Минимизация заправки холодильного агента

Минимизация заправки холодильного оборудования хладагентом является очень важной целью развития холодильных технологий. Она позволяет снизить прямую эмиссию холодильных газов за время эксплуатации установки и всех звеньев холодильной цепи. Кроме того, сниэение холодильного агента означает и снижение стоимости установки и связанных с ней рисков в случае хладагентов с вредными свойствами, такими, как воспламеняемость или токсичность.

Тем не менее минимизация заправки не может быть достигнута за счет эффективности установки, так как это означало бы более высокое потребление электроэнергии и, следовательно, более высокую косвенную эмиссию СО₂. Следовательно, необходима общая оптимизация проектирования и запрвки оборудования для достижения минимального эквивалентного выброса СО₂.

С другой стороны, правила предполагают максимальную величину зарядки в зависимости от хладагента и применения. Большинство HFC-хладагентов считаются "зелеными" глазами благодаря высокому значению GWP (потенциал глобального потепления), в то время как природные хладагенты, такие как углеводороды или аммиак, должны удовлетворять максимуму норм зарядки и строгим ограничениям при проектировании. Поэтому минимизация норм зарядки становится одним из важнейших требований для будующего холодильного оборудования.

Зарадка холодильного агента и его распределение

Минимальная зарядка в холодильной системе есть минимальная зарядка, требуемая для стабильной работы установки во всем диапазоне возможных условий эксплуатации. Очевидно, что она зависит от проектирования установки, а также ее условий работы. Следовательно, минимальная зарядка холодильного агента для данной установки есть та, которая нужна для стабильной работы при условиях эскплуатации, требующих полной зарядки хладагентами во всех ее частях. Тогда минимальная заправка будет определна как обеспечивающая стабильную работу в условиях, в которых минимальная заправка, обеспечиваемая колонкой потока жидкости, восходящей к устройству для ее адиабатического расширения, достаточная для исключения любых пузырей, которые могут проникнуть в него.

Типичным показателем качества для сравнения является удельная зарядка, т.е. отношение между зарядкой (обычно выражаемой в граммах) и холодильной мощностью (обычно выражаемой в кВт). Значение удельной зарядки, прежде всего, зависит от применения, которое накладывает определнные требования к дзайну цепи холодильного агента и теплообменникам, но также сильно зависит от самого используемого агента, так как плотность есть характерное свойство молекулы. Хладагенты с более низкой плотностью, такие как углеводороды, дают в результате более низкие покахатели качества. Значения удельной зарядки для холодильных систем, использующих HCFC_s и HFC_s находятся между 200 и 800 г/кВт для малых холодильных систем и около 2000 г/кВт для более крупных систем.

До сих пор цели исследования по минимизации заправки оборудования концентрировались, главным образом, на природных жидкостях и попытках минимизировать характерный риск, связанный с потенциальной возможностью внезапного высбождения хладагента. Достигнутые минимальные значения лежат вокруг 30 г/кВт для аммиака, что доказывает, что существенное снижение заправки хладагента возможно, если минимазация заправки халадгента вялется частью дизайна оборудования. Если принять во внимание, что плотность HFC_s примерно вдвое больше, чем для пропана, то это означает, что проектирование с удельной заправкой около 60 г/кВт вполне достижимо для этих синтетических хладагентов.

При работе зарядка хладагента в установке распределяется по всем ее различным частям, так что распределние зависит от плотности агента при специфических термодинамических условиях частей установки и их внутреннего объема. Средняя плотность хладагента внутри части установки логически зависит от ее роли в холодильном цикле и от действительных условий эксплуатации. Следовательно, распределние заправки среди различных частей установки изменяется в соответствии с условиями ее работы. Эти изменения умерены и окончательно распределение заправки зависит, главным образом, от дизайна установки. От одной ее части к другой могут наблюдатся и общие тенденции.

При нормальной работе любой основной холодильной установки хладагент находится в парообразном виде между выходом испарителя и входом конденсатора. Заправка хладагента, содержащаяся в этих частях, мала, за исключением смазачного масла в отстойнике компрессора, которое обычно содержит замтное количество хладагента в растворенном виде. Количество хладагента, растворенное в масле отстойника, является лишь небольшой долей общей заправки (10-15%) в обычных установках, но эта доля может стать значительной (30-40%) в установках с минимальной заправкой.

Испарители работающие по типу сухого расширения, содержат малое количество хладагента. Обычно доля заправки в испарителе должна быть около 20%. Испарители, работающие по типу мокрого испарения (затопляемые испарители) содержат гораздо более высокие заправки.

Конденсатор содержит (за исключением ввода, где происходит остановка перегрева) большое количество хладагента в форме двух фаз и в субохлажденном виде. Принимая во внимание, что большая часть заправки хладагента находится в области, где агент находится в жидкой фазе, значение зарядки в конденсаторе зависит от условий субохлаждения: чем сильнее субохлаждение, тем больше зарядка. Обычное значение доли зарядки в конденсаторе должно быть от 30% до 60% в зависимости от других частей холодильной установки.

Зарядка в холодильных линиях почти маргинальна (пренебрежительна) с возможным ислючением жидкостной линии, которая в холодильных системах или А/С в щелевых установках может быть очень протяженной и может. следовательно, содержать значительную часть общей заправки.

Кроме основных частей, холодильная установка может включать другие части. которые могут также содержать заметную часть заправки. Это касается случая установок с жидким приемиком, обычно используемых для компенсации больших изменений требуемой зарядки хладагента между различными рабочими модами или больших изменений рабочих условий.

Использование жидкостного приемника всегда означает значительную зарядку хладагента, так как она должна обеспечить, по крайней мере, минимальный уровень жидкости для того, чтобы гарантировать достаточное погружение и полный вход жидкости в жидкостную линию даже в условиях максимальной нагрузки системы. В принципе, чем меньше диаметр (более узкий жидкостной приемник), тем ниже и требуемая избыточная заправка.

Оптимальная заправка

Что происходит при заправке системы хладагентом выше требуемого минимума? Ответ ясен, массу хладагента следует искать в местах остановки, и перераспределение хладагента будет происходить во всех различных частях системы. Очевидно, ачсти с наибольшей способностью накапливать хладагент есть те, которые содержат жидкий хладагент и имеют большой внутренний объем.

Первый из них, обладающий этим свойством, это жидкостной приемник, если он имеется в цепи. Эта часть способна накапливать хладагент в жидкой фазе, пока не наполнится. Следовательно, в установках с жидкостным приемником вся избыточная заправка удобно располагается в этой части системы и это предотвращает любое существенное изменение во время работы установки. Жидкостной приемник действует, как регулировочное устройство в холодильном цикле, накапливая всю избыточную зарядку и регулируя субохлаждение на низком уровне (обычно около 1-2 К). Концепция "оптимальной заправки" не применима для эти систем.

Установки без жидкостного приемника ведут себя по-разному при добавлении избытка зарядки. В принципе, большая часть избыточной зарядки собирается в жидкой фазе на конце конденсатора. Это обеспечивает возможность создания субохлаждения, которое выгодно для коэффициента полезного действия (COP). Однако увеличение площади, покрытой жидкостью, уменьшает площадь, имеющуюся для конденсации хладагента.

Это требует увеличения разности температур, что предполагает увеличение температуры конденсации и давления и приводит в итоге к снижению СОР. Существование этих двух противоположно направленных эффектов по влиянию на СОР (увеличенное субохлаждение и давление конденсации) приводит к наличию т.н. "оптимальной заправоки", максимизирующей СОР. Оптимально субохлаждение, главным образом, щависит от изменения температуры вторичного потока через конденсор, структуры потока и дизайна конденсораю Типичные значения оптимальной зарядки соответствует уровням субохлаждения, расположенным между 5 и 10 К.

Малые системы без контроля перегрева, такие как домашние холодильники и морозильники, обычно обнаруживают сильную связь между зарядкой и производительностью. Заправка хладагента в этих установках одновременно влияет на субохлаждение и перегрев, и это влияние сильно зависит от устройства капиллярной трубки. Следовательно, оптимизация заправки для этой системы, должна быть предпринята в связке с оптимизацией капиллярной трубки и общая оптимизация поэтому становится довольно сложной процедурой.

Устройсто систем с пониженной зарядкой

Первым требованием для систем с пониженной заправкой является плотная стыковка часей установки для обеспечения возможной утечки близкой к нулевой. Системы с пониженной зарядкой должны содержать как раз минимальную зарядку и, следовательно, любая заметная скорость утечки приведет к быстрому ухудшению производительности, включая СОР и затем к росту потребления энергии, косвенной эмиссии, усилий по поддержанию системы и стоимости.

Вплоть до самого последнего времени проблема минимальной зарядки хладагента и его распределения не привлекала интереса научного сообщества. К счастью, в последние годы большое число научных исследований были нацелены на эту важную проблему и, была получена очень интересая информация по ней.

Основной линией проектирования снижения зарядки является минимизация внутреннего объема частей установки. Более того, принимая во внимание, что наивысшая плотность хладагента соответствует условиям жидкого состояния, становится также ясно, что наибольший потенциал снижения зарядки достигается благодаря минимизации внутреннего объема конденсаторного края (где хладагент находится в жидком состоянии), жидкостной линии и минимума уровня жидкости в жидкостном приемнике, необходимого для эффективного наполнения и герметизации жидкости.

Количество заправки и ее распределение в системе, следовательно, зависит прежде всего от ее размера и, во-вторых, от типа использованного теплообменника (чем больше компактный теплообменник от края конденсора, тем ниже внутренний объем V_i). Скорость циркуляции также играет роль в определении содержащейся массы.

Первый принцип минимизации зарядки - это течение хладагента через малый гидравлический диаметр. В самом деле, соотношение между внутренним объемом V_i для N параллельных каналов хладагента и соответствующей площадью поверхности теплообменника является функцией гидравлического диаметра каждого отдельного канала. Следовательно, минимазиция объема прямо связана с использованием трубок или каналов с малым гидравлическим диаметром. Это предполагает использование трубок с малым диаметром, новой миниканальной технологии или параллельно-пластинчатых каналов, таких, как те, что используются в паяных пластинчатых теплообменниках.

Малые гидравлические диаметры имеют тенденцию к образованию высоких перепадов давления вдоль канала, так что они должны компенсироваться снижением скорости циркуляции хладагента, которое на практике достигается увеличением числа цепочек хладагента или числа параллельных каналов.

Конденсатор/испаритель

В случае конденсора с хладагентом в сочетании с водной циркуляцией или испарителя, стремление к минимизации зарядки хладагента, очевидно, является тенденцией к использованию паяных пластинчатых теплообменников. если же используется конструкция "оболочка - трубка", к осуществлению циркуляции воды в оболочке и циркуляции хладагента внутри трубок малого диаметра с одновременными усилиями по снижению объема распределителя и секций коллектора для удержания заправки хладагента, у них на минимуме. Что касается систем с высоким давлением, производители всегда разрабатывают решение на основе кругло-пластинчатой конструкции, которая дает возможность сохранить цилиндрическую оболочку. Специальные проекты, использующие многополюсные алюминиевые трубки с множественным поперечным течением воды, приводят к очень низким значениям удельной заправки порядка 20-30 г/кВт для пропана и амиака.

В случае воздушных испарителей и, особенно, конденсоров минимазация заправки требует использования трубок малого диаметра или многополюсных алюминиевых трубок. В самом деле, имеется непрерырвная тенденция уменьшения диаметра трубок в последние годы, например, в системах кондиционирования воздуха с эволюцией от 12 мм до, к примеру, 9 мм, а то и до 7 мм. А некторые производители уже развивают решения с диаметром трубок 5 мм. Использование миниканалов и многополюсных экструзионных плоских трубок обладает высоким потенциалом минимизации заправки и дополнительно представляет хороший компромис между воздушным краем теплопереноса и перепадом давления. Технология миниканальных теплообменников также предоставляет легкую адаптацию многочисленных параллельных каналов в каждом проходе к требуемой площади теплопереноса и плотности хладагента, что немедленно сказывается на снижении заправки хладагента. Однако то, что выигрывается благодаря этой технологии на уровне каналов, может быть потеряно на уровне коллектора и головной части распределителя. Головные части с двухфазным течением могут быть причиной неправильного распределения и накопления жидкого хладагента. В любом случае даже, если рассматривается вопрос о головной части, доказано, что на практике использование многоканальных испарителей или конденсоров позволяет существенно снизить заправку хладагента в теплообменниках, так что эта технология обладает высоким потенциалом минимизации заправки хладагента.

Испарители с жидкостным слоем требуют приемника с низким давлением и содержат более высокую заправку хладагента, так что для минимазции заправки сухое испарение обычно предпочтительней.Во всяком случае, испарители с жидкостным слоем обладают более высокой эффективностью, что может компенсировать увеличение прямой эмиссии благодаря более высокой заправке хладагента, так что детальное исследование в рамках TEWI дает возможность узнать, какие меры позволяют добиться самой низкой общей эмиссии.

Компрессор

Как было прокомментировано выше, зарядка хладагента, содержащаяся в компрессоре, не является пренебрежимо малой и может стать существенной долей, если испаритель и конденсатор использует минимальную зарядку. Большинство хладагентов в компрессоре, как обнаружено, находятся в растворенной форме в смазачном масле в поддоне оболочки компрессора, так что это количество зависит, во-первых, от растворимости хладагента в масле, во-вторых, от количества смазки в поддоне и в третьих, от рабочего давления и от температуры смазачного масла. Некоторая степень растворимости хладагента в смазачном масле, конечно, требуется для достижения эффективного возвращения масла, покидающего компрессор. Однако рекомендуется, чтобы этот уровень растворимости  был минимально требуемым для снижения количества хладагента, растворенного в масле. По этой же причине количество масло должно быть строго минимально требуемым для работы установки.

Жидкостная линия

Что касается других частей установки, наиболее важным для минимизации заправки являются жидкостная линия и жидкостной приемник. Жидкостная линия в установках с фабричным уплотнением сравнительно мала, так что ее вклад в общую заправку также невелик. Однако в холодильных системах или щелевых А/С-установках она может быть очень длинной и поэтому содержат значительную долю общей зарядки. Зарядка хладагента в жидкостных линиях легко может быть минимизирована выбором подходящего малого диаметра трубки. Перепад давления вдоль жидкостной линии обычно очень низкий, если скорость жидкости очень низкие по сравнению со скоростью хладагента в парофазных линиях. Однако жаде малое падение давления в насыщенной жидкости может вызвать образование пузырей, которые наверняка вызывают нестабильности течения и сильное повышение перепада давления. Следовательно, диаметр жидкостной линии должен быть тщательно подобран в зависимости от имеющегося гидростатического напора и уровня насыщения, даваемого гидростатическим напором жидкости, и субохлаждения. Если субохлаждение велико, перепад давления в жидкостной линии может быть относительно высоким без всякого риска вскипания. В этом случае перепад давления в жидкостной линии не приносит никакого ущерба работе установки.

Жидкостной приемник

Жидкостной приемник (LR) значительно увеличивает зарядку хладагента в установке. Следовательно, минимизация зарядки, прежде всего, требует критического обзора необходимости таких элементов и , если нужно, последующей оптимизации проектирования для минимизации количества хладагента, необходимого для хорошей работы установки.

LR с высоким давлением является приемником, который расположен на выходе конденсора и его роль может заключаться в:

а) перераспределении изменений массы хладагента из-за изменений условий работы, регулирования мощности компрессора или рода работы;

б) удержании части заправки в резерве для компенсации небольших утечек;

в) для хранения общей заправки хладагента системы во время сервисных работ или ремонта.

Если целью LR является перераспределение изменений массы хладагента, должна быть выполнена тщательная оценка его размеров для того, чтобы требовать для него минимально возможную зардку хладагента. С точки зрения проектирования, высокий коэффициент формы, является наилучшим выбором для LR, так как он обеспечивает минимальный уровень, требуемый для заполнения паром при самом низком количестве хладагента. Если целью LR является удержание части заправки в резерве для компенсации небольших утечек, небольшие и компактные А/С установки или тепловые насосы могут быть в достаточной мере герметизированы, чтобы не требовать LR и в каждом случае не требуется использовать что-либо еще. В больших системах или в системах, которые управляются на месте, обычно делается оценка скорости годовой утечки и устанавливается LR с достаточной мощностью для установления разумного времени пролета между периодами перезаправки. Однако минимизация заправки хладагента требует критического обзора этой общей методологии.Если целью LR является хранение общей заправки хладагента системы во время сервисных работ или ремонта, начиная с настоящего времени, техники имеют эффективное оборудование для восстановления хладагента, эта практика должна быть исключена.

Большое время уделяется LR в отношении автомобильных воздушных кондиционеров, для которых потребность в компактности, высокой эффективности и как можно более длинных периодов между перезаправками вынуждает конструкторов непрерывно обновлять и улучшать дизайн LR и изучать возможности оптимальной заправки. Объединенная система: конденсатор + жидкостной приемник + субохладитель, которая обычно используется в мобильных А/С системах является очень эффективным решением с точки зрения работы установки, также, как и с точки зрения минимизациизаправки хладагента.

Имеется вторая категория LR, называемая LR низкого давления, которые действуют как паро-жидкостные сепараторы в системах с испарителем с рабочей жидкостной фазой. Эти LR низкого давления также ответственны за важные зарядки хладагента и для них также имеется тенденция попыток оптимизации их размеров и дизайна для их минимазации.

Окончательно, следует указать, что большие холодильные системы являются гораздо более сложными и, следовательно, только детальный общий анализ эмиссии СО₂ является способом установления подходящих мер по снижению заправки хладагента. В любом случае некторые тенденции проявили свою экстренную очевидность в нынешней практике, такой, как супермаркеты с непрямыми системами, использующими хладагент с низким GWP - распределением, дающим существенное снижение выбросов по сравнению с существующими прямыми системами.

Рекомендации Международного института холода

Минимизация зарядки хладагента снижает риск значительных утечек и поэтому выгодно как для снижения выброса парниковых газов, так и для безопасности.

Минимизация зарядки не может быть достигнута только за счет повышения эффективности установки, так как это привелобы к более высоким непрямым выбросам СО₂ и, следовательно, необходима общая оптимизация проектирования всего оборудования и заправки.

Первое требование для систем с пониженной заправкой состоит в надежной герметизации, так что утечки приближаются к нулю.

Главной направляющей линией при понижении зарядки является минимизация внутреннего объема частей системы, содержащих жидкий хладогент, таких как конденстор,жидкотсная линия и жидкостной приемник.

Минимизация заправки в испарителях и, особенно, конденсаторах требует использования малых гидравлических диаметров, т.е. малых диаметров трубок, новых технологий мини-каналов или параллельных пластин.

Производители холодильного оборудования должны работать вместе с производителями компрессоров для минимизации зарядки масла, требуемого для хорошей и безопасной смазки для сбережения масла и снижения зарядки хладагента, содержащегося в масле.

Использования жидкостного приемника следует избегать, если его единственной целью является удержание части зарядки в резерве для компенсации небольших утечек или для хранения общей зарядки хладагента системы во время сервисных работ или ремонта, так как это значительно увеличивает общую зарядку системы. Есл иэто требуется, LR должны иметь тщательно подобранные размеры для того, чтобы требовалась минимально возможная зарядка хладагента.