Тепловой и конструктивный расчет конденсаторов.

Исходные параметры. Общая методика расчета

Задачей теплового и конструктивного расчетов является определение площади теплопередающей поверхности аппарата и его геометрических размеров.

Исходными данными для расчета конденсатора являются: тепловой поток, температура конденсации, рабочее вещество, начальная температура охлаждающей среды.

Тепловой поток можно определить:

Кроме этого, для расчета необходимы значения ряда параметров: скорость и степень нагрева окружающей среды, средняя логарифмическая разность температуры, геометрические размеры элементов теплопередающей поверхности.

Для всех типов конденсаторов справедливо основное уравнение теплопередачи:

,

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); F - площадь поверхности теплопередачи, м²; - средняя логарифмическая разность температуры, К.

В качестве расчетной принимают поверхность, обращенную к охлаждающей среде. Коэффициент теплопередачи можно определить по формуле:

где - коэффициенты теплопередачи, соответственно, со стороны холодильного агента и воды, Вт/(м²К); - площадь поверхности, к которой отнесены термические сопротивления, ; - площадь внутренней и наружной поверхностей труб конденсатора, , -суммарное термическое сопротивление загрязнений и стенки.

Средняя логарифмическая разность температуры определяется из выражения:

,

где и - начальная и конечная температура охлаждающей среды; - температура конденсации.

По характеру определения температуры холодильного агента конденсатор можно разделить на три зоны: зону отвода температуры перегрева (паровая зона), зону конденсации и зону охлаждения жидкости. Обычно определяют суммарный тепловой поток от всех зон, а теплопередачу рассчитывают по условиям зоны конденсации.

Повышение значения средней логарифмической разности температуры позволяет сократить площадь теплопередающей поверхности конденсатора и его массу и стоимость. При этом увеличиваются необратимые термические потери в цикле холодильной машины (при заданной температуре охлаждающей среды увеличение приводит к повышению температуры конденсации, что увеличивает объемные и энергетические потери компрессора и приводит к понижению значения холодильного коэффициента). Поэтому при выборе значения необходимо принимать оптимальное его значение. В первом приближении оптимальное значение разности , будет соответствовать минимуму суммы мощностей компрессора и насоса или вентилятора, обеспечивающих циркуляцию охлаждающей среды. Расчетная площадь поверхности теплопередачи может быть определена из уравнения:

,

где - коэффициент теплопередачи, отнесенный к расчетной поверхности. Для его определения должны быть найдены значения коэффициентов теплоотдачи рабочих сред.

В формулах для расчета теплоотдачи при конденсации входит неизвестная на данном этапе величина θ_а- разность значений температуры конденсации и стенки. Для решения задачи применяют два метода: метод последовательных приближений и графоаналитический.

Метод последовательных приближений вытекает из уравнения справедливого для установившегося режима работы конденсатора:

,

где F_a– площадь поверхности, обращенная к холодильному агенту. Из этого равенства:

.

Приняв значение θ_а, определяют и проверяют равенство. В случае если оно не выполняется, значение θ_а корректируют и расчет повторяют. При соблюдении равенства, значение используют для определения расчетной тепловой поверхности.

При графоаналитическом методе составляют систему уравнений:

где F_охл - площадь поверхности, соприкасающаяся с охлаждающей средой. Значение θ_а находят графически, путем построения зависимости и в координатах . Координатные точки пересечения будут являться искомыми значениями величин .

Расчет оросительных и испарительных конденсаторов.

При расчете оросительного конденсатора определяют его теплопередающую поверхность, выбирают оптимальные значения средней температуры воды и расхода свежей воды, добавляемой в систему охлаждения.

Приняв среднюю логарифмическую разность температуры ( ) в пределах 2…4^оС, определяют коэффициенты теплоотдачи со стороны воды и со стороны холодильного агента . Составив систему уравнений (см. выше) определяют удельный тепловой поток, внутреннюю и наружную поверхность теплопередачи . Расход воды, подаваемой на орошение, можно определить:

где - теплота, отдаваемая холодильным агентом, - теплота, передаваемая наружному воздуху, - количество испарившейся воды, - температура воды, соответственно, поступающей на орошение и стекающей в поддон, с - удельная теплоемкость воды.

,

где σ_исп - коэффициент испарения,

β - коэффициент утечки капель, β =2; - энтальпия воздуха, определяемого параметрами =100% и температурой, равной средней температуре воды в аппарате; -энтальпия окружающего воздуха, А - поправочный коэффициент количества испарившейся воды. Это количество можно определить:

,

- влагосодержание воздуха при =100% и , - влагосодержание окружающего воздуха. Как правило, рассчитывают несколько вариантов параметров конденсатора и выбирают тот, при которых минимальны стоимость электроэнергии на привод компрессора и насосов и стоимость добавляемой свежей воды.

Испарительный конденсатор.

Особенностью испарительного конденсатора является то, что основное количество теплоты от холодильного элемента отводится за счет испарения воды. Поэтому температура воды принимается постоянной , принимают на 8-10^оС выше температуры точки росы для начального состояния воздуха. Температура конденсации выше температуры воды примерно на 3^оС.

Тепловой баланс испарительного конденсатора имеет вид:

,

где - расход воздуха ( ), і₁ и і₂ - энтальпия воздуха на входе и на выходе из аппарата, - энтальпия насыщенного воздуха при температуре воды; - средняя энтальпия воздуха в конденсаторе.

Из теплового баланса определяем поверхность аппарата из условий тепломассообмена воды и воздуха:

.

Кроме этого, необходимо определить площадь теплопередающей поверхности из условия теплоотдачи от конденсирующего холодильного агента к стенке и от стенки к пленке стесняющей воды. Для этого необходимо решить систему уравнений:

,

- температура воды; - температура стенки; t – температура холодильного агента; - приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны воды; - наружная оребренная и внутренняя поверхность 1м трубы. Определив значение определяют:

,

- коэффициент оребрения. Значения, определенные из разных условий теплообмена должны быть равны, в противном случае следует принять другое значение или и повторить расчет.

Дальнейшую конструктивную компоновку пучка труб осуществляют с таким расчетом, чтобы обеспечить требуемую площадь поверхности теплопередачи и принятую скорость воздуха во фронтальном сечении.

Воздушные конденсаторы.

При расчете воздушного конденсатора необходимо назначить параметры оребренной поверхности, степень нагрева и скорость воздуха во фронтальном сечении. Массовый расход воздуха определяется из уравнения теплового баланса конденсатора:

,

где - температура на входе и на выходе из аппарата.

При выборе скорости воздуха кроме экономических факторов, принимают во внимание допустимый уровень шума. Для конденсаторов с герметичными компрессорами рекомендуется скорость (v) 3,5…4,4 м/с, с сальниковыми – 4,5…6,5м/с.

Удельный тепловой поток и площадь внутренней поверхности определяют из системы уравнений:

;

где α _в α_пр – коэффициент теплоотдачи воздуху, приведенный к наружной поверхности.

После определения осуществляют компоновку пучка труб.

В зависимости от компоновки и выбранной скорости движения воздуха его расход можно определить:

,

где - площадь “живого” фронтального сечения, ; v – скорость воздуха, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³.

При не совпадении величин , определенных по этой формуле и из теплового баланса - следует скорректировать значение V или ( ) и повторить расчет.

Лекция 6.