Каскадная холодильная машина danfoss
Легких каскадов не бывает
Эта статья рассказывает о работе, которой я занимался в течение последнего года. Работа, как мне в начале казалась, простая и легкая. Но… Не все так просто, как кажется на первый взгляд.
Теория
реклама
Схема 1. Каскадная машина
реклама
Цитата из учебника: «Простейшая каскадная машина (схема 1) состоит из двух одноступенчатых машин, называемых верхней и нижней ветвью каскада. Нижняя ветвь каскада отнимает тепло у потребителя холода и работает на агенте высокого давления, а верхняя, работающая на агенте, применяемом для умеренных температур, охлаждает конденсатор нижней ветви»
А теперь подробнее. Верхняя (по температурной шкале) ступень каскада состоит из компрессора, конденсатора, ресивера, смотрового стекла, фильтра, ТРВ и испарителя-конденсатора. Испаритель верхней ступени и конденсатор нижней объединяют в одно устройство – теплообменник. Назначение компрессора и конденсатора мы рассматривать не будем. Оно изложено выше. Идем дальше – ресивер.
Заумно и непонятно? Можно проще. Ресивер необходим для стабильной работы ТРВ. Для того, чтобы ТРВ работал нормально, необходимо подавать ему на вход жидкий хладагент, не содержащий паров. А запас этого жидкого хладагента и обеспечивает ресивер.
Проконтролировать то, что на ТРВ поступает жидкость без пузырьков газа можно через смотровое стекло.
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) является наиболее распространенным устройством регулирования подачи хладагента в испарители холодильных установок. ТРВ представляет из себя устройство с высоким гидравлическим сопротивлением, способное менять свое проходное сечение и, таким образом, регулировать количество поступающего в систему хладагента и его давление.
В этом случае используется ТРВ с термобаллоном. Помимо пружины, в нем на иглу действует сила, создаваемая давлением паров в термобаллоне, которая зависит от температуры баллона. Разместив баллон на выходе испарителя можно получить постоянную степень перегрева рабочего тела. И у нас не будет ни перелива хладагента в испаритель, ни его недостатка при резком повышении нагрузки.
Теплообменник (ТО). Это устройство является испарителем верхней и конденсатором нижней ступени каскада одновременно.
Теперь рассмотрим нижнюю ступень каскада. Компрессор сжимает низкотемпературный фреон, который поступает в предохладитель. Предохладитель представляет из себя обычный конденсатор небольшой мощности. Служит для предварительного охлаждения паров фреона, перед поступлением их в теплообменник. Он снижает нагрузку на верхнюю ступень каскада. Охлажденные пары фреона поступают в маслоотделитель.
После маслоотделителя поток разделяется на две магистрали – линию возврата масла в компрессор и поток паров фреона, идущих в теплообменник.
На линию возврата масла ставится смотровое стекло и вентиль. С помощью вентиля масло, скопившееся в маслоотделителе, сливается обратно в компрессор. А контролировать этот процесс можно по смотровому стеклу. Для уменьшения скачков давления в системе в магистраль лучше впаять кусок капиллярной трубки.
А теперь про линию, идущую в теплообменник. В ТО пары конденсируются и поступают через фильтр на дроссель. Теплообменник можно изготовить самостоятельно, или приобрести готовый.
После ТО фреон поступает в дроссель, а затем в испаритель, где хладагент кипит (испаряется) при пониженном давлении. Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого объекта. После чего пары фреона возвращаются в компрессор.
реклама
Вот так, все вроде просто и понятно. Так поначалу показалось и мне. Было даже удивительно, почему у российских оверклокеров каскадные машины можно пересчитать по пальцам одной руки. Очень захотелось самому построить подобную машину.
Но, хватит слов, пора переходить к делу.
Подбор комплектующих
реклама
Компрессоры
Вообще из практики каскадостроителей установлено, что мощности компрессора верхней ступени много никогда не бывает. Поэтому лучше было бы взять более мощный компрессор, с объемом цилиндра более 26-ти кубиков. Но с повышением мощности значительно возрастает цена. Еще очень хороший вариант – использование роторных компрессоров. Но там свои сложности.
Выход из ситуации предложил Boud. Он посоветовал поставить в нижнюю ступень расширительную емкость.
реклама
Принцип работы такой. После запуска, когда верхняя ступень охладила ТО, закрывается вентиль 2 и 3. Вентиль 1 открыт. Запускаем нижнюю ступень. Компрессор включается. Начинаем понемногу заполнять нижний контур 23-м из расширительной емкости. Порциями. Открывая и закрывая вентиль 3. Для более плавного пуска в магистраль лучше впаять кусок капилляра, длиной 30-40 см. Чем длиннее капилляр, тем более плавно происходит пуск. В этом случае будет достаточно мощности относительно небольшого компрессора. Низкотемпературный фреон охлаждается постепенно. Поэтому и снижаются требования к мощности компрессора.
Расширительная емкость полезна еще и для снижения стояночного давления. При выключении каскада возможно значительное повышение давления в нижней ступени, т.к. когда машина не работает, температура всех ее частей выравнивается с температурой окружающей среды. А как мы знаем, при температуре +25 давление насыщенных паров фреона 23 составляет 47,3 атм. Что немало. Тот же сильфон, используемый для всасывающей трубки, сертифицирован на давление до 16-ти атм. Так что может произойти грандиозный «пиф-паф», чего естественно не хочется.
Для предотвращения этого и подключают к системе сосуд, называемый расширительной емкостью. Объем же рассчитывается так, чтобы при остановке машины весь агент высокого давления превратился в пар, давление которого при этом не превысило бы расчетного давления всей остальной аппаратуры.
реклама
Так же если понадобится что-то переделать в системе, низкотемпературный хладагент можно закачать в расширительную емкость, отсечь ее от остального контура вентилями. И спокойно работать. Большая часть дефицитного и дорогостоящего хладагента сохранится. Работает это так. Выключаем верхнюю ступень каскада. Низкотемпературный фреон больше не конденсируется, а только испаряется. Закрываем вентиль 1 (см.схему 2) и вентиль 3. А вентиль 2 открываем. Компрессор закачивает хладагент в емкость. Проконтролировав давления в контуре по манометрам, закрываем вентиль 2 и выключаем компрессор нижней ветви. Каскад выключен. Большая часть низкотемпературного фреона в закрытой емкости.
Громоздкость расширительной емкости окупается полностью гарантированной защитой от высокого давления. Под такую емкость, в моем случае, идеально подходит пустой баллон из-под 22-го или 404-го фреона. Желательно без обратного клапана. Обратный клапан стоит в кранике баллона. Он не даст закачивать в нее газ. Гарантия, что в баллон не попадет другой фреон. Баллон получается как бы одноразовый. Но китайские производители обычно «забывают» его ставить.
В этот баллон впаивается несколько штуцеров. Сколько? Зависит от схемы включения емкости.
Итак, исходя из вышеизложенного, были выбраны и приобретены два компрессора:
реклама
Компрессор для нижней ступени надо выбирать по совместимости масла с низкотемпературным фреоном. Самое универсальное масло: POE (Polyol Ester). Это все компрессоры, рассчитанные на фреон R-404.
Конденсатор
реклама
В рабочем режиме верхней ступени достаточно конденсатора мощностью 1 кВт. Но при старте потребуется отвести до двух киловатт. Я приобрел BC218W075(2168) производительностью Q – 1900 Bт.
Предохладитель LU-VE 800 Вт. Мощность предохладителя я не выбирал. Такой у меня был в наличии.
Ресивер
Так же для стабильной работы ТРВ в верхнюю ступень необходимо поставить ресивер. Ресивер, это сосуд для хранения жидкого рабочего тела под высоким давлением перед подачей его к устройству понижения давления.
Предназначен для хранения основного запаса рабочего тепла и излишков рабочего тепла, выведенных из области конденсации, низкого давления и обратного потока в связи с изменением режима работы установки.
Объем его должен быть больше объема жидкостной линии после ТРВ/капилляра. Для теплообменников это весьма важно, но, в этом случае, проще взять ресивер заведомо чуть большего объема и не заправлять его по максимуму. У меня стоит BC-RV- 1,2L.
Смотровое стекло
Смотровое стекло желательно поставить после ресивера. По нему удобно будет контролировать заправку и степень конденсации верхнего контура. Так же смотровое стекло ставится на магистраль, возвращающую масло в компрессор после маслоотделителя нижнего контура.
Фильтры
Фильтр в верхнюю ступень вполне подойдет «карандашного» типа. Но, желательно, побольше. В нижнюю же лучше поставить более серьезный прибор. Нижняя ступень намного чувствительнее к наличию влаги в системе.
Манометры
Для контроля работы каскада желательно предусмотреть стационарно установленные манометры.
Переходник накручивается на манометр с лентой ФУМ. Мотать надо немного, пару витков. Манометры можно подключить через капилляр. Капилляр даже улучшает показания манометров, т.к. они становятся более инерционными и на нагнетании, если манометр не глицериновый, пропадает дрожание.
Современные ТРВ состоят как бы из двух частей. Собственно самого ТРВ и клапанного узла. Другое название дюза, вставка. Эта вставка и определяет мощность ТРВ. Находится под нижней (см. фото) гайкой.
У меня стоит вставка 001. 3,2 кВт для R-22, при Ткип.-50С, Т конд.+400С. На первый взгляд может показаться, что она несколько великовата, но этот запас мощности очень пригодится при пуске каскада. К тому же более мощные ТРВ лучше работают при меньшей мощности, чем более слабые ТРВ, работающие на превышающей номинал мощности.
Danfoss представил обновленный каталог стандартных холодильных машин
Данное пособие содержит типовые схемы различных стандартных холодильных машин и спецификации их основных компонентов.
Каталог стандартных холодильных машин впервые был опубликован в 2013 году. В нем было собрано порядка 30 самых распространенных на тот момент схемных решений для коммерческих систем холодоснабжения. Следующее серьезное обновление он получил в 2019 году. Во втором издании компания существенно увеличила количество схем и улучшили их детализацию. В нем подробно показаны как коммерческие, так и полупромышленные системы холодоснабжения. В версию 2.0 были добавлены технические решения по ЦХМ с частотным регулированием, бустерным CO2 системам, оттайке горячим газом, рекуперации, а также новые варианты существующих схем.
В новой версии 2.1 каталога стандартных холодильных машин учтены последние новинки продукции Danfoss для различных применений. Добавлены новые схемы. Благодаря этому каталог стал еще подробней и практичнее.
Новые схемы в версии 2.1
Схема №17. Холодильная машина с компрессором винтового типа с экономайзером, термосифоном и системой зимнего пуска
Схема №21. Многокомпрессорная сателлитная холодильная машина с частотным регулированием производительности компрессора и системой зимнего пуска
Схема №33. Чиллер многокомпрессорный c ЭРВ с конденсатором воздушного охлаждения и системой зимнего пуска
Схема №34. Чиллер двухконтурный многокомпрессорный c ЭРВ с конденсатором воздушного охлаждения и системой зимнего пуска
Схема №46. Обвязка воздухоохладителя высокой мощности с ICF при оттайке горячим газом
Схема №47. CO2. Каскадная холодильная машина
Схема №48. CO2. Обвязка воздухоохладителя при насосной подаче
Схема №49. CO2. Малая бустерная холодильная машина
Обновление каталога «Стандартные холодильные машины»
Опубликованный впервые в 2013 году, каталог стандартных холодильных машин на тот момент включал около 30 самых распространенных схемных решений для коммерческих систем холодоснабжения. Следующее масштабное обновление произошло в 2019 году: во втором издании существенно увеличилось количество схем и улучшилась их детализация. В нем были подробно показаны как коммерческие, так и полупромышленные системы холодоснабжения. В версию 2.0 были добавлены технические решения для центральных холодильных машин с частотным регулированием, бустерных CO2 систем, оттайки горячим газом, рекуперации, а также новые варианты существующих схем.
В 2020 году специалисты «Данфосс» подготовили очередное обновление, реализованное в редакции 2.1. В этой версии каталога стандартных холодильных машин учтены последние новинки продукции Danfoss для различных применений, добавлены новые схемы. При разработке во внимание принимались комментарии и пожелания профессионалов отрасли, что позволило сделать пособие еще подробнее и практичнее.
Новые схемы в версии 2.1:
Схема № 17. Холодильная машина с компрессором винтового типа с экономайзером, термосифоном и системой зимнего пуска
Схема № 21. Многокомпрессорная сателлитная холодильная машина с частотным регулированием производительности компрессора и системой зимнего пуска
Схема № 27. Реверсивная холодильная машина — тепловой насос для НТ применения
Схема № 33. Чиллер многокомпрессорный c ЭРВ с конденсатором воздушного охлаждения и системой зимнего пуска
Схема № 34. Чиллер двухконтурный многокомпрессорный c ЭРВ с конденсатором воздушного охлаждения и системой зимнего пуска
Схема № 46. Обвязка воздухоохладителя высокой мощности с ICF при оттайке горячим газом
Схема № 47. CO2. Каскадная холодильная машина
Схема № 48. CO2. Обвязка воздухоохладителя при насосной подаче
Схема № 49. CO2. Малая бустерная холодильная машина
Каскадная холодильная машина danfoss
В связи с последними решениями о сохранении озонового слоя земли, область «низкого холода» испытывает определенные трудности, связанные с использованием фреонов, содержащих хлор, в частности, R13, в установках, срок службы которых, правда, уже давно закончился, но они «почему то еще продолжают работать».
В данном файле представляем циклы каскадных машин. Именно с каскадными машинами возникают проблемы при ремонте и работах, связанных с заменой хладагента. И, зачастую, непонятно, что делать, чтобы машину вывести на режим.
Надеемся, что данная информация будет полезной специалистам, которым по роду своей деятельности придется заниматься каскадными машинами.
1 На рис. 1 и в дальнейшем индексами «в» и «н» обозначены величины, относящиеся соответственно к верхней и нижней ветвям каскада. Величины, относящиеся к каскадной машине в целом, обозначены без дополнительных индексов, например to.
Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в системе нижнего каскада применяют следующие методы.
1. Поддержание в конденсаторе нижней ветви низкого давления за счет непрекращающейся цикличной работы верхней ветви каскада. Этот метод требует повышенной надежности верхней ветви и связан с перерасходом электроэнергии, когда потребителю не требуется холод.
2. Установка дополнительного сосуда повышенной прочности, в который во время стоянки машины перепускают весь жидкий агент высокого давления. Но это требует очень надежной запорной арматуры, отключающей этот сосуд, и связано с усложнением схемы, которая должна обеспечить полную эвакуацию жидкости из всех остальных участков системы.
3. Подключение к системе сосуда, называемого расширительной емкостью, рассчитанного так, чтобы при остановке машины весь агент высокого давления превратился в пар, давление которого при этом не превысило бы расчетного давления всей остальной аппаратуры. Громоздкость расширительной емкости окупается полностью гарантированной защитой от высокого давления. Расширительные емкости больших размеров часто располагают вне помещения.
Из-за больших абсолютных значений давления и малых их отношений объемные и энергетические коэффициенты компрессора повышаются. Это приводит к дальнейшему уменьшению описанного объема компрессора, снижению энергетических затрат и повышению экономичности установки.
Из указанных особенностей агентов высокого давления следует:
— каскадная машина, состоящая из двух одноступенчатых ветвей, выгоднее низкотемпературной двухступенчатой, работающей с вакуумом на всасывании;
— каскадная машина с двухступенчатой нижней и одноступенчатой верхней ветвями выгоднее машины с одноступенчатой нижней и двухступенчатой верхней ветвями;
— еще выгоднее трехкаскадная машина (работающая на трех агентах) с тремя одноступенчатыми ветвями.
Для каскадной машины на фреонах-13 и 22 при таком же значении произведения отношений
Области возможного и целесообразного применения различных холодильных машин с фреонами-22, 13 и 14 см. в таблице.
Каскадные машины начали серийно выпускать сравнительно недавно и то лишь на нижней границе применимости двухступенчатого сжатия. Объясняется это тем, что сравнительные анализы проводились лишь для теоретических циклов.
Возможная область применения
Область выгодного применения
Двухступенчатая на Ф-22
1 ступень Ф-13 и 1 ступень Ф-22
2 ступени Ф-13 и 1 ступень Ф-22
1 ступени Ф-14, 1 ступень Ф-13, 1 ступень Ф-22
Реальные схемы каскадных машин обладают некоторыми особенностями. На рис. 4 показана схема цикла фреоновой каскадной машины ФКМ 25-90, предназначенной для работы при температурах t0=-90÷-70 °С. Верхняя ветвь представляет фреоновую одноступенчатую машину с регенеративным теплообменником TOв (см. рис. 5).
В нижней ветви (см. рис. 4) фреон-13, выходящий из испарителя, перегревается не в одном, а в двух теплообменниках: газо-жидкостном ТOн1 и паровом ТOн2.
2 Охлаждение водой обычно осуществляется в маслоотделителе
С другой стороны, при отсутствии теплообменника ТОн1 ниже Q0 так как холод, которым располагает пар, поступающий из испарителя, не полностью используется для увеличения q0 на величину равную i5н—i6н, а лишь для снижения нагрузки на К∂И, благодаря чему q0 увеличивается лишь частично (за счет снижения tов и tкн). Кроме того, отсутствие переохлаждения жидкости перед РВн ухудшает его работу.
Следовательно, исключать из схемы нижнего каскада парожидкостный теплообменник ТОн1 нецелесообразно.
Иногда в схемах каскадных машин применяют смешанные теплообменники, в которых пары фреона-13 перегреваются жидким фреоиом-22. Термодинамических выгод по сравнению с теплообменниками, работающими на одном агенте, это не дает и усложняет установку.
К недостаткам каскадных машин (по сравнению с двухступенчатыми) относятся:
— более сложная схема цикла, включающего дополнительные теплообменные аппараты и расширительную емкость;
— в каскадных машинах компрессор верхней ветви не соединен с испарителем. Поэтому каскадная машина не может охлаждать испаритель только верхней ступенью. Если требуется холод при различных температурах, то установку приходится снабжать дополнительным испарителем, соединенным с компрессором верхнего каскада, либо предусматривать самостоятельную одноступенчатую машину. При отсутствии таких устройств работа установки при повышенных температурах будет неэкономичной (например, при температуре в камере 0 °С придется поддерживать t0=-70 °С).
Указанные недостатки усугубляются при увеличении числа каскадов.
Рассмотрим методику расчета и построения характеристик каскадной машины (см. рис. 4).
Перед началом расчета задаются следующими величинами:
2/. t3н=+25 ° ÷ +35 °, из условия возможности охлаждения водой в холодильнике ПХ;
3/. t9н = tкн-10 °, из условия недорекуперации в теплообменнике TОн1 в 10 °;
4/. t1в= 0 ° (перегрев на всасывании в компрессор фреона-22).
Основные расчетные величины определяют следующим образом:
— холодопроизводительность машины
— холодопроизводительность 1 кг фреона-13
Подставив в формулу (2) i6н получим
Основной баланс, связывающий работу нижней и верхней ветвей каскада без учета потерь холода в окружающую среду
холодопроизводительность 1 кг фреона-22
Энтальпия в точке 4н определяется из баланса теплообменника ТОн2
Отношение количества фреона-22, циркулирующего в верхней ветви, к количеству фреопа-13, циркулирующего в нижней, определяется из теплового баланса конденсатора-испарителя (5)
В связи с тем, что удельная теплота парообразования у фреона-22 больше, чем у фреона-13, значение μ верхней ветви
Холодильный коэффициент теоретического цикла
Рассмотрим два варианта определения pов и pкн (при заданных t0 и tк):
— конструкция К∂И неизвестна (в предварительных расчетах);
— конструкция К∂И задана. В обоих вариантах считаем известными объемы компрессоров VKмн и VКмв, их рабочие коэффициенты и схему цикла.
I. Конструкция К∂И неизвестна. При этом перепад температур в конденсаторе-испарителе ΔtКдИ принимают таким, чтобы при наивысшей t0 (в требуемом диапазоне работы) он не превышал 10 °С, а при наинизшей t0 не превышал 5 °С. Обычно если диапазон t0 менее 10°, то лимитирующим является 2-е требование; при более широком диапазоне t0 лимитирующим оказывается 1-е требование (ΔtКдИ 
10 °). Таким образом, задавшись, например, ΔtКдИ = 10 ° (при t0max), что определяет поверхность К∂И, находят затем ΔtКдИ во всем диапазоне t0.
С повышением t0 возрастают нагрузки QКдИ и температуры tкн и tов. При этом перепад
увеличивается, но не пропорционально возрастанию QКдИ (из-за повышения k). Для предварительных расчетов, исходя из условия, что с понижением t0 на 10 ° С QКдИ уменьшается примерно в 2 раза, а также с учетом снижения k, ориентировочно можно принять:
а) при большом диапазоне t0, задавшись 
(10 °С) при t0max
б) при малом диапазоне t0, приняв 
(5 °С) при t0min
Зная ΔtКдИ, на ось абсцисс (рис. 6) наносим две шкалы:
Задаваясь различными tов, строим характеристику верхней ветви Qов = f (tов) при tк=const (30 °С) по формуле (7), в которой
На том же графике строим характеристики нижней ветви: Qкн = f (tкн) по формуле (6) и Qон = f (tкн) по формуле (1) при различных t0 = const. В указанных формулах значение
II. Конструкция К∂И задана. Строим характеристику верхней ветви Q0=f(t0) для различных tк (рис. 7, а). При точных расчетах из Qов следует вычесть потери через наружную поверхность конденсатора-испарителя. На этом же графике строим характеристику конденсатора-испарителя QКдИ=f(tов) для различных tкн
Значение k в зависимости от температур и нагрузки определяется методом последовательных приближений. Кривые QКдИ для tкн=const близки к прямым, так как с понижением tов вследствие изменения свойств холодильного агента α снижается, а с ростом нагрузки повышается α. Однако линии QКдИ для различных tкн не параллельны, так как с понижением tкн k понижается. В приближенных расчетах линии QКдИ можно принимать прямыми и параллельными.
Точки пересечения 1, 2 и 3 характеризуют совместную работу компрессора верхнего каскада и конденсатора-испарителя. Например, для точки 1 tкн=-30 °, а tов =-38°С. Кривые, характеризующие совместную работу Кмв и К∂И, перестраивают на отдельный график (рис. 7, б) в координатах Qов(КМв+КдИ)-tкн, так как для верхней ветви (Кмв и К∂И) внешним параметром является tкн (температура охлаждаемой среды).
где Qов берется из рис. 7,б, a qон и qкн из расчета цикла. Величина 
означает, что Qов может обеспечить работу нижнего каскада (индекс «н»), если его холодопроизводительность 
. Поэтому точки на пересечении характеристик Qов и для одинаковых tкн определяют искомую характеристику каскадной машины Q0=f(t0). Аналогичное построение проводится и для других значений tк (на рис. 7, в показано пунктиром).
При проектировании новой машины (или ряда машин) задаются конкретными объемами, описанными поршнями для компрессоров каждой ветви, либо их отношением. Рассмотренным только что методом находят промежуточные температуры tкн и tов и определяют допустимость отношений давлений в каждой ветви и работоспособность машины при полученных давлениях во всем намеченном диапазоне работы. Желательно, чтобы отношения давлений в разных ступенях были близки между собой.