2.3.3. Теплопередача в конденсаторах и тепловой расчет

Парь хладагента конденсируются внутри труб конденсатора при соприкосновении с их стенками, температура которьх ниже темпе-ратурь насьщения пара, соответствующей давлению в аппарате. Интенсивность теплопередачи зависит от характера образования конденсата, скорости и направления движения хладагента, от со-стояния поверхности труб, содержания воздуха в парах, конструк­тивного исполнения теплообменного аппарата и скорости движе-ния внешней охлаждающей средь.

Различают два вида конденсации — пленочную и капельную. В первом случае жидкость осаждается на холодной стенке трубь в виде сплошной пленки, во втором — в виде отдельньх капель. Пос-леднее явление наблюдается, когда конденсат не смачивает поверх-ность охлаждения или когда она загрязнена маслом или различнь-ми отложениями. Большинство теплообменников работает со сме-шанной конденсацией, когда в одной части аппарата возникает ка-пельная конденсация, а в другой — пленочная. Образующийся жид-кий хладагент необходимо бьстро удалять с теплопередающей по-верхности.

От состояния внутренней поверхности зависит толщина пленки конденсата. Она увеличивается при шероховатой поверхности, и зто сопровождается снижением козффициента теплоотдачи. Резко зависит зтот козффициент и от наличия отложений на внутренней и внешней сторонах труб (масло, накипь, ржавчина, пьль, краска).

Присутствие воздуха в парах хладагента заметно снижает козф-фициент теплоотдачи. От конструкции аппарата зависит характер и скорость движения конденсата в нем, и внешней охлаждающей средь через аппарат. С увеличением скорости возрастают козффи-циент теплоотдачи и затрать мощности на перемещение охлажда-ющего воздуха или водь. С возрастанием скорости движения жид-кого хладагента в трубе ламинарньй (спокойньй) режим движения жидкости переходит в турбулентньй (с завихрениями), при кото-ром процессь теплопередачи интенсифицируются.

Тепловой расчет конденсатора предусматривает определение либо проверку площади теплопередающей поверхности, обеспечи-вающей снятие тепловой нагрузки конденсатора,

где б_пер, б_конд, (}_ож — соответственно теплота охлаждения пе-регретьх паров хладагента, его конденсации и переохлаждения жид-кости перед дроссельньм вентилем.

Площадь теплопередающей поверхности можно найти по урав-нению теплопередачи:

^_к = , (2.3)

где 6 — средний температурньй напор конденсатора, К; \|/ — козффициент (индекс противоточности), учитьвающий схему дви-жения теплоносителей (при противотоке, прямотоке или постоян-ной температуре одного из теплоносителей \|/ =1); К — козффици­ент теплопередачи, Вт/(м²-К).

При проектировании холодильной машинь на заданнье усло-вия работь по найденному значению Р_к подбирают соответству-ющий тип конденсатора. В поверочньх расчетах площадь Р_к со-гласовьвают с параметрами, определяющими температурньй на-пор конденсатора, для наиболее тяжельх условий работь маши-нь в летнее время.

Теплопередающую поверхность конденсатора условно мож­но разделить на злементьі, соответствующие снятию отдельньїх составляющих тепловой нагрузки: £_пер, 2_конд, Є_ож,

(2.4)

Схема изменения температур хладагента 1_к и охлаждающей сре-дьі (воздуха) /_в на поверхности конденсатора приведена на рис. 2.27.

Средний температурньй напор конденсатора

Є

Аі_б-Аі_м (і₂ -і")-(і₃ -і'_в)

^{Іп (Аі б / ) 1п[( і2 - і3 - і і)]}

(2.5)

где Аґ_б> Аі_м — большая и меньшая разности температур тепло-носителей для входа в конденсатор и вьхода из него.

Козффициент теплопередачи для тонкостенной трубки теплопе-редающей поверхности с наружньм оребрением при движении хла-дагента внутри трубь может бьть определен в виде

К

1

^1/ а к + Х &і +\І а в пр Ф н

(2.6)

где а_к — козффициент теплоотдачи от хладагента к стенке тру-

тер-

би, Вт/(м²-К); К_і = ⁵)

мическое сопротивление тепло-проводности материала стенки трубь и отложений на ее поверх-ности, (м^а-К)/Вт; 5і — толщина стенки или слоя отложения, м; — козффициент теплопроводно-сти материала стенки или слоя отложения, Вт/(м-К); а_{в п}р — при-веденньй козффициент теплоот-дачи от оребренной наружной поверхности трубь к охлаждаю­

щей среде (воздуху), Вт/(м²-К); ф_н — степень оребрения наружной поверхности трубьі.

Определить величину а_к в целом по конденсатору достаточно сложно. Обьічно зто вьшолняют раздельно для основних процес-сов, составляющих теплоотдачу от хладагента к стенке труби: теп-лоотдачи без изменения агрегатного состояния и пленочной кон-денсации.

Теплоотдача без изменения агрегатного состояния хладагента

при его турбулентном движении внутри канала (трубь )

а _к

_{в™0,8 в а-к0в2,}

(2.7)

где В — козффициент, зависящий от физических свойств хладагента (табл. 2.4); ц — скорость течения хладагента (для пара 5—20 м/с, для жидкости 0,5-1,5 м/с); 8 — поправочний козффициент, учитивающий изменение козффициента теплоотдачи по длине канала; ^_-кв— зквива-лентний диаметр канала (для труби — внутренний диаметр 0_вн, м).

Таблица 2.4

Хладагент	Температура хладагента, °С
	-10	0	10	20	30
К12	660	665	666	666	664
Я22	764	750	734	716	695

Формула отвечает значениям числа Рейнольдса, характеризую-

щего режим течения,

Кє

V

—

зкв

> 10⁴ (V

кинематическая вяз-

кость хладагента, м²/с).

Козффициент 8 определяют по формуле

в = 0,6

(

1 1

_{кє а-кв}

ч-1/7 (

1 + 2,5-

1

(2.8)

где І — длина канала (труби), м.

Для течения хладагента внутри труби формула справедлива при ш_вн< 0,1Кє.

Пленочная конденсация на внутренней поверхности канала (фор­мула Нуссельта)

а _к

0,72⁴

_{грі3 д}

Vе _а а-кв

(2.9)

где г — теплота парообразования хладагента, Дж/кг; р — плот-

ность жидкости, кг/м³; X —козффициент теплопроводности жидко-сти, Вт/(м-К); д — ускорение свободного падения, м/с²; V — кинема-тическая вязкость жидкости, м²/с; 6_а — разность температур кон­денсации хладагента и стенки, К; ^_зкв — зквивалентний диаметр канала (для труби — внутренний диаметр ^_вн), м.

Физические параметри хладагента, входящие в формулу, при-нимают по температуре конденсации ї_к.

Интенсивность теплообмена при пленочной конденсации, име- ющей место в конденсаторах парових холодильних машин, в ос- новном зависит от плотности передаваемого теплового потока #_к = Общее виражение для козффициента теплоотдачи при

конденсации хладагента в горизонтальних трубах в зтом случае имеет вид:

а _к = X

_{я0,5 а}

0,25г 0,35 вн ¹

(2.10)

где X — козффициент, значения которого приведени в табл. 2.5.

Средние значения козффициента теплоотдачи от хладагента к стен-ке канала в конденсаторах парових холодильних машин при кон-денсации чистого хладагента составляют для КЛ2 = 1100 2300, для К22 = 1500 2800 и аммиака 7000 - 10 000 Вт/(м²-К). Наличие в хлада-генте неконденсируемих примесей, в частности воздуха, ухудшает процесс теплоотдачи в особенности при малой плотности теплового потока. Так, для Я_к = 4650 Вт/м² при концентрации воздуха 5 % по обьему козффициент теп­лоотдачи аммиака снижается почти в 5 раз, для КЛ2 концентрация воздуха порядка 10 % снижает козффициент теплоотдачи на 20 %.

Термическое сопротивление теплопроводности в конденсато­рах холодильних машин с тонкостенной трубной теплопередаю-щей поверхностью в основном определяется сопротивлением слоя загрязняющих отложений. Значения козффициентов теплопровод-ности для металлов, используемих при изготовлении труб конден­сатора, а также характерних загрязнений теплопередающей по-

верхности, Вт/(м-К):

Сталь углеродистая 45

Алюминий 200-230

Медь 300-385

Латунь 86-106 Цинк 113

Смазочное масло

Слой краски

Слой пили Слой накипи

0,14 0,23 0,80

1,75—1,80

Козффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубок конденсатора к охлаждающему воздуху а_в при поперечном обтека-нии пучков гладких или оребренних труб (поперечние круглие реб­ра) можно определить по уравнению связи критериев Нуссельта и

Рейнольдса для такого вида теплообмена:

N _и

а в Іусл

сс ₂ с ₈ фн ^тКє

п

где С, С₂, С₈ — козффициенти критериального уравнения; ф_н= ^ор/^₀ — степень оребрения наружной поверхности труби; Г —

общая площадь наружной поверхности на 1 м длини труби (пло-

щадь ребер и межреберной поверхности труби), м²; Г₀ — площадь наружной поверхности труби при отсутствии ребер, м²; І_усл— характерний линейний размер, м.

Значення козффициента С и показателя степени т, учитьівающие расположение труб в пучке, приведень в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Расположение труб в пучке	С	т
Коридорное	0,18	0,7
Шахматное	0,32	0,5

Значения козффициента С₂, определяющего влияние числа рядов труб в пучке по потоку охлаждающего воздуха, собраньї в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Расположение труб в пучке	ке-ш3	Число рядов труб
		1	2	3	4 и более
	12	1.4	1,3	1,0	1,0
Коридорное	30	1,2	1.2	1,0	1,0
	50	1.0	1.0	1,0	1,0
Шахматное	12 50	0,82 0,75	0,90 0,88	0,97 0,97	1,0 1,0

Показатель степени для критерия Рейнольдса п = 0,6ф_н^0,07; фи-зические параметрьі воздуха отнесеньї к средней температуре пото-ка/ скорость — к минимальному проходному сечению пучка; в ка-честве характерного линейного размера трубного пучка в вьраже-ниях критериев Ке и N11 принята величина

і _усл = (а _н / ф н) + (1 -1/ф н)

^р

'0,785(£>р - ар),

(2.11)

где сІ_н — наружньїй диаметр трубьі, м; Л — наружньїй диаметр ребра, м; ф_н' — условная степень оребрения наружной поверхности трубьі; ф_н' = ^_ор/^_мр; ^_мр — площадь наружной поверхности в меж-

реберньх пространствах на 1 м длинь трубь , м².

Вьгражения для козффициента С₈, где 8_Ь 8₂, — соответственно поперечншй, продольньїй и диагональншй шаг трубного пучка, а также граничньїе условия применения формульї собранш в табл. 2.8.

Для гладкотрубньгх пучков ф _н = 1, а /_усл=^_н.

Приведенньй козффициент теплоотдачи от оребренной наруж­ной поверхности труб конденсатора к охлаждающему воздуху на-ходят в виде

ґ

^а впр

— а

в

—— Е _р ш + —-

(2.12)

V

)

где Е_р — площадь поверхности ребер на 1 м длиньї трубь, м²; Е_р — козффиЦиент зффективности ребра; у — козффициент неравномер-ности теплоотдачи по вьсоте ребра (для поперечньх ребер на круг-льгх трубах у = 0,85).

Козффициент зффективности ребра, зависящий от его условной вьісотьі п и параметра т, определяют по формуле Ер = ік (тпИ)Ітк.

При зтом условная вьсота круглого ребра составляет

к = 0ДО -сі )[1+0,8051§(£> Іі )];

параметр т — д/2а _в /(X _з5 _з ) , где Х_р, 5_р — козффициентьі теп-

лопроводности материала ребра и его толщина соответственно. Оребрение труб конденсаторов воздушного охлаждения, использу-емьх в транспортньх холодильньх установках, вьполняют с козф-фициентом зффективности 0,95—1,0.

Средние значения козффициента теплоотдачи от наружной труб-ной поверхности конденсатора к охлаждающему воздуху при его принудительном движении со скоростью 3—8 м/с составляют в кон­денсаторах транспортних холодильних установок 20—100 ВтІ(м²-К).

При зтом средние значения козффициента теплопередачи для кон­денсаторов трубного типа с воздушним охлаждением находятся в пределах 15—50 Вт/(м²-К).

Особенность теплового расчета конденсатора состоит в том, что условия теплоотдачи при конденсации зависят от неизвестной раз-ности температур хладагента и стенки теплопередающей поверх-ности. Позтому при машинном способе счета тепловой расчет ве-дут методом последовательних приближений, задаваясь рядом зна­чений 6_а; при ручном способе используют графоаналитический ме­тод расчета в координатах разность температур конденсации и стен-ки — плотность теплового потока.

Гидромеханический расчет конденсатора включает определение потерь давления (сопротивлений), возникающих при движении хладагента и охлаждающей среди (воздух, вода), а также мощно-сти вентилятора или насоса, обеспечивающего движение охлаж-дающей среди.

Потери давления по хладагенту при его движении в трубах

2 2

ДР_Х =ДРтр +АРм = 2 4 ^ + £ ^(2.13)

где Д^_тр, Д^_м — соответственно потери давления от трения и местних сопротивлений при изменении направления движения потока или скорости, Па; £ и £, — козффициенти трения и мест-них сопротивлений, которие определяются по справочникам; Ь и ^_зкв — длина и зквивалентний диаметр канала, по которому течет хладагент, м.

Потери давления пр охлаждающему воздуху при поперечном смивании трубних пучков с круглими или спиральними ребра­ми, Па,

ДРв = СС_:С₈С_ІС₁ (р»)^п. (2.14)

Значения козффициентов С, С$, С₁, С_і и показателя степени п, учитивающие расположение труб в пучке, приведени в табл. 2.9 (і — температура воздуха, °С); значение козффициента С , завися­

щего от числа рядов труб в пучке по потоку охлаждающего возду­ха 2, приведено в табл. 2.10 (при 2 > 6 козффициент С₂ = 2); гра-ничньїе условия применения формульї даньї в табл 2.9.

Таблица 2.9

Расположение труб в пучке	С		сі	С	п
Коридорное	0,26	[(52 - йн)/ /(51 - йн )]0'68	10,22 'усл й0,3	0,326+0,001275/	1.92
Шахматное	2,70	1	10,05 'усл й0,3 кв	0,0505+0,00023/	1,75

^й зкв =

Зквивалентньїй диаметр минимального проходного сечения 2[ 5 _р (5₁ - й _н) - 25 _р Н_р ]/(2А_р + 5 _р), соответственно вьісота и толщина ребра, м; 5р

^{шаг рє6Єр, м.}

(2.15)

При использовании формули для гладкотрубньїх пучков

/ = й\ а = 2(5, - а).

усл н' зкв ⁴ 1 н/

1 н ⁾

Мощность вентилятора, обеспечивающего движение охлажда-ющего воздуха в конденсаторе,

N _в —

(2.16)

(Ар _в +АР_с),

Р _в П _в

где Є_в — расход охлаждающего воздуха, кгІс; р_в — плотность воздуха, кгІм³; Г|_в — КПД вентилятора; АР_с — потери давления во

внешней воздушной сети, Па.

Вьбирают вентилятор по расходу охлаждающего воздуха и сум-марньм потерям его давления в системе охлаждения конденсатора.