Тема 11. Теплообменные аппараты холодильных машин.

Лекция 1. Конденсаторы.

Конденсатор служит для передачи теплоты рабочего вещества охлаждающей среде или источнику теплоты высокой температу­ры. В общем случае перегретый пар рабочего вещества в конден­саторе охлаждается до температуры насыщения, конденсирует­ся и охлаждается на несколько градусов ниже температуры кон­денсации. По роду охлаждающей среды конденсаторы можно разделить на две большие группы: с водяным и воздуш­ным охлаждением. По принципу отвода теплоты конденсаторы с водяным охлаждением делятся на проточные, оросительные и испарительные. Два последних типа аппаратов называют так­же конденсаторами с водовоздушным охлаждением.

К проточным конденсаторам относятся горизонтальные и вер­тикальные кожухотрубные, пакетно-панельные и элементные. В последние годы проводятся интенсивные исследования опытных образцов пластинчатых конденсаторов.

Теплота в проточных конденсаторах отводится за счет нагрева воды в среднем на 4-8 °С. Движение воды внутри труб или кана­лов обеспечивается насосами. В оросительных конденсаторах ос­новная часть теплоты отводится также за счет нагрева воды, кроме того, определенная часть теплоты идет на испарение воды в воздух. В испарительных конденсаторах обеспечиваются усло­вия более интенсивного тепломассообмена воды и воздуха, при которых теплота рабочего вещества расходуется на испарение воды и нагрев воздуха. Температура воды, орошающей поверх­ность теплопередачи испарительного конденсатора, практически не меняется.

Воздушные конденсаторы делятся на конденсаторы с принуди­тельным и со свободным движением воздуха. Первый тип конден­сатора представляет собой агрегат, состоящий из теплопередающего пучка и вентилятора с автономным приводом или с приво­дом от электродвигателя компрессора. Конденсаторы со свобод­ным движением воздуха не имеют вентилятора, они проще в из­готовлении и дешевле, имеют лучшие акустические показатели. Об­ласть применения конденсаторов со свободным движением возду­ха ограничена малыми холодильными машинами, преимущест­венно бытового назначения.

При охлаждении водой интенсивность теплопередачи значи­тельно выше, чем при охлаждении воздухом. По этой причине для машин средней и большой производительности до недавнего времени использовали исключительно конденсаторы водяного ох­лаждения. В связи с возникшей проблемой сокращения потреб­ления пресной воды ряд отраслей промышленности, в том числе и холодильная, переходят от водяного охлаждения к воздушному или водовоздушному.

Высокая эффективность работы конденсатора — непременное условие экономичности холодильной машины. Так, понижение температуры конденсации на один градус (с 30 до 29 °С) для холодильной машины с поршневым компрессором, работающей при средних температурах кипения, приводит к уменьшению удельного расхода энергии примерно на 1,5%.

Такой же энерге­тический эффект достигается при охлаждении жидкого рабоче­го вещества на 1°С ниже температуры конденсации. Для вы­полнения этого требования необходимо, чтобы конструкция кон­денсатора обеспечивала: быстрое удаление конденсата с поверх­ности теплопередачи; выпуск воздуха и других неконденсирую­щихся газов; удаление масла в аммиачных аппаратах; удаление загрязнений со стороны охлаждающей среды: водяного камня и других отложений в аппаратах водяного охлаждения, пыли, копоти, ржавчины в конденсаторах воздушного охлаждения.

Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы. Аппараты этого типа широко распространены аммиачных и хладоновых холодильных машинах в большом интервале производительнос­ти. Рассмотрим конструкцию аммиачного конденсатора рис. 30.

К цилиндрическому кожуху 1 с обеих сторон приварены труб­ные решетки 2, в которых развальцованы трубы 6, образующие поверхность теплопередачи. К фланцам трубных решеток на бол­тах прикреплены крышки 3 с внутренними перегородками 20.

Пары аммиака поступают в верхнюю часть кожуха через вен­тиль 4 и конденсируются в межтрубном пространстве аппарата. Жидкий аммиак выходит из маслосборника 17 через вентиль 19. Масло, проникающее в конденсатор с парами рабочего вещест­ва, как более тяжелое и малорастворимое в аммиаке осаждается в маслосборнике 17 и периодически удаляется через вентиль 18.

Рис. 30. Горизонтальный кожухотрубный аммиачный конденсатор.

Внутри корпуса приварены перегородки 7, предотвращающие вибрацию трубного пучка от пульсации пара.

Охлаждающая вода подается в нижний патрубок 14, прохо­дит внутри труб и выходит через патрубок 13. Расположение и конфигурация внутренних перегородок в крышках определя­ют число ходов, а следовательно, и скорость протекания воды в аппаратах. Число ходов кожухотрубных аппаратов, как прави­ло, четное и не превышает восьми.

Конденсатор снабжен патрубком для присоединения урав­нительной линии 5, предохранительным клапаном 8, манометром 9, вентилем для выпуска воздуха 10, указателем уровня 16. Венти­ли 11 и 15 служат соответственно для выпуска воздуха и слива воды. В патрубки для воды вварены термометровые гильзы 12.

Вертикальные кожухотрубные конденсаторы. Эти аппара­ты отличаются от предыдущего типа вертикальным расположе­нием кожуха и труб, и способом распределения воды рис. 31.

К кожуху 4, с двух сторон приварены трубные решетки 12, в которых развальцованы гладкие стальные трубы 11 диаметром

57 х 3,5 мм.

Пары аммиака поступают в межтрубное пространство через патрубок, расположенный в верхней части кожуха. Конденсат стекает по наружной поверхности труб и отводится через патру­бок, вваренный на 80 мм выше нижней трубной решетки. На верхней трубной решетке установлен водораспределительный бак 7 с цилиндрической перегородкой 8. Устройство крепится бол­тами к кожуху и уплотняется с помощью резиновой прокладки 10. Охлаждающая вода подается сверху в кольцевое пространство водораспределительного бака, откуда через прорези в перегородке

Рис. 31. Вертикальный кожухотрубный конденсатор.

поступает к трубам теплопередающего пучка. В каждую трубу вставлена пластмассовая насадка 9, на боковой поверхности ко­торой выполнены спиральные каналы. Благодаря этим каналам вода стекает пленкой по внутренней поверхности труб, не запол­няя всего их сечения.

Воздухоотделитель подключается к аппарату через патрубок 1, расположенный на 500-560 мм выше нижней трубной решет­ки, так как именно здесь, вблизи уровня конденсата, наблюда­ется максимальная концентрация неконденсирующихся газов.

Для периодического удаления масла служит патрубок 1, изо­гнутая трубка которого опущена до трубной решетки. Конденса­тор имеет предохранительный клапан 5, вентиль для выпуска воздуха 6, манометр 3 и патрубок для присоединения уравни­тельной линии 2. Вертикальные кожухотрубные конденсаторы применяют для аммиачных холодильных машин большой про­изводительности. Основное преимущество этих аппаратов — от­носительная легкость очистки от загрязнений со стороны воды. Плотность теплового потока, отнесенная к площади внутренней поверхности, составляет

4700—5200 Вт/м ; площадь поверхнос­ти теплопередачи серийных конденсаторов находится в преде­лах 50-250 м².

Испарительные конденсаторы. В испарительном конденсаторе (рис. 32) в отличие от оросительного вентиляторы обеспечивают вынужденное движение воздуха снизу вверх, в противоток воде, стекающей по поверхности теплопередающих труб.

Пары аммиака поступают в форконденсатор 2, затем проходят через маслоотделитель и направляются в секцию конденсатора 5. Из нижней части секции жидкий аммиак отводится в ресивер.

Вода из фильтровальной камеры 7 забирается насосом 6 и подается в орошающее устройство 4, выполненное в виде трубы форсунками или отверстиями. Разбрызгиваемая вода стекает в поддон, смачивая всю наружную поверхность основной секции.

Рис. 32. Испарительный конденсатор.

Часть воды испаряется и уносится встречным потоком воздуха, который обеспечивается вентиляторами 1, установленными на верхнем конфузорном участке кожуха.

Свежая вода для компенсации испарившейся поступает в поддон через поплавковый регулирующий клапан 8, он же служит для поддержания постоянного уровня воды, необходимого для нормальной работы циркуляционного насоса.

В форконденсаторе пар рабочего вещества охлаждается до состояния, близкого к насыщению, а главное — конденсируются масляные пары и весьма мелкие капли группируются в крупные. По этой причине после форконденсатора устанавливают маслооделитель. Чтобы уменьшить количество уносимой из аппарата влаги, между орошающим устройством и форконденсатором установлен

сепаратор 3.

Преимущества испарительного конденсатора: небольшой рас-од свежей воды, составляющий 10-15% от расхода ее в проточных конденсаторах; компактность; возможность применения в транспортных холодильных машинах.

Основной недостаток конденсаторов этого типа заключается сравнительно низком значении коэффициента теплопередачи, следствие чего увеличивается расход бесшовных труб.

Плотность теплового потока существенно зависит от состояния атмосферного воздуха и в среднем находится в пределах 1400-3000 Вт/м² при разности температур 3 °С.

Воздушные конденсаторы. Конденсаторы с принудительным движением воздуха. Конструкции хладоновых конденсаторов для малых и средних холодильных машин однотипны. Аппарат состоит из одной или нескольких секций, соединенных последовательно калачами или параллельно — коллекторами. Секция представляет собой плоский оребренный змеевик из медных или стальных труб диаметром от 10 до 30 мм. Ребра стальные или алюминиевые, обычно прямоугольной формы. Шаг ребер не менее 3,6 мм, противном случае теплопередающая поверхность быстро загрязняется. Пар хладона подводится сверху к первой секции или к паро­вому коллектору рис.33, Жидкость отводится снизу из пос­ледней секции или жидкостного коллектора.

Как уже отмечалось, в целях экономии пресной воды, ведущие отрасли промышленности (энергетическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, химическая) переходят от водяного ох­лаждения к воздушному.

Холодильным машиностроением освоен выпуск конденсато­ров на базе аппаратов воздушного охлаждения горизонтального и зигзагообразного типов общепромышленного назначения. В аппаратах применены унифицированные биметаллические тру­бы, состоящие из стальной гладкой трубы диаметром 25х2 мм и наружной оребренной трубы из сплава Амг2 с наружным диа­метром ребер 49 мм. Секция аппарата состоит из четырех, шес­ти или восьми рядов (по ходу воздуха) труб, развальцованных в прямоугольных трубных решетках и закрытых литыми крыш­ками.

Рис.33.Воздушный хладоновый конденсатор.

Лекция 2. Конструкции испарителей.

Испаритель является одним из основных элементов холодильной машины. Холодильный агент кипит в испарителе, отбирая тепло у источника теплоты с низкой температурой. Образовавшийся при этом пар отсасывается компрессором.

Испарители подразделяются:

-по характеру охлаждаемого источника:

1. Для охлаждения жидких хладаносителей;

2. Для охлаждения воздуха;

3. Для охлаждения твердых сред;

4. Испарители-конденсаторы.

-в зависимости от условий циркуляции охлаждающей жидкости:

1. С закрытой системой (кожухотрубные, кожухозмеевиковые);

2. С открытым уровнем охлаждающей жидкости (вертикально-трубные, панельные).

-по характеру заполнения рабочим веществом:

1. Затопленные;

2. Незатопленные.

В качестве промежуточного жидкого теплоносителя в испарителях могут применяться рассолы (водные растворы солей NaCl, CaCl₂).

Рис. 34. Кожухотрубный испаритель затопленного типа:

1 – манометр; 2 – трубы; 3 – трубная решетка; 4 – спуск воздуха; 5,6 – патрубки для входа и выхода рассола; 7 – слив рассола; 8, 13 – крышки; 9 – корпус; 10 – вход жидкого аммиака; 11 – спуск масла; 12 – отстойник; 14 – сухопарник.

Принципиального различия между аммиачными кожухотрубными испарителями и аппаратами, работающими на хладонах, нет. Отличие состоит в конструкции поверхности теплообмена и материалах, применяемых для изготовления.

Кожухотрубный испаритель представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический барабан, к которому с двух сторон приварены плоские трубные решетки с отверстиями. В отверстиях развальцованы трубы, которые образуют теплообменную поверхность. К трубным доскам крышки крепятся болтами. В крышках расположены перегородки, обеспечивающие много ходовое движение рассола. На обечайке находятся штуцеры для установки манометров и приборов автоматики. В аммиачных испарителях к верхней части обечайки приварен сухопарник, к нижней – маслоотстойник.

Пучок труб в испарителях шахматный или ромбический. В аммиачных аппаратах применяют стальные гладкие бесшовные трубы, в хладоновых медные с накатанными ребрами.

Плотность теплового потока в испарителе зависит от скорости движения теплоносителя и температурного напора.

Рис. 35. Панельный испаритель открытого типа:

1 – отделитель жидкости; 2 – патрубок для выхода паров аммиака; 3 – сборный коллектор; 4 – распределительный коллектор; 5 - патрубок для входа жидкого аммиака; 6 – перелив рассола; 7 – патрубок для выхода рассола; 8 – спуск рассола; 9 – изоляция; 10 – вентиль для спуска масла; 11 – автоматический предохранительный клапан.

Панельный испаритель представляет собой прямоугольный бак, в котором размещены испарительные секции панельного типа. В комплекте с ним поставляется отделитель жидкости. При использовании в качестве хладоносителя ледяной воды панельный испаритель можно использовать как аккумулятор холода, увеличив шаг между ребрами. Аккумулятор холода в основном используется на молочных заводах для снятия пиковых нагрузок.

2135

460

12,5

Рис.36. Пристенная ребристая батарея.

Камерные приборы тихого охлаждения представляют собой – батареи, служащие для охлаждения воздуха в помещении. Внутри батарей движется рассол или кипит рабочее вещество. Для увеличения плотности теплового потока применяют оребренные трубы рис. 36. Охлаждающие батареи бывают пристенные или потолочные, гладкотрубные или ребристые, коллекторные и змеевиковые и т. д. Ребра на батареях бывают пластинчатые или навитые спиралью.

Лекция 3.Тепловой расчет и подбор теплообменных аппаратов холодильных машин.

Расчет конденсатора сводится к определению площади теплопередающей поверхности, по которой подбирают один или несколько конденсаторов.

Площадь теплопередающей поверхности конденсатора определяют по формуле:

(103)

где:Q_k- суммарный тепловой поток в конденсаторе, от всех групп компрессоров, определенный при расчете компрессора, кВт;

k- коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/м²К;

Θ_ср- средняя логарифмическая разность температур между конденсирующимся хладагентом охлаждающей средой, К.

Средняя логарифмическая разность температур определяется по формуле:

(104)

где Θ_б – разность температур в начале теплопередающей поверхности принимаем ≈ 10°С.

Θ_м - разность температур в конце теплопередающей поверхности ≈ 5°С.

Коэффициенты теплопередачи конденсаторов k приведены в таблице 3:

Таблица 3. Коэффициенты теплопередачи конденсаторов различного типа.

Тип конденсатора	Коэффициент теплопередачи Вт/м2К
Кожухотрубный горизонтальный для аммиака	700-1000
Кожухотрубный вертикальный для аммиака	800
Кожухотрубный горизонтальный для хладона	700
Оросительные	700-930
Воздушного охлаждения	30

Расход охлаждающей воды, поступающей в конденсатор,(м₃/с) определяется по формуле:

(105)

где Q_k – суммарный тепловой поток в конденсаторе, (кВт);

с – удельная теплоемкость воды ( 4,19 кДж/кгК);

ρ – плотность воды (1000 кг/м³);

Δt_вд – подогрев воды в конденсаторе, (К).

По расходу воды с учетом напора выбирают необходимое количество насосов и один резервный.

Расчет рассольных испарителей определяется принятой системой охлаждения открытой или закрытой.

Площадь теплопередающей поверхности испарителя определяется по формуле:

F = (106)

где Q_и – тепловой поток в испарителе (кВт);

k - коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/м²К;

Δt – средняя разность температур между хладоносителем и кипящим хладагентом.

Расход хладоносителя V_р (м³/с), необходимый для отвода теплопритоков определяется по формуле:

V_р= (107)

где Q_и – тепловой поток в испарителе (кВт);

с_р – удельная теплоемкость хладоносителя при средней рабочей температуре, кДж/кг К;

ρ_р – плотность рассола, кг/м³;

Δt_р – разность температур рассола на входе в испаритель и на выходе из него, К.

Разность температур рассола на входе и выходе из испарителя принимают в зависимости от вида охлаждаемых аппаратов по таблице 4:

Таблица 4. Принимаемая разность температур рассола на входе и выходе из испарителя.

Вид охлаждаемых аппаратов	Разность температур
Батареи и воздухоохладители	2 - 3
Технологические аппараты	4 – 6
Мембранные скороморозильные аппараты	1

По расходу хладоносителя подбирают насос с учетом необходимого напора.