This guide focuses on systems that use Refrigerant-22 (R-22). While the general requirements are the same for systems that use other refrigerants, velocities and pressure drops will differ.
Die Betrachtung der physikalischen Veränderungen, denen das Kältemittel im Kühlkreislauf unterliegt, hilft dabei, bestimmte Anforderungen aufzuzeigen, die die Rohrleitungskonstruktion erfüllen muss.
Dampfkompressionskühlung
Figure below illustrates a basic vapor-compression refrigeration cycle. Refrigerant enters the evaporator in the form of a cool, low-pressure mixture of liquid and vapor (A). Heat is transferred to the refrigerant from the relatively warm air that is being cooled, causing the liquid refrigerant to boil. The resulting refrigerant vapor (B) is then pumped from the evaporator by the compressor, which increases the pressure and temperature of the vapor.
The resulting hot, high-pressure refrigerant vapor (C) enters the condenser where heat is transferred to ambient air, which is at a lower temperature than the refrigerant. Inside the condenser, the refrigerant vapor condenses into a liquid and is subcooled. This liquid refrigerant (D) then flows from the condenser to the expansion device. This device creates a pressure drop that reduces the pressure of the refrigerant to that of the evaporator. At this low pressure, a small portion of the refrigerant boils (or flashes), cooling the remaining liquid refrigerant to the desired evaporator temperature. The cool mixture of liquid and vapor refrigerant (A) enters the evaporator to repeat the cycle.
Verbinden von Kältemittelleitungen
Diese einzelnen Komponenten sind durch Kältemittelleitungen verbunden. Die Saugleitung verbindet den Verdampfer mit dem Kompressor, die Auslassleitung verbindet den Kompressor mit dem Kondensator und die Flüssigkeitsleitung verbindet den Kondensator mit dem Expansionsgerät. Das Expansionsgerät befindet sich typischerweise am Ende der Flüssigkeitsleitung, am Einlass zum Verdampfer.
Bei der Konstruktion von Kältemittelleitungen geht es um mehr als nur darum, Kältemittel von einer Komponente zur anderen zu transportieren. Unabhängig von der Sorgfalt bei der Auswahl und Anwendung der Komponenten des Kühlsystems können Betriebsprobleme auftreten, wenn die Verbindungsleitungen nicht ordnungsgemäß ausgelegt oder installiert sind.
Kältemittel -Rohrleitungsanforderungen
- Öl zum Kompressor zurückführen
- Stellen Sie sicher, dass nur flüssiges Kältemittel in das Expansionsgerät gelangt
- Minimieren Sie den Verlust der Systemkapazität
- Kältemittelfüllung minimieren
Wenn ein Kühlsystem vor Ort montierte Kältemittelleitungen umfasst, um zwei oder mehr Komponenten zu verbinden, bestehen die primären Entwurfsziele im Allgemeinen darin, die Systemzuverlässigkeit zu maximieren und die Installationskosten zu minimieren. Um diese beiden Ziele zu erreichen, muss die Konstruktion der Kältemittel-Verbindungsleitungen die folgenden Anforderungen erfüllen:
- Führen Sie das Öl unter allen Betriebsbedingungen mit der richtigen Rate zum Kompressor zurück
- Ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device
- Minimieren Sie den Kapazitätsverlust des Systems, der durch Druckabfall in den Rohrleitungen und Zubehörteilen verursacht wird
- Minimieren Sie die gesamte Kältemittelfüllung im System, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Installationskosten zu minimieren
Die erste Anforderung besteht darin, sicherzustellen, dass unter allen Betriebsbedingungen Öl zum Kompressor zurückgeführt wird. Öl wird zum Schmieren und Abdichten der beweglichen Teile eines Kompressors verwendet. Beispielsweise verwendet der in der Abbildung oben dargestellte Scroll-Kompressor zwei gegenüberliegende Scroll-Konfigurationen, um den Kältemitteldampf zu komprimieren. Die Spitzen dieser Spiralen sind mit Dichtungen ausgestattet, die zusammen mit einer dünnen Ölschicht verhindern, dass der komprimierte Kältemitteldampf durch die Passflächen entweicht. In ähnlicher Weise sind auch andere Arten von Kompressoren auf Öl zur Schmierung und Abdichtung beim Komprimieren des Kältemitteldampfs angewiesen.
Typischerweise wird ein Teil dieses Schmieröls zusammen mit dem Kältemittel durch das restliche System gepumpt. Während dieses Öl nirgendwo sonst im System eine Funktion hat, müssen die Kältemittelleitungen so ausgelegt und installiert werden, dass dieses Öl unter allen Betriebsbedingungen mit der richtigen Geschwindigkeit zum Kompressor zurückfließt.
Öl zu den Kompressoren zurückführen
Zurück zum Systemschema: Öltröpfchen werden zusammen mit dem heißen Kältemitteldampf unter hohem Druck aus dem Kompressor gepumpt. Die Geschwindigkeit des Kältemittels in der Auslassleitung muss hoch genug sein, um die kleinen Öltröpfchen durch die Leitung zum Kondensator zu befördern.
Im Kondensator kondensiert der Kältemitteldampf zu einer Flüssigkeit. Flüssiges Kältemittel und Öl haben eine Affinität zueinander, sodass sich das Öl leicht mit dem flüssigen Kältemittel bewegen kann. Vom Kondensator aus fließt dieses Gemisch aus flüssigem Kältemittel und Öl durch die Flüssigkeitsleitung zum Expansionsgerät.
Anschließend wird das Kältemittel-Öl-Gemisch durch die Expansionsvorrichtung in den Verdampfer dosiert, wo das flüssige Kältemittel Wärme aufnimmt und verdampft. Auch hier muss die Geschwindigkeit des Kältemitteldampfes in der Saugleitung hoch genug sein, um die Öltröpfchen durch die Leitung zurück zum Kompressor zu befördern.
Ohne ausreichende Geschwindigkeit und ordnungsgemäße Rohrinstallation kann Öl im System eingeschlossen werden. Wenn dieser Zustand schwerwiegend genug ist, kann der verringerte Ölstand im Kompressor zu Schmierproblemen und möglicherweise zu einem mechanischen Ausfall führen.
Thermostatic Expansion Valve (TXV)
The second requirement of the refrigerant piping design is to ensure that only liquid refrigerant enters the expansion device. There are several types of expansion devices, including expansion valves (thermostatic or electronic), capillary tubes, and orifices.
In addition to maintaining the pressure difference between the high-pressure (condenser) and low-pressure (evaporator) sides of the system, a thermostatic expansion valve (TXV) also controls the quantity of liquid refrigerant that enters the evaporator. This ensures that the refrigerant will be completely vaporized within the evaporator, and maintains the proper amount of superheat in the system.
Unterkühlung
Inside the condenser, after all of the refrigerant vapor has condensed into liquid, the refrigerant is subcooled to further lower its temperature. This subcooled liquid refrigerant leaves the condenser (A) and experiences a pressure drop as it flows through the liquid line and accessories, such as a filter drier and solenoid valve, installed upstream of the TXV. On the pressure-enthalpy chart, Figure below on page 5, this moves the condition of the refrigerant toward the saturated liquid curve (B). If this pressure drop is high enough, or if the refrigerant has not been subcooled enough by the condenser, a small portion of the refrigerant may boil (or flash), resulting in a mixture of liquid and vapor (C) entering the expansion device.
Das Vorhandensein von Kältemitteldampf vor der Expansionsvorrichtung ist höchst unerwünscht. Dampfblasen verdrängen die Flüssigkeit im Anschluss des TXV, verringern die Durchflussrate der Flüssigkeit durch das Ventil und verringern somit die Kapazität des Verdampfers erheblich. Dies führt zu einem unregelmäßigen Ventilbetrieb.
The design of the piping system must ensure that only liquid refrigerant (no vapor) enters the expansion device. This requires that the condenser provide adequate subcooling at all system operating conditions, and that the pressure drop through the liquid line and accessories not be high enough to cause flashing. Subcooling allows the liquid refrigerant to experience some pressure drop as it flows through the liquid line, without the risk of flashing.
Druckabfall in einer Saugleitung
Die dritte Anforderung an die Auslegung der Kältemittelleitungen besteht darin, den Kapazitätsverlust des Systems zu minimieren. Um die maximale Kapazität des Systems zu erreichen, muss das Kältemittel so effizient wie möglich durch das System zirkulieren. Dazu gehört die Minimierung jeglicher Druckverluste durch die Rohrleitungen und andere Systemkomponenten.
Whenever a fluid flows inside a pipe, a characteristic pressure drop is experienced. Pressure drop is caused by friction between the moving liquid (or vapor) and the inner walls of the pipe. The total pressure drop depends on the pipe diameter and length, the number and type of fittings and accessories installed in the line, and the mass flow rate, density, and viscosity of the refrigerant.
As an example, the chart in Figure above demonstrates the impact of pressure drop, through the suction line, on the capacity and efficiency of the system. For this example system operating with Refrigerant-22, increasing the total pressure drop in the suction line from 3 psi (20.7 kPa) to 6 psi (41.4 kPa) decreases system capacity by about 2.5 percent and decreases system efficiency by about 2 percent.
Dies offenbart einen Kompromiss, mit dem sich der Systemdesigner auseinandersetzen muss. Der Durchmesser der Saugleitung muss so klein sein, dass die resultierende Kältemittelgeschwindigkeit hoch genug ist, um Öltröpfchen durch das Rohr zu befördern. Der Rohrdurchmesser darf jedoch nicht so klein sein, dass es zu einem übermäßigen Druckabfall kommt, der die Systemkapazität zu stark verringert.
Kältemittelfüllung minimieren
Die ersten drei Anforderungen sind seit vielen Jahren unverändert geblieben. Jahrelange Beobachtungen und Fehlerbehebungen haben jedoch gezeigt, dass das System umso zuverlässiger arbeitet, je niedriger die Kältemittelfüllung des Systems ist. Daher wurde eine vierte Anforderung für die Gestaltung von Kältemittelleitungen hinzugefügt: Minimierung der Gesamtmenge an Kältemittel im System. Dabei geht es zunächst darum, die kürzeste, einfachste und direkteste Rohrführung festzulegen. Dazu gehört auch die Verwendung des kleinstmöglichen Rohrdurchmessers, insbesondere für die Flüssigkeitsleitung, da diese von den drei Leitungen die Kältemittelfüllung am stärksten beeinflusst. Das Diagramm in der Abbildung unten zeigt, dass die Flüssigkeitsleitung hinsichtlich der darin enthaltenen Kältemittelmenge nach dem Kondensator an zweiter Stelle steht.
Dies offenbart einen weiteren Kompromiss für den Systemdesigner. Der Durchmesser der Flüssigkeitsleitung muss so klein wie möglich sein, um die gesamte Kältemittelfüllung zu minimieren. Allerdings darf der Rohrdurchmesser nicht klein genug sein, um einen übermäßigen Druckabfall zu erzeugen, der zu einer Entspannung führt, bevor das flüssige Kältemittel das Expansionsgerät erreicht.
Beziehen Sie den Hersteller ein
Falls vorgesehen, verwenden Sie die vom Hersteller empfohlenen Kältemittelleitungsgrößen
In diesem Leitfaden werden die Prozesse zur Dimensionierung der Verbindungsrohre in einer Klimaanlage erläutert. Einige der für die Auswahl der optimalen Leitungsgrößen erforderlichen Informationen sind am besten dem Hersteller bekannt. Wenn der Hersteller der Kühlausrüstung daher empfohlene Leitungsgrößen oder Tools zur Auswahl der optimalen Leitungsgrößen bereitstellt, empfehlen wir Ihnen, diese Leitungsgrößen zu verwenden.
Wenn der Hersteller jedoch keine Leitungsgrößen bereitstellt, können die in diesem Leitfaden beschriebenen Verfahren zur Auswahl der Größen verwendet werden.
Allgemeine Rohrleitungsanforderungen
- Verwenden Sie saubere Kupferrohre vom Typ L
- Kupfer-Kupfer-Verbindungen: BCuP-6 ohne Flussmittel
- Copper-to-steel (or brass) joints: BAg-28, non-acid flux
- Stützen Sie die Rohrleitungen ordnungsgemäß ab, um Ausdehnung, Vibration und Gewicht zu berücksichtigen
- Vermeiden Sie die unterirdische Verlegung von Rohrleitungen
- Den gesamten Kältemittelkreislauf auf Undichtigkeiten prüfen
Bevor auf die Gestaltung und Installation der Saug-, Druck- und Flüssigkeitsleitungen eingegangen wird, gibt es einige allgemeine Anforderungen, die für alle diese Leitungen gelten.
Erstens werden Kupferrohre typischerweise für Kältemittelleitungen in Klimaanlagen verwendet. Dieser Schlauch ist in verschiedenen Standarddurchmessern und Wandstärken erhältlich. Der Nenndurchmesser des Rohrs wird durch seinen Außendurchmesser ausgedrückt. Dieser Schlauch muss völlig frei von Schmutz, Zunder und Oxid sein. Für Klimaanlagenanwendungen werden neue Schläuche vom Typ L oder Typ ACR empfohlen, die vom Hersteller gereinigt und an beiden Enden verschlossen wurden.
Das Rohrleitungssystem wird durch das Zusammenlöten von Kupferrohren und -anschlüssen aufgebaut. Verwenden Sie beim Löten von Kupfer-Kupfer-Verbindungen BCuP-6* ohne Flussmittel. Für Kupfer-Stahl- oder Kupfer-Messing-Verbindungen verwenden Sie BAg-28* mit einem säurefreien Flussmittel.
Basierend auf der Spezifikation für Füllmetalle zum Hartlöten und Hartlöten der American Welding Society (AWS), Veröffentlichung A5.8–1992
Die Kältemittelleitungen müssen ordnungsgemäß abgestützt werden, um Ausdehnung, Vibration und das Gesamtgewicht der Leitungen zu berücksichtigen. Wenn ein Rohr eine Temperaturänderung erfährt, unterliegt es einer gewissen Ausdehnung und Kontraktion. Da die Kältemittelleitungen mit dem Kompressor verbunden sind, werden Vibrationskräfte auf die Rohrleitungen selbst übertragen. Schließlich muss das Gewicht der mit Kältemittel gefüllten Rohre und Formstücke abgestützt werden, um ein Durchhängen, Verbiegen oder Brechen der Rohre zu verhindern.
Avoid installing refrigerant piping underground. It is very difficult to maintain cleanliness during installation or to test for leaks. If underground installation is unavoidable, each line must be insulated separately, and then the lines must be waterproofed and protected with a hard casing (such as PVC).
Nach der Installation der Rohrleitungen muss der gesamte Kältekreislauf auf Dichtheit geprüft werden, bevor er mit Kältemittel befüllt werden kann. Bei diesem Verfahren wird typischerweise das gesamte Rohrleitungssystem mit trockenem Stickstoff unter Druck gesetzt, um jede Lötverbindung auf Undichtigkeiten zu untersuchen.
Jedes dieser Themen wird im Detail ausführlicher besprochen Trane-Handbuch zur Kolbenkühlung.
Referenz
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