Показатели заполнения испарителей

При выборе показателя заполнения испарителя необходимо, чтобы он отражал фактическую степень заполнения и был физической величиной, которую можно измерить и использовать в автоматическом регуляторе.

К таким показателям, которые в большей или меньшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям, относят сухость и перегрев пара, уровень жидкости и температуру (давление) кипения.

Сухость пара. Этот показатель является наиболее объективным. В определенных пределах сухость пара на выходе из испарителя зависит от величины активно работающей поверхности испарителя. Однако отсутствие простых методов ее измерения и преобразования не позволяет использовать в качестве показателя заполнения.

Перегрев пара. Этот показатель наиболее распространен. Сущность процесса кипения состоит в том, что только в активной зоне испарения находится парожидкостная смесь при температуре насыщения. За пределами этой зоны происходят перегрев пара и доиспарение капель жидкости. Чем большую теплопередающую поверхность занимает зона перегрева, тем больше величина перегрева на выходе и тем меньше степень заполнения испарителя. Существуют достаточно простые методы измерения перегрева. Для этого измеряют температуру выходящего пара и температуру кипения (например, с помощью манометра с дополнительной температурной шкалой) и находят разность между ними. Достаточно просто могут быть устроены и преобразователи для автоматических регуляторов.

Схема (рис. 5.2, а) иллюстрирует процесс, происходящий в испарителе И и способ измерения перегрева. В установившемся режиме активная зона кипения располагается между точками а и б. На участке б-в происходит перегрев пара, величина которого зависит от поверхности участка, расхода хладагента и температуры входящего теплоносителя t_s1.

На графике (рис. 5.2, б) показана примерная эпюра температур и давлений в испарителе. Если пренебречь падением давления по длине испарителя, то давление во всех точках будет одинаково и равно р₀, а температура агента t_a будет равна t₀ на участке а-б. На участке перегрева б-в эта температура постепенно повышается до t_вых.

Рис. 5.2. Перегрев как показатель заполнения испарителя:

а - схема процесса кипения и измерения перегрева; б - эпюра давлений и температур в испарителе;

в - зависимость коэффициента теплопередачи от перегрева

Для нахождения перегрева необходимо термометром Т измерить температуру t_вых, по манометру М найти температуру t_о и далее определить перегрев как разность по формуле:

υ = t_вых – t₀.

Следует указать на два важных обстоятельства, характерных для реальных испарителей. Во-первых, давление на участке активного кипения понижается по мере продвижения хладагента от входа к выходу. Это необходимо учитывать при проектировании систем питания. Во-вторых, не существует резкой границы между зонами. Более того, установлено, что практически всегда на выходе испарителя присутствует жидкая фаза (особенно рельефно это проявляется при работе на хладонах с растворенным маслом). В результате поток на выходе является неоднородным и значение t_вых становится зависимым от способа измерений.

Несмотря на эти обстоятельства, перегрев является достаточно надежным и удобным показателем заполнения испарителей и может применяться для любого хладагента.

Степень заполнения испарителя и измеренный перегрев на выходе связаны между собой характеристикой, которая может рассматриваться как статическая характеристика испарителя.

Количественно степень заполнения может выражаться различными величинами, в частности условным коэффициентом теплопередачи испарителя, т.е. отнесенным ко всей поверхности испарителя. В качестве примера на рис. 5.2, в показан график изменения коэффициента теплопередачи от перегрева для одного из воздухоохладителей, работающего на хладоне. В области малых перегревов степень заполнения изменяется незначительно, т.е. характеристика благоприятна для регулирования по перегреву.

Следует добавить, что перегрев можно использовать как показатель заполнения любого испарителя при условии, что часть теплопередающей поверхности будет специально предназначена для создания перегрева. В аппаратах, где нет такой поверхности, перегрев как показатель заполнения неприменим.

Уровень жидкости в испарителе. Этот показатель заполнения можно использовать для испарителей затопленного типа, а также для других аппаратов, где неприменим перегрев.

Необходимо учитывать, что в зоне кипения находится парожидкостная смесь, физические свойства которой зависят от вида хладагента, содержания в нем масла, интенсивности кипения и др. В связи с этим измерение уровня кипящего хладагента и его преобразование для регулирования в некоторых случаях вызывают значительные трудности.

Наиболее просто использовать уровень как показатель заполнения для аммиака и углеводородов. Это связано с тем, что кипение не сопровождается вспениванием, пар легко удаляется из жидкости.

На схеме (рис. 5.3, а) показан кожухотрубный испаритель И, в котором хладагент кипит в межтрубном пространстве. Для измерения и регулирования уровня чаще всего применяют принцип сообщающихся сосудов. Для этой цели предназначен сосуд С, соединенный с испарителем жидкостной и паровой уравнительными линиями.

Рис. 5.3. Уровень жидкости как показатель заполнения:

а - схема; б - зависимость условного коэффициента теплопередачи испарителя

от уровня жидкого хладагента

Если в испарителе установился уровень Н_и, то в измерительном сосуде - уровень Н_с, который ниже уровня в испарителе. Разница в уровнях объясняется тем, что степень насыщения жидкости паром зависит от удельной тепловой нагрузки, которая в испарителе значительно больше, чем в измерительном сосуде. Следовательно, суммарная плотность кипящего хладагента в испарителе меньше, чем в сосуде.

Разница в плотностях хладагента, находящегося в испарителе и сосуде, приводит к ошибкам измерения уровня. Величина этой ошибки должна учитываться при проектировании систем питания.

На графике (рис. 5.3, б) приведена статическая характеристика испарителя как зависимость условного коэффициента теплопередачи от уровня жидкого хладагента. Расчетный коэффициент k_Уmах достигается при уровне в испарителе Н_Иmах и уровне в сосуде Н_Сmах. Разница в уровнях обнаруживается и при иных значениях коэффициента теплопередачи. Следует иметь в виду, что график справедлив только для одного режима работы. При других значениях тепловой нагрузки и температуры кипения зависимость будет иной.

Особое влияние режимов на уровень хладагента в измерительном сосуде ощущается при работе на хладонах. Высокая интенсивность кипения, наличие в хладагенте растворенного масла приводят к вспениванию смеси, в результате чего ее плотность значительно уменьшается, и в ряде случаев использование уровня в качестве показателя заполнения становится невозможным.

Существуют методы измерения и преобразования уровня, не связанные с применением сообщающихся сосудов. При этом чувствительный элемент вводится непосредственно в полость аппарата. Некоторые из таких методов можно использовать даже в тех случаях, когда не обнаруживается четкой границы раздела сред.

Температура (давление) кипения. В холодильной машине температура кипения зависит от характеристик компрессора и испарителя. На графике (рис. 5.4) точка а пересечения характеристик компрессора Q_км и испарителя Q_и1 соответствует номинальной холодопроизводительности Q_ном при температуре кипения t_оа.

Рис. 5.4. Температура (давление) кипения как показатель заполнения

Характеристика испарителя построена по уравнению:

Q_и = kF (t_s – t₀),

где k - коэффициент теплопередачи; F - теплопередающая поверхность; t_s и t₀ - температуры холодоносителя и кипения.

Если при неизменной температуре холодоносителя изменить количество подаваемого жидкого хладагента (например, уменьшить), то уменьшится активная теплопередающая поверхность F, а следовательно, изменится наклон характеристики испари теля Q_и2. При этом понизятся температура и давление кипения t_об.

Изменение температуры и давления кипения можно использовать для автоматического регулирования. При этом на температуру кипения могут оказывать влияние температура конденсации, тепловая нагрузка на испаритель, изменение состояния теплопередающей поверхности и др. Поэтому надежная связь между степенью заполнения испарителя и температурой кипения сохраняется только при исключении влияния указанных факторов. Трудность выполнения этого условия обусловливает сравнительно малое распространение систем, работающих по температуре или давлению кипения.