Всасывающий трубопровод

В данной статье рассмотрен принцип действия всасывающего трубопровода.

Размер всасывающего трубопровода

     Размер всасывающего трубопровода больше влияет на работу холодильной машины, чем размер других трубопроводов. Всасывающий трубопровод недостаточного размера вызывает существенное снижение давления хладагента в нем, в результате чего производительности и КПД машины значительно уменьшаются. Однако излишне длинный всасывающий трубопровод часто является причиной слишком низкой скорости движения потока хладагента, из-за чего не происходит нормального возврата масла из испарителя в картер компрессора. При оптимальном размере всасывающего трубопровода снижение давления хладагента минимальное, а скорость движения потока пара обеспечивает нормальный возврат масла.

Большинство машин, работающих на хладагентах, растворимых в масле, проектируют таким образом, чтобы масло возвращалось из испарителя в компрессор самотеком через всасывающий трубопровод или уносилось всасываемым паром. Если испаритель расположён выше компрессора, а всасывающий трубопровод смонтирован без вертикальных участков с движением хладагента вверх и отделителей, а его горизонтальные участки имеют наклон в направлении компрессора, то масло стекает из испарителя в картер. В этих случаях низкая скорость движения потока пара во всасывающем трубопроводе не имеет существенного значения. Трубопровод, должен быть такого размера, чтобы обеспечить минимальное снижение давления. Это относится также и к любой машине, работающей на хладагенте, который не растворяется в масле.

Однако при расположении испарителя ниже компрессора, а также при наличии условий, при которых необходим монтаж вертикального участка всасывающего трубопровода с движением хладагента вверх, его размер должен: быть небольшим, чтобы создаваемая скорость движения потока пара при минимальной тепловой нагрузке была достаточной для уноса масла и подачи его вверх к компрессору.

Масло перемещается по стенке вертикального участка, и поэтому скорость движения пара вблизи поверхности трубы имеет более важное значение, чем общая средняя скорость движения пара. Отношение скорости движения на поверхности к средней скорости движения зависит от плотности пара и внутреннего диаметра трубы. Чем ниже давление и плотность пара и чем больше внутренний диаметр трубы, тем выше должна быть средняя скорость движения для создания нужной скорости на поверхности.

Другими факторами, определяющими минимальную скорость движения потока пара, достаточную для переноса масла вверх, являются его вязкость и плотность, а также содержание растворенного хладагента. Чем вязкость масла больше, тем выше требуется скорость движения пара хладагента у поверхности вертикального участка трубы для перемещения масла вверх.

Для обеспечения высокого КПД машины диаметр всасывающего трубопровода должен быть таким, чтобы общее снижение давления хладагента в нем не приводило к уменьшению температуры насыщения более чем на 1 °С для фреонов и на 0.5 °С аммиака.

Если при минимальной нагрузке в вертикальном участке всасывающего трубопровода давление хладагента снижается на величину, соответствующую уменьшению температуры насыщения на 1 °С, то скорость движения пара в нем достаточна для возврата масла в компрессор. Однако исключения возможны в системе, в которой температура кипения низкая, а всасывающий трубопровод имеет большую длину или когда минимальная нагрузка системы составляет менее 50 % от расчетной. Для любого из указанных условий необходимо проверить скорость движения пара при минимальной нагрузке. Она должна быть выше наименьшей величины, необходимой для подъема масла в вертикальном всасывающем трубопроводе.

Широкое распространение систем автоматического регулирования производительности в современных компрессорах согласно изменениям нагрузки усложняет конструкцию трубопроводов хладагента. С помощью этих систем можно уменьшить производительность компрессора до 25 % от максимальной расчетной величины. Если два или большее количество компрессоров соединены параллельно, то производительность всей установки может быть снижена до 10 % от суммарной максимальной расчетной производительности компрессоров. Очевидно, что при изменении производительности установки в таком широком диапазоне во всасывающем трубопроводе (если нагрузка минимальна), в котором скорость движения пара хладагента достаточно велика для переноса масла вверх, в период максимальной нагрузки давление хладагента значительно снижается. Однако в вертикальной трубе, в которой при максимальной нагрузке давление хладагента снижается незначительно, скорость движения пара мала и масло в ней не перемещается вверх. Скорость движения пара в горизонтальном участке всасывающего трубопровода не является определяющей и нужно правильно выбрать конструкцию вертикального участка. В большинстве случаев, когда минимальная нагрузка системы составляет не менее 25 % от расчетной, следует уменьшить диаметр только вертикальной трубы, а диаметр остальной части всасывающего трубопровода должен быть большим, чтобы обеспечивать малое снижение давления при максимальной нагрузке.

Рис. 1 – Соединение вертикального и горизонтального участков всасывающего трубопровода.

     На рис. 1 показан способ стыковки горизонтального и вертикального участков всасывающего трубопровода. Патрубок, плоская сторона которого направлена вниз, применяют для соединения нижнего горизонтального участка с коленом. Этим предотвращается образование зоны с низкой скоростью движения пара, где могло бы отделиться масло. Вверху после второго колена диаметр горизонтального участка трубопровода увеличивается и масло не может стекать обратно в вертикальный участок трубопровода.

Двухтрубные всасывающие линии

     Если общая длина всасывающей линии невелика, а ее горизонтальная часть имеет достаточно, большой диаметр (минимальная нагрузка на установку более 25 % от максимальной), то при небольшом диаметре вертикального участка в период минимальной нагрузки обеспечивается такая скорость движения хладагента, которая не создает значительного снижения давления. Если всасывающая линия имеет большую протяженность (минимальная нагрузка на установку менее 25 % от максимальной), то недостаточный диаметр вертикального участка приводит в период максимальной нагрузки к значительному снижению давления хладагента, особенно в низкотемпературных установках. В этих случаях необходимо применять двухтрубную линию, показанную на рис. 2.

Вертикальный трубопровод небольшого диаметра предназначен для циркуляции хладагента в период минимальной нагрузки, а две вертикальные трубы во время максимальной нагрузки. Труба большего диаметра имеет внизу отделитель. При минимальной нагрузке масло осаждается в отделителе и блокирует поток пара через вертикальную трубу большего диаметра, увеличивая тем самым интенсивность потока и скорость движения в вертикальной трубе меньшего диаметра, что обеспечивает перемещение масла вверх. При увеличении нагрузки на систему скорость движения пара в вертикальной трубе меньшего диаметра, увеличивается до тех пор, пока снижение давления в ней не будет достаточным для уноса масла из отделителя; после чего поток хладагента проходит через обе трубы.

Отделитель в нижней части большей трубы образован из двух колен с углом 45 и одного колена с углом 90°. Это делается для того, чтобы количество отделенного масла было минимальным. Перевернутый отделитель (петлю) применяют для присоединения вертикальной трубы к верхнему горизонтальному трубопроводу, чтобы масло не стекало обратно.

Рис. 2 – Варианты двухтрубной всасывающей линии: 1 – испаритель; 2 – тройник; 3 – колено (угол 45°); 4 – колено (угол 90°);
5 – всасывающий трубопровод; 6 – U-образная трубка.

Конструкция всасывающего трубопровода

     Всасывающей трубопровод располагают таким образом, чтобы исключить возможность попадания жидкого хладагента (или большого количества масла) в компрессор во время рабочей или нерабочей части цикла, а также при его пуске. Для этой же цели целесообразно установить регенеративный’ теплообменник при использовании испарителей непосредственного охлаждения, подача хладагента в которые осуществляется с помощью ТРВ. Во время нерабочей части цикла ТРВ часто не закрывается достаточно плотно, в результате чего происходит протечка жидкого хладагента в испаритель из жидкостного трубопровода. При пуске компрессора избыточное количество жидкости переливается во всасывающий трубопровод и поступает в компрессор, если нет регенеративного теплообменника для улавливания и испарения жидкости до компрессора. Регенеративный теплообменник предназначен также для улавливания и испарения жидкости, которая может попасть во всасывающий трубопровод из-за избыточной подачи хладагента регулирующим вентилем при пуске или внезапном изменении нагрузки на испаритель.

Регенеративный теплообменник не устанавливают в случае, если машина работает в цикле поддержания низкого давления в картере компрессора, т. е. когда весь жидкий хладагент выкипает и отсасывается из испарителя до выключения компрессора. При этом электромагнитный вентиль, смонтированный на жидкостном трубопроводе до регулятора расхода хладагента, предотвращает попадание жидкого хладагента в испаритель из жидкостного трубопровода в случае неплотного закрытия регулирующего вентиля.

Если испаритель расположен над компрессором, а машина не работает в цикле поддержания низкого давления в картере компрессора, то всасывающий трубопровод должен иметь, подъем после термобаллона регулирующего вентиля, чтобы жидкий хладагент не стекал из испарителя в компрессор во время нерабочей части цикла (рис. 3). Когда машина работает в цикле поддержания низкого давления в картере компрессора, то ловушку для хладагента можно не устанавливать, чтобы трубопровод обеспечивал свободную циркуляцию хладагента и масла (пунктирная линия на рис. 3).

Рис. 3 – Расположение всасывающей линии при размещении испарителя над компрессором:
1 – всасывающий трубопровод при работе без поддержания низкого давления в картере компрессора; 2 – испаритель;
3 – всасывающий трубопровод при работе с поддержанием низкого давления в картере компрессора.

Рис. 4 – Расположение всасывающей линии при размещении испарителя под компрессором.

     При размещении испарителя под компрессором и монтаже всасывающей вертикальной линии рядом с испарителем делают ловушку для предотвращения накапливания жидкого хладагента в точке расположения термобаллона (рис. 4). Если монтировать ловушку нецелесообразно, то термобаллон крепят к вертикальной трубе примерно на 0.3 – 0.5 м выше горизонтального коллектора (пунктирная линия на рис. 4). Каждый из нескольких испарителей (или секций испарителя) присоединяют к общему всасывающему трубопроводу с помощью индивидуальной вертикальной трубы (рис. 5). ТРВ работают неудовлетворительно, если нагрузка на испаритель ниже 50 % от расчетной производительности вентиля. Это нужно учитывать при определении скорости потока хладагента через вертикальную трубу. Применение индивидуальной вертикальной трубы для каждого испарителя (или отдельной секции) обеспечивает возврат масла при минимальной нагрузке. На рис. 6 – 8 показаны некоторые способы присоединения ряда испарителей к общему всасывающему трубопроводу, когда нецелесообразно применение индивидуальных вертикальных труб.

Рис. 5 – Испарители с индивидуальными всасывающими трубопроводами.

Рис. 6 – Испарители с общим всасывающим трубопроводом.

     Всасывающий трубопровод подводят к компрессору сверху. Трубопровод прокладывают без отделителя жидкости: и монтируют так, чтобы масло стекало из него в компрессор. Если несколько компрессоров присоединены к общему всасывающему коллектору, то трубопровод следует выполнить таким образом, чтобы одинаковое количество масла возвращалось в каждый из них. Типичные примеры расположения трубопроводов для нескольких компрессоров показаны на рис. 9 и 10.

Рис. 7 – Соединение испарителей, расположенных на разных уровнях, с общим всасывающим вертикальным трубопроводом.

Рис. 8 – Соединение испарителей, расположенных на разных уровнях, с двухтрубным всасывающим вертикальным трубопроводом.

Рис. 9 – Всасывающие трубопроводы двух компрессоров, соединенных параллельно.

Рис. 10 – Трубопроводы трех компрессоров, соединенных параллельно:
1 – всасывающий трубопровод; 2 – уравнительная линия для масла; 3 – уравнительная линия давления в картере.