книги из ГПНТБ / Цейтлин Ю.А. Установки для кондиционирования воздуха в шахтах [Текст] 1974. - 166 с
.pdfВход пара
т о 7
Рис. 13. Кожухотрубпыи конденсатор КТР-140
В испарительных конденсаторах отвод тепла конденсации производится в основном за счет испарения части охлаждающей воды с помощью специальных форсунок непрерывно орошающей трубки, по которой движутся пары хладагента. Благодаря зна чительной скрытой теплоте парообразования расход воды в та ких конденсаторах меньше, чем в кожухотрубных конденсато рах, однако для интенсификации испарения возникает необхо димость в установке специальных вентиляторов, т. е. в услож нении установки.
И с п а р и т е л и. Испаритель-теплообменник, |
в котором осу |
ществляется передача тепла от охлаждаемой |
среды (или от |
хладоносителя) к кипящему хладагенту.
По конструкции различают испарители кожухотрубные и кожухозмеевиковые. Причем в некоторых случаях хладагент
движется внутри трубок аппарата, а в |
некоторых — снаружи. |
В зависимости от причины движения |
хладагента испарители |
могут быть с естественной й принудительной циркуляцией. Кро ме того, по степени заполнения жидким хладагентом различают затопленные и сухие (незатопленные) испарители. В затоплен ных испарителях вся теплопередающая поверхность омывается жидким кипящим хладагентом. В незатопленных испарителях часть теплопередающей поверхности омывается не жидкостью, а паром хладагента. Испарители, предназначенные для охлаж дения жидкости, отличаются конструктивно от испарителей, в которых производится непосредственное охлаждение воздуха. При использовании испарителей для охлаждения воздуха необ ходимо принимать меры для повышения довольно низкого ко эффициента теплоотдачи от поверхности труб, по которым дви жется хладагент к воздуху.
На рис. 14 показан кожухотрубный испаритель ИТР-210, ис пользуемый на шахтах. Испаритель состоит из цилиндрического корпуса 4 с крышками 1 и 9. Внутри корпуса находится пучок гладких или оребренных труб 11, концы которых завальцованы в трубные решетки 12. В испарителе данной конструкции хлад агент движется снаружи трубок, а внутри трубок циркули рует хладоиоситель. Так же как и в рассмотренной выше конст рукции конденсатора (см. рис. 13), за счет специальных пере городок в крышках корпуса производится разделение трубного пучка на несколько последовательно соединенных секций. Под вод хладагента к испарителю производится через коллектор 10 (см. рис. 14), соединенный с нижней частью корпуса аппарата. Отбор пара производится из сухопарника 3, имеющегося в не которых конструкциях испарителя, или от верхней части кор пуса. Испаритель снабжается предохранительным клапаном 5, указателем уровня 7 и необходимой запорной арматурой 2, 6, 8.
Как уже указывалось выше, можно использовать затоплен ные и незатопленные испарители. В затопленном испарителе (рис. 15, а) через трубопровод 1 хладагент после дросселиро-
41
Рис. 14. Кожухотрубный испаритель ИТР-210
вания попадает в отделитель жидкости 2, где из него выделяется сухой пар, после чего жидкий хладагент поступает в испаритель 3. После испарения за счет подвода , тепла от охлаждаемой среды влажный пар хладагента вновь поступает в отделитель жидкости, где происходит его разделение на сухой пар, кото рый идет по трубе 4 к компрессору, и кипящую жидкость, вновь возвращающуюся в испаритель. В такой системе с помощью по плавкового регулирующего вентиля 5 поддерживается постояи-
F4ic. 15. Схема испарителя:
а—затопленного: б— незатопленного
ный уровень заполнения испарителя. Достоинствами испарите лей данного типа являются наиболее эффективное использо вание поверхности теплообмена, сравнительно простое регули рование, сводящееся к поддержанию постоянного уровня хлад агента. Недостатками аппарата являются: возможность полу чения только сухого пара и необходимость установки еще одного теплообменника, если нужен перегрев пара; наличие в контуре холодильной установки большого количества хладагента, обес печивающего заполнение испарителя; влияние гидростатического давления хладагента на режим работы аппарата (в нижней части такого испарителя давление больше, чем в верхней, а это значит, что температура кипения хладагента внизу больше, чем вверху).
В незатопленном испарителе с принудительной циркуляцией хладагента (рис. 15, б) жидкий хладагент после отделителя жидкости 2 насосом 6 подается в испаритель 3, где он проте кает по трубам сверху вниз и заполняет 10—20% их сечения.
При такой схеме количество хладагента, необходимого для заполнения испарителя, уменьшается в пять — десять раз. Опы
43
ты 16] показывают, что коэффициент теплопередачи в этом слу чае уменьшается незначительно. Несмотря на то что жидкость заполняет лишь небольшую часть сечения трубы, ее количество в несколько раз превышает массу испаряющегося хладагента, и неиспарившийся хладагент по трубе 7 вновь попадает в отде литель жидкости. Образовавшийся пар из отделителя жидкости поступает по трубе 4 в компрессор. В этих аппаратах по трубам движется не парожпдкостная эмульсия, а паровая и жидкая фазы отдельно, поэтому опасность уноса жидкости в компрес сор, а значит, и влажного хода последнего практически исклю чается. Преимуществом этой системы является также устране ние влияния гидростатического давления хладагента па работу испарителя.
Р с г у л и р у ю щ и й ( д р о с с е л ь н ы й ) в е и т и л ь. Регул п- рующнй вентиль или так называемое регулирующее устройство (в малых холодильных установках вместо вентиля часто уста навливают дросселирующий элемент постоянного сопротивле ния— капиллярную трубку) предназначено для дросселирова ния хладагента п для регулирования подачи его в испаритель. Рассмотрим конструкции и характеристики регулирующего вен тиля, так как в крупных холодильных установках, используе мых при кондиционировании воздуха в шахтах, капиллярные трубки не применяются.
В зависимости от того, какая величина, характеризующая работу испарителя, поддерживается постоянной за счет изме нения положения запорного устройства, регулирующие вентили подразделяют на поплавковые, постоянного давления и терморегулирующне.
Поплавковые регулирующие вентили (рис. 16, а) предиаз начены для поддержания постоянного уровня .жидкого хладаген та в испарителе или сосуде, связанном с испарителем. Вентиль имеет камеру /, в которой находится поплавок 2. Камера со единена с сосудом, где регулируется уровень жидкости. Попла вок связан с дроссельным устройством- 3, через которое хлад агент поступает в испаритель. Если уровень жидкого хладагента в испарителе почему-либо изменился (например, вследствие изменения тепловой нагрузки), то меняется соответственно и уровень жидкости в камере, что приводит к перемещению по плавка и связанного с ним подвижного элемента дросселя. При снижении регулируемого уровня сопротивление дросселя умень шается, а подача хладагента в испаритель увеличивается; при повышении уровня жидкости сопротивление дросселя увеличи вается, а подача хладагента в испаритель уменьшается.
Обычно регуляторы такого типа устанавливают у испари телей, но могут быть применены и для регулирования уровня жидкого хладагента в конденсаторе установки. Поплавковые ре гуляторы уровня применяются только в установках с затоплен ным испарителем.
44
Регулирующий вентиль постоянного давления (рис. 16, б) осуществляет поддержание давления в испарителе постоянным, т. е. «после себя». Силовым элементом регулирующего вентиля является мембрана 1. На мембрану действуют усилия со сторо ны пружины 2 и сила, определяемая давлением ри в испари теле. Если усилие от р„ больше упругой силы пружины, то кла пан 3 закрыт, и жидкость в испаритель не подается. При мень ших давлениях хладагента в испарителе положение клапана
Рис. 16. Схема регулирующего вентиля:
а — iiöii.naüKOuoro; 6 — постоянного давления; в — терморегулирующего
будет зависеть от его величины: чем ниже давление хладагента, тем больше проходное сечение клапана. Величина необходимого давления устанавливается с помощью регулировочного впита 4, позволяющего менять начальное сжатие пружины 2.
Регулирующие вентили постоянного давления используют обычно в холодильных установках небольшой мощности (до 30—40 квт).
В настоящее время в холодильных установках широко при меняются так называемые терморегулирующие вентили (рис. 16, а). При их применении сопротивление дросселирую щего органа зависит от перегрева пара хладагента перед ком прессором. В терморегулирующих вентилях в качестве чувстви тельного элемента может быть использована мембрана или сильфон. Чувствительный элемент 1 с помощью штока 2 соеди нен с клапаном 3, осуществляющим дросселирование потока хладагента. К. трубе, по которой пары хладагента поступают из испарителя 4 к компрессору, прижимается термочувствительный элемент (патрон) 5, заполненный обычно насыщенным паром
4 5
хладагента. Патрон капиллярной трубкой 6 соединен с поло стью над чувствительным элементом (мембраной) вентиля. Та ким образом, на Мембрану действуют: снизу — давление насы щения хладагента при температуре в испарителе, сверху — давление насыщения хладагента при температуре перегретого пара перед компрессором. Если из испарителя выходит насы щенный пар, то давление сверху и-снизу мембраны будет одина ковым и под действием пружины 7 клапан будет закрыт. По> мере перегрева пара в испарителе давление рп, действующее^ на мембрану, будет увеличиваться и в определенный момент (при определенной температуре перегрева) клапан откроется. В дальнейшем положение клапана будет определяться пере гревом пара в испарителе.
В некоторых случаях термочувствительный элемент запол няют не хладагентом, используемым в данной холодильной; установке, а другим веществом, имеющим необходимые значе ния давления насыщения. Это делают, например, в аммиачных холодильных установках, чтобы уменьшить коррозию капилляр ной трубки, патрона и мембраны, их заполняют менее корро зионно-активным веществом — фреоном-22.
Терморегулирующие вентили применяют обычно при незатопленных испарителях, но их можно применять и при затоп ленных испарителях.
7. Тепловой расчет конденсаторов и испарителей
При расчете существующего или проектируемого аппарата цель теплового расчета различна. В первом случае обычно оп ределяют тепловой поток между средами и температуры сред; во втором случае главной задачей является определение не обходимой поверхности теплообмена аппарата. Однако в обоих случаях наибольшие трудности возникают при определении значения коэффициента теплопередачи или обратной ему вели чины полного термического сопротивления аппаратов.
Рассмотрим гіроцесс передачи тепла в конденсаторах и ис парителях ПКХУ.
Величина теплового потока, устанавливающегося между двумя средами с различной температурой, разделенными много слойной цилиндрической стенкой (рис. 17), определяется 113] выражением
О = --------------- |
) |
|
1 ------------------ |
|
1 |
|
1 ’ |
(68) |
1 |
D n |
D ' |
D " |
1 |
||||
D „ a x + |
ЧѴ " |
D ' + |
2X" " |
D " + |
2У" |
П D n + |
D Ba s |
|
где |
Q— полный тепловой поток, вт; |
вдоль |
обра |
|||||
|
L— длина цилиндрической |
стенки |
||||||
|
|
зующей, м; |
|
|
|
|
|
46
Dn, D', D" и DB— диаметры поверхностей |
слоев |
разделяю-, |
||
щей среды стенки, м (рис. 17, а); |
стороны |
|||
cti и аз—'Коэффициенты |
теплоотдачи |
со |
||
охлаждаемой п охлаждающей сред, вт/м2Х |
||||
Хград; |
теплопроводности |
материа |
||
А'. А" и А"'— коэффициенты |
||||
ла слоев стенки, вт/м-град; |
(температур |
|||
Д/с— средняя разность температур |
||||
ный напор) охлаждаемой |
и охлаждающей |
|||
сред, °С. |
|
|
|
|
Рис. 17. Продольным разрез стенки трубы теплообменного аппарата:
а — гладкой многослойной: 6 — оребренной
Величина Дtc рассчитывается по формуле
А(с = е— ча?— . (69)
, Atmax ln --------
ДЛпіп
.Здесь Д^шах и A/min— разность температур сред в аппарате соответственно максимальная и ми нимальная;
е — поправочный коэффициент, учитываю щий влияние схемы теплообменника на среднюю разность температур.
Поправочный коэффициент, входящий в выражение (69), для противоточных и прямоточных аппаратов равен единице, при сложных схемах теплообмена он меньше единицы и может быть определен [15] по специальным графикам.
Коэффициент теплопередачи определяется соотношением
k = |
1 |
^ |
Q |
(70) |
|
5 |
~ |
рд/с |
’ |
где k — коэффициент теплопередачи, вт/м2-град;
R — термическое сопротивление стенки, м2-град/вт;
F — площадь поверхности, к которой отнесен коэффициент теплопередачи, м2.
47
В зависимости от того, к какой площади отнесен коэффи циент теплопередачи, величина его для одного и того же аппа рата может быть различна. Если отнести коэффициент тепло передачи к наружной поверхности гладкой стенки (см. рис. 17, а), то получим
|
1 . D., |
|
, Du |
, |
D" |
lu |
D’ |
|
|
Du |
"ln |
D" |
j- |
Du |
(71) |
||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
а, |
27' |
|
ІП D' |
|
D" |
' |
|
27"' |
^ |
|
DBa, |
|
||||||
|
|
1 27." |
|
|
|
Dli |
|
||||||||||||
|
R =■■Я, Н- R' -j-R” -i- R'" -I- R, = - |
|
1 |
Dn |
|
, |
|
|
|||||||||||
|
а, |
1----— ln _5iL л_ |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
, |
|
|
, |
D„- ln |
|
27.' |
|
|
D’ ' |
|
||||
|
|
+ |
|
|
D' |
|
D" |
1 Du |
|
|
1 |
|
(72) |
||||||
|
|
27" |
ln--- |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
D" |
|
27.’" |
|
D„ |
|
|
D„ |
|
а2 |
|
|
||||
Здесь |
R 1 |
и Rz— термическое |
сопротивление |
теплоотдачи |
соот |
||||||||||||||
|
|
|
|
ветственно между охлаждаемой и охлаждаю |
|||||||||||||||
R', |
R" |
|
|
щей средами и стенкой; |
|
соответствующих |
|||||||||||||
и R'" — термические |
сопротивления |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
слоев. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В случае, когда толщина слоев цилиндрической стенки зна |
|||||||||||||||||||
чительно |
меньше |
диаметра |
цилиндра, |
|
то уравнение |
(71) |
с до |
статочной степенью точности может быть заменено уравнением теплопередачи через плоскую стенку:
1 |
6' |
6" |
б'" |
|
1 |
(73> |
|
|
|||||
а, |
1 7.' |
7." |
1■7"' |
^ |
а* |
|
где б', 8" и б"' — толщина соответствующих слоев стенки.
При этом коэффициент теплопередачи относится к топ пло щади поверхности, со стороны которой коэффициент теплоот
дачи меньше (к F,„ если at<ao; к FB если аі>аг и к — (Fп +
-rF„), если аі~ аг).
Если коэффициент теплоотдачи с наружной стороны стенки значительно меньше, чем с внутренней, то для повышения зна чения /г часто применяют оребренные трубки (см. рис. 17,6). Если принять, что температура оребренной поверхности одина кова во всех ее точках и что коэффициент теплоотдачи различ ных элементов этой поверхности также одинаков, то расчет ко эффициента теплопередачи в этом случае не вызывает трудно стей. Если отнести коэффициент теплопередачи к площади внутренней поверхности <и использовать для его определения уравнение (73), то получим
/г, |
|
1 |
(74> |
_ 1_ |
|
|
|
оц |
ор |
|
ССо |
|
|
|
Отношение площади оребренной поверхности (Е,, ) к площади внутренней поверхности {Fn) называется коэффициентом ореб-
реніия.
Уравнение (74) справедливо, если температура оребренной поверхности и ее коэффициент теплоотдачи одинаковы для всех элементов. В действительности температура в различных точках ребра и коэффициент теплоотдачиразличных его элементов неодинаковы. В литературе [10, 9] приводятся более сложные формулы, позволяющие точнее вычислить коэффициенты тепло отдачи оребренных поверхностей, однако они основаны также на ряде допущений и результаты, получаемые при их исполь зовании, часто расходятся с данными экспериментов.
Ознакомившись с общими принципами расчета теплообмена в аппаратах ПКХУ, рассмотрим вопросы теплового расчета конденсаторов этих установок. При расчетах конденсаторов кожухотрубного или кожухозмеевикового типа с гладкими труб ками коэффициент теплопередачи определяется по формулам, аналогичным (71) или (73). Слоями цилиндрической поверх ности, разделяющей хладагент и охлаждающую среду (воду), являются отложения на внутренней и наружной поверхности
трубок |
конденсатора (масло, загрязнения, |
окалина) и сами |
стенки |
трубок. |
главная трудность, |
При |
тепловых расчетах конденсаторов |
заключается в правильном определении коэффициентов тепло отдачи ц2 и особенно а,.
При определении коэффициента теплоотдачи от конденси рующегося пара к стенкам трубы используется обычно фор мула Нуссельта [13].
При движении конденсирующегося пара снаружи пучка го ризонтальных труб, по которым течет охлаждающая жидкость, коэффициент теплоотдачи [13, 7]
|
а — 0,728 Л/ |
liP|<g к ■, вт/м2-град, |
(75) |
|
Г |
р,;АЮіІа |
|
где |
А., — коэффициент |
теплопроводности |
конденсата, |
|
вт/м-град; |
|
|
|
рк— плотность конденсата, кг/м3; |
|
|
|
гк— скрытая теплота |
парообразования, дж/кг; |
|
|
J.L,;— динамический коэффициент вязкости |
конденсата, |
|
|
кг/м-сек; |
|
|
|
Д/— перепад температур между конденсирующимся паром |
||
|
и внешней поверхностью трубы, °С; |
|
|
|
D — внешний диаметр трубы, м; |
|
|
|
пв —среднее число труб в вертикальном ряду пучка. |
||
Если охлаждающая среда протекает по вертикальным труб |
|||
кам, |
то |
|
|
4 9 -