трубопровод установки.
Выводы
Расчет объема ресивера дает возможность определить верного количества хладагента, при этом окончательное количество можно вычислить только после установления внутреннего объема используемого ресивера.
В компактных холодильных установках с теплообменниками воздушного или водяного охлаждения с собранным в едином корпусе испарителем с расширительным клапаном, компрессором и конденсатором, для поглощения расширяющегося хладагента достаточно использования малого компенсационного ресивера.
Для установок с внешним конденсатором (в основном, с воздушным охлаждением), следует обязательно обращать внимание на возможную миграцию хладагента во время выключения компрессора, в расположенные за пределами корпуса установки участки холодильного контура. Если в результате расчетов необходимое количество хладагента при простое окажется больше требуемого в рабочем режиме, следует установить ресивер, для вмещения избытка хладагента.
Ресивер установки, оснащённой регуляторами давления в конденсаторе, должен обязательно оставаться заполненным минимально-необходимым количеством хладагента в случае его ухода во время простоя.
Если ресивер блокируется со сторон входа и выхода хладагента, то необходимо обеспечивать сброс избыточного давления жидкости. Либо, следует установить предохранительное устройство, предотвращающее превышение допустимых значений избыточного рабочего давления, например, автономный клапан, перепускающий хладагент с избыточным давлением на сторону всасывания.