4.7 Конденсаторы и регенеративные теплообменники.

В конденсаторе холодильной установки осуществляется конденсация (и переохлаждение) холодильного агента за счет передачи тепла от холодильного агента к забортной воде или воздуху. Соответственно различают конденсаторы с водяным и воздуш­ным охлаждением. Конденсаторы с воздушным охлаждением применяют только в мелких холодильных установках, обслу­живающих провизионные шкафы, сатураторные установки, гру­зовые отсеки рефрижераторных контейнеров и т.п. В основном на судах распространены конденсаторы с водяным охлаждени­ем. Холодильный агент, поступающий в конденсатор в состоя­нии перегретого пара, в результате отдачи тепла забортной воде (воздуху) охлаждается до состояния сухого насыщенного пара и затем конденсируется. В конденсаторах, имеющих развитую поверхность охлаждения, предусматривается также переохлаж­дение жидкого холодильного агента.

Процесс передачи тепла от холодильного агента к заборт­ной воде складывается из теплоотдачи от холодильного агента к наружной поверхности теплообменной трубки, теплопро­водности через стенку трубки и теплоотдачи от внутренней поверхности теплообменной трубки к забортной воде.

Степень интенсивности теплоотдачи в конденсаторе харак­теризуется коэффициентом теплоотдачи. Для уменьшения габаритов конденсатора внешнюю поверхность труб делают ребристой. Увеличение охлаждающей поверхности в резуль­тате этого оценивается коэффициентом оребрения, равным отношению поверхности оребренной трубки к поверхности этой же трубки до оребрения.

При прочих равных условиях применение хладона 22, имеющего более высокие значения коэффициента теплоотдачи, чем хладон-134а, позволяет сокра­тить поверхность теплопередачи конденсатора на 15-20%.

В конденсаторах морских холодильных установок труб­ки подвергаются постоянному эрозийному и коррозийному разъеданию забортной водой, поэтому к ним предъявляют требования повышенной надежности. Практика эксплуатации показывает, что наиболее тяжелые аварии судовых холодиль­ных машин происходят в результате выхода из строя конден­саторов и попадания забортной воды в систему холодильного агента. Надежность конденсаторов возросла в результате из­готовления трубных решеток из латуни, крышек из бронзы, а теплообменных трубок из мельхиора — медноникелиевого сплава, содержащего 70% меди и 30% никеля. В таких кон­денсаторах скорость движения воды в трубках увеличена до 2-2,5 м/с, что обеспечивает достаточно высокую интенсив­ность теплопередачи.

Для защиты от разрушения трубок, трубных досок и кры­шек работающих в агрессивной среде — морской воде, на крышке конденсатора устанавливают протекторы. Сущность протекторной защиты состоит в том, что при контакте двух или нескольких металлов, погруженных в электролит (в дан­ном случае — морскую воду), металл, имеющий наименьший электрический потенциал, служит анодом и разрушается, в то время как другие металлы служат катодом и не подвергаются разрушению. Анодом является специально устанавливаемые на крышках конденсаторов протекторы из цинка или магние­вого сплава МЛ-4 и алюминиевого сплава АМЦ-15-10.

Наибольшее распространение в морской практике получи­ли горизонтальные кожухотрубные конденсаторы. В качестве примера рассмотрим конденсатор МКТР₂-3 (рис. 166)

Корпус конденсатора представляет собой стальную обечай­ку 4, к которой приварены латунные трубные решетки 2 и 8, штуцер 6 служет для подвода пара хладона, стакан 14, лапы 5 и 7 — для установки электродвигателя и компрессора, опорные лапы 12 для установки конденсатора на фундамент. Трубки 11 из мельхиора имеют с наружной стороны накатные ребра. Концы трубок развальцованы в трубных решетках. В каждом отверстии, в которое входит трубка, расточено по две канавки, что обеспечивает более плотное соединение трубок с решеткой и исключает их перемещение в ней при нагреве. Наружная теплопередающая поверхность равна 3,2 м². трубные решетки конденсатора закрыты бронзовыми крышками 1 и 9, которые имеют перегородки, обеспечивающие шестиходовое протека­ние воды по трубкам конденсатора. Крышки устанавливают на резиновых прокладках. На крышках установлены протек­торы 10. Перегретый пар хладона нагнетается компрессором в межтрубное пространство конденсатора, где пар за счет теплообмена с поверхностью водяных трубок охлаждается и конденсируется. Жидкий хладон собирается в нижней части, оттуда через угловой вентиль 15 поступает в жидкостный тру­бопровод.

На корпусе конденсатора установлен клапан 3 для спуска воздуха. В качестве предохранительного устройства конден­сатор снабжен пробкой 13, имеющей сквозное отверстие 16, залитое легкоплавким металлом (сплавом Вуда) 17, который при 65° С плавится и выпускает агент в аварийный трубопровод.

Этим конденсатор предохранятся от взрыва при аварийном повышении давления, что возможно при пожаре, срыве ох­лаждения конденсатора и т. п.

Нижняя половина корпуса конденсатора не имеет охлажда­ющих трубок и вместе со стаканом 14 выполняет роль ресиве­ра — сборника жидкого хладона вместимостью 29л. Наличие развитой ресиверной части является одной из конструктив­ных особенностей современных конденсаторов небольших установок. Это исключает необходимость в установке линей­ного ресивера. Высота столба жидкости в корпусе конденса­тора (включая сборник) должно быть не менее 50-75 мм, а в крупных конденсаторах — не менее 100 мм. При малой вы­соте столба жидкости над отверстием трубопровода в слое жидкости образуется воронка, способствующая попаданию несконденсировавшегося пара в жидкостный трубопровод. В небольших хладоновых установках встречаются кожухозмеевиковые конденсаторы. Вода в них прокачивается по змееви­ку, оба конца которого укреплены в одной трубной решетке.

Рис. 166. Хладоновый конденсатор.

Тепловая нагрузка на конденсатор холодильной машины Q_к, Вт, складывается из холодопроизводительности Q₀ и тепла, эквивалентного работе L компрессора:

Q_к=Q₀+L=G(i₂-i₃),

где G — расход холодильного агента, кг/ч;

i₂ и i₃ — значения энтальпии агента соответственно на входе и на выходе из конденсатора, кДж/кг.

Теплопередающая поверхность конденсатора F, м2, опреде­ляется из формулы

Q_к=kF_кθ_m F=Q_к/(kθ_m),

где k- коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м²·с);

Q_m — средняя логарифмическая разность температур между холодильным агентом и забортной водой

.

Здесь t_w1 и t_w2 — температуры забортной воды, соответс­твенно входящей и выходящей из конденсатора, t_к – температура конденсации.

Поверхность теплообмена для конденсаторов холодильных установок морских судов принимается на 10% больше расчет­ной. Это позволяет в случае необходимости вывести из действия (заглушить) часть поврежденных трубок, не вызывая явного снижения производительности холодильной установки.

Удельная тепловая нагрузка конденсатора q_к Вт/м²,

и для одновременного хладонового конденсатора при ско­рости воды порядка 2 м/с составляет 7000-10000 Вт/м². Рас­ход воды G_в, кг/с, определяется из условия

G_к=G_вС_в(t_w2-t_w1),

указывающего, что все тепло отводится забортной водой, и следовательно:

где С_в — теплоёмкость воды кДж/(кг·с).

В установках средней и большой холодопроизводитель­ности за конденсатором может устанавливаться линейный ресивер — вертикально или горизонтально (чаще вертикаль­но) расположенный стальной цилиндрический сосуд. Реси­вер является сборником холодильного агента. В него стекает сконденсировавшийся агент, освобождая теплообменную по­верхность конденсатора. Для обеспечения беспрепятственного тока агента в ресивер его устанавливают ниже конденсатора, а паровые полости обоих аппаратов соединяют уравнительной трубкой, благодаря чему давление в обоих аппаратах вырав­нивается и жидкий агент стекает из конденсатора в ресивер под действием собственной массы.

Конденсаторы и ресиверы установок средней и большой холодопроизводительности (вместо легкоплавких пробок) снабжаются предохранительными клапанами, открытие кото­рых должно начинаться при давлении 0,21 МПа (21,0 кгс/см²) для хладона-22 и при давлении 0,14 МПа (14,0 кгс/см2) для хладона-134а. Выпускаемый предохранительным клапаном агент должен отводиться в атмосферу в безопасном для людей месте над палубой. Для контроля герметичности предохрани­тельного клапана на отводящей трубе устанавливают жид­костный затвор со смотровым стеклом, заполненный водой. В определенных случаях средние и большие холодильные установки, помимо предохранительных клапанов, оборудуют трубами аварийного спуска холодильного агента из аппаратов и сосудов. Трубы выводят в коллектор аварийного спуска, расположенный вне помещения холодильных машин, но вблизи входа в него. На коллекторе устанавливают запорные клапаны, отключающие каждую запорную трубу. Эти клапаны стеклами защищены от доступа посторонних лиц и приспособлены для пломбирования в закрытом состоянии. Общий трубопровод от коллектора аварийного спуска за борт аммиака снабжен невозвратным клапаном и выведен ниже ватерли­нии судна при минимальной осадке. Для продувания общего трубопровода предусматривается подвод к нему сжатого воздуха или пара. На общем трубопроводе аварийного спуска за борт перед невозвратным клапаном в удобном для наблюдения месте должен находиться указатель утечки холодильного агента.

В хладоновых судовых холодильных установках переох­лаждение жидкого холодильного агента осуществляется в ре­генеративном теплообменнике (рис. 167). Жидкий хладон-134а из конденсатора (ресивера) поступает в теплообменник через штуцер 2. Проходя внутри красномедного двойного змеевика, он переохлаждается и через штуцер 4 направляется к регули­рующему вентилю.

Пар хладона-134а из испарителя поступает в теплообмен­ник по трубе 3. Омывая снаружи змеевики, он переохлаждает жидкий хладон, перегревается и по трубке 1 поступает во вса­сывающий трубопровод компрессора.

Рис. 167. Хладоновый теплообменник.