Одним из важнейших вопросов при эксплуатации холодильного оборудования, является вопрос его эффективности. Не секрет, что по мере старения оборудования, происходят процессы, которые крайне негативно влияют на оборудование. Эти процессы затрагивают все без исключения элементы холодильной установки, однако, отдельно хочется уделить внимание расширительному устройству. Под расширительным устройством, в данном случае мы подразумеваем механический ТРВ.
(Про остальные типы устройств, мы расскажем в дальнейшем)
ТРВ - терморегулирующий вентиль, это основной элемент холодильной установки, обеспечивающий подачу необходимого количества жидкости в испаритель, в зависимости от тепловой нагрузки на него. В процессе прохождения жидкости через ТРВ, протекает процесс дросселирования, сопровождающийся снижением давления.
Снижение давление жидкости, происходящие после дросселирования в ТРВ, приводит к снижению температуры кипения. Таким образом, жидкость кипит в теплообменном аппарате при низком давлении, за счёт подвода тепла от источника. Источником же тепла может быть как воздух, так и жидкие теплоносители, вода, растворы гликолей, рассолы и т.д.
Очевидно, что процесс отвода тепла в испарителе, является одним из важнейших критериев, при оценке качества работы установки в целом. Но на этот процесс, оказывает значительное влияние работа ТРВ, который обеспечивает подачу жидкости в него. Все неисправности или дефекты в работе ТРВ, сразу передаются и на испаритель. Что в свою очередь резко снижает холодопроизводительность установки, а следовательно её эффективность.
Среди основных недостатков механических ТРВ можно выделить следующие:
1. Высокая инерционность, при контроле перегрева пара. Перегрев пара, является обратной связью, которую получает ТРВ. Этот параметр в достаточно надёжно описывает процесс кипения жидкости в испарителе. Как и любая обратная связь, она имеет свои особенности. Одна из главных её особенностей, это высокая инерционность.
Особенно необходимо заметить, что самым негативным образом влияет инерционность на работу системы, в моменты изменения параметров жидкости на входе в ТРВ, которые могут быть очень значительными (процесс попадания механической смеси пара и жидкости, который тоже доставляет много проблем, мы не рассматриваем).
Не секрет, что даже при полностью заполненном жидкостью подающем трубопроводе, её свойства, в первую очередь теплота парообразования, зависит от температуры и давления перед процессом дросселирования. В процессе работы установки, особенно оснащённой системой переохлаждения, эти параметры во времени могут претерпевать значительные изменения. Инерционность вентиля зачастую не позволяет качественно отрабатывать эти изменения. Таким образом, в ТРВ начинается колебательный процесс, следствием которого является нарушение в нормальном заполнении теплообменника кипящей жидкостью, а это в свою очередь приводит к сильному снижению эффективности не только самого испарителя, но и установки в целом!
2. Нестабильности, проявляющиеся при работе испарителя при низких тепловых нагрузках. Как правило, механические ТРВ подбираются на номинальную производительность теплообменника. На практике, такие режимы встречаются совсем не часто. Однако, эффективность установки должна быть обеспечена во всех режимах, отличных от номинального. Решение задачи по поддержанию эффективности в режимах с низкой тепловой нагрузкой, зачастую найти крайне сложно.
Все практические способы, оптимизации работы установки при низкой тепловой нагрузке на неё, нередко имеют следствием снижение её эффективности. Это во многом объясняется необходимостью устранения именно эффекта нестабильности при работе ТРВ. Стоит заметить, что при подстройке работы установки в таких режимах, как правило, происходит целенаправленное воздействие на параметры установки, целью которого является умышленное снижение общеё эффективности прежде всего для стабилизации работы ТРВ.
Это можно объяснить тем, что например, исключение режима переохлаждения, независимо от способа его получения (экономайзер или внешний источник), всегда влечёт снижение эффективности охлаждения, однако, приводит к более "стабильной" работе ТРВ, так как происходит увеличение степени его открытия.
3. Снижение производительности при работе в режимах с низким перепадом давления. Температурой конденсации/кипения. Это становиться всё более заметным недостатком работы ТРВ, с расширением технологий управления, не только конденсаторами, но и компрессорами.
Как испаритель, так конденсатор, обеспечивает процесс теплообмена, эффективность которого во многом определяет и эффективность всей установки. Конденсация, как процесс переноса тепла в окружающую среду, значительно влияет на величину работы, затрачиваемой компрессором, а следовательно и всей установкой. Не секрет, что с ростом температуры конденсации, средняя эффективность работы установки и её холодопроизводительность падает примерно в соотношении до 2% на 1 градус роста. В этой связи, всё более распространенными становятся способы автоматического снижения температуры конденсации, что в свою очередь приводит и к снижению давления жидкости на входе в ТРВ. Отдельно нужно указать, что даже при отсутствии систем автоматического снижения давления конденсации, целью которых является энергосбережение, проблема с недостаточным давлением жидкости очень сильно проявляется при пусках установки в холодный период. Затруднённые пуски при низком давлении конденсации, когда на улице очень низкие температуры приводят к повышенному потреблению энергии и риску повреждения основных компонентов, которые обусловлены частичным подавлением защитных блокировок.
Отдельным пунктом необходимо заметить, что на перепад давления при котором происходит процесс дросселирования в ТРВ, влияет не только значение давления на входе в ТРВ, но и на выходе из него. На выходе из ТРВ давление немного большее чем давление в испарителе, на величину определяемую способом распределения жидкости в испарителе. Одним из способов повышения эффективности работы установки, является система управления интенсивностью теплового потока, по средствам изменения температурной разницы. Этот способ построен на максимально возможном повышении давления кипения жидкости в испарителе. В этом способе температурная разница изменяется при помощи повышения температуры испарения, а следовательно и давления. Это в частности снижает необратимость в процессе теплообмена в испарителе.
В совокупности оба способа повышения эффективности, рост давления испарения и снижение давления конденсации, приводят к снижению рабочего перепада давления на механическом ТРВ, что сильно снижает его производительность и делает его работу крайне нестабильной. А нестабильность работы ТРВ, делает нестабильным эффективность работы испарителя и всей установки.
Немаловажным будет уделить немного внимание еще одному процессу, подавление которого происходит с повышением температуры испарения. Это выпадение влаги из воздуха на теплообменной поверхности. Так в процессе охлаждения (иначе тепловой обработке) воздуха, помимо самого охлаждения газа, протекает процесс снижения его влагосодержания. Влага удаляемая из воздуха покрывает поверхность теплообмена со всеми вытекающим от сюда проблемами. Причём с ростом разницы температур между температурой стенки теплообменника и воздухом на входе это процесс имеет свойства интенсификации. Т.е. при снижении температуры кипения происходит интенсификация вымораживания влаги в испарителе, что требует в конечном итоге, более частых и интенсивных процессов её удаления, что тоже требует весьма не малых затрат энергии.
Таким образом, механический ТРВ несмотря на свою простоту, тем не менее является одним из тех элементов современной холодильной установки, который приводит к снижению её эффективности, прежде всего исходя из своей конструкции. Особенно значительно на установке отражается процесс старения основных узлов ТРВ. Как и в любом регулирующем клапане, в нём присутствует подвижная система регулирования потока. Которая в процессе эксплуатации подвержена износу. Изнашивается не только сам запорный орган клапана, но и шток. Это приводит к росту протечек в узле клапана или в радикальных случаях к его блокировке в определённых положениях. При блокировке клапана, прекращается действие регулирования, что приводит к неприятным последствия, в зависимости от положения в котором заблокирован клапан.
Электронные ТРВ.
С развитием систем и технологий управления, всё активнее происходит применение электронных ТРВ. Позиционирование электронных ТРВ, как источников повышения эффективности, однако, не совсем корректно. Повышение эффективности работы установки, прежде всего происходит за счёт оптимизации основных процессов. Электронный ТРВ позволяет произвести их оптимизацию на практике, не повлияв при этом на их стабильность. Это обусловлено некоторыми преимуществами электронного ТРВ, которые достигаются при применении самого ТРВ с блоком электронного управления (мы умышленно не рассматриваем тип электронного ТРВ, импульсный или шаговый, с целью вернуться к этому во второй части):
1. Меньшая зависимость от перепада давления в процессе работы клапана, в сравнении с механическим ТРВ. Это позволяет проводить динамическую оптимизацию как процесса испарения, так и процесса конденсации, не нарушая стабильного состояния системы. Особенно это относится к внедрению так называемой "плавающей" в след за температурой окружающей среды, температурой конденсации. Также благоприятно решается вопрос затруднённых пусков при низком давлении жидкости на входе в ТРВ при низких температурах воздуха.
2. На порядок более низкая инерционность, позволяющая практически без задержек реагировать на изменения, по обе стороны поверхности теплообмена. Таким образом, резкое изменение тепловой нагрузки на испаритель или качественных свойств жидкого хладагента, будут обработаны приводом электронного ТРВ. Работа современных алгоритмов управления, позволяет не просто интенсивно реагировать на изменения, а также стабилизировать режим в короткий срок. Это достигается применением как продвинутых ПИД-регуляторов, так и дополнительных параметров способных ограничивать действия закономерного регулятора в явно выраженных переходных процессах, например при запуске.
3. При применении электронного блока управления, электронный ТРВ, может поддерживать максимальную эффективность даже на предельно низких тепловых нагрузках, без значительной потери стабильности в работе, что особенно немаловажно в тех установках, где сильно проявляется сезонность в графиках нагрузки. Это лишает необходимости в принудительном снижении эффективности, в угоду стабильности.
4. Практически все производители блоков управления электронными ТРВ, предлагают прогрессивные технологии управления и адаптивной подстройки привода. Что в купе с большим количеством опций и дополнительных функций практически не оставляет никаких преимуществ механически ТРВ. Очень важным также является возможность дополнительных прикладных применений блока управления электронным ТРВ. Он позволяет не только удалённо управлять и менять настройки управления, но также позволяет анализировать работу ТРВ, на которой отражаются практически все даже незначительные неисправности остальных компонентов холодильной установки. Это очень весомый аргумент при решении перейти на электронные ТРВ!
Поводя промежуточный итог первой части сравнения старых добрых механических ТРВ с их электронными аналогами, необходимо обязательно повторить, что электронные ТРВ сами по себе не являются ни мощным способом повышения энергоэффективности, ни панацеей от всех проблем, которые есть в работе оборудования. При их установке, существует вероятность получить даже обратный эффект, который не просто не стабилизирует работу оборудования, а приведёт к ещё большему ухудшению работы.
Важно также помнить, что электронные ТРВ являются действенным инструментом при стабилизации рабочих процессов внутри холодильной установки, при общей оптимизации её работы! А это значит, что подход направленный, например, на изменение общей архитектуры управления установкой, направленной на подавление негативных особенностей механических ТРВ, даст практически эквивалентный результат при эксплуатации оборудования.
При решении по какому пути идти, необходимо оценить экономическую составляющую обоих вариантов, именно она как правило, делает применение электронных ТРВ более выгодным, чем глубокое изменение архитектуры управления.
А Вы что думаете по этому поводу?
Насколько целесообразно применение электронных ТРВ в Вашем случае?
