Показатели эффективности холодильных установок: от цикла до эксплуатации
Содержание
- Основные определения
- Холодильный коэффициент (коэффициент эффективности)
- Резюмирующий вывод для проектной практики
При оценке производительности и энергетической эффективности холодильных машин и тепловых насосов принципиально важно различать характеристики идеализированного (термодинамического) цикла и реальные эксплуатационные показатели установки в сборе.
На практике под «идеальным» чаще понимают полуидеальный цикл, поскольку в его расчёт обычно закладывают реальную мощность на валу компрессора (с учётом механических потерь), но без учёта гидравлических потерь в наружных коммуникациях и энергозатрат на вспомогательное оборудование. В то же время производительность реальной установки определяется с учётом потерь давления в аппаратах и трубопроводах, теплопритоков из окружающей среды, а также полной потребляемой электрической мощности, включая все вспомогательные агрегаты (вентиляторы, насосы, системы автоматики и защиты).
Как правило, энергозатраты на насосы, обеспечивающие циркуляцию промежуточных теплоносителей (вода, водный раствор гликоля или рассол), не включаются в знаменатель холодильного коэффициента установки при типовых сравнительных расчётах. Это обусловлено тем, что указанные затраты определяются конкретной гидравлической схемой объекта, протяжённостью трасс, местными потерями и другими внешними факторами, не имеющими прямого отношения к термодинамическому совершенству самой холодильной машины. Однако это правило не распространяется на внутренние гидравлические сопротивления аппаратов установки: потери давления в испарителе, конденсаторе и межконтурных трубопроводах оказывают прямое влияние на температуры кипения и конденсации, а следовательно, должны учитываться при оценке реальной производительности.
Крайне важно при сравнении паспортных данных различных машин чётко идентифицировать, какие именно факторы заложены в расчёт и при каких граничных условиях проводились испытания. Очевидно, что наружный сплит-агрегат, смонтированный на открытой площадке без солнцезащиты в климатических условиях Саудовской Аравии, при одинаковых температурах охлаждённой и охлаждающей воды будет демонстрировать значительное снижение холодопроизводительности и COP по сравнению с тем же агрегатом, установленным в помещении в Японии. Разница обусловлена не конструкцией машины, а различными значениями температур наружного воздуха, обдувающего конденсатор, степенью перегрева всасываемого пара и фактическим теплосъёмом с поверхности теплообмена.
Основные определения
Холодо(тепло)производительность – количество теплоты, отведённой от охлаждаемой среды (например, от раствора гликоля) или подведённой к нагреваемой среде в единицу времени, выраженное в согласованных единицах (кВт, МДж/ч).
Холодо(тепло)производительность нетто – количество теплоты, непосредственно поглощённое (или отданное) рабочим телом (хладагентом) в испарителе или конденсаторе. Отличие от величины брутто может быть обусловлено тепловым потоком через изоляцию аппаратов, дополнительным перегревом пара на всасывающей линии от внешних источников, подводом тепла от работающего электродвигателя в герметичном исполнении компрессора, а также теплообменом с элементами каркаса и трубопроводной арматурой.
Холодильный коэффициент (коэффициент эффективности)
В инженерной практике различают следующие показатели:
1. Полуидеальный холодильный коэффициент (термодинамический)
Отношение холодопроизводительности нетто испарителя (или теплопроизводительности нетто конденсатора для теплового насоса) к мощности на валу компрессора при заданных фиксированных условиях. Для герметичных компрессоров, где электродвигатель не имеет внешнего обдува и охлаждается всасываемым паром, корректнее принимать в знаменателе не механическую мощность на валу, а полную электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети. Это позволяет учесть внутреннее тепловыделение, которое в противном случае исказит тепловой баланс цикла.
Заданные условия для этого коэффициента включают в себя:
- давления всасывания и нагнетания;
- температуру и величину перегрева пара на всасе;
- переохлаждение жидкости перед дроссельным устройством;
- адиабатный и внутренний КПД компрессора;
- тип цикла (одноступенчатый, двухступенчатый, с промежуточным отбором пара и т.д.).
Именно полуидеальный показатель используется разработчиками при оценке новых хладагентов, исследовании влияния отдельных элементов схемы – переохладителя конденсата, регенеративного теплообменника, экономайзера, вихревого трубного устройства – на эффективность цикла. Эта метрика удобна своей «прозрачностью»: она позволяет изолировать влияние конкретного конструктивного изменения от всех внешних факторов и наглядно показать, даёт ли добавление узла прирост энергоэффективности или нет.
2. Реальный холодильный коэффициент (коэффициент преобразования установки)
Отношение холодо- или теплопроизводительности нетто всей установки в целом (то есть полезного эффекта на стороне потребителя) к полной энергии, подведённой к установке извне при заданных эксплуатационных условиях. Все величины выражаются в одинаковых единицах измерения (обычно кВт/кВт или ккал/Вт·ч).
Этот показатель применяется конечными пользователями оборудования для технико-экономической оценки. Например, потенциальный покупатель теплового насоса для индивидуального жилого дома, сравнивая различные модели, в первую очередь ориентируется на реальное количество тепла, которое агрегат способен передать в помещение при конкретных температурах источника низкопотенциального тепла и системы отопления, отнесённое к реально уплаченной электроэнергии по счётчику. Для него совершенно не принципиально, за счёт каких технических решений достигнуто данное значение – применён ли экономайзер, установлен ли дополнительный переохладитель или подобран испаритель с увеличенной поверхностью. Важен только итоговый баланс: «полезная энергия / оплаченный киловатт-час».
Важное дополнение. При вычислении реального коэффициента преобразования для установок воздушного охлаждения необходимо учитывать электрическую мощность, потребляемую вентиляторами конденсатора, которая может достигать 10–15% от мощности компрессора. Для водоохлаждаемых машин аналогично следует учитывать привод насосов внутреннего контура (при их наличии в составе агрегата). Игнорирование этих составляющих приводит к завышению реального COP на 8–12%, что недопустимо при составлении тендерной документации и энергетических паспортов.
3. Индикаторный КПД компрессора
Отношение мощности сжатия пара в идеальном адиабатическом процессе (определяется по термодинамической диаграмме состояния хладагента) к внутренней (индикаторной) мощности, которая соответствует фактической работе, совершённой поршнем или ротором над рабочим телом в реальном процессе. Этот показатель характеризует совершенство рабочего процесса внутри цилиндра и учитывает потери, связанные с клапанными гидравлическими сопротивлениями, перегревом в процессе сжатия и неравномерностью движения газа.
4. Механический КПД компрессора
Отношение внутренней (индикаторной) мощности к эффективной (механической) мощности на валу компрессора. Включает в себя потери на трение в подшипниках, кривошипно-шатунном механизме, поршневых кольцах, а также потери в передаточных устройствах (ремённых или зубчатых). Произведение индикаторного и механического КПД даёт полный адиабатный (или изоэнтропный) КПД компрессора, используемый в расчётах реального холодильного цикла.
Резюмирующий вывод для проектной практики
При выборе холодильного оборудования для конкретного объекта не следует оперировать полуидеальным COP, приведённым в рекламных материалах, если в знаменателе учтена только мощность на валу компрессора, а числитель получен при стандартных номинальных условиях по EN 14511 или AHRI 550/590. Для сравнения альтернативных вариантов в рамках одного технико-экономического обоснования необходимо приводить все показатели к единой базе:
- температура жидкости на входе в испаритель и выходе из него (°C);
- температура наружного воздуха или воды на входе в конденсатор (°C);
- суммарное электрическое потребление по трём фазам (кВт) на клеммах агрегата, включая автоматику и вентиляторы;
- учёт работы на частичных нагрузках (особенно для инверторных машин).
Только при соблюдении этих условий паспортный COP становится инструментом корректного инженерного расчёта, а не маркетинговым аргументом. При проектировании систем круглогодичного действия целесообразно дополнительно оценивать сезонный коэффициент преобразования (SCOP), однако для краткосрочных номинальных режимов приведённые выше определения остаются основой классической холодильной термодинамики.
