
- • Донецкий национальный университет экономики и торговли им. М. Туган-Барановського
- •Основные методы и принципы оптимального конструирования.
- •Особенности процессов, происходящих в поршневых компрессорах.
- •Конструкция поршневых компрессоров.
- •Основы расчета поршневых компрессоров.
- •Основы расчета конденсаторов холодильных машин.
- •Расчет теплоотдачи в конденсаторах.
- •Тепловой и конструктивный расчет конденсаторов.
- •Основы расчета испарителей холодильных машин.
- •Тепловой и конструктивный расчет испарителей для охлаждения жидких теплоносителей.
- •Вспомогательная аппаратура холодильных машин.
- •Система навчальних елементів з дисциплін холодильного циклу
- •Для изучения учебных дисциплин рекомендуется следующая литература:
Основы расчета испарителей холодильных машин.
Общая характеристика испарителей.
Расчет теплоотдачи в испарителях.
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, А2 ,А3 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.