Холодильное и вентиляц оборудование Белов ЕЛ

41

Ктеплофизическим свойствам относят вязкость μ, теплопроводность λ, плотность ρ и др. Как и теплота парообразования r, они влияют на коэффициент теплоотдачи при кипении и конденсации. Большим значениям λ, ρ, r и малой вязкости μ соответствуют большие значения коэффициентов теплоотдачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции холодильного агента в системе. С ростом их значений сопротивление возрастает, количество циркулирующего в системе холодильного агента зависит от теплоты парообразования и уменьшается с ее ростом.

Кфизико-химическим свойствам относят растворимость в смазочных мас-

лах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость.

По характеру взаимодействия с маслом все холодильные агенты можно разделить на две группы. К первой группе относят холодильные агенты с ограниченной растворимостью в масле, ко второй — с неограниченной растворимостью. Это означает, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом — холодильный агент. При неограниченной растворимости в жидкой фазе не наблюдается расслоения. Эта классификация условна, так как при определенных условиях неограниченная растворимость может переходить в ограниченную при понижении температуры в зависимости от сорта масла.

К первой группе относят холодильные агенты: аммиак R717, углекислоту R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115. Хладоны R22 и R114 имеют пределы растворимости при низких температурах, т. е. составляют промежуточную группу. Все другие хладоны, в том числе R11, R12, R13, R21, R40 являются телами с неограниченной растворимостью, т. е. относятся ко второй группе. Поэтому если кипит не чистый хладагент, а, например, смесь хладона R12 и масла, то для получения той же температуры кипения, что и в случае чистого вещества, приходится поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара.

Кроме того, маслохладоновая смесь имеет большую вязкость и уменьшит коэффициент теплоотдачи.

Растворимость холодильных агентов в воде имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Аммиак неограниченно растворяет воду. Присутствие небольшого количества воды в нем заметно не нарушает работу холодильной машины. Хладоны почти не растворяют воду. R12 способен растворить при 0°С всего 0,006 % воды по отношению к своей массе. Избыточная влага в хладоне при прохождении через дроссель (если t0<0°С) выделяется в лед и «запаивает» дроссельное отверстие. Поэтому в холодильных машинах, работающих на хладонах, предусматривают специальные осушительные устройства.

Взаимодействие холодильных агентов с металлами также зависит от содержания в них влаги. Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.

В герметичных и бессальниковых компрессорах хладагенты соприкасаются с обмотками электродвигателей, и поэтому во избежание их разрушения хо-

42

лодильный агент должен обладать достаточным электрическим сопротивлением.

Холодильный агент должен быть невзрывоопасным и не воспламеняющимся в смеси с воздухом и паром масла. R11, R12, R13, R22 невзрывоопасны.

По физиологическим свойствам холодильные агенты не должны быть ядовиты. Аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе не более 0,02 г/м3.

Хладоны с большим содержанием атомов фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на открытом пламени разлагается на составные части; в продуктах его разложения кроме фтористого и хлористого водорода, очень вредных для организма человека, содержится ядовитый фосген.

4.3. Характеристики хладагентов

В 70 — 80-х годах XIX века уже были известны такие хладагенты, как аммиак (R717), сернистый ангидрид (R764), диоксид углерода (R744). Эти три хладагента оставались наиболее распространенными вплоть до 1930 г. В 30-х годах XX века появилась большая группа новых холодильных агентов — фреонов, представляющих собой фтористые и хлористые производные предельных углеводородов (метана СН4, этана С2Н6 и др.).

Практически до конца XX века наиболее распространенными хладагентами наряду с аммиаком были хладагенты из группы хлорфторуглеводородов (так называемые фреоны), известные под аббревиатурой CFC (полностью замещенные ХФУ). Однако, начиная с 1980 г., ученые начали привлекать внимание общественности к вредному воздействию CFC на окружающую среду.

Поэтому был разработан ряд новых хладагентов, менее экологически вредных. Эти хладагенты, заменяющие группу CFC, принадлежат главным образом к двум категориям химических соединений: хлорфторсодержащим углеводородам HCFC (гидратированные ХФУ) и фторуглеводородам HFC (озонобезопасные гидрофторуглеводороды). Кроме этого в качестве альтернативных агентов рассматриваются хлорфторнесодержащие вещества — аммиак, диоксид углерода, вода, углеводороды.

К первым двум группам (CFC и HCFC) относятся уже запрещенные к производству, но еще широко применяющиеся на практике хладагенты фреоновой группы R12 и R22.

R12 (дифтордихлорметан, CF2C12) — хладагент группы CFC — бесцветный газ, практически без запаха, в 4,18 раза тяжелее воздуха. Нормальная температура кипения -29,8 0С. Хладагент невзрывоопасен, негорюч, но под воздействием открытого пламени разлагается с выделением хлористого и фтористого водорода и ядовитого газа фосгена. R12 полностью растворяется в масле, слабо растворяется в воде, не проводит электрический ток. По отношению к металлам R12, как и все фреоны, инертен. Он обладает повышенной текучестью и может проникать даже через поры обычного чугуна. Места утечки фреона определяют с помощью галоидной лампы или электронного течеискателя. R12 широко применяют в холодильных машинах с температурами кипения до -30 °С и конден-

43

сации — до 70 °С. Наибольшее распространение он имеет в малых и средних холодильных установках (торговое и бытовое холодильное оборудование и т.п.).

R22 (дифторхлорметан, CHF2C1) — хладагент группы HCFC — бесцветный газ, со слабым запахом, более ядовитый, чем R12, невзрывоопасен и негорюч. Нормальная температура кипения -40,8 °С. По сравнению с R12 хладагент R22 хуже растворяется в масле, но легко проникает через неплотности. При высокой температуре в присутствии железа разлагается с выделением тех же веществ, что и R12. По термодинамическим свойствам R22 даже несколько превосходит аммиак. Его в основном применяют в низкотемпературных холодильных установках с температурой кипения до -70 °С и конденсации — до 50 °С, в торговом и бытовом холодильном оборудовании, а также в агрегатированных установках кондиционирования воздуха.

R134a (C2H2F4) — хладагент группы HFC — бесцветный газ, негорюч, при открытом пламени разлагается с выделением отравляющих веществ, таких, как фторводород. Нормальная температура кипения -26,1 °С. Энергетические показатели R134a ниже, чем R12 (меньше удельная объемная холодопроизводительность и холодильный коэффициент при температурах ниже -15 °С). Рекомендуется для применения в среднетемпературном оборудовании (-7 °С и выше).

R717 (аммиак) имеет высокую степень термодинамического совершенства, абсолютное давление в конденсаторе аммиачной машины обычно не превышает 1,2... 1,4 МПа, а в испарителе лишь при температуре кипения менее -33,4 °С становится ниже атмосферного. Компрессоры и теплообменные аппараты аммиачных машин имеют сравнительно небольшие размеры. Стоимость аммиака относительно невысока.

По отношению к черным металлам аммиак нейтрален, в присутствии влаги сильно действует на медь и ее сплавы, которые нельзя применять в аммиачных машинах.

Химическое воздействие аммиака на смазочные масла ничтожно, и их взаимная растворимость незначительна.

Аммиак и вода имеют высокую взаимную растворимость, что исключает возможность замерзания проникающей в холодильную систему влаги. Проникновение влаги в систему из внешней среды все же весьма нежелательно. Образующийся гидрооксид аммония с течением времени может влиять на режим работы машины и, кроме того, взаимодействуя со смазочными маслами, создавать осадок, загрязняющий холодильную машину. Влага способствует коррозии металла.

Аммиак широко применяют в одно- и двухступенчатых холодильных машинах средней и большой производительности при температурах кипения от 0 до -60 °С.

Необходимо особо иметь в виду два основных недостатка аммиака. Он взрывоопасен. Смесь аммиака с воздухом (11...15 % по объему) горит желтоватым пламенем; при более высоких концентрациях (16...25 % по объему) смесь при наличии открытого пламени взрывается. Аммиак очень вреден. Он вызывает сильное раздражение глаз и дыхательных путей. При вдыхании аммиака

44

больших концентраций возможны тяжелые отравления организма со смертельным исходом. При эксплуатации аммиачных холодильных машин необходимо строго соблюдать правила безопасности.

Внедрение озонобезопасных веществ в качестве хладагентов столкнулось с большими трудностями, связанными с очень высокими термодинамическими и технико-эксплуатационными характеристиками основных фреонов — Rll, R12, R502, R22 в широком диапазоне температур: от -46 до +24 "С.

Исходя из решений Монреальского протокола 1987 г. по озоноразрушающим веществам, ведутся интенсивные работы по замене традиционных хладагентов. Однако необходимо отметить, что при обсуждении мероприятий по предотвращению дальнейшего разрушения озонового слоя Земли не учитывались другие составляющие воздействия предлагаемых альтернативных веществ, такие, как глобальное потепление климата планеты вследствие увеличения концентрации в атмосфере парниковых газов («парниковый эффект»). Между тем опасность разрушения озонового слоя Земли и глобальное потепление тесно связаны между собой. Под действием ультрафиолетовых лучей через озоновые дыры уничтожается наиболее значимый поглотитель парниковых газов на Земле — фитопланктон в океанах и лесах. Из-за ускоренного под действием ультрафиолетовых лучей разложения органических веществ увеличивается также образование метана, способствующего глобальному потеплению.

Озоноразрушающая активность веществ определяется наличием атомов хлора в молекуле и оценивается потенциалом разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential) и потенциалом «парникового эффекта» GWP (Global Warming Potential) относительно СO2 с принятым для нее временным горизонтом 100 лет.

Альтернативные хладагенты, в том числе HFC-агенты, имеют значительный потенциал глобального потепления (GWP). Так, GWP хладагента R134a превышает GWP диоксида углерода в 1300 раз. Таким образом, эмиссия в атмосферу 1 кг озонобезопасного с точки зрения Монреальского протокола газа может быть «равноценна» эмиссии многих тонн диоксида углерода.

Более перспективным, очевидно, станет внедрение так называемых натуральных хладагентов: углеводородов, аммиака, воды, воздуха и т.д.

Так, аммиак, несмотря на его токсичность, горючесть и взры-воопасность, предлагают использовать в тепловых насосах, что особенно выигрышно для пищевых предприятий, где требуется и холод, и тепло.

Диоксид углерода (СO2) предлагается использовать в автомобильных кондиционерах и тепловых насосах, а также в качестве хладоносителя в торговом холодильном оборудовании.

Натуральные хладагенты, в первую очередь углеводороды, привлекательны для бытовых холодильников и кондиционеров. Утечки хладагента в атмосферу не играют существенной роли, так как его в бытовом приборе содержится очень незначительное количество.

В настоящее время ведется интенсивный поиск новых перспективных хладагентов и с большой долей вероятности можно предположить, что не последнее место среди них займут природные хладагенты.

45

Контрольные вопросы и задания:

1. Какой хладагент из перечисленных наиболее безопасен для человека: R12, R22, R717 или R11? 2. Какой из хладагентов (см. вопрос 1) имеет наибольшую объемную холодопроизводительность? 3. Какие хладагенты применяют в абсорбционных холодильных машинах? 4. Перечислите хладагенты, применяемые в бытовых холодильниках.

5.ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

5.1.Классификация аппаратов

5.2.Расчетные, пробные и испытательные давления

5.3.Конденсаторы

5.4.Испарители

5.1. Классификация аппаратов

Взависимости от назначения различают основные и вспомогательные теплообменные аппараты. К основным аппаратам компрессионных холодильных машин относят конденсаторы и испарители, а также конденсаторы-испарители каскадных холодильных машин, а к вспомогательным — регенеративные теплообменники, промежуточные сосуды, переохладители и др.

Восновных аппаратах происходят главные процессы термодинамического цикла. В конденсаторе пар хладагента, поступающий из компрессора, охлаждается до температуры насыщения и конденсируется. В испарителе жидкий хладагент кипит, превращаясь в пар, который отсасывается компрессором. Кипение хладагента осуществляется в результате отвода теплоты от охлаждаемой среды.

Вспомогательные аппараты служат для повышения эффективности отдельных рабочих процессов и цикла в целом, а также для создания благоприятных условий эксплуатации.

Классификация аппаратов может быть различной в зависимости от принципа, положенного в ее основу.

Конденсаторы можно классифицировать по виду охлаждающей среды,

конструктивному выполнению и условиям конденсации хладагента. По виду охлаждающей среды различают конденсаторы: водяные; воздушные; с водовоздушным охлаждением; с охлаждением кипящим хладагентом (конденсато- ры-испарители) или технологическим продуктом. В последнем случае конденсатор выполняет также функцию технологического аппарата.

Испарители можно классифицировать по назначению, конструктивному выполнению и условиям кипения хладагента. По назначению эти аппараты можно разделить на следующие группы:

испарители для охлаждения жидких хладоносителей, т. е. жидких сред, используемых далее в качестве источников холода, и жидких технологических продуктов;

испарители для охлаждения воздуха (к ним относятся батареи и воздухоохладители, охлаждаемые хладагентом);

испарители для охлаждения твердых тел (грунт, бетонная кладка и др.); испарители-конденсаторы.

46

Классификация аппаратов по конструктивным признакам и условиям кипения хладагента рассмотрена при описании теплообменных аппаратов отдельных видов.

5.2. Расчетные, пробные и испытательные давления

Теплообменные аппараты холодильных машин относятся к сосудам, на которые распространяется действие Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (Госгортехнадзор РФ). Это связано с тем, что давления насыщенных паров хладагентов в теплообменных аппаратах при отключенных компрессорах могут превышать 270 кПа, хотя во время работы холодильной системы давления паров в аппаратах могут опускаться и ниже атмосферного давления.

Расчетное давление — максимальное избыточное давление, которое может возникнуть в элементах холодильных машин и установок как во время работы, так и во время стоянки, — является основой для назначения пробных и испытательных давлений.

Для холодильного оборудования, работающего на хладагентах с критической температурой свыше 50 °С, расчетные давления назначают не ниже давлений насыщения хладагентов при температурах (°С), регламентированных ГОСТ 25005—81 «Оборудование холодильное. Общие требования к определению давлений» и приведенных ниже.

Для холодильного оборудования, работающего на хладагентах с критической температурой 50 °С и ниже, устанавливают одно расчетное давление (независимо от стороны давления), соответствующее давлению насыщения аммиака при температуре 50 °С. В этом случае обязательно соблюдение условия ограничения роста давления при отключенном состоянии холодильной системы (например, применение систем с ограниченным наполнением хладагентом, включение в системы газовых емкостей).

В холодильных системах, работающих по двум- и многоступенчатым схемам сжатия, холодильные аппараты, установленные на промежуточных ступенях сжатия, относят к стороне низкого давления.

Пробные давления для контроля прочности полостей хладагентов в сварных, кованых или штампованных деталях и сборочных единицах холодильных аппаратов, должны назначаться не ниже 1,3 расчетного давления.

Испытательное давление для контроля плотности (герметичности) сварных и разъемных соединений холодильного оборудования избыточным давлением газовых сред должно быть равно расчетному давлению.

5.3. Конденсаторы 5.3.1. Конденсаторы с водяным охлаждением.

Применяют их в основном в холодильных установках средней (Q0 = 30...

100 кВт) и большой (Q0 > 100 кВт) холодопроизводительности. Конструктивно конденсаторы могут быть выполнены как кожухотрубные горизонтальные или

47

вертикальные, кожу-хозмеевиковые, элементные, двухтрубные, пакетнопанельные, пластинчатые. Кожухотрубные конденсаторы характеризуются высокой интенсивностью теплопередачи. Использование их в системе оборотного водоснабжения с градирней позволяет работать с минимальным расходом свежей воды.

Кожухотрубные горизонтальные конденсаторы. Кожухотрубный горизонтальный аммиачный конденсатор (рис. 48) представляет собой цилиндрический кожух с плоскими трубными решетками, в отверстиях которых развальцованы или вварены трубы. Охлаждающая вода протекает по трубам, хладагент конденсируется на их наружной поверхности.

Чтобы избежать прогиба труб при большом отношении длины труб к их диаметру, в кожухе аппарата предусматривают поддерживающие перегородки. Нижняя часть кожуха не заполнена трубами; ее используют как ресивер для жидкого хладагента.

Патрубки для подвода и отвода воды расположены, как правило, с одной стороны аппарата, при этом обеспечивается четное число ходов по воде. Вода обычно подводится к нижнему патрубку и отводится от верхнего. На конденсаторе устанавливаются предохранительный клапан, указатель уровня холодильного агента (стекло Клингера), вентиль для спуска воздуха из межтрубного пространства и др. (см. рис. 5.1).

Рис. 5.1. Кожухотрубный горизонтальный аммиачный конденсатор: 1 – клапан пре-

дохранительный; 2 – патрубок к уравнительной линии; 3 – патрубок для входа аммиака; 4 – манометр; 5 – вентиль для спуска воздуха из межтрубного пространства; 6 – вентиль для спуска воздуха из трубного пространства; 7 – патрубок для выхода воды; 8 – патрубок для входа воды; 9 – вентиль для слива воды; 10 – патрубок для выхода аммиака; 11 – патрубок для слива масла; 12 – стекло Клингера

Конструкции кожухотрубных конденсаторов для аммиака и фреонов различаются в основном материалом и характером поверхности теплообмена.

Кожухотрубные вертикальные конденсаторы. Вертикальный кожухотрубный аммиачный конденсатор представляет собой вертикальный цилиндрический сварной кожух с двумя приваренными трубными решетками, в которых развальцованы стальные трубы. Пар подается в верхнюю часть кожуха, жидкий аммиак отводится снизу. На наружной поверхности труб конденсируется пар.

На конденсаторе установлен открытый водораспределительный бак с перегородками. Наверху каждой трубы находится распределитель, с помощью которого создается вращательное движение воды при входе ее в трубу. Распределитель может быть сделан из стали, бронзы, пластмассы или фарфора. Вода

49

нагрузки в 3...4 раза повысить компактность и примерно вдвое уменьшить металлоемкость аппарата.

Недостаток конструкции пластинчатых конденсаторов — невозможность очистки поверхности теплообмена механическим путем, поэтому такие аппараты рекомендуется применять в схемах с циркуляцией чистой воды либо предусматривать очистку конденсаторов химическим способом.

Конденсаторы с воздушным охлаждением. Конденсаторы с воздушным охлаждением могут быть использованы в установках различной производительности. Различают конденсаторы со свободным движением воздуха (в результате естественной конвекции) и с принудительным (с помощью вентилятора).

Конденсаторы со свободным движением воздуха применяют в основном в бытовых холодильниках холодопроизводительностью 100...350 Вт, иногда в торговом холодильном оборудовании. По конструкции эти конденсаторы могут быть щитовыми, трубчатыми с проволочным оребрением и прокатносварными. Щитовой конденсатор представляет собой металлический щит, к которому припаян змеевик (вертикальный или горизонтальный) из медной или алюминиевой трубы. Конденсатор из труб с проволочным оребрением представляет собой змеевик из стальной трубы, к которому приварены ребра из проволоки.

В агрегатах холодопроизводительностью более 350 Вт используют, как правило, конденсаторы с принудительным движением воздуха, создаваемым вентилятором.

Для интенсификации процесса теплопередачи в конденсаторе организуют движение воздуха и хладагента так, чтобы зона сбива перегрева паров хладагента располагалась на выходе воздуха из аппарата, а зона переохлаждения — на входе воздуха в аппарат.

Вкондиционерах ведущих зарубежных фирм применяют, как правило, конденсаторы с медными трубами и алюминиевыми ребрами. Некоторые фирмы используют также цельноалюминиевые поверхности с антикоррозийным наружным покрытием (анодирование, лакопокрытие и т. д.).

Конструкции воздушных конденсаторов, входящих в состав холодильных агрегатов с компрессорами различных типов малой холодопроизводительности

(Q0 — 6...30 кВт), идентичны. Конденсатор включает две секции или более, соединенные последовательно или параллельно коллекторами. Секции состоят из прямых или U-образныхтруб, собранных в змеевик с помощью калачей. Поток воздуха через аппарат имеет горизонтальное направление.

Крупные конденсаторы выполняют многосекционными обычно с горизонтальным расположением поверхности теплообмена (воздух движется в вертикальном направлении). В таких аппаратах число параллельных секций по ходу воздуха не должно превышать 4...5, что создает условия для более равномерной нагрузки их, а также позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление поверхности.

Вмашинах малой и средней производительности при наружном расположении воздушных конденсаторов (особенно при питании испарителя через терморегулирующий вентиль) из-за низкого давления конденсации, обуслов-

50

ленного низкими температурами окружающего воздуха, ухудшаются условия эксплуатации:

из-за малой разности давлений перед терморегулирующим вентилем и за ним снижается его пропускная способность, что может привести к нарушению питания испарителя и уменьшению холодопроизводительности установки;

холодная жидкость после ресивера в случае недостаточного переохлаждения может частично испаряться в жидкостной линии из-за притоков теплоты через трубопровод или из-за падения давления в трубопроводе (например, при вертикальном подъеме участка трубопровода перед терморегулирующим вентилем), а образующийся пар затрудняет работу терморегулирующего вентиля.

В связи с этим при низких температурах окружающего воздуха поддерживают постоянное давление во фреоновом воздушном конденсаторе, соответствующее tK = 16...20 °С. При работе воздушного конденсатора в составе аммиачной холодильной установки давление конденсации должно быть таким, чтобы разность (рк —р0) была не меньше 150...200 кПа. Это создает условия для нормальной работы холодильной установки.

5.3.2. Испарительные и оросительные конденсаторы.

В оросительных и испарительных конденсаторах теплота от хладагента передается через стенку трубы воде, стекающей тонкой пленкой по поверхности труб, и далее — к воздуху. В оросительных конденсаторах имеет место свободное движение воздуха, в испарительных — вынужденное, создаваемое вентиляторами.

Оросительные конденсаторы. Аппарат типа МКО состоит их плоских змеевиков (секций), выполненных из стальных труб, внутри которых конденсируется хладагент. Пары аммиака подаются в нижний участок трубы змеевика, верхний конец которого закрыт. В четырех местах по длине змеевика предусмотрен промежуточный отбор жидкого аммиака в ресивер в целях исключения затопления нижних труб. Орошающая вода из водораспределительных желобов, расположенных над змеевиками, подается на трубы и стекает в поддон. Часть воды сливается в канализацию, а остальная часть вместе с добавляемой свежей водой вновь подается в желоба. Стекающая по змеевику вода нагревается и частично испаряется, отдавая часть теплоты воздуху. Остальная теплота отводится водой, сливающейся в канализацию.

Недостатки оросительного конденсатора— большие габаритные размеры, необходимость тщательного ухода за водораспределительными желобами для обеспечения равномерного орошения поверхности труб.

Испарительные конденсаторы. На рис. 5.3 показан испарительный конденсатор. Перегретые пары аммиака поступают в изготовленный из оребренных труб форконденсатор, где охлаждаются до температуры, близкой к температуре насыщения. Форконденсатор работает как воздушный теплообменник. Из форконденсатора пары аммиака поступают в маслоотделитель, а затем — в основную секцию конденсатора, которая обычно представляет собой змеевик из гладких стальных труб.