Logo holodilshchik
интернет-выпуск № 11(35), ноябрь, 2007 г.
ПЕРВАЯ В РОССИИ ИНТЕРНЕТ-ГАЗЕТА ПО ХОЛОДИЛЬНОЙ И БЛИЗКОЙ ЕЙ ТЕМАТИКЕ

Охладители жидкостей для технологических целей
Грамотно преподнести себя через рекламу - тоже искусство!
ЛУЧШАЯ СТАТЬЯ ВЫПУСКА 11(35)!
Клас СТЕНХЕД
ТЕПЛООБМЕННИКИ В КАСКАДНЫХ СИСТЕМАХ C ДИОКСИДОМ УГЛЕРОДА


В статье приводится сравнение диоксида углерода и некоторых хладагентов, которые могут использоваться на низкотемпературной ступени каскадной системы, применяемых, например, в супермаркетах, на холодильных складах или предприятиях пищевой промышленности.



2.3. Размеры компонентов.

На рис. 6 показаны размеры труб для систем, изображенных на рис. 5. Результат однозначен: диоксид углерода требует самые малые размеры трубы. Единственный хладагент, требующий меньшие размеры трубы - аммиак, для которого нужен немного меньший диаметр конденсатной трубы: 11 мм вместо 13 мм для диоксида углерода. Это неудивительно ввиду очень высокой удельной теплоемкости жидкого аммиака.

На рис. 7 указаны коэффициенты теплопередачи относительно R507A для условий рисунка 5. Диаметр конденсатной трубы, указанный на рис. 6, диаметр трубы испарителя равен средней геометрической величине входной и выходной труб испарителя.



Диаметры трубы для мощности 100 кВт Коэффициенты теплопередачи конденсатора и испарителя для R507A
Рис. 6. Диаметры трубы для мощности 100 кВт
/Диаметр, который дает перепад давления, соответствующий 0.5 K для длины трубы 5 м/
Рис. 7. Коэффициенты теплопередачи конденсатора и испарителя для R507A
/Показаны коэффициенты теплоотдачи
для труб на рис. 6/

Оценке поддаются коэффициент теплопередачи хладагента и изменения общего коэффициента теплопередачи. Холодильный агрегат для охлаждения воздуха при низкой температуре имеет общий коэффициент теплопередачи, почти полностью определяемый воздухом, в то время как для маловязкого хладоносителя для общего коэффициента теплопередачи существенны обе стороны. Кроме того, чрезвычайно важны возможный перепад давления и тип теплообменника.

Необходимо отметить, что результаты даются для труб, оптимизированных для каждого хладагента. К сожалению, каналы теплообменника не оптимизированы для каждого их них, они должны соответствовать широкому спектру хладагентов.

Таким образом, стоимость хладагентов высокого давления CO2, R23, R41, R508A, и в меньшей степени R116 и R410A, ниже, чем у остальных. Однако фактически они не настолько хороши, так как для данных хладагентов пока не создан оптимизированный теплообменник, но это определяет направление будущих разработок.

Сравнение проведено между пропиленгликолем, хлористым кальцием, гидроксилом аммония и диоксидом углерода при условиях, показанных в диаграмме.

2.4. Диоксид углерода в сравнении с хладоносителем.

На рис. 8 показаны две системы для перемещения тепла от удаленного пункта, например, холодильных агрегатов на холодильном складе, катка, витрины в супермаркете и т.д.

Сравнение диоксида углерода и некоторых видов хладоносителей. Увеличить...

Рис. 8. Сравнение диоксида углерода и некоторых видов хладоносителей

Первая - традиционная система с хладоносителем. Тип используемых хладоносителей значительно зависит от места применения, например, хлористый кальций - для катка, пропиленгликоль в супермаркетах, аммиачная вода для химических заводов.

Вторая - изобарная система хладагента, по существу теплопровод. Жидкий хладагент от приемника перекачивается пользователю, испаряется, обычно до 25-80%, в зависимости от типа используемых теплообменников. Двухфазная смесь возвращается в приемник жидкости, пар повторно конденсируется, и конденсат идет обратно в приемник.

На рис. 9 сравниваются размеры труб для хладоносителей и для диоксида углерода. Диоксид углерода - единственный хладагент, используемый при сравнении. И по стоимости, и по гидравлическим свойствам он превосходит все другие хладагенты (см. 2.8.)

Преимущества диоксида углерода можно сформулировать следующим образом:

  • Размер трубы значительно меньше, чем для хладоносителя.

- стоимость значительно ниже, до некоторых процентов по отношению к хладоносителю (см. рис. 9).

  • Низкая инерционность. При необходимости изменения температуры в системе с хладоносителем происходит заметная задержка, хладоноситель должен быть перекачан от охладителя до пользователя.

Изменение давления/температуры для двухфазной системы происходит фактически мгновенно. Это важно, например, при замораживании катков. Каток занимает большую площадь - требуется длинный трубопровод, и температура поверхности должна быть по возможности равномерной. Поскольку температура и влажность могут измениться быстро, система охлаждения должна оперативно реагировать на эти изменения.

Изменение температуры испарения происходит одновременно для всего катка.

  • Обладая высокой вязкостью, хладоноситель фактически не охлаждается в испарителе (см. следующую главу). С диоксидом углерода управлять системой гораздо легче.

  • CO2 конденсируется и испаряется при одной температуре. Общая разность температур между испаряющимся хладагентом МТ и охлаждаемым продуктом в случае CO2 меньше, чем для хладоносителя, то есть продукт может быть охлажден до более низкой температуры, или температура хладагента МТ может быть повышена с сохранением стоимости.

2.5. Неравномерное распределение хладоносителя в испарителе.

Размеры трубы для циркуляции испаряющегося диоксида углерода по сравнению с различными видами хладоносителей, показаны на рис. 9.



Диаметры труб для хладоносителей на рисунке 8

Рис. 9. Диаметры труб для хладоносителей на рисунке 8

    Эталонные условия:
  • Хлористый кальций - 18 %.
  • Средняя температура - (-10) °С.
  • t хладоносителя - 5 К.
  • Мощность - 500 кВт.
  • Диаметр трубы - 0,1 м.

При данных условиях чистая мощность закачки в каждом канале равна 0, 573 кВт.
Диаметры для других видов хладоносителей рассчитываются для получения такой же мощности закачки.


/На рисунке видно, что размер труб для СО2 гораздо меньше размера труб для хладоносителей. Это особенно касается пропиленгликоля, который практически бесполезен при очень низких температурах. Отметьте, что трубы для диоксида углерода при -40 °С меньше, чем при -10 °С. Это происходит потому, что потенциальная теплота повышаются при низкой температуре. Самая высокая вязкость при низкой температуре имеет меньшее влияние при очень высоком числе Рейнольдса в трубе для СО2. Диаметр и высота арматуры пропорциональны диаметрам труб. Объем трубы примерно пропорционален мощности закачки для подобного диаметра/


Как видим, трубы для диоксида углерода значительно меньше, чем для хладоносителя. Это не единственное преимущество применения диоксида углерода.

Хладоноситель охлаждается в испарителе, в то время как диоксид углерода конденсируется в каскадном конденсаторе/испарителе. Охлаждение хладоносителя высокой вязкости, например пропиленгликоля, крайне затруднено. Фактически любой тип теплообменника неравномерно распределяет хладоноситель высокой вязкости между параллельными каналами.

Обычно охлаждение хладоносителя высокой вязкости - метастабильный процесс (см. рис. 10). Нагревание жидкости, конденсируемой из пара - автостабилизационый процесс, так как жидкость или газ имеют тенденцию равномерно распределяться между параллельными каналами.
1 2
1. Охлажденная жидкость равномерно распределена по каналам. Вязкость внезапно увеличивается в одном канале по любой причине, например, корпус более высокой вязкости. 2. ΔP увеличивается и скорость уменьшается.
Более медленная жидкость лучше охлаждается, вязкость увеличивается.
Скорость далее снижается.

3 4
3. Низкая скорость означает:
=> Лучше охлаждение.
=> Увеличенная вязкость.
=> Увеличенный ΔP.
=> Увеличенная скорость.
И т.д., и т.д., и весь канал заблокирован.
4. Другой канал получает большое
количество высоковязкой жидкости,
процесс повторяется.
Результат - значительная
неравномерность в
распределении (с обеих сторон).

Рис. 10. Неравномерное распределение вязкой жидкости между параллельными каналами.

Таким образом, при низких температурах использование диоксида углерода в качестве вторичного хладагента вместо хладоносителей высокой вязкости, означает не только меньший размер компонентов - даже при более высоком давлении - но также и лучшее функционирование компонентов (см. также 2.4.).

Конденсация также является автостабилизационным процессом. Если охлаждающаяся жидкость в одном канале становится теплей, меньше пара конденсируется. Охлаждающаяся жидкость нагревается меньше, разность температур увеличивается и больше пара конденсируется.

При охлаждении хладоносителя высокой вязкости оно должно производиться в заполненном испарителе потока, а не в испарителе прямого расширения. Высокая скорость циркуляции хладагента в заполненном испарителе потока означает, что все каналы хладоносителя окружены каналами с увлажненными поверхностями.

2.6. Закупоренная жидкость.

Предположим, что насыщенный жидкий хладагент случайно заблокировался - например, в трубе между двумя клапанами. Когда температура повышается, давление жидкости также повышается. Это происходит главным образом не благодаря повышению давления насыщения, а скорее из-за того, что плотность жидкости уменьшается и жидкость занимает больше пространства. Если труба не расширяется или расширяется ненамного, давление должно увеличиться для сжатия нагревшейся жидкости до начальной плотности.

На рис. 11 показано необходимое увеличение температуры для повышения давления насыщенной при -10 °C до 200 бар. На рисунке также отмечена линия 20 °C.



Необходимое изменение температуры для повышения давления заблокированной жидкости хладагента

Рис. 11. Необходимое изменение температуры для повышения давления
заблокированной жидкости хладагента.

    Исходное состояние:
  • Насыщенная жидкость при -10 °C.
  • Объем жидкости - 0,53 литра.
  • Конечное состояние - 200 бар.
  • Расширение сосуда - 0,4 %.

Как показано на рис. 11, где указывается давление пара для температуры при достижении 200 бар, опасное давление возникает гораздо раньше, чем давление пара. Например, для NH3 200 бар достигается, когда температура поднимается 11,5 K до 1,5 °C, но давление пара в данной точке только 4,5 бар.

Интересна также устойчивость к повышению давления таких хладагентов высокого давления, как R23 и R116. Анализ показывает, что повышение температуры пропорционально отношению изотермической компрессивности (изменению с давлением) к способности к объемному расширению (изменению с температурой).

Поскольку аммиак имеет способность к объемному расширению идентичную многим другим жидким хладагентам, но очень низкую изотермическую компрессивность, повышение температуры незначительно.

R116 представляет другую крайность. Способность к объемному расширению выше приблизительно на 50%, чем у аммиака, но изотермическая компрессивность выше в десять раз, и необходимое повышение температуры, таким образом, больше.

Диоксид углерода подобен R407Cи R410A, но способность к расширению и компрессивность отличаются почти вдвое.

Повышение температуры - не единственный фактор, который определяет скорость возникновения опасного давления. Не менее важно энергосодержание. Оно пропорционально плотности, удельной теплоемкости и изменению температуры. В этом случае, ввиду значительного нагрева, стоимость аммиака относительно ниже.

Заметьте, конечная температура зависит не только от повышения температуры, но и, что более важно, от начальной температуры. Чем она ниже, тем быстрее возникает опасное давление.

В этом отношении CO2 ведет себя несколько обманчиво. В случае утечки и быстрого падения давления может сформироваться твердый CO2. В зависимости от расположения в системе, может сформироваться изолированный блок жидкости, даже при отсутствии закрытых вентилей. В данном случае может образоваться очень высокое давление, несмотря на удаления агента из остальной части системы.

Для снижения данного риска вместо шаровых клапанов и им подобных используйте поплавковые клапаны. Шаровой клапан, закрытый или открытый, наполненный твердым сухим льдом, вероятно, сможет противостоять очень высокому давлению. В случае открытого поплавкового клапана, высокое давление способно выдавить сухой лед, застрявший в клапане.

Вывод.

  • При нагревании закупоренной жидкости может возникнуть давление, значительно выше соответствующего давления пара.

  • Чем ниже начальная температура, тем выше давление.

  • Поведение CO2 обманчиво, в случае утечки опасайтесь пробок из сухого льда.

  • Если труба может расширяться, давление повышается менее критически. Медная труба безопасней стальной.

2.7. Глубина наполнения.

Если давление насыщенной жидкости снижается, значит, жидкость начинает испаряться (на рис. 12 смотрите малое понижение давления на поверхности и увеличение понижения давления в зависимости от глубины).



Глубина наполнения Глубина наполнения для  ΔP - 2%
Рис. 12a. Глубина наполнения Рис. 12b. Глубина наполнения для ΔP - 2%

/В сепараторе поверхность жидкости - в пределе насыщения. На более низкой глубине температура остается той же, но, поскольку давление выше, жидкость переохлаждается. В случае внезапного понижения давления в сепараторе, например, при запуске дополнительного компрессора, давление резко становится ниже, чем давление насыщения внизу до определенной глубины, H м. Наполнение запускает жидкость вниз на глубину H. На диаграмме показана глубина, где начинается наполнение для двух температур и понижения давления на 2%/.


Глубина наполнения пропорциональна общему давлению пара хладагента и обратно пропорциональна плотности жидкости.

Кроме того, сложно оценить зависимость от поверхностного натяжения. Если оно высокое, пузырькам пара сложно формироваться или расти, в результате жидкость может остаться перегретой, но нестабильной.

Диоксид углерода, обладая высоким давлением пара и средней плотностью, отличается большей глубиной наполнения.

Наполнение является непостоянным явлением, но возникающее вследствие него вспенивание бывает сложно остановить.

Опасность в случае напорного течения состоит в том, что пузырьки пара могут попасть в насос и повредить его. Поэтому сепаратор в системе CO2 должен быть размещен выше, чем для других хладагентов. И ловушка для конденсата должна быть больше, что бы жидкость могла подниматься вверх навстречу нисходящей жидкости.



Переохлаждение
Рис. 13a. Переохлаждение.

/См. систему термосифона на рисунке 12a.
В приемнике насыщается хладагент. На входе в испаритель (1), на 5 м ниже, давление увеличилось, хлаладагент переохлажден. Это означает, что он должен быть подогрет до начала испарения.
Происходит подогрев во время как поднятия жидкости - понижения давления - закипание начинается (2) и затем продолжается с понижением температуры до достижения температуры выхода (3).
Затем температура понижается от выхода испарителя до сепаратора, по причине перепада давления в канале возврата.
Точка начала закипания (2), зависит от хладагента и перепада давления в канале возврата.
Хладагент со средним температурным градиентом обычно имеет среднее давление, умеренное повышение температуры, закипание начинается при (2a).




Переохлаждение для некоторых хладагентов
Рис. 13b. Переохлаждение для некоторых хладагентов.

Если перепад давления возвращения (и, таким образом, движение столба или напор насоса) увеличивается, подогревание следует за штрихуемой линией до начала закипания при (2b).
Хладагент с высоким температурным градиентом обычно имеет низкое давление, температура начала закипания выше, в другом случае подогревание следует той же модели.
Опасность здесь состоит в том, что точка достижения (2-ая) - в которой температура хладагента уравнивается с температурой теплоносителя - быстро приближается. Испаритель не может работать слишком близко к точке достижения - при отсутствии разницы температур - необходимо изменение конструкции или режима работы.
Диоксид углерода с его низким температурным градиентом имеет очень плоскую кривую парообразования с небольшим подогреванием и может, таким образом, почти всегда использовать полную разницу температур.


Это приводит как к положительным, так и отрицательным последствиям.

Возвратная труба испарителя может находиться слишком высоко, а зона переохлаждения быть слишком малой (см. рис. 12a и 13a).

Это очень важное свойство CO2. Если он используется как хладагент, (см. рис. 8), то он может прокачиваться на длинные расстояния через множество клапанов, изгибов, препятствий, а уклоны обратного давления при необходимости могут быть большими. Когда CO2 поступает в испарители, он переохлаждается и должен быть подогрет до начала парообразования (см. рис. 13a для термосифонной системы).

Система напорного течения аналогична, за исключением того, что движение столба жидкости замещено напором насоса.

CO2 имеет самое низкое переохлаждение среди всех хладагентов. R23, R41 и R508B близки по данному значению, но оно не ниже.

Например, R404A при -40 °C имеет переохлаждение около 9 K, CO2 - около 1,5 K. Если воздух необходимо охладить до температуры от -30 °C до -35 °C - для CO2 определяется несколько уменьшенная средняя разница температур, в то время как закипание для R404A начинается при -31 °C, то есть оно вообще не происходит. Для использования R404A температура испарения должна быть понижена самое большее до -50 °C (чем ниже температура, тем хуже происходит переохлаждение), то есть система со строго уменьшенной емкостью.

Стоимость R1270 немного ниже, и он может использоваться.

Аммиак в этом отношении не очень хорош, но это компенсируется его превосходными теплообменными свойствами. Должны быть разработаны системы термосифона аммиака для низких температур с минимально возможной высотой сепаратора.

Сравните на рис. 13b переохлаждение в испарителе с общей температурной программой на рис. 13a. Видно, что для CO2 точка достижения труднодостижима, для R404a и R507a - вероятна, для R218 - невозможна.

Переохлаждение, таким образом, изменяется в зависимости, как от температуры хладагента, так и от перепада давления после испарителя.

Чтобы быть справедливым к другим хладагентам, необходимо сказать, что закипание начинается до полного нагревания хладагента, поскольку давление понижается когда жидкость повышается, но это не меняет основную тенденцию.

CO2 - фактически единственный хладагент, который может использоваться для изобарного испарения/конденсации в качестве замены хладоносителя. Кроме того, он недорог, безопасен для окружающей среды и легкодоступен.

Даже малое повышение температуры может вызвать наполнение в системе CO2. Длинная труба, даже изолированная, подвергнутая чрезмерному нагреву, например, солнечному излучению на крыше, может легко перегреться, и начинается парообразование, особенно при низком давлении, когда труба находится намного выше насосов.

В результате возникают пробки жидкости в паре или пузырьки в жидкости.

Таким образом, диоксид углерода должен циркулировать без внезапных перепадов давления.

Окончание. Начало в Холодильщик.RU, выпуск 10(34), октябрь 2007 г.


Опубликовано в журнале "Империя холода" за июль 2007 г.




Приглашаем ученых и инженеров, аспирантов и студентов, а также,
заинтересованные институты, фирмы, организации и частных лиц, принять участие в размещении
информации в интернет-газете, посвященной холодильной и близкой ей тематике.

Учредитель и издатель интернет-газеты: ООО "АВИСАНКО" (Москва).
Адрес редакции: Россия, 115551, Москва, Шипиловский проезд, д.47/1, офис 67-А.
Тел./факс: +7 (495) 343-43-71, тел.: +7 (495) 343-43-48, 223-60-50 доб. 132.

Головной сайт: www.avisanco.ru

E-mail: info@holodilshchik.ru

Первый выпуск первой в России интернет-газеты по холодильной и
близкой ей тематике - "Холодильщик.RU" - вышел в свет в январе 2005 г.
Руководитель проекта и Главный редактор: Маргарян С.М. (АВИСАНКО, ООО)
За содержание рекламных материалов редакция ответственности не несет.
При перепечатке статей, ссылки на их авторов и интернет-газету обязательны.
Разместите на своем сайте нашу кнопку... Rambler's Top100 Многоязыковая поисковая система...


Авторские права © 2005-2017 // MARGARY@N

Партнеры: