На первый обывательский испаритель, если рассматривается холодильная установка, как раз и создан для того, чтобы обмерзать и покрываться ледяной коркой, ведь лёд – это и есть «холод»… но это только кажется.
Противоречие заключается в том, что ощущения от прикосновения ко льду ассоциируются с зимним холодом. Да, лед (замерзшая вода) гораздо холоднее температуры человеческого тела, но образование льда из воды при нормальных окружающих условиях происходит при температурах всего около 0⁰С, и это обычно совсем не те температуры, которые требуются от холодильных машин.
У льда есть ещё одна, неприятная с точки зрения холодильщиков, физическая особенность: лед обладает очень плохой теплопроводностью, то есть, при всей своей кажущейся холодности, ледяная корка препятствует проникновению более низких температур через неё.
Именно поэтому, когда холодильный испаритель покрывается льдом, — это и есть постоянная «беда», если рассматривается работа холодильной установки или кондиционерной.
Принцип создания холода в охлаждающем объёме испарителем зиждется, собственно говоря, на том, когда испаряется хладагент во внутреннем объёме испарителя. Для того чтобы поступающий в испаритель холодильника в жидкой фазе холодильный агент смог закипеть и начать испаряться при необходимой температуре кипения, необходимо соблюсти ещё одно условие – создать необходимое давление в объёме испарителя.
Для непрерывной работы испарителя жидкий хладагент должен постоянно поступать в испаритель, а тот хладагент, который уже успел испариться, должен удаляться из объёма испарителя, потому что при избыточном накоплении паров хладагента давление внутри испарителя возрастет и температурная точка кипения хладагента изменится в сторону повышения и процесс охлаждения ухудшится.
Испаритель будет наиболее эффективно выполнять свою работу по снижению температуры в охлаждаемом объёме при условии, когда хладагент будет кипеть, а значит и испаряться, в максимально возможном количестве, допустимом конструкцией используемого испарителя.
Кажется, что все просчитали и создали требуемый по теплообменным характеристикам между охлаждаемым объёмом (продукцией) и процессом испарения хладагента испаритель, но вот тут, в процессе реальной работы, и наступает отрицательный фактор — обмерзание испарителя.
При температурах кипения хладагента в испарителе ниже, чем температура окружающей среды на внешней поверхности испарителя осаждается влага, которая всегда присутствует в воздухе в виде паров.
При температурах кипения хладагента около 0⁰С и ниже конденсирующаяся влага замерзает и создает на внешней поверхности испарителя ледяную корку, или снежно-ледяную шубу. То есть, между кипящим внутри испарителя хладагентом и теплом, поступающем из охлаждаемого объема, которое необходимо для поддержания процесса кипения, возникает «дополнительное препятствие».
Поскольку создание «сухой» воздушной среды в охлаждаемых объёмах очень дорогостоящее и сложно-техническое решение, кроме того оно может быть вообще нереализуемым из-за свойств охлаждаемых продуктов, которые по технологическим соображениям невозможно охлаждать в упакованном виде, то появление такого самосоздающегося термоизолирующего покрытия изо льда на поверхности испарителя можно считать «неизбежным злом».
В большинстве действующих холодильных и кондиционерных установках для долговременного поддержания их трудоспособности применяется периодическая оттайка поверхностей испарителей для «уничтожения» внешних вредоносных снежно-ледяных образований.
Благодаря большой инерционности (растянутости во времени) теплообменных процессов кратковременный «местный» разогрев испарителя для сбрасывания продуктов обмерзания не приносит существенного вреда охлаждаемым продуктам.
Скорость проведения цикла оттайки испарителя определяется не только объемной величиной намерзшего льда, но и способом проведения оттайки.
Самый примитивный способ оттайки – это естественная оттайка испарителя, которая сопровождается отключением холодильной машины на время, достаточное для сбрасывания снежно-ледяной шубы и восстановления «сухости» его поверхностей. Следует отметить, что такой способ применяется, если речь рассматриваются среднетемпературные холодильные установки, где требуемые температуры в охлаждаемых объемах превышают границу 0⁰С, то есть в самом охлаждаемом объёме нет условий для кристаллизации (замерзания) влаги и, если «устранить» процесс кипения хладагента в испарителе, когда температура на его поверхности переходит в отрицательные значения, то поверхность испарителя «отогреется» температурой в охлаждаемом объёме и утратит ледяную шубу.
Все остальные способы оттайки так или иначе, но сопровождаются принудительным разогревом поверхности испарителя для удаления «ледовых торосов».
Современное холодильное оборудование при принудительной оттайке включает в себя разогрев испарителей ТЭНами. Такой способ упрощает построение гидродинамической схемы холодильной установки, поскольку во время оттайки холодильный контур не используется и движение хладагента по нему не производится. Небольшим бонусом оттайки испарителей электрическим разогревом служит время, когда холодильный компрессор не работает («вынужденный простой»), то есть у работающих машин и механизмов возникает дополнительное время отдыха. Отрицательной чертой оттайки ТЭНами является «косвенный» нагрев испарителя, так как ТЭНы располагаются не в непосредственном контакте с наледеобразующими поверхностями и температура испарителя к окончанию процесса оттайки вынужденно превышает достаточную, при иных способах принудительного разогрева испарителей.
Следует не забывать и о том, что к качеству исполнения ТЭНов существуют специальные требования: ТЭНы для оттайки испарителей располагаются в «агрессивной» для электрического тока среде (вода и лед) для выводных терминалов подключения и корпусы ТЭНов должны обладать повышенной коррозионной стойкостью и термостойкостью к большому градиенту температур.
В более ранних разработках холодильных установок широко применялась оттайка при помощи паров самого горячего хладагента, который образуется в холодильном контуре, когда происходит работа холодильного компрессора. Пары горячего хладагента разогревают испаритель непосредственно изнутри и этот процесс энергетически более эффективен, по сравнению с оттайкой электрическим током.
«Минусом» оттайки испарителей горячими парами хладагента является необходимость работы холодильного компрессора во время оттайки, что для нынешних разработок холодильных компрессоров, в большинстве случаев, крайне нежелательно, так как хладагент будет поступать на всасывание компрессора во время оттайки перегретым. Недопустимый перегрев хладагента на всасывании современных компрессоров приводит к недостаточному охлаждению «внутренностей» компрессора и, как следствие к снижению их ресурса работоспособности, или даже к поломкам.
Следует особо отметить, что для осуществления оттайки испарителей горячими парами хладагента приходится усложнять «логистику» движения хладагента по холодильному контуру. Для холодильной машины будут необходимы совершенно различные «траектории» перемещения хладагента, когда осуществляется обычная работа холодильной машины и её оттайка. Это означает усложнение конфигурации трубопроводов и увеличение количества управляемых вентилей в холодильной установке. Так же оттайка горячими парами практически не применима в случае разветвленных холодильных систем (холодильная централь + множество потребителей холода, где располагаются «индивидуальные» испарители, очень часто сильно удалённые от компрессора).
Существует мнение, что оттайку можно произвести жидким хладагентом, если взять его после конденсатора и направить в испаритель напрямую, без препятствия в виде дросселирующего элемента. Да, теплоемкость жидкости гораздо выше, чем теплоемкость хладагента в газообразном состоянии, и заполнение испарителя «теплым» жидким хладагентом смогло бы ускорить процесс оттайки (сброса снежно-ледяной шубы), если бы не одно «но»: при отборе жидкого хладагента с выхода испарителя и устранении на его пути дросселирующего устройства (терморегулирующий вентиль, ТРВ) при поступлении хладагента в испаритель, условия конденсации в конденсаторе изменятся (вместо ТРВ просто труба = нет давления в конденсаторе), нет условий для получения жидкости из сжатых паров хладагента.
Для такой «жидкостной» оттайки возможно полноценно использовать лишь то количество хладагента, которое содержит ресивер холодильной установки (при его наличии). Кстати, этот хладагент уже может не обладать достаточной температурой для проведения эффективной (быстрой) оттайки.
Схема оттайки испарителя холодильной установки жидким хладагентом обладает такими же «логистическими» и «технологическими» минусами, как и оттайка горячими парами хладагента, с добавкой: жидкий холодильный агент с выхода испарителя никак не должен попасть на всасывающий терминал компрессора, значит необходимо предпринять меры для его «дополнительного испарения» перед компрессором.