Влияние снижения давления из-за трения хладагента

Давление хладагента снижается при прохождении через трубопроводы, испаритель, конденсатор, ресивер, вентили и компрессор из-за внутреннего (в самой жидкости) и внешнего (о поверхности) трения (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема, показывающая влияние снижения давления в различных точках системы (величины снижения давления для наглядности увеличены):
A – P = 0.961 МПа (температура насыщения, соответствующая этому давлению, t_S = 40 °С); А’ – P = 0.848 МПа (t_S = 35 °С); В – P = 0.279 МПа (t_S = –3 °С); В’ – среднее давление кипения P₀ = 0.261 МПа (средняя температура кипения t₀ = –5 °С); С – P = 0.244 МПа (t_S = –7 °С); D – P = 1.11 МПа (t_S = 46 °С); D’ – P = 1.059 МПа (t_S = 44°С); E – среднее давление конденсации P_K = 1.009 МПа (средняя температура конденсации t_K = 42 °С)

Диаграмма энтальпия – давление действительного цикла (рис. 2) показывает потери давления в различных частях системы. Цикл насыщения представлен для сравнения, в целях упрощения не показаны ни перегрев, ни переохлаждение.
Линия В’ – С’ характеризует процесс кипения в испарителе, в котором из-за трения давление хладагента снижается на 0.035 МПа. Если давление и температура насыщения парожидкостной смеси на входе в испаритель 0.279 МПа и –3 °С соответственно, то давление насыщенного пара на выходе из испарителя составляет 0.244 МПа, что соответствует температуре насыщения –7 °С Средняя температура кипения хладагента в испарителе (–5 °С) в цикле со снижением давления всасывания равна температуре кипения в цикле насыщения.
В результате снижения давления в испарителе пар выходит из него при более низком давлении и температуре насыщения и с большим удельным объемом. Удельная холодопроизводительность на единицу массы и массовый расход хладагента на единицу производительности приблизительно одинаковы в обоих циклах, но объемный расход пара на единицу производительности больше в цикле со снижением давления из-за большего удельного объема. Кроме того, степень сжатия пара выше вследствие более низкого давления пара на выходе из испарителя. Поэтому потребляемая мощность на единицу производительности также больше.

Рисунок 2 – Диаграмма энтальпия–давление холодильного цикла, показывающая влияние снижения давления хладагента R12 в различных узлах системы (цикл насыщения приведен для сравнения):
1 – в нагнетательных клапанах компрессора; 2 – в нагнетательном трубопроводе и конденсаторе; 3 – в жидкостном трубопроводе; 4 – в испарителе; 5 – во всасывающем трубопроводе; 6 – во всасывающих клапанах компрессора

Кривая С’ – С” обозначает снижение давления всасываемого пара во всасывающем трубопроводе от испарителя до входа в компрессор. Пар всасывается в компрессор также при более низком давлении и с меньшей плотностью вследствие снижения давления во всасывающем трубопроводе. При этом увеличиваются объемный расход пара и потребляемая мощность на единицу производительности.
Очевидно, что снижение давления в испарителе и во всасывающем трубопроводе должно быть минимальным, чтобы получить оптимальный КПД цикла. Это относится также к теплообменникам и любым другим вспомогательным устройствам, монтируемым на всасывающем трубопроводе.
Снижения давлений на рис. 2 увеличены для четкости. В хорошо сконструированном испарителе снижение давления обычно ограничивается диапазоном от 10 до 20 кПа. В идеально сконструированном всасывающем трубопроводе снижение давления не должно вызывать понижения температуры насыщения более чем на 1 К.
Кривая С” – С”’ характеризует снижение давления всасываемого пара при прохождении через всасывающие клапаны и каналы в компрессоре до цилиндра. Равные величины снижения давления в клапанах и каналах на стороне всасывания компрессора и во всасывающем трубопроводе влияют одинаковым образом на КПД цикла. Хорошая конструкция характеризуется минимально возможным уровнем снижения давления.
Кривая С”’ – D” соответствует процессу сжатия в цикле со снижением давления. Обратите внимание, что пар сжимается в цилиндре до давления, величина которого значительно выше среднего давления конденсации. Ниже показано, что пар выталкивается из цилиндра, преодолевая давление конденсации и дополнительное давление, создаваемое пружинами нагнетательных клапанов.
Кривая D” – D’ обозначает снижение давления пара, обусловленное открытием нагнетательных подпружиненных клапанов и трением пара в нагнетательных каналах компрессора.
Кривая D’ – A характеризует снижение давления хладагента в нагнетательном трубопроводе и конденсаторе. Часть кривой D’ – A, обозначающей прохождение пара через нагнетательный трубопровод, может быть различной длины, так как нагнетательный трубопровод монтируют длинным или коротким в зависимости от условий. Любое снижение давления на стороне нагнетания компрессора (в нагнетательных клапанах и каналах, в нагнетательном трубопроводе и в конденсаторе) повышает давление нагнетания, увеличивая тем самым теплоту сжатия и потребляемую мощность на единицу производительности.
Кривая А – А’ соответствует снижению давления хладагента, проходящего через ресивер и жидкостный трубопровод. Хладагент находится в точке А в виде насыщенной жидкости, и поэтому температура жидкости понижается с уменьшением давления. Если жидкость не переохлаждается с передачей теплоты внешней среде при снижении ее давления, то часть жидкости мгновенно испарится в жидкостном трубопроводе для соответствующего охлаждения остальной массы жидкости. Обратите внимание на то, что точка А’ находится в зоне фазового изменения хладагента. Это свидетельствует о том, что часть хладагента в указанной точке находится в виде пара.
Снижение давления в жидкостном трубопроводе не влияет на КПД цикла, несмотря на мгновенное испарение жидкости и перепад температуры, совпадающие со снижением давления в жидкостном трубопроводе. В любом случае давление и температура жидкости должны быть понижены до состояния парообразования на входе в испаритель. Тот факт, что это частично происходит в жидкостном трубопроводе, а не в регуляторе расхода хладагента, не влияет непосредственно на КПД системы. Однако производительность жидкостного трубопровода и регулятора расхода снижаются. Кроме того, проход пара через регулятор расхода хладагента может вызвать эрозию иглы и седла клапана.
Обычно в жидкостном трубопроводе происходит достаточное переохлаждение жидкости даже без использования теплообменника для предотвращения мгновенного испарения жидкости, если снижение давления в трубопроводе не слишком велико. Жидкость обычно не испаряется в жидкостном трубопроводе, если давление снижается не более чем на 35 кПа.

Рисунок 3 – Диаграмма энтальпия – давление действительного холодильного цикла, показывающая влияние переохлаждения, перегрева, а также снижения давления хладагента R12 (цикл насыщения приведен для сравнения):
1 – в нагнетательных клапанах компрессора; 2 – в нагнетательном трубопроводе и конденсаторе; 3 – в жидкостном трубопроводе; 4 – в испарителе; 5 – во всасывающем трубопроводе; 6 – во всасывающих клапанах компрессора

Диаграмма энтальпия – давление стандартного холодильного цикла на рис. 3, показывающая совместное влияние снижения давления, переохлаждения и перегрева, сравнивается с диаграммой энтальпия – давление цикла насыщения.