Application of a regenerative heat exchanger in the refrigeration cycle

Full Text

Регенеративный теплообмен широко используют в холодильных установках малой и средней холодопроизводительности. Решение о применении регенеративного теплообменника принимают в каждом отдельном случае, исходя из энергетической эффективности или безопасности эксплуатации. Практикам известно, что регенеративный теплообменник защищает компрессор от влажного хода и при его расположении выше компрессора облегчается возврат масла в картер; кроме того, увеличивается коэффициент подачи компрессоров, работающих на хладагентах, взаимно растворяющихся с маслом [1].

Ранее предполагали, что перегрев в регенеративном теплообменнике имеет оптимальное значение, которому соответствует максимальный холодильный коэффициент. Чтобы проверить это утверждение, провели расчет и анализ одноступенчатого цикла — простого и с регенеративным теплообменником для различных хладагентов, в том числе для R22 (рис.1), при температуре кипения t₀ = –5...–40 °С и температуре конденсации t_к = 45 °С Перегрев пара в регенеративное теплообменнике (РТО) Δt_рто приняли равным 20 °С.

 

Рис. 1. Цикл парокомпрессионной холодильной машины на R22 (простой 1-2-3-4 и с регенеративным теплообменником 1'-2′-3′-4'): s—удельная энтропия, кДж/(кг•К); v—удельный объем, м3/кг

 

Для определения термодинамических свойств хладагента использовали программу «Cool-Pack» Technical University of Denmarl Department of Energy Engineering.

Положение точки 3´ определяли из теплового баланса регенеративного теплообменника, при заданном перегреве пара в нем:

Δt_рто ⁼ t₁ –t_1´.

Основные параметры цикла - удельные массовую q₀ и объемную q_v холодопроизводительности, удельную изоэнтропическую работу сжатия l_s теоретический холодильный коэффициент ε_T — рассчитывали по известным соотношениям.

Приведенные зависимости (рис. 2 - 4) в рассматриваемом диапазоне t₀ (Δt_рто = 20°С) не имеют максимумов или минимумов. Влияние регенеративного теплообменника на эффективность холодильного цикла неоднозначно и приводит в зависимости от вида хладагента к различным результатам (см. таблицу).

 

Таблица. Примерное увеличение (+) или уменьшение (—) значении параметров холодильного цикла при использовании регенеративного теплообменника (%)

Хладагент	qV	q0	εT
R404A	+4,5	+ 14	+(2,2...4,6)
R134a	+ 1,8	+ 12	+(1,1...3,2)
Rl2	+0,8	+ 10	+ 1
R407C	+0,3	+ 10	-0,5
R717 [2]	—	—	-4,5
R22	-1,6	+8	-(1,1...1,8)

 

Рис. 2. Зависимость удельной массовой холодопроизводительности q₀ от температуры кипения t₀ при t_k= 45 °С

 

Рис. 3. Зависимость удельной объемной холодопроизводительности q_v от температуры кипения t₀ при t_к = 45 °С

 

Рис. 4. Зависимость теоретического холодильного коэффициента ε_т от температуры кипения t₀ при t_к=45 °С

 

Для хладагента R22 определено влияние перегрева Δt_рто = 0...40 °С на параметры цикла (рис. 5).

 

Рис. 5. Зависимость q₀, q_v, l_s и ε_т для хладагента R22 в регенеративном цикле от величины перегрева пара в РТО при t₀ = -10°C, t₀ = - 30 °С и t_к = 30°C; при t₀ =5°С и t_к = 45°С

 

Величина перегрева пара перед входом в герметичный компрессор не должна превышать 30 °С, иначе температура нагнетания чрезмерно вырастет.

Зависимости, приведенные на рис. 5, как и ранее рассмотренные, имеют линейный характер без каких-либо оптимумов.

Необходимо отдельно рассмотреть циклы с хладагентами RC318 (рис.6) и R218, которые часто используют в холодильных установках с турбомашинами. Перегрев пара на всасывании в компрессор в циклах с этими хладагентами обязателен. Если перегрев недостаточен, то в рабочей полости компрессора при сжатии начинается конденсация хладагента, вызывающая гидравлический удар и выход компрессора из строя. Перегрев можно осуществить при помощи теплообменников или охлаждением обмоток электродвигателя паром. Необходимые значения перегрева RC318 на всасывании при различных температурах кипения и температуре конденсации 45 °С приведены ниже.

 

Рис. 6. Сравнение циклов холодильной машины на RC318 при различных температурах кипения

 

Температура кипения, °С Перегрев, °С

+ 10                              31

0                                  37,5

-10                                  42

-20                                 48,5

Таким образом, для данного хладагента при снижении температуры кипения на 10 °С требуется увеличение перегрева в среднем на 6,5 °С.

Регенеративный теплообмен широко применяют в холодильных установках с капиллярной трубкой. Капиллярная трубка обычно соприкасается со всасывающим трубопроводом, т.е. она представляет собой часть теплообменника. Охлаждение жидкости предотвращает преждевременное образование пузырьков пара в ней от теплопритоков, что стабилизирует работу капиллярной трубки. На практике в холодильных системах малой мощности применяют два основных варианта регенеративного теплообмена (рис. 7).

 

Рис. 7. Теплообменник с капиллярной трубкой, обвитой вокруг всасывающего трубопровода (а) и расположенной внутри всасывающего трубопровода (б)

 

Предполагается, что в начальной точке соприкосновения капиллярной трубки и всасывающего трубопровода температуры жидкого хладагента и окружающей среды равны.

Таким образом, регенеративный теплообмен используют для повышения эффективности холодильного цикла или из практических соображений, связанных с безопасностью эксплуатации.

Регенеративный теплообмен обеспечивает:

• защиту компрессора от “влажного” хода;
• предотвращение конденсации некоторых хладагентов (RC318 и R218) в полости сжатия;
• рост удельной объемной холодопроизводительности и теоретического холодильного коэффициента для некоторых хладагентов: (R404A, R134a, R12);
• увеличение коэффициента подачи фреоновых компрессоров;
• улучшение работы капиллярной трубки;
• оптимизацию возврата масла.

Защита компрессора от влажного хода и оптимизация возврата масла облегчают автоматизацию холодильных установок.

About the authors

V. V. Shishov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

N. V. Khodakova

Bauman Moscow State Technical University

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

A. Yu. Mikhailov

Bauman Moscow State Technical University

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

D. I. Rakitin

Bauman Moscow State Technical University

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files