Прежде чем приступить к изучению семейства неисправностей, связанных с преждевременным дросселированием, в настоящем разделе предлагается объяснение очень малоизвестного явления внезапного вскипания хладагента в жидкостной магистрали (на английском языке это явление называют термином "flash gas ").

Для начала вспомним, что масло, используемое в холодильных установках, очень плохо смешивается с хладагентом в паровой фазе. Поэтому выбор и прокладка трубопроводов всасывания и нагнетания должны производиться особенно тщательно, чтобы масло, которое по нагнетающей магистрали постоянно выводится из компрессора, могло без проблем возвратиться в него по всасывающей магистрали (проблемы возврата масла изучаются в разделе 37).
Напротив, это же масло очень хорошо смешивается с жидким хладагентом и его перетекание в конденсатор и жидкостную магистраль, как правило, происходит без проблем, даже если скорость смеси небольшая и трубопроводы располагаются в нижних точках установки.

Однако в установках, где конденсатор находится на значительном удалении от испарителя, при неудачной конструкции жидкостной линии даже при отсутствии опасности создания проблем с возвратом масла, могут иметь место значительные потери давления в этой линии, приводящие к возникновению внезапного вскипания хладагента.

А) Проблема выбора длины и диаметра жидкостной линии

Вначале напомним, что явления, происходящие при протекании жидкого хладагента по трубопроводу, подобны явлениям, сопровождающим протекание электрического тока по проводнику (см. рис. 18.1).



Проводник оказывает сопротивление (R) протеканию электрического тока, что приводит к возникновению разности потенциалов (падению напряжения AU) по длине проводника, величина которого зависит от силы тока, длины проводника, площади его поперечного сечения и материала проводника.

Точно также, при течении жидкого хладагента по трубопроводу возникает сопротивление этому течению, приводящее к падению давления АР, величина которого зависит, в том числе, от типа и скорости протекающей жидкости, длины трубопровода, площади его поперечного сечения и шероховатости стенок.

Таким образом, существует следующая аналогия:
Электрический провод: разность потенциалов (падение напряжения AU) 7\ растет, если растут сила тока 7\ и длина участка проводника 7\ и уменьшается площадь поперечного сечения id.
Холодильный трубопровод: падение давления (перепад АР) 7\ растет, если растут скорость жидкости 7\ и длина участка трубопровода 7\, а площадь проходного сечения ^1 падает.
Поскольку потери давления (АР) в трубопроводе зависят от его длины и площади сечения, диаметр жидкостной линии большой длины должен выбираться особенно тщательно во избежание слишком больших потерь и, как следствие, опасности внезапного вскипания жидкости...

Приведем пример, иллюстрирующий такое вскипание в неправильно подобранном жидкостном трубопроводе.
Компрессор (см. рис. 18.2) нагнетает перегретые пары R22 в конденсатор и после конденсации жидкий хладагент имеет температуру 44°С.



На участке конденсации при температуре 44°С давление нагнетания поддерживается на уровне 15,9 бар.
Последняя молекула пара конденсируется при температуре 44°С, после чего жидкость продолжает охлаждаться при помощи воздуха, продуваемого через конденсатор, и на выходе из последнего температура жидкости становится равной 40°С (следовательно, переохлаждение составляет 4 К).
Рис. 18.2.

Но таблицы состояния насыщенного пара для R22 дают нам равновесие между жидкостью и паром для температуры 40°С при давлении, равном 14,3 бар (см. раздел 1 "Влияние температуры и давления на состояние хладагента").

Следовательно, если давление в жидкости упадет ниже предписанного для температуры в 40°С значения 14,3 бар, равновесие нарушится и жидкость начнет кипеть задолго до входа в ТРВ (это и будет эффект внезапного вскипания).

В примере на рис. 18.3 площадь проходного сечения длинной жидкостной магистрали слишком мала, потери давления АР в магистрали большие и вскипание происходит в том месте, где давление упало ниже 14,3 бар.

Заметим, что при переохлаждении только 2 К (следовательно, при температуре жидкости в ресивере 42°С) вскипание произойдет, как только давление упадет ниже 15,1 бар, то есть гораздо раньше.

Помните, опасность внезапного вскипания жидкости тем выше, чем меньше величина переохлаждения!

Б) Проблема потерь давления на местных сопротивлениях

В трубопроводах, используемых в качестве жидкостных магистралей, потери давления зависят от длины трубопроводов, диаметра, шероховатости стенок и т.д. (см. рис. 18.4). Но потери давления возникают и при прохождении жидкого хладагента через местные сопротивления, в качестве которых выступают различные элементы холодильного контура (фильтр-осушитель, ручные и соленоидные вентили, регенеративный теплообменник и др.).




Потери давления в этих элементах указаны в конструкторской и технической документациях на них в зависимости от их собственных характеристик и условий эксплуатации.

При одном и том же расходе жидкого хладагента потери во влагоотделителе или электроклапане тем больше, чем меньше их номинальный диаметр.

Неудачный выбор элементов холодильного контура может быстро вызвать слишком высокие потери давления, приводящие к вскипанию жидкости в той же степени, что и слишком малый диаметр трубопровода.







В) Проблема изменения уровня жидкостной линии
Напомним, что давление (Р) в любой точке внутри жидкости в открытом сосуде зависит только от плотности (га) этой жидкости* и высоты столба (h) жидкости над этой точкой.

                                 P=ra-h

На рис. 18.5 давление Р2 выше давления Р], поскольку глубина погружения точки 2 больше, чем точки 1 (ситуация, хорошо знакомая ныряльщикам и водолазам).

Для столба жидкости высотой в 1 метр при комнатной температуре (ш зависит от температуры) давление в нижней точке столба составляет около 1,3 бар для ртути, 0,1 бар для воды, около 0,13 бар для жидкого R12 и около 0,12 бар для жидкого R22.

Если разность уровней между жидкостным ресивером, расположенным внизу, и испарителем, размещенным вверху, значительная, то потери давления, обусловленные высотой столба жидкости, также могут привести к внезапному вскипанию жидкости в одной из верхних точек.

Чтобы убедиться в этом, вспомним, что столб жидкого R22 высотой 1 м создает давление около 0,12 бар и посмотрим на схему (рис. 18.6).



В данной установке жидкостной ресивер расположен ниже испарителя и содержит R22 при давлении 15,9 бар и температуре 40°С с переохлаждением, как и в предыдущем примере, равным 4 К.

В точке А давление равно 15,9 бар, но чем выше мы поднимаемся по трубопроводу, тем меньше становится высота столба жидкости, расположенного над точкой А, и тем сильнее падает давление в жидкости даже в предположении, что потери давления АР, обусловленные движением жидкости по трубопроводу, пренебрежимо малы!

В точке В, расположенной на 6,5 м выше точки А, давление упадет на 0,12 х 6,5 = 0,8 бар и манометр покажет 15,9 - 0,8 = 15,1 бар.

В точке С, которая еще на 6,5 м выше, давление упадет еще на 0,8 бар и манометр покажет только 15,1 -0,8= 14,3 бар.

Но давление, равное 14,3 бар, в точности соответствует равновесному давлению между паром и жидкостью для R22 при температуре 40°С

Следовательно, уже чуть выше точки С произойдет внезапное вскипание жидкости, поскольку давление в жидкости станет чуть ниже 14,3 бара.

Отметим, что при переохлаждении 2 К (следовательно, при температуре жидкости в ресивере 42°С) вскипание произойдет чуть выше точки В, как только давление в трубопроводе опустится ниже 15,1 бар.


Таким образом, мы еще раз можем констатировать, что опасность внезапного вскипания повышается, если величина переохлаждения уменьшается.

Предшествующие рассуждения позволяют нам сделать вывод о том, что потери давления в жидкостных магистралях определяются двумя различными факторами.

1) Потери давления АР, обусловленные движением жидкого хладагента в трубопроводе, которые называют динамическими потерями давления (динамика - в смысле движения), и которые порождаются длинами трубопроводов и местными сопротивлениями элементов контура.
Обычно допускается, что эти потери могут немного превысить 0,4 бар, что эквивалентно 1 К для R22.

2)  Статические потери давления АР (статика - в смысле неподвижности), обусловленные высотой столба жидкости, которые существуют независимо от того, движется жидкость в трубопроводе или стоит, и которые зависят только от высоты столба жидкости и ее плотности (Р = та ■ h).

Также, как в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные сопротивления, общее сопротивление равно сумме отдельных сопротивлений, общие потери давления в жидкостной магистрали равны сумме динамических и статических потерь давлений, обусловленных разностью уровня жидкости (см. упражнения на следующих страницах).

Во всех случаях, когда общие потери давления таковы, что давление жидкости в данной точке становится ниже давления насыщенного пара при температуре этой жидкости, произойдет внезапное вскипание жидкости.
Для того, чтобы обеспечить оптимальную работу установки, общей рекомендацией для всех типов установок является поддержание хорошего (по меньшей мере 4 К) переохлаждения.

В тех же случаях, когда потери давления особенно велики (большая длина жидкостной магистрали, много местных сопротивлений, значительная разница уровней жидкости в ресивере и испарителе), величина переохлаждения становится одним из основных параметров. обеспечивающим предотвращение внезапного вскипания жидкости.

В любом случае, даже если переохлаждение достаточно большое, чтобы предотвратить внезапное вскипание, потери давления в длинной жидкостной магистрали имеют другое отрицательное следствие -уменьшают давление на входе в ТРВ и, следовательно, его производительность (напомним, что производительность ТРВ зависит от давления жидкости во входном патрубке ТРВ).

Если в жидкостной магистрали имеются большие потери давления, это необходимо учитывать при выборе ТРВ. В противном случае, работа ТРВ будет иметь более или менее очевидные признаки такой неисправности как недостаточная производительность ТРВ (см. раздел 14 "Слишком слабый ТРВ").

Схема участка установки представлена на рис. 18.7.
Используемый хладагент R22 (давление столба высотой 1 м около 0,12 бар).

Перепад давления АР на участке трубопровода АВ + CD = 0,02 бар/м. Перепад давления АР на влагоотделителе (участок ВС) = 0,15 бар.
Перепад давления АР на электроклапане (участок DE) = 0,21 бар. Разность уровней жидкости = 6 м.

1) Какое давление будет при работе установки на входе в ТРВ (точка Е)?

2)  Какой должна быть минимальная величина переохлаждения жидкости, чтобы полностью исключить опасность внезапного вскипания жидкости?

Схема участка установки представлена на рис. 18.8.

Внимание! Испаритель расположен ниже конденсатора.
Используемый  хладагент  R22  (давление столба высотой 1 м около 0,12 бар).

Потери давления АР на участке трубопровода АВ + CD = 0,03 бар/м. Потери  давления   АР на  влагоотделителе (участок ВС) = 0,17 бар.

Потери давления АР на электроклапане (участок DE) = 0,33 бар. Разность уровней жидкости = 10 м.

1) Какое давление будет при работе установки на входе в ТРВ (точка Е)?

2)  Есть ли опасность внезапного вскипания жидкости на участке АЕ?





                                                                                                                                                                                                                                             Решение упражнения №1

Потери давления на участке АВ + CD составляют АР = 6 х 0,02 = 0,12 бар (длина 6 м при перепаде 0,02 бар/м).
Потери давления на влагоотделителе 0,15 бар (1 влагоотделитель с АР = 0,15 бар). Потери давления на электроклапане 0,21 бар (1 электроклапан с АР = 0,21 бар). Статические потери давления АРстат. = 6 х 0,12 = 0,72 бара (разность уровней 6 м при АР = 0,12 бар/м).

Полные потери при работе:
АРполн. = APab+cd + АРвп + АР™ + АРстат. = 0,12 + 0,15 + 0,21 + 0,72 = 1,20 бар.
1) Давление в точке А = 16,3 бар {следовательно, уровень температуры конденсации 45°С).
Давление в точке Е равно давлению в точке Аза вычетом полных потерь давления при работе: Ре = Ра - АРполн. = 16,3 - 1,2 = 15,1 бар.
Следовательно, давление на входе в ТРВ составляет 15,1 бар, что для R22 эквивалентно температуре 42°С.

2) Уровень температуры конденсации составляет 45°С. Чтобы избежать вскипания жидкости в жидкостной магистрали, переохлаждение жидкости должно быть минимум 3 К.
Однако в целях получения запаса по переохлаждению мы рекомендуем увеличить его минимальное значение на 1...2 К, то есть иметь переохлаждение на уровне 4...S К и, следовательно, обеспечить температуру жидкости на выходе из ресивера от 40 до 41°С.

                                                                 Решение упражнения №2

В этом примере, в противоположность предыдущему, испаритель расположен ниже конденсатора и давление столба жидкости AD (то есть 10 х 0,12 = 1,2 бар) повышает давление, устанавливающееся на входе в ТРВ (точка Е).
1) Чтобы ответить на первый вопрос, рассчитаем вначале сумму динамических потерь давления (обусловленных движением жидкости):
APab+cd = 10 х 0,03 = 0,30 бар (трубопровод длиной 10 м при потерях 0,03 бар/м). АРвл + АРэк = 0,50 бар (0,17 + 0,33 = 0,5 бар).
Тогда АРдин. полн. = 0,30 + 0,50 = 0,80 бар.
Если жидкость неподвижна (следовательно, динамические потери давления АРднн. полн. Отсутствуют) при давлении в точке А, равном 16,3 бар, давление в точке Е будет: Ре = Ра + АРстат. = 16,3+1,2= 17,5 бар.
Когда жидкость придет в движение (появится АРдин. полн.), давление в точке Е станет равным Ре стат. - Ре дин. полн., то есть 17,5 — 0,8 = 16,7 бар.

2) При работе установки давление жидкости в ресивере будет равно 16,3 бар, а на входе в ТРВ 16,7 бар (то есть выше, чем в ресивере), следовательно, даже при очень небольшом переохлаждении никакой опасности внезапного вскипания жидкости в трубопроводе на участке АЕ не существует.