Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Kudrin_A.B._Ingenernie_printsipi_sozdaniya_hol_...doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
3.05 Mб
Скачать

Основы расчета испарителей холодильных машин.

  1. Общая характеристика испарителей.

  2. Расчет теплоотдачи в испарителях.

  3. Тепловой и конструктивный расчет испарителей.

Испаритель является одним из элементов холодильной машины, в котором рабочее вещество кипит за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Образовавшийся при кипении хо­лодильного агента пар отсасывается из испарителя компрессором для совершения дальнейших процессов цикла холодильной машины.

В зависимости от положенного в основу принципа охлаждения, испарители делятся на ряд групп:

по характеру охлаждаемого источника: 1) испарители для охлаждения жидких хладоносителей; 2) испари­тели для охлаждения воздуха; 3) испарители для охлаждения твер­дых сред; 4) испарители-конденсаторы.

В зависимости от условий циркуляции ох­лаждаемой жидкости:

1) с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости (кожухотрубные и кожухозмеевиковые); 2) с открытым уровнем охлаждаемой жидкости (вертикально-трубные, панельные).

по характеру заполнения рабочим веще­ством: 1) затопленные; 2) незатопленные (оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, змеевиковый с верхней подачей жидкости).

Испарители могут подразделяться и на другие группы (в зави­симости от того, на какой поверхности происходит кипение рабочего вещества; по характеру движения рабочего вещества и др.). В ка­честве промежуточного жидкого теплоносителя в испарителях при­меняются рассолы (водные растворы солей NaCl, СаС12), вода, спирт, водный раствор этиленгликоля и др.

Испарители для охлаждения жидких теплоносителей. Кожухо­трубные испарители затопленного типа. Аппараты такого типа являются наиболее распространенными и применяются в машинах как средней, так и крупной производительности. В кожухотрубных испарителях затопленного типа промежуточный теплоноситель охлаждается при движении внутри труб, а рабочее вещество кипит на их наружной поверхности.

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 (обечайку), с двух сторон к которому приварены плоские трубные решетки с отверстиями. Через эти отверстия протянуты трубы, образующие теплообменную поверхность. Трубы развальцовываются в отверстиях. К трубным доскам крышки крепятся болтами. Одна из крышек имеет входной (нижний) и выходной патрубки для промежуточного теплоносителя, другая — выпускные отверстия для воздуха (верхнее) и для промежуточного теплоносителя. В крышках распо­ложены горизонтальные перегородки, обеспечивающие многоходо­вое движение охлаждаемой жидкости, причем они смещены по вертикали в разных крышках. Число ходов по теплоносителю составляет 4—12, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость движения рассола. На обе­чайке находятся штуцеры для установки манометра и приборов автоматики.

В аммиачных испарителях к верхней части обечайки приварен сухопарник, к нижней — маслоотстойник. Пучок труб заполняет обечайку не полностью, верхняя часть ее свободна от труб. Подача рабочего вещества производится снизу аппарата, а отвод паров — через сухопарник. Для аппаратов с большой поверхностью подвод парожидкостной смеси осуществляется от общего коллектора в не­скольких точках по длине испарителя. Отвод пара осуществляется через несколько патрубков, объединенных общим коллектором. Это обеспечивает равномерное омывание теплопередающей поверх­ности потоком рабочего вещества.

Пучок труб в испарителях шахматный, ромбический. В аммиачных аппаратах применяются стальные бесшовные гладкие трубы. При работе на хладонах применяются медные трубы с накатными реб­рами.

На рисунке 20 показан общий вид аммиачного кожухотрубного испарителя затопленного типа.

Рисунок 20. Аммиачный кожухотрубный испаритель затопленный:

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

Кожухотрубные оросительные испарители. Как и в кожухотрубных испарителях затопленного типа промежуточный теплоноситель в оросительных испа­рителях течет по трубам, а холодильный агент кипит на поверхности пучка труб, стекая по нему в виде пленки.

Кожухотрубные оросительные испарители заполняются мень­шим количеством рабочего вещества, гидростатический столб жид­кости практически не влияет на температуру кипения, интенсивность теплопередачи выше за счет большего коэффициента теплоотдачи при кипении в стекающей пленке. Для интенсивной работы аппарата необходимо обеспечить равномерное орошение поверхности труб. Плотность теплового потока в оросительных кожухотрубных испа­рителях достигает 2900—3500 Вт/м2.

Испарители с кипением рабочего вещества внутри труб. Испа­рители такого типа имеют несколько конструктивных решений: кожухотрубные испарители (с прямыми и с U-образными трубками); вертикально-трубные и панельные испарители.

В кожухотрубных испарителях можно получать низкие темпе­ратуры теплоносителя, не опасаясь его замерзания и разрыва тру­бок. Для обеспе­чения достаточной скорости движения теплоносителя внутри ко­жуха установлены вертикальные перегородки. Скорость охлаждае­мой жидкости составляет 0,3…0,8м/с.

Панельный испаритель (рисунок 21) представляет собой прямо­угольный бак, в котором размещены испарительные секции панель­ного типа и мешалка для обеспечения циркуляции промежуточного теплоносителя. При раз­ности температуры 5-6°С плотность теплового потока в па­нельных испарителях достигает qF = 2900…3500 Вт/м2.

Испаритель-конденсатор. Испаритель-конденсатор является эле­ментом каскадных холодильных машин, связывающим между собой верхний и нижний ветви каскада. Для верхней ветви каскада он является испарителем, для нижней — конденсатором. При разности температур в аппарате 8°С плотность теплового по­тока доходит до q = 1600 Вт/м2.

Рисунок 21. Панельный испаритель:

1 -— отделитель жидкости; 2 — выход паров аммиака; 3 — коллектор сборный; 4 — коллектор распределительный; 5 — вход жидкого аммиака; 6 — перелив промежуточного теплоносителя; 7 — выход промежуточного теплоносителя; 8 — спуск промежуточного теплоносителя; 9 — теплоизоляция; 10 — спуск масла; 11 — автоматический предохранительный клапан.

Испарители для охлаждения воздуха. Воздухоохладители. Воз­духоохладители делятся на поверхностные (сухие), контактные (мокрые) и смешанного типа. Наиболее распространенными являются аппараты поверхностного типа, в которых воздух отдает теплоту рабочему веществу, кипящему внутри труб, или промежуточному теплоносителю, протекающему по ним. Аппараты, в которых кипит холодильный агент, называют воздухоохладителями непо­средственного охлаждения, а при отводе теплоты промежуточным теплоносителем или водой — воздухо­охладителями жидкостного охлаждения. В контактных воздухоохладителях отвод тепло­ты от воздуха происходит за счет непо­средственного контакта последнего с водой или промежуточным теплоносителем. Контактные воздухоохла­дители выполняются форсуночными или с орошаемой насадкой. В аппаратах смешанного типа отвод теплоты от воздуха происходит за счет кипения рабочего вещества в трубках и за счет контакта с рассолом, охлаждаемым на по­верхности трубок путем их орошения. Поверхностные воздухоохладители обычно выполняют в виде пучка оребренных труб, заключенных в кожух. Гладкие трубы используют редко: в том случае, когда при охлаждении воздуха требуется его осушка. Циркуляция воздуха через аппарат принудительная, с помощью вен­тиляторов. Длина одного змеевика (от жид­костного до парового коллектора) 5—15м, в крупных аппаратах до 20—25м.

Рисунок 22. Воздухоохладитель непосредственного охлаждения.

На рисунке 22 показана конструкция сухого воздухоохладителя непосредст­венного охлаждения, работающего на хладонах. Воздух подается нормально пучку труб, жидкий хладон — через распределитель в секции, расположенные горизонтально по высоте аппарата, отвод пара —

снизу каждой секции через вертикальный паровой коллектор. Такая конструкция аппарата обеспечивает хороший возврат масла.

Контактные воздухоохладители широко применяются при кон­диционировании воздуха, когда помимо охлаждения требуется регу­лировать и влажность воздуха. Главное достоинство контактных аппаратов — меньшая разность температуры между воздухом и оро­шающей жидкостью (водой или рассолом).

Камерные приборы тихого охлаждения. Камерные приборы ти­хого охлаждения представляют собой теплообменные аппараты — батареи, служащие для охлаждения воздуха в охлаждаемых помеще­ниях. Внутри батарей движется промежуточный теплоноситель или кипит рабочее вещество, отнимая теплоту от воздуха в результате его естественной циркуляции. Батареи с промежуточным теплоносителем применяются редко, только в тех случаях, когда этого нельзя избежать по условиям безопасности. Батареи, как правило, изготавливают оребренными с целью увеличения плот­ности теплового потока, сокращения расхода труб и уменьше­ния габаритных размеров аппарата.

Охлаждающие батареи бывают: потолочные, пристенные (одно- и двухрядные) гладкотрубные и ребристые, коллекторные и змеевиковые и т. п.

Рисунок 23. Аммиачная ребристая однорядная батарея:

1 – штуцер, 2 – коллектор, 3 – подвеска, 4 – труба оребренная, 5 – подвеска, 6 – коллектор.

Рисунок 24. Пристенная ребристая батарея типа ИРСН.

Расчет теплоотдачи в испарителях.

Кипение жидкостей может быть пузырьковым и пленочным. Переход от пу­зырькового к пленочному режиму кипения характеризуется крити­ческим тепловым потоком. Для испарителей холодильных машин характерен пузырьковый режим кипе­ния. Интенсивность процесса кипения возрастает с увеличением количества активных центров парообразования, поэтому шерохова­тость поверхности теплообмена влияет на теплоотдачу.

Процессы кипения в аппаратах холодильных машин протекают в большом объеме на поверхностях пучков гладких или ребристых труб при естественной конвекции или в трубах и каналах при есте­ственной и вынужденной конвекции.

Кипение в большом объеме на одиночной трубе. На теплоотдачу при кипении жидкости в большом объеме влияют физические свой­ства вещества, плотность теплового потока qF или температурный напор θт, давление или температура насыщения, а также характе­ристика системы жидкость—поверхность нагрева.

С увеличением плотности теплового потока или температурного напора теплоотдача при кипении в большом объеме возрастает. Сначала это свободная конвекция, когда перегретая жидкость поднимается к поверхности и испаряется, затем с увеличением qF начинается неразвитое пузырьковое кипение, далее оно пере­ходит в развитое и, наконец, наступает период пленочного ки­пения.

Коэффициент теплоотдачи при кипении хладонов на одиночной горизонтальной трубе αот в зоне свободной конвекции и неразвитого пузырькового кипения (при числах Релея 3∙103< Ra < 108) опре­деляется по уравнениям:

где Ra – число Релея,

или в размерной форме:

где А и В – справочные коэффициенты.

При кипении аммиака:

Nu = 0,5Rа0,25.

В зоне развитого кипения α для хладонов определяют:

где RZ - абсолютная средняя высота неровностей на шероховатой поверхности (для стальных труб 3…6 мкм);

RZэ - то же для эталонной поверхности (1мкм);

М – молекулярная масса.

Для аммиака в зоне развитого кипения коэффициент теплоотдачи определяется по уравнению (при to=-40…20оС и qF =23000…87000Вт/м2):

,

ро - давление кипения (бар).

В переходной зоне неразвитого пузырькового кипения α со стороны аммиака определяют:

где αотск – коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции.

Кипение в трубах и каналах. Средний коэффициент теплоотдачи при кипении хладонов в горизонтальных трубах определяется по уравнению:

А - зависит от to и рабочего вещества.

Средний коэффициент теплоотдачи при кипении аммиака внутри горизонтальной трубы определяется по уравнению:

г де - средний коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости. Его значение определяют из уравнения:

Nu=0,021 Re 0,8 Pr 0,43.

Средний коэффициент теплоотдачи при кипении аммиака в вертикальных трубах и каналах в условиях свободной конвекции определяется по уравнению:

справедливому при to= -30…0оС и qF = 1000…14000 Вт/м2.

Расчёт теплоотдачи со стороны охлаждаемой среды.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости вдоль пластины характеризуется ламинарным или турбулентными режимами. Для ламинарного слоя средний коэффициент теплоотдачи определяют из уравнения:

Nu=0,66 Re 0,5 Pr 0,33;

для турбулентного -

Nu=0,037 Re 0,8 Pr 0,43 .

В качестве определяющего размера при определении Re принята длинна пластины в направлении потока.

Теплоотдача при естественной конвекции. При конвективном теплообмене среды в неограниченном объёме, средние значения, коэффициента теплоотдачи можно определить:

  • для горизонтальной трубы (ламинарный режим):

- для вертикальной стенки и трубы (ламинарный режим):

При переходном и турбулентном режимах:

,

г де - разность температуры.

Значения А1, А23 приведены в справочной литературе.

Лучистый теплообмен – это вид теплообмена на практике всегда сопровождается конвективной теплоотдачей. При расчёте теплообмена в аппаратах холодильных машин лучистой энергией пренебрегают. Однако при малых значениях коэффициентов конвективной теплоотдачи для теплоты излучением может составлять 40 – 50 % и её необходимо учитывать. Общий суммарный коэффициент теплоотдачи по формуле:

где

εпр- приведенная степень черноты системы;

φ - коэффициент облучённости (зависит от конфигурации батареи);

Со - коэффициент излучения поверхности аппарата ;

Для одиночной гладкой трубы φ=1, для ребристой трубы, вследствие экранирования рёбер φ<1.