Всем нам хорошо знакомо явление конденсации паров воды на наружной поверхности стакана с холодной водой или запотевание изнутри лобового стекла автомобиля в холодную погоду (понятие температуры точки росы см. раздел 72).

Эти явления конденсации влаги на холодных поверхностях становятся причиной множества проблем, встречающихся при работе холодильных установок, к пояснению существа которых мы сейчас приступаем.

А) Эксперимент Ватта с холодной стенкой






Поместим отвакуумированный баллон из-под хладагента в холодильную камеру, температура в которой поддерживается на уровне, например, 0°С.
Затем соединим этот баллон трубопроводом с таким же баллоном, находящимся вне камеры и заполненным жидким хладагентом R22 при температуре 20°С (ел/, рис. 28.1).

Поскольку трубопровод, соединяющий оба баллона, расположен вверху, перетекание жидкости под действием силы тяжести невозможно.
Манометры, установленные на обоих баллонах, показывают давление 8 бар, что соответствует давлению насыщенного пара R22 при температуре 20°С.

Через какое-то время, зависящее главным образом от количества жидкости, разности температур и диаметра трубопровода, соединяющего оба баллона, можно заметить, что вся жидкость переместилась в холодный баллон, а манометры показывают одно и то же давление 4 бар, соответствующее давлению насыщенного пара R22 при температуре 0°С!
Что же произошло? (Прежде, чем читать дальше, вы можете попытаться сами найти объяснение).

Объяснение явления. Вначале нужно учесть, что все жидкости имеют весьма упорядоченную молекулярную структуру, молекулы жидкости касаются одна другой и скапливаются на дне сосуда, содержащего жидкость.



Напротив, молекулы газа находятся в непрерывном движении и заполняют все свободное пространство (см. рис. 28.2). Молекулы газа беспрерывно сталкиваются между собой, отскакивают друг от друга, крайне беспорядочно двигаясь во всех направлениях, причем траектории их движения ограничены только стенками сосуда, в котором они находятся.
Вот почему в эксперименте Ватта, который мы только что описали, молекулы газа R22 без труда перемещаются из
баллона с температурой 20°С в баллон с температурой 0°С, хотя трубопровод, соединяющий
оба баллона, расположен вверху.


В этот момент, точно также, как изнутри запотевает ветровое стекло автомобиля зимой, молекулы газа, пришедшие из горячего баллона с температурой 20°С, охлаждаются в контакте с холодным баллоном, а затем конденсируются, и вскоре в холодном баллоне появляется жидкость с температурой 0°С.
Но, поскольку пары конденсируются, их количество в свободном пространстве над жидкостью при температуре 20°С резко уменьшается.
В результате давление оставшихся паров
действующей сверху на свободную поверхность жидкости, находящейся при температуре 20°С (см. рис. 28.3). Равновесие между внешней Fe и внутренней Fi силами нарушается и часть жидкости, находящейся при температуре 20°С, вновь испаряется, образуя пары и восстанавливая равенство двух противоположных сил Fe и Fi (см. рис. 28.4. а также раздел 1. "Влияние температуры и давления на состояние хладагентов").

Однако пары, образовавшиеся из жидкости с температурой 20°С, вновь будут таким же образом конденсироваться в баллоне с температурой 0°С, вызывая новое падение давления над жидкостью с температурой 20°С.
Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока в баллоне с температурой 20°С будет находиться хотя бы одна молекула жидкости.
Поэтому через какое-то время жидкость полностью переместится в холодный баллон и будет находиться там при давлении, соответствующем соотношению между температурой холодного баллона и давлением насыщенного пара для данного хладагента (в нашем примере это 4 бар при 0°С для R22).



Б) Проблема перетекания жидкости в конденсатор
Это явление, обусловленное эффектом холодной стенки Ватта, может происходить во всех случаях, когда конденсатор (расположенный вне здания) будет находиться при более низкой температуре, чем температура жидкостного ресивера (расположенного внутри здания), особенно если холодильная установка должна работать при низких наружных температурах (например, кондиционеры машинных залов ЭВМ или холодильные камеры).
В момент, когда термостат-регулятор выключает компрессор, жидкий R22, находящийся в конденсаторе и ресивере, имеет температуру, соответствующую давлению конденсации в установке, с учетом переохлаждения (например, 38°С и 14 бар для R22-CM. рис. 28.5).


Поскольку компрессор остановлен, тепло в конденсатор не поступает и температура жидкости начинает падать вплоть
до наступления равновесия с температурой окружающей среды, то есть 20°С для ресивера и 0°С для конденсатора. Начиная с этого момента, в соответствии с эффектом холодной стенки Ватта, жидкость, находящаяся в ресивере при 20°С, будет перемещаться в конденсатор, температура которого 0°С (для R22 давление, показываемое манометром, будет, следовательно, медленно падать с 14 бар до 4 бар, см. рис. 28.6).
Что произойдет, когда термостат-регулятор вновь включит компрессор? Имея в виду, что с одной стороны ресивер больше не будет содержать жидкость, и с другой стороны, что давление конденсации будет очень низким, ТРВ и испаритель не смогут быть нормально запитанными и компрессор очень быстро отключится по команде предохранительного реле НД.

Таким образом, если есть опасность того, что в течение какого-то времени конденсатор может быть холоднее, чем ресивер, необходимо предусмотреть установку обратного клапана между выходом из конденсатора и ресивером, чтобы полностью исключить любую возможность перетекания жидкости из ресивера в конденсатор.

В) Проблема перетекания жидкости в нагнетающей полости головки блока компрессора при его остановках

Вначале поймем, что происходит, когда по какой-либо причине в полости нагнетания головки блока компрессора скапливается жидкость (хладагент или масло).


Такая опасность существует только во время остановки компрессора, поскольку при его работе любые следы жидкости как правило увлекаются горячим газом, выходящим из цилиндра.
Если жидкость накапливается в нагнетающей полости головки блока над клапаном, часть этой жидкости может проникать в цилиндры под действием разности между давлением нагнетания и давлением всасывания с обеих сторон клапана при условии, что клапан не вполне герметичен.
При последующем запуске компрессора может возникнуть гидроудар (более или менее значительный в зависимости от количества находящейся в полости жидкости), при этом опасность поломки или разрушения клапана достаточно велика (см. рис. 28.7).
Рис. 28.7.
Опасности, вызываемые жидким хладагентом
Опасность перетекания жидкого хладагента в полость нагнетания головки блока возникает каждый раз, когда температура компрессора оказывается ниже температуры конденсатора.
Это может происходить, например, в разгаре лета в кондиционерах машинных залов ЭВМ, оснащенных конденсаторами с воздушным охлаждением, в период длительной остановки компрессора по каким бы то ни было причинам (см. рис. 28.8).

В этом случае жидкий хладагент перетекает в головку блока (от В к А) в соответствии с эффектом холодной стенки Ватта.
Если опасность такого перетекания очень велика, необходимо либо между компрессором и конденсатором установить обратный клапан (как можно дальше от компрессора, чтобы не допустить хлопков этого клапана, вызванных возвратно-поступательным движением порш-
ней), либо поставить на магистрали нагнетания простую лирообразную маслоподъемную петлю соответствующих размеров, поместив ее в непосредственной близости от компрессора.


Заметим, что наличие электроподогрева картера не может эффективно противостоять перетеканию жидкости в нагнетающую полость головки блока, поскольку он нагревает только низ картера, в котором находится масло и ни в коем случае не головку блока.

Опасности, вызываемые маслом


В силу того, что свойства масла для классических хладагентов и самих хладагентов очень похожи, при нормальной работе холодильной установки на каждом погонном метре внутренней поверхности трубопроводов содержится некоторое количество перемещающегося вместе с хладагентом масла.
При остановках компрессора это масло под действием силы тяжести стекает вниз. Следовательно, в вертикальных трубках количество стекающего вниз при остановках компрессора масла будет тем больше, чем больше разность уровней этих трубок.
Если конденсатор расположен над компрессором с разностью уровней (высота Н на рис. 28.9) более трех метров, то экспериментально показано, что количество стекающего в полость нагнетания при оста-                                Рис. 28.9. новках компрессора масла может оказаться достаточным для того, чтобы возник гидроудар, последствия которого, разрушительные для клапанов, будут аналогичны последствиям классического гидроудара, возникающим при повторном пуске компрессора с заполненной жидкостью полостью нагнетания.
Опасность этого еще более усугубляется, если во время остановки компрессора в нагнетающем патрубке происходит конденсация хладагента, который также стекает в головку блока.


Таким образом, чтобы предотвратить возможный возврат жидкости (масла или хладагента) в компрессор при его остановке, нужно внизу восходящего трубопровода, если его высота превышает 3 метра, установить маслоподъемную петлю (поз. 1), а также соблюдать при монтаже горизонтальных трубопроводов наклон от компрессора не менее 12 мм/метр.

Г) Проблема перетекания жидкого хладагента в картер компрессора при остановках

Эта проблема является причиной очень многих аварий. Поэтому следует очень хорошо представить себе опасность механических повреждений, которые могут происходить в компрессоре из-за накопления в картере жидкого хладагента по каким бы то ни было причинам.
Прежде всего, имея большое сходство с хладагентом, масло во время остановок сильно разбавляется г -яедхп-ш.
Заметим, что такое разбавление приводит к потере маслом значительной части своих смазывающих качеств, поскольку все обычно применяемые хладагенты являются, как правило, превосходными обезжиривателями.


Более того, если количество хладагента в нижней части картера становится очень большим, смесь масло/хладагент может стать насыщенной, в результате чего произойдет разделение    « двух жидкостей.
Компрессор может быть оснащен всасыванием через корпус (поз. 1) или через головку блока (поз. 2), но независимо от этого накопление хладагента в картере будет происходить одинаково (см. рис. 28.10).

Когда по команде управления компрессор запускается, внезапное падение давления в картере будет приводить к очень бурному вскипанию жидкого хладагента.
Первые пузырьки, порожденные этим бурным кипением, будут подниматься через слой масла, пробулькивая через его поверхность, полностью насыщаясь маслом и увлекая за собой большое количество масляных капелек в виде суспензии (см. рис. 28.11).
Это явление, в просторечии именуемое "вспенивание масла", можно легко видеть через окошко указателя уровня масла.
Эмульсия паров хладагента, насыщенных маслом, образовавшаяся в результате падения давления в картере после запуска компрессора, будет проникать в головку блока, вызывая сильный отток масла (проходя через клапаны, масло может также провоцировать иногда очень сильные гидроудары).
Если количество жидкого хладагента в картере действительно велико, отток масла при вскипании хладагента может стать настолько значительным, что в момент запуска компрессора наблюдатель зафиксирует в смотровом стекле указателя уровня масла совершенную пустоту.
К сожалению, отрицательное влияние присутствия хладагента в картере при остановках компрессора не ограничивается только проблемой оттока масла.
Действительно, так как смазка поршневых компрессоров обеспечивается за счет масла, находящегося в картере, присутствие в нем жидкого хладагента будет осложнять положение.


Когда смазка компрессора обеспечивается с помощью масляного насоса, масло отбирается со дна картера через масляный фильтр и потом, пройдя через насос, нагнетается в смазочные канавки (см. рис. 28.12).
При запуске компрессора, если в картере имеется жидкий хладагент, вместо того, чтобы засосать только масло, масляный насос может засосать также и жидкий хладагент.
В этот момент могут произойти 2 следующих события:
1) Разрежение в зоне заборника масляного насоса при его запуске приводит к вскипанию хладагента в этой зоне. В результате насос всасывает только пары хладагента, начинается кавитация и масло вытекает из насоса, что полностью исключает подачу масла в смазочные канавки и, кроме того, создает опасность разрушения самого насоса.

2) Масло из насоса не вытекает и хладагент (являющийся превосходным растворителем) поступает в масляный контур. В этом случае не только не осуществляется смазка, но более того, хладагент смывает смазку со всех подвижных частей компрессора.
В обоих этих случаях компрессор работает без всякой смазки, так как жидкий хладагент совершенно нельзя удалить.
Легко понять, что повторные запуски в этих случаях совершенно недопустимы, поскольку могут стать причиной многочисленных механических поломок в компрессоре (цапфы и шейки коленчатых валов, подшипники, шатуны, клапаны...).

Почему жидкий хладагент попадает в картер ?

Чтобы содействовать возврату масла в компрессор, необходимо иметь всасывающий патрубок с наклоном в сторону компрессора. Но во время остановки компрессора жидкий хладагент, находящийся в испарителе, также может стекать в корпус компрессора (поз. 1 на рис. 28.13) (см. также раздел 43. "Подключение испарителя ").
Иногда, для исключения стекания жидкого хладагента под действием силы тяжести в картер компрессора, когда испаритель не запитывается снизу, на всасывающей магистрали устанавливают лирообразный затвор с маслоподъ-емной петлей (поз. 2). Верхняя точка затвора при этом должна оказаться выше уровня испарителя.


Однако такой затвор хотя и может помешать стеканию жидкости под действием силы тяжести в картер при остановках компрессора, тем не менее, иногда он может оказаться причиной огромного выброса жидкости во всасывающую магистраль в момент запуска, что порождает опасность возникновения разрушительного гидроудара.
Более того, лирообразный затвор не обеспечивает защиты от перетекания жидкости в картер, обусловленного эффектом холодной стенки Ватта, когда температура компрессора становится ниже температуры испарителя (например, зимой, если компрессор находится на улице).
Заметим также, что большое количество жидкого хладагента в картере может искусственно поднимать уровень масла, создавая иллюзию благополучия при визуальном контроле уровня масла через смотровое стекло указателя уровня (см. рис. 28.14).

Наилучшим решением проблемы предотвращения перетекания жидкого хладагента в картер компрессора во время его остановок является, по нашему мнению, использование подогрева масла с помощью электронагревателя, устанавливаемого в картере (см. рис. 28.15).
Вместе с тем, тепловая мощность электронагревателя не должна быть слишком большой, чтобы масло не нагревалось до высоких температур. Дело в том, что при слишком высоких температурах масло начинает разлагаться или обугливаться, что приводит к потере его смазочных качеств.

Поэтому тепловая мощность электронагревателя (относительно небольшая) должна лишь обеспечивать нагрев масла до температуры, примерно на 10...20 К превышающей температуру окружающей среды, главным образом для того, чтобы предотвратить перетекание в картер жидкого хладагента, обусловленное эффектом холодной стенки Ватта.
Следовательно, из-за малой мощности такие электронагреватели совершенно неспособны служить для испарения больших количеств жидкого хладагента, который может попадать в картер при остановках компрессора (пути решения этой проблемы мы будем рассматривать в разделе 29. "Остановка холодильных компрессоров").
Заметим также, что если разработчик компрессора устанавливает электронагреватели повышенной мощности, он должен предусмотреть также и установку реле-терморегулятора, обеспечивающего контроль температуры масла и предотвращающего перегрев.

Однако, в связи с чисто экономическими соображениями этот способ контроля и поддержания температуры масла используется, как правило, только для больших компрессоров.

Каждый испаритель запитан через электромагнитный клапан, управляемый термостатом температуры (в камере) (поз. 1 и 2). Перед коллектором на магистрали всасывания от более теплой камеры (то есть камеры с температурой +4°С) установлен клапан постоянного давления для того, чтобы сохранять нужную температуру кипения в этой камере независимо от условий работы.
Что же может произойти, если камера № 1 работает, а камера № 2 остановлена?
Часть "теплых" паров, выходящих из клапана постоянного давления, может попасть в испаритель № 2, температура которого гораздо ниже, и там сконденсироваться.
Накопление большого количества жидкости в испарителе № 2 при включении этого испарителя может обусловить огромный приток жидкости во всасывающую магистраль компрессора и, следовательно, возникновение очень сильного гидроудара.

Во избежание такой опасности в подобных схемах всегда следует предусматривать установку обратного клапана на выходе из более холодных испарителей (поз. 5).

Примечание. Работа клапана постоянного давления (а также работа двух камер, работающих при одинаковой температуре, но различной влажности) рассмотрена ниже в разделе 61.

Д) Особенности решения проблемы предотвращения перетекания жидкости при использовании маслоотделителя

В традиционных кондиционерах маслоотделители в холодильном контуре используются не часто. Однако в промышленном и торговом холодильном оборудовании, особенно при очень низких температурах кипения, маслоотделители применяются гораздо чаще.



Анализ различных конструкций маслоотделителей не является предметом настоящего руководства (существует много литературы, описывающей конструкцию, преимущества и недостатки этих устройств), напомним только, что маслоотделитель (поз. 1 на рис. 28.17) устанавливается на нагнетающей магистрали компрессора.
Горячие газы, выходящие из нагнетательного патрубка компрессора, поступают в кожух (поз. 2), окружающий накопительную камеру маслоотделителя, снабженную поплавковым клапаном (поз. 3). Когда уровень масла в ней повышается, поплавок всплывает, открывая сливное отверстие, через которое масло под действием давления нагнетания может возвращаться в картер компрессора (поз. 4).
Во время остановок компрессора часть газа высокого давления, находящаяся в маслоотделителе, может конденсироваться, так как температура воздуха, окружающего маслоотделитель, ниже температуры газа. Сконденсировавшаяся жидкость, попадая в накопительную камеру, поднимает уровень жидкости в ней и поплавковый клапан открывается, в результате чего жидкий хладагент может попасть в картер.
Если его количество велико (низкая окружающая температура, большая длина трубопроводов...), при запуске компрессора мы столкнемся с теми же проблемами, которые описаны нами в части Г настоящего раздела.


Среди возможных решений этой проблемы (теплоизолированный маслоотделитель, подогрев маслоотделителя при остановках компрессора...) рассмотрим более подробно использование электроклапана, установленного на трубке возврата масла в картер (поз. 5).
Принципиальная схема управления электроклапаном возврата масла (EVH) представлена на рис. 28.18.
Во время остановки компрессора С (4-3) через контакты С (1-2) запитан электронагреватель картера RC (2-3), а электроклапан EVH (5-3) отключен контактами С (4-5). В результате слив жидкого хладагента из сепаратора, если он там есть, в компрессор невозможен

Когда компрессор вновь запускается, электронагреватель картера выключается, однако электроклапан EVH, управляемый через контакты реле времени компрессора С (4-5), не срабатывает.
В течение определенного промежутка времени с момента пуска компрессора, определяемого реле, горячие газы, проходящие через кожух маслоотделителя (поз. 2 на рис. 28.17), нагревают маслоотделитель, что приводит к испарению жидкого хладагента, который может находиться в накопительной камере. Примерно через 1-2 минуты контакты С (4-5) реле времени замыкаются, но в связи с тем, что маслоотделитель уже нагрет, опасность попадания большого количества жидкого хладагента в картер компрессора при этом практически исключена.

Поместим отвакуумированный баллон из-под хладагента в холодильную камеру, температура в которой поддерживается на уровне, например, 0°С.
Затем соединим этот баллон трубопроводом с таким же баллоном, находящимся вне камеры и заполненным жидким хладагентом R22 при температуре 20°С (ел/, рис. 28.1).
Поскольку трубопровод, соединяющий оба баллона, расположен вверху, перетекание жидкости под действием силы тяжести невозможно.
Манометры, установленные на обоих баллонах, показывают давление 8 бар, что соответствует давлению насыщенного пара R22 при температуре 20°С.
Через какое-то время, зависящее главным образом от количества жидкости, разности температур и диаметра трубопровода, соединяющего оба баллона, можно заметить, что вся жидкость переместилась в холодный баллон, а манометры показывают одно и то же давление 4 бар, соответствующее давлению насыщенного пара R22 при температуре 0°С!
Что же произошло? (Прежде, чем читать дальше, вы можете попытаться сами найти объяснение).