Исследование работы сплит-кондиционера в режиме охлаждения при различных температурах наружного воздуха

УДК 697.94

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СПЛИТ-КОНДИЦИОНЕРА В РЕЖИМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА

© Е.Э. Баймачев1, С.С. Макаров2, О.В. Сухарева3, С.И. Кузнецов4

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты экспериментальных исследований работы парокомпрессионной холодильной машины сплит-кондиционера на хладагенте R22 в различных температурных условиях. Представлены полученные в ходе исследований зависимости термодинамических характеристик хладагента в характерных точках системы: после испарителя; после компрессора; после конденсатора; после дросселя (капиллярной трубки). Установлены причины возможных выходов из строя компрессоров холодильных машин, работающих при низких температурах наружного воздуха. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: кондиционирование воздуха; хладагенты; термодинамика; температура наружного воздуха.

STUDY OF SPLIT AIR CONDITIONER OPERATION IN A COOLING MODE AT DIFFERENT OUTSIDE AIR TEMPERATURES

E.E. Baimachev, S.S. Makarov, O.V. Sukhareva, S.I. Kuznetsov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article introduces the results of experimental studies of the operation of the vapor compression-refrigerating machine of R22 refrigerant-based split air conditioner in different temperature conditions. It presents the obtained dependencies of refrigerant thermodynamic data in characteristic points of the system: after the evaporator; after the compressor; the condenser; after the throttle (capillary tube expansion device). The causes of possible failures of the refrigerating compressors operating at low outside air temperatures are identified. 3 figures. 1 table. 6 sources.

Key words: air conditioning; refrigerant coolants; thermodynamics; outside air temperature.

Функционирование сплит-систем кондиционирования воздуха имеет ярко выраженную зависимость от параметров наружного воздуха и микроклимата обслуживаемых помещений [1; 2]. Данная зависимость оказывает существенное влияние на энергетическую эффективность работы системы кондиционирования [3; 4]. При повышении температуры наружного воздуха увеличивается давление на стороне нагнетания компрессора, а при ее понижении снижается температура кипения хладагента. Таким образом, температурный диапазон работы сплит-кондиционера ограничен температурой кипения хладагента, равной 0°С (ввиду отсутствия обмерзания испарительного теплообменника), и температурой конденсации хладагента, превышающей температуру наружного воздуха и равной 50-60°С.

При изменениях температуры наружного воздуха процессы, происходящие в основных элементах паро-компрессионной холодильной машины (компрессор, испаритель, конденсатор, дроссель), претерпевают изменения, связанные с дифференциацией давления

конденсации в теплообменнике наружного блока сплит-системы кондиционирования.

В целях установления влияния наружной температуры на работу парокомпрессионной холодильной машины были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых замерялась температура в характерных точках холодильного цикла: после испарителя, после компрессора, после конденсатора, после дросселя (капиллярной трубки), а также давление хладагента до и после компрессора. Данные эксперимента были усреднены для соответствующих температур наружного воздуха.

Эксперимент проводился с июля по ноябрь 2012 г. на установке, построенной на базе настенного кондиционера «Acson» AWM07, работающего на хладагенте Р22 с отключенным ресивером и максимально сниженной для уменьшения потерь давления длиной трубопроводов [5]. Характерные точки холодильной машины были оснащены датчиками температуры, подключенными к четырехканальному электронному самописцу «Термодат-19М5». Дополнительно аналогич-

1 Баймачев Евгений Эдуардович, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405143, e-mail: valka@istu.edu

Baimachev Evgeniy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405143, e-mail:valka@istu.edu

2Макаров Святослав Станиславович, аспирант, тел.: (3952) 405143, e-mail: slavaclimat@istu.edu Makarov Sviatoslav, Postgraduate, tel.: (3952) 405143, e-mail: slavaclimat@istu.edu

3Сухарева Ольга Владимировна, аспирант, тел.: (3952) 405143, e-mail: sharova@front.ru Sukhareva Olga, Postgraduate, tel.: (3952) 405143, e-mail: sharova@front.ru

"Кузнецов Сергей Иванович, магистрант, тел.: (3952) 405143, e-mail: master_k@istu.edu Kuznetsov Sergei, Master's degree student, tel.: (3952) 405143, e-mail: master_k@istu.edu

ным самописцем с датчиками температуры фиксировались параметры наружного и внутреннего воздуха. Конденсаторный теплообменник холодильной машины располагался снаружи здания, испарительный теплообменник - внутри помещения. Для предотвращения выключения установки встроенной системой управления по достижению заданной температуры (16°С) дополнительная система центрального кондиционирования воздуха поддерживала в помещении более высокую температуру (20°С). Из-за изменения теплового режима помещения, связанного с дифференциацией наружной температуры, инсоляции, а также гистерезисом терморегулятора центральной системы кондиционирования во время эксперимента температура внутреннего воздуха варьировалась от 18,8 до 23°С.

Зависимости температур хладагента в характерных точках системы показаны на рис. 1.

В результате проведенных исследования было выявлено, что помимо известных проблем, связанных с эксплуатацией систем кондиционирования воздуха, построенных на основе парокомпрессионной холодильной машины, существует проблема снижения температур до отрицательных в испарителе холодильной машины, что делает ее ограниченно пригодной к эксплуатации в связи с возможностью обмерзания теплообменника внутреннего блока систем кондиционирования воздуха [6]. Снижение интенсивности теплообмена между испарителем и внутренним воздухом приводит к неполному вскипанию хладагента и повышает вероятность попадания хладагента в жидкой фазе в компрессор, вызывая гидроудар.

50

Обмерзание испарительного теплообменника связана с падением давления испарения при понижении температуры наружного воздуха. Согласно проведенным экспериментам отмечено понижение до отрицательных температур в испарителе при температуре наружного воздуха 5,1 °С. Данное падение температуры зафиксировано в начале испарителя. При продолжающемся уменьшении температуры наружного воздуха до 2,1 °С снижается до отрицательной средняя температура теплообменника, а при -1,1 °С теплообменник полностью охлаждается до отрицательных температур. Для иллюстрации данного процесса на p-!-диаграмме «давление - энтальпия», построенной с помощью программного комплекса CoolPack, показан термодинамический цикл хладагента R22, соответствующий температуре наружного воздуха 18°С (рис. 2). В таблице приведены температуры в испарительном теплообменнике в критическом диапазоне. Снижение давления испарения в летнее время года, например, из-за утечки хладагента, в короткий период времени вызывает полное обмерзание теплообменника внутреннего блока. В холодный период подобные случаи не были зафиксированы, что, возможно, связано с понижением относительной влажности воздуха в помещениях. Как следствие, угроза выхода из строя компрессора, особенно при повышенной влажности внутреннего воздуха, может возникнуть уже при температуре, равной 5°С. При таких условиях эксплуатация системы кондиционирования должна быть приостановлена.

Нг|г|Нг|ННг1М(ММ(МГМ(М

-10

Температура наружного воздуха, °С

Рис. 1. Зависимость температуры хладагента от температуры наружного воздуха

в парокомпрессионной холодильной машине, работающей с хладагентом Я22: 1 - до конденсатора; 2 - после конденсатора; 3 - после испарителя; 4 - до испарителя

Рис. 2. Состояние хладагента парокомпрессионной холодильной машины при температуре наружного воздуха равной 1,8 "С

Температуры хладагента Я22 в испарительном теплообменнике в зависимости _от температуры наружного воздуха_

Температура наружного воздуха, "С Температура внут- Температура Средняя температура Температура после

реннего воздуха, "С до испарителя, "С испарителя, "С испарителя, "С

-1,1 19,1 -3,99264 -2,02482 -0,057

-1 19,1 -3,92295 -1,959675 0,0036

-0,5 19,28 -3,5772 -1,6368 0,3036

0 19,92 -3,23595 -1,318675 0,5986

0,5 19,66 -2,8992 -1,0053 0,8886

1 19,35 -2,56695 -0,696675 1,1736

1,5 19,42 -2,2392 -0,3928 1,4536

2 19,51 -1,91595 -0,093675 1,7286

2,1 19,53 -1,85184 -0,03442 1,783

2,5 19,68 -1,5972 0,2007 1,9986

3 19,78 -1,28295 0,490325 2,2636

3,5 19,81 -0,9732 0,7752 2,5236

4 19,89 -0,66795 1,055325 2,7786

4,5 19,84 -0,3672 1,3307 3,0286

5 19,86 -0,07095 1,601325 3,2736

5,1 19,17 -0,01224 1,65488 3,322

5,2 19,26 0,04629 1,708245 3,3702

Примечание. Жирным шрифтом выделены температуры перехода в отрицательную зону.

Анализируя изменения параметров холодильного цикла в зависимости от температуры наружного воздуха были получены уравнения, описывающие температуру хладагента Р22 в системе кондиционирования воздуха с парокомпрессионной холодильной машиной в интервале от -2,4 до 25,8"С (рис. 3): - до испарителя:

tei = -0,00009 (-2,4 +

+

+0,0723 (-2,4 + - 4,9872;

-2,4 + -

t-l\

- после испарителя:

= -0,0001 (-2,.

+0,0635 (-2,4 + ^т-1) - 0/

- до конденсатора:

l0

0,9264;

tCl = -0,0002 (-2,

2,4 + -

t - 1\

l0

2

+

2

2

+

+0,0134 (-2,4 + + 33,635; - после конденсатора:

tC2 = 0,0003 (-2,4 + - 0,0066 (-2,4 + +

+9,8078.

мического цикла работы парокомпрессионных холодильных машин на хладагентах R410a и R407c показывает сходный характер протекающих процессов (отличия только в давлениях испарения и конденсации). Вследствие этого можно констатировать, что

60

50

,40

X

П5

го30

X П5 CL

£20

10

т rf ltT из rC oo ст9 о" ^ ~'

-10

Температура наружного воздуха, °С

Рис. 3. Аналитическая зависимость температуры хладагента от температуры наружного воздуха в парокомпрессионной холодильной машине, работающей с хладагентом Я22: 1 - до конденсатора; 2 - после конденсатора; 3 - после испарителя; 4 - до испарителя

В настоящее время в связи с переходом на озоно-безопасные хладагенты в отрасли происходит вытеснение хладагента R22 на R407c, особенно масштабно на R410a, которые имеют иные термодинамические характеристики. Важной характеристикой данных хладагентов являются большие по сравнению с R22 давления испарения и конденсации. Перепад давлений хладагента R22 между конденсацией при 40°С и испарением при 5°С составляет 9,5 бар. Для хладагента R410a этот перепад составляет 14,66 бар, а для R407c - 9,8 бар. Производители оборудования на этих хладагентах, как правило, декларируют более низкие по сравнению с оборудованием на R22 предельные температуры наружного воздуха. Анализ термодина-

вероятность выхода из строя компрессора из-за попадания в него хладагента, находящегося в жидкой фазе, одинакова и не зависит от применяемого хладагента. Возможность же понижения минимальной рабочей температуры вызвана лишь переходом от использования систем кондиционирования на хладагенте R22 с минеральным маслом к системам кондиционирования на хладагентах R407c и R410a с синтетическими маслами. Связанное с этим уменьшение вязкости масел при низких температурах наружного воздуха снижает время работы компрессора в режиме масляного голодания при холодном пуске.

Статья поступила 11.11.2014 г.

Библиографический список

1. Возможности современных систем кондиционирования / И.А. Новосельцев, С.Д. Глухов, А.С. Штейн, В.Н. Михушкин // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 1. С. 75-83.

2. Обоснование выбора способа тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования /

B.С. Степанов [и др.] // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52).

C. 90-94.

3. Баймачев Е.Э., Шарова О.В. Определение эффективности работы сплит системы кондиционирования с парокомпрессионной холодильной машиной // Вестник ВСГУТУ. 2014.

№ 2. С. 21-27.

4. Степанов В.С. Методы оценки термодинамической эффективности систем поддержания микроклимата // Известия вузов. Строительство. 2009. № 10. С. 46-54.

5. Посохин В.Н., Зиганшин А.М., Баталова А.В. К определению коэффициентов местных сопротивлений возмущающих элементов трубопроводных систем // Известия вузов. Строительство. 2012. № 9. С. 108-112.

6. Харитонов В.П. Обеспечение работоспособности систем кондиционирования воздуха при низких температурах наружного воздуха // АВОК. 2007. № 3.

0