ZUBA-DAN: готов к проверке российскими морозами 

4

2

Полупромышленные системы Mitsubishi Electric серии ZUBA-DAN были представлены в прошлом выпуске журнала. Они отличаются от традиционных кондиционеров, имеющих режим обогрева, тем, что теплопроизводительность новой системы сохраняет номинальное значение вплоть до температуры наружного воздуха -15°С. При дальнейшем понижении температуры (завод-изготовитель гарантирует работоспособность системы до температуры -25°С) теплопроизводительность начинает уменьшаться. Но при этом сохраняется преимущество, как перед обычными системами, так и перед энергоэффективными системами серии POWER INVERTER. Режим оттаивания наружного теплообменника, которого избежать в подобных системах невозможно, происходит быстро и совершенно незаметно для пользователя.

Традиционным решением задачи увеличения теплопроизводительности системы при низких температурах наружного воздуха является впрыск газообразного хладагента в компрессор.

Для этого между конденсатором и испарителем в точке промежуточного давления устанавливается сепаратор «жидкость-газ», верхний вывод которого соединяется со штуцером впрыска в компрессор. В результате количество газообразного хладагента, циркулирующего через конденсатор, увеличивается, и растет теплопроизводительность системы. Однако такие системы отличаются нестабильной работой. Объем впрыска колеблется в зависимости от давления в сепараторе и производительности компрессора, а уровень заполнения отделителя меняется в очень широких пределах: от минимального уровня до полного заполнения жидким хладагентом.

Рисунок 1.

В системах ZUBA-DAN применяется метод парожидкостной инжекции. В режиме обогрева давление жидкого хладагента, выходящего из конденсатора, роль которого выполняет теплообменник внутреннего блока, немного уменьшается с помощью расширительного вентиля LEV B. Парожидкостная смесь (точка 3 на рисунке 1) поступает в ресивер «Power Receiver». Внутри ресивера проходит линия всасывания, и осуществляется обмен теплотой с газообразным хладагентом низкого давления. За счет этого температура смеси снова понижается (точка 4 на рисунке 1) и жидкость поступает на выход ресивера. Далее некоторое количество жидкого хладагента ответвляется через расширительный вентиль LEV C в цепь инжекции. Часть жидкости испаряется, а температура образующейся смеси понижается. За счет этого охлаждается основной поток жидкого хладагента, проходящий через теплообменник HIC (точка 5 на рисунке 1). После дросселирования с помощью расширительного вентиля LEV A (точка 6 на рисунке 1) смесь жидкого хладагента и образовавшегося в процессе понижения давления пара поступает в испаритель, то есть теплообменник наружного блока. За счет низкой температуры испарения тепло передается от наружного воздуха к хладагенту, и жидкая фаза в смеси полностью испаряется (точка 7 на рисунке 1). Проходя через трубу низкого давления в ресивере «Power Receiver», перегрев газообразного хладагента увеличивается, и он поступает в компрессор. Кроме того, этот ресивер сглаживает колебания промежуточного давления при флуктуациях внешней тепловой нагрузки, а также гарантирует подачу на расширительный вентиль цепи инжекции только жидкого хладагента, что стабилизирует работу этой цепи.

Часть жидкого хладагента, ответвленная от основного потока в цепь инжекции, превращается в парожидкостную смесь среднего давления. При этом температура смеси понижается, и она подается через специальный штуцер инжекции в компрессор. В верхней неподвижной спирали компрессора предусмотрены отверстия для впрыска хладагента на промежуточном этапе сжатия (рисунок 2).

Рисунок 2.

Расширительный вентиль LEV B задает величину переохлаждения хладагента в конденсаторе. Вентиль LEV A определяет перегрев в испарителе, а LEV C поддерживает температуру перегретого пара на выходе компрессора около 90°С. Это происходит за счет того, что, попадая через цепи инжекции в замкнутую область между спиралями компрессора, двухфазная смесь перемешивается с газообразным горячим хладагентом, и жидкость из смеси полностью испаряется. Температура газа понижается. Регулируя состав парожидкостной смеси, можно контролировать температуру нагнетания компрессора. Далее мы увидим, что это позволяет не только избежать перегрева компрессора, но и оптимизировать теплопроизводительность конденсатора.

Эффект от инжекции газообразного хладагента заключается в следующем. Поток хладагента через компрессор складывается из хладагента, поступающего через линию всасывания, и хладагента, проходящего через цепь инжекции. При низкой температуре наружного воздуха инжекция увеличивает общий расход. В результате, больше горячего пара поступает в конденсатор (теплообменник внутреннего блока), и его тепловая мощность увеличивается.

Кроме того, инжекция газа увеличивает эффективность всего холодильного контура. Дело в том, что обычно на вход испарителя после дросселирующего устройства поступает парожидкостная смесь. При этом входящий газ бесполезно проходит по испарителю, практически не внося вклад в холодопроизводительность. Далее он поступает в компрессор, который затрачивает энергию на его сжатие совместно с газом, образовавшимся в испарителе. При инжекции газа в компрессор, газообразный хладагент отбирается в цепь инжекции при промежуточном давлении. И компрессор затрачивает меньшую энергию на сжатие этого газа, потому что сжатие до давления конденсации происходит от уровня промежуточного давления, а не от давления испарения. Данный эффект проявляется как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения.

Рассмотрим подробнее взаимосвязь между расходом хладагента, проходящего через цепь инжекции, и тепловой мощностью конденсатора. С одной стороны, с увеличением количества инжектируемого газа расход хладагента через конденсатор увеличивается, но при этом температура перегрева паров на входе в конденсатор уменьшается. На рисунке 3 показано распределение температуры вдоль поверхности теплообменника при одинаковой температуре конденсации, но разной температуре входящего газа. Существенные различия наблюдаются на участке, где хладагент находится в состоянии перегретого газа. Конечно, теплообмен на горизонтальном участке конденсации доминирует, но и участок перегретого газа нельзя сбрасывать со счетов, поскольку он вносит 20-30% в теплопроизводительность конденсатора.

Рисунок 3.

Наличие двух соизмеримых и противоположно направленных факторов приводит к тому, что теплопроизводительность системы достигает максимума при строго определенном расходе инжектируемого газа.

Таким образом, алгоритм управления цепью инжекции может быть оптимизирован с целью достижения максимальной теплопроизводительности, например, при пуске системы в холодном помещении. Но на некоторых этапах работы теплового насоса требуется не столько производительность, сколько экономичная работа. Например, после прогрева помещения максимальная мощность больше не требуется, и предпочтительнее энергоэффективная работа системы. Поэтому на данном этапе расход инжектируемого хладагента уменьшается, что влечет за собой повышение температуры на входе конденсатора и уменьшение его производительности. Но в этом случае ограничение расхода в цепи инжекции сокращает количество газа, которое сжимает компрессор. Потребляемая мощность уменьшается, а энергоэффективность увеличивается.

Рисунок 4 иллюстрирует зависимость производительности и экономичности системы от инжекции. В зависимости от условий эксплуатации система автоматически выбирает параметр оптимизации, что обеспечивает комфортный обогрев помещения и сокращение эксплуатационных расходов.

Рисунок 4.

Есть еще один режим, в котором важна максимальная производительность системы – это режим оттаивания наружного теплообменника (испарителя).
В процессе работы в режиме обогрева на нем образуется иней, который ухудшает процесс испарения хладагента и теплообмен с наружным воздухом. Для оттаивания система переключается с помощью 4-х ходового клапана в режим охлаждения.

При этом из внутреннего блока перестает выходить теплый воздух, и обогрев помещение приостанавливается. Поэтому желательно сократить продолжительность этого «технологического» режима. Для этого одновременно с переключением 4-х ходового клапана устанавливается приоритет максимальной производительность системы. Расширительный клапан LEV C в цепи инжекции открывается, увеличивая расход парожидкостной смеси. Основные следствия увеличения инжекции в режиме оттаивания аналогичны выводам, приведенным выше для режима обогрева. Производительность наружного теплообменника становится максимальной, и он быстро очищается от инея и льда. За время оттаивания температура в помещении не успевает ощутимо понизиться. Кроме того, после окончания режима оттаивания система снова включается с приоритетом теплопроизводительности, и только после достижения целевой температуры выходит на экономичный режим.

Таким образом, оттаивание наружного теплообменника происходит интенсивно, и система быстро возвращается к нормальному обогреву. А можно ли увеличить интервал между оттаиваниями, то есть замедлить процесс образования инея и льда на теплообменнике?

В системах ZUBA-DAN применяются две технологии.

Первая – это гидрофильное покрытие ребер теплообменников. Оно позволяет избежать образования «мостиков» льда между соседними ребрами и последующей полной блокировки теплообменника.

Вторая технология заложена в алгоритмы управления – интервал между режимами оттаивания изменяется в зависимости от температуры наружного теплообменника (температуры испарения) и температуры наружного воздуха. Предусмотрены «короткий» и «длинный» циклы оттаивания, сочетание которых позволяет оптимизировать процесс удаления инея с теплообменника наружного блока.

За последние два года системы ZUBA-DAN успешно прошли полевые испытания в северных районах Японии и в странах Скандинавии. И, наконец, этой осенью компания Mitsubishi Electric приступает к серийному производству данного оборудования для европейского рынка, и в том числе для России.

Статья предоставлена компанией Компания Mitsubishi Electric