Холодильное и вентиляц оборудование Белов ЕЛ

51

Внутри труб конденсируется хладагент, теплота конденсации поглощается орошающей водой. Создаваемый вентиляторами поток воздуха усиливает испарение воды, поэтому температура воды мало изменяется.

Рис. 5.3. Испарительный

конденсатор: 1 – корпус; 2

– водяной поддон; 3 – короб; 4 – коллектор паровой (основная секция); 5 – коллектор водяной (оросительная система); 6 – форкондесатор; 7 – элиминаторы; 8 – водяной насос; 9 – вентилятор; 10 - предохранительный клапан

Из водяного бака, расположенного под конденсатором, циркулирующая вода нагнетается центробежным насосом в оросительную систему. Постоянный уровень воды в баке поддерживается с помощью поплавкового устройства. Вода через оросительные форсунки под напором стекает на трубы и затем самотеком сливается в водяной бак.

В испарительном конденсаторе поток воздуха создается осевыми или центробежными вентиляторами. Свежий воздух засасывается над водяным баком; направление воздушного потока в аппарате — снизу вверх, т. е. противоположно направлению движения орошающей воды. Водяные капли, захваченные воздухом, отделяются в элиминаторе. Перед поступлением на вентиляторы влажный воздух подсушивается в форконденсаторе.

Техническая характеристика испарительных конденсаторов приведена в приложении 6.

Испарительные конденсаторы более эффективны, чем оросительные, из-за интенсивного тепло- и массообмена между воздухом и орошающей водой. Кроме того, преимущества испарительного конденсатора — малая площадь, необходимая для размещения аппарата, и небольшой расход воды.

Основные недостатки испарительных конденсаторов — быстрое нарастание водяного камня на поверхности труб и сложность их очистки. При использовании свежей воды с карбонатной жесткостью 6,4 мг экв/л (общая жесткость 8,6 мг экв/л) после 6 мес эксплуатации испарительного кондесатора толщина водяного камня на поверхности труб составляет 0,5...0,7 мм.

5.3.3. Тепловой расчет конденсатора

Тепловая нагрузка на конденсатор. Общая тепловая нагрузка на конденсатор складывается из теплоты, поглощенной хладагентом в испарителе, и теплоты, эквивалентной работе сжатия. Таким образом, для герметичных агрегатов производительность конденсатора (кВт) можно выразить следующим образом:

52

где Q0 — холодопроизводительность компрессора, кВт; Nэ — мощность, потребляемая встроенным электродвигателем, кВт.

Тепловую нагрузку на конденсатор можно также определить пользуясь ос-

где F— площадь поверхности конденсатора, м2; k — коэффициент теплопередачи, кВт/(м2∙К); ∆tm — средняя логарифмическая разность между температурами конденсации хладагента и окружающей среды, К.

Из уравнения (2) видно, что при заданном значении коэффициента теплопередачи тепловая нагрузка прямопропорциональна площади поверхности конденсатора и разности между температурами конденсации хладагента и охлаждающей среды. Очевидно, что если средняя температура охлаждающей среды постоянна, тепловая нагрузка изменяется только при изменении температуры конденсации.

Тепловая нагрузка на конденсатор во многом зависит от следующих факторов: площади поверхности конденсатора; разности температур между охлаждающей средой и парообразным хладагентом; интенсивности потока охлаждающей среды, протекающей через конденсатор; чистоты теплопередающей поверхности.

Тепловой расчет и подбор конденсаторов. Задача теплового расчета — определение площади теплопередающей поверхности аппарата и его основных геометрических размеров. Исходные данные для расчета — тепловой поток, температура конденсации, рабочее вещество, начальная температура охлаждающей среды. Для всех типов конденсаторов справедливо основное уравнение теплопередачи (2).

Средняя логарифмическая разность температур определяется из выраже-

ния

где tохл1, tохл2 — начальная и конечная температуры охлаждающей среды, °С; tк — температура конденсации, °С.

В ориентировочных расчетах значения коэффициента теплопередачи k и средней логарифмической разности температур ∆tm можно принять по таблицам для данного вида хладагента и соответствующего типа конденсатора.

Требуемая площадь поверхности конденсатора может быть определена из уравнения

Исходя из найденного значения площади, по каталогу или справочнику можно подобрать определенную модель конденсатора, удовлетворяющую по габаритным размерам.

Расход воды или воздуха (м3/с) при условии, что вся теплота отводится охлаждающей средой, определяют по формуле

53

где с — удельная теплоемкость, кДж/(кг∙К) (для воды с = 4,19, для воздуха с = 1); ρ — плотность, кг/м3 (для воды ρ = 1000, для воздуха при t = 20...35°С ρ = 1,2... 1,15).

5.4. Испарители

В этом подразделе рассматриваются испарители, используемые для охлаждения жидких хладоносителей или жидких технологических сред.

Различают испарители с закрытой и открытой циркуляцией охлаждаемой жидкости. Испарители с закрытой циркуляцией — кожухотрубные; охлаждаемая жидкость протекает в них под напором, создаваемым насосом. В испарителях с открытой циркуляцией испарительные трубы погружены в охлаждаемую жидкость, налитую в открытые баки, в которых создается циркуляция охлаждаемой жидкости с помощью мешалки. Испарители с открытой циркуляцией выполняют вертикальнотрубными либо панельными.

Испарители с открытой циркуляцией, особенно в случае использования рассолов, в значительной степени подвержены коррозии. В последнее время такие испарители применяют редко.

По характеру заполнения хладагентом испарители разделяют на затопленные и незатопленные. К незатопленным относятся испарители ороси тельные, кожухотрубные с кипением в трубах, а также змеевиковые с верхней подачей жидкости.

Кожухотрубные испарители затопленного типа. В кожухотрубных испарителях затопленного типа хладагент кипит на наружной поверхности труб (гладких или оребренных), а хладоноситель протекает в трубах.

Преимущества кожухотрубных испарителей по сравнению с аппаратами других типов: закрытая система циркуляции хладоносителя, обеспечивающая меньшую его аэрацию и вследствие этого меньшую коррозию оборудования; большая компактность; относительно высокая тепловая эффективность. Недостаток кожухотрубных испарителей затопленного типа — опасность замерзания хладоносителя в трубах в случае прекращения его циркуляции, которое может привести к разрыву труб.

Конструкции кожухотрубных испарителей для аммиака и фреонов различаются в основном материалом и типом теплопередающей поверхности.

Кожухотрубный испаритель состоит из цилиндрического горизонтально расположенного кожуха с плоскими трубными решетками, в которых развальцованы или вварены трубы (прямые или U-образные). Толщину трубной решетки рассчитывают из условий прочности. Кожух испарителя изготовлен либо из стальных электросварных труб, либо свальцован и сварен из листовой стали. К трубным решеткам на болтах или шпильках крепятся крышки с патрубками для подачи и отвода хладоносителя и с перегородками для направления его течения.

Хладоноситель подводится к нижнему штуцеру, протекает в трубах, делая несколько ходов, и отводится от верхнего штуцера. В испарителях отечественной конструкции принято четное число ходов по хладоносителю, поэтому патрубки для хладоносителя расположены на одной стороне аппарата. Число ходов

54

по хладоносителю обычно составляет от 4 до 12; выбирают его таким образом, чтобы скорость хладоносителя была достаточно высокой.

Парожидкостная смесь от регулирующего вентиля подводится снизу в межтрубное пространство испарителя. К испарителям с большой теплопередающей поверхностью парожидкостная смесь подводится от общего коллектора в нескольких точках по длине испарителя. В верхней части испарителя предусмотрено свободное от труб пространство, которое служит сухопарником для отделения пара от частиц увлекаемой им жидкости. В крупных аппаратах для равномерного смывания потоком поверхности пар отводится по нескольким патрубкам, объединенным общим коллектором. Для удобства осмотра и очистки внутренней поверхности труб без демонтажа рассольных линий кожухотрубные испарители иногда выполняют с рассольными камерами, имеющими съемные крышки.

Характерный конструктивный параметр кожухотрубных испарителей — отношение длины кожуха аппарата к его диаметру L/DK. С увеличением этого отношения снижается масса аппарата, уменьшается число ходов по хладоносителю при одинаковой степени подогрева хладоносителя, снижается гидравлическое сопротивление проходу хладоносителя и упрощается конструкция аппарата.

Аммиачные испарители. Отношение длины кожуха к его диаметру в аппаратах отечественных и передовых зарубежных фирм примерно одинаково и составляет 5...8.

Масло, поступающее в испаритель, периодически удаляют через маслоотстойник, расположенный в нижней части аппарата.

При автоматическом питании испарителя с помощью терморегулирующих вентилей перегрев пара на выходе из аппарата не должен превышать 1,5 °С, при этом достигаются достаточное заполнение испарителя в диапазоне плотностей теплового потока от 2000 до 4500 Вт/м2 и сухой ход компрессора. Если перегрев выходящего пара составляет 2,5 °С, то коэффициент теплопередачи снижается примерно на 25 %.

Фреоновые испарители.

Фреоновые кожухотрубные испарители с межтрубным кипением по конструкции аналогичны аммиачным. Основное различие их состоит в том, что во фреоновых испарителях поверхность труб со стороны хладагента оребрена. Оребрение труб необходимо, поскольку при малых температурных напорах, которые характерны для испарителей холодильных машин, коэффициенты теплоотдачи кипящих фреонов (особенно R12), как правило, ниже коэффициентов теплоотдачи на стороне хладоносителя.

Кожухотрубные оросительные испарители. В кожухотрубных оросительных испарителях, как и в затопленных, хладоноситель проходит в трубах, а хладагент стекает по их наружной поверхности тонкой пленкой. Преимущества кожухотрубных оросительных испарителей по сравнению с затопленными следующие: не требуется большого количества хладагента для заполнения, высота столба жидкости в аппаратах мала, поэтому гидростатическое давление столба жидкости практически не влияет на их работу; интенсивность теплопередачи в этих аппаратах несколько выше, чем в затопленных (значения коэффициентов

55

теплоотдачи при кипении хладагента в стекающей пленке больше, чем при кипении в большом объеме.

Жидкий хладагент для орошения труб подается с помощью встроенного насоса или инжектора. Недостатки конструкции со встроенным насосом — ее сложность, высокая стоимость оборудования, необходимость в постоянном расходе электроэнергии на привод насоса.

Кожухотрубными оросительными испарителями комплектуют холодильные машины с поршневыми и центробежными компрессорами.

Плотность теплового потока в кожухотрубных оросительных испарителях при ориентировочных расчетах принимают равной 3...3,5кВт/м2.

Испарители с кипением хладагента внутри труб. Кожухотрубные испарители. В кожухотрубных испарителях этого типа хладагент кипит внутри труб, а хладоноситель движется в межтрубном пространстве. В кожухе установлены перегородки, что позволяет получить относительно высокую скорость поперечного обтекания пучка труб хладоносителем (0,3...0,8 м/с). Возможны два конструктивных исполнения таких аппаратов: с U-образными трубами, закрепленными в одной трубной решетке (при этом исключаются температурные напряжения в трубах и создаются хорошие условия для разборки и сборки аппарата при ремонте); с прямыми трубами, закрепленными с обеих сторон в трубных решетках.

Испарители с кипением хладагента внутри труб позволяют получить низкие конечные температуры хладоносителя, не опасаясь его замерзания и возможного разрыва труб. Такие аппараты применяют в агрегатах для охлаждения воды до 1...2 °С.

Преимущество таких испарителей, особенно в случае применения труб, оребренных внутри, — малая вместимость по хладагенту, в несколько раз меньше, чем в кожухотрубных затопленных испарителях. Вместе с тем малая тепловая инерционность аппарата, обусловленная малой вместимостью его по хладагенту, усложняет регулирование питания испарителя хладагентом. Для поддержания устойчивого режима работы холодильной машины с использованием приборов автоматики (ТРВ) практически необходимо иметь перегрев пара на выходе из испарителя, равный 2...3 °С.

Конструкция кожухотрубного испарителя с кипением хладагента внутри труб приведена на рис. 5.4.

Вертикально-трубные испарители. Представляют собой бак с рассолом, в который погружена испарительная система. Испарительная система состоит из одной или нескольких секций, соединенных между собой параллельно. Секция

Рис. 5.4. Кожухотрубный ис-

паритель с прямыми трубами и кипением хладагента внутри труб: 1 – патрубок для входа хладагента; 2 – крышка; 3 – патрубок для выхода; рассола; 4 – патрубок для входа рассола; 8 – трубная решетка; 9 – вентиль для слива рассола; 10 – патрубок для выхода хо-

лодильного агента

56

образована короткими вертикальными испарительными трубами, объединенными вверху и внизу горизонтальными коллекторами. В нескольких местах по длине секций верхний и нижний горизонтальные коллекторы соединены между собой вертикальными стояками, диаметр которых больше диаметра испарительных труб.

В результате интенсивной внутренней циркуляции хладагента в секциях обеспечиваются высокие коэффициенты теплоотдачи на стороне кипящего аммиака.

Такие аппараты характеризуются высокой интенсивностью теплообмена. При их работе можно не опасаться замерзания хладоносителя. Недостатки аппаратов: большой расход бесшовных труб, требуемых для их изготовления; значительный объем сложных сварочных работ (кроме того, открытая система циркуляции хладоносителя вследствие его аэрации вызывает сильную коррозию труб).

Панельные испарители. Представляют собой прямоугольный металлический или железобетонный бак, в который помещены испарительные секции панельного типа и мешалка, создающая циркуляцию хладоносителя. Каждая секция состоит их двух горизонтальных коллекторов и двух вертикальных стояков, образующих прямоугольную раму с вваренными в нее штампованными сварными панелями.

Хладагент кипит в нижнем коллекторе и вертикальных каналах панелей. Перемычки между каналами также участвуют в теплообмене, играя роль ребер; внешняя поверхность панели омывается хладоносителем.

Преимущества панельных аппаратов по сравнению с вертикальнотрубными следующие: масса панельных аппаратов на 25...30 % меньше, трудоемкость их изготовления ниже, расход бесшовных труб, стоимость которых почти втрое выше стоимости листового металла, в 5...6 раз ниже, вместимость аппарата по хладагенту меньше, что позволяет уменьшить объем ресиверов. Интенсивность внутренней циркуляции в этих аппаратах несколько ниже, чем в вертикально-трубных.

Контрольные вопросы и задания:

1. Перечислите основные типы испарителей. 2.Какие типы конденсаторов применяют в холодильных установках?

6.ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛИ И ОХЛАЖДАЮЩИЕ БАТАРЕИ

6.1.Поверхностные воздухоохладители.

6.2.Смешанные воздухоохладители. Контактные воздухоохладители. 6.3. Охлаждающие батареи.

Воздухоохладители и охлаждающие батареи — это теплообменные аппараты, предназначенные для охлаждения воздуха в камерах. В воздухоохладителях движение охлаждаемого воздуха принудительное; охлаждение воздуха с помощью батарей осуществляется при естественной его циркуляции.

57

Различают воздухоохладители поверхностные и контактные. В поверхностных воздухоохладителях теплообмен между воздухом и хладагентом или хладоносителем осуществляется через металлическую поверхность (обычно ребристую), а в контактных — путем непосредственного контакта воздуха и хладоносителя. Охлаждающие батареи могут быть только поверхностными. У поверхностных воздухоохладителей и батарей внутренняя поверхность охлаждается хладагентом (непосредственное охлаждение) либо хладоносителем. Поверхностные воздухоохладители могут быть выполнены с орошением их наружной поверхности хладоносителем. Такие воздухоохладители называют смешанными.

По условиям применения воздухоохладители разделяют на высокотемпературные (с выпадением влаги в виде росы) и низкотемпературные (с выпадением влаги в виде инея).

6.1. Поверхностные воздухоохладители.

Их выполняют, как правило, из оребренных трубок. Ребра бывают монолитные и насадные. В конструкциях с монолитными ребрами трубка и ребра образованы из цельного куска металла и изготовлены методом литья или путем выдавливания ребер из стенок трубки и накатки ее по спирали (рис. 6.1). Насадные ребра изготовляют отдельно от трубок (часто из другого металла) и плотно насаживают на них. Наиболее распространенные типы насадных ребер навивные и пластинчатые. Круглые или квадратные насадные ребра применяют редко из-за их малой технологичности.

Для создания надежного контакта между трубкой и ребром и для защиты поверхности от коррозии применяют металлическое покрытие собранной поверхности горячим, или гальваническим, способом. Навивные ребра прижимают к трубкам путем натяга при навивке, а пластинчатые — путем раздачи трубок механическим или гидравлическим способами.

В конструкциях поверхностных воздухоохладителей на практике, как правило, применяют пластинчатое оребрение труб. Известны также воздухоохладители из алюминиевых труб с накатными ребрами. Преимущества пластинчатого оребрения — большая площадь поверхности на единицу объема и меньшее аэродинамическое сопротивление.

Пластинчатое оребрение применяют в воздухоохладителях автономных кондиционеров. Воздухоохладители холодопроизводительностью до 5 кВт имеют пластинчатые алюминиевые ребра, насаженные на три или четыре U- образные медные трубки; расположение трубок шахматное. В аппаратах холодопроизводительностью от 5 кВт и выше алюминиевые пластины насажены на U-образные медные трубки; расположение трубок коридорное. Трубки всех аппаратов подвергают лужению, ребра анодируют, плотность контакта ребер с трубками создается путем раздачи трубок гидравлическим давлением.

58

Выпускают аппараты различных типов.

Ваммиачных пластинчатых постаментных (ПВО) и навесных (НВО) воздухоохладителях теплообменная поверхность создана на базе стальной бесшовной трубы; ребра пластинчатые стальные насажены на четыре трубки; расположение трубок коридорное. Наружная поверхность аппаратов защищена от коррозии цинкованием. Шаг оребрения переменный: на первых рядах (по ходу воздуха), где наиболее интенсивно нарастает иней, он больше, а на последующих — меньше.

Постаментный камерный аммиачный воздухоохладитель ПВО-160 показан на рис. 6.2.

Ввоздухоохладителях типов ВО, НВО и ПВО применены радиальные вентиляторы с профилированными лопатками с различными углами поворота.

Всистемах холодоснабжения широко применяют воздухоохладители типа ВОГ, предназначенные для камер охлаждения и замораживания продуктов. Конструкция аппаратов типа ВОГ предусматривает различные способы оттаивания поверхности (горячими парами хладагента с одновременным орошением водой; электрообогрев с одновременным орошением водой; горячими парами; электрообогрев).

На отечественных предприятиях широко применяют воздухоохладители типов X и MX.

Во фреоновых воздухоохладителях типа ВО поверхность теплообмена состоит из медных трубок с алюминиевыми ребрами, насаживаемыми на трубки с переменным шагом оребрения. Расположение трубок коридорное.

Для предотвращения коррозии ребра анодируют и покрывают лаком, трубки подвергают лужению. Вследствие высокого аэродинамического сопротивления при нарастании инея в воздухоохладителях, работающих в режимах с инееобразованием, большей частью применяют коридорное расположение трубок.

Скорости воздуха в живом сечении аппарата (без инея) в среднем принимают порядка 3...5 м/с.

Камерные воздухоохладители проектируются на глубину охлаждения воздуха до 4 °С, канальные — более 4 °С. Разность между температурой воздуха в камере и температурой кипения хладагента принимают 7...10 °С (для фруктохранилищ 5...6 °С).

59

Число рядов трубок по ходу воздуха колеблется в широких пределах и составляет в среднем у камерных воздухоохладителей 0...16 рядов, у канальных

— до 20...25 рядов. Удельный тепловой поток 90... 140 Вт/м .

Оттаивание воздухоохладителей осуществляют тремя основными способами или их комбинацией: горячими парами хладагента; орошением водой; электронагревателями (ТЭНами). В воздухоохладителях НВО и ВО применяют первый способ, в ВОП — первый и третий, в ПВО — первый и второй.

6.2. Смешанные воздухоохладители.

К аппаратам этого типа относятся поверхностные воздухоохладители, орошаемые хладоносителем. Их применяют в центральных секционных кондиционерах, в холодильных камерах для оттаивания воздухоохладителей и в пенных кондиционерах.

Вцентральных секционных кондиционерах ребристые секции воздухоохладителя орошаются рециркулирующей водой для повышения коэффициента теплопередачи и увлажнения воздуха в зимнее время, а также для промывки и обеспыливания воздуха. Отношение массовых расходов воды и воздуха составляет 0,7...1.

Вхолодильных камерах для оттаивания воздухоохладителей трубы периодически орошают водой при выключенном воздухоохладителе (расход воды составляет до 0,5 кг/с на участке трубы длиной 1 м). Иногда применяют постоянное орошение змеевиков воздухоохладителя рассолом или этиленгликолем для предотвращения образования инея и интенсификации теплообмена. Ско-

рость движения воздуха в живом сечении выбирают не более 5 м/с, а плотность орошения — не выше 1 кг/(м2∙с).

Впенных кондиционерах среди пены размещают гладкотрубные змеевики воздухоохладителя непосредственного охлаждения, при этом пена выполняет роль интенсификатора наружной теплоотдачи от змеевика к воздуху наподобие оребрения.

Контактные воздухоохладители. Контактные воздухоохладители (рис.

55)применяют преимущественно в установках кондиционирования воздуха. Они бывают форсуночные, оросительные и пенные.

Форсуночные воздухоохладители (рис. 6.3, а) широко применяют в составе центральных секционных кондиционеров. Наиболее часто применяют двухрядные воздухоохладители со встречным расположением форсуночных факелов. Скорость воздуха в камере воздухоохладителя составляет 2...3 м/с. Форсунки

тангенциального типа располагаются в шахматном порядке (плотность расположения 15...30 шт./м2). Плотность орошения в каждом ряду форсунок принимается равной gw = 2...5 кг/(м2∙с), что соответствует коэффициенту орошения (отношение массовых расходов воды и воздуха) μ = 1,5...3.

Оросительные воздухоохладители (рис. 6.3, б) состоят из орошаемой хладоносителем поверхности (насадки), через которую продувается воздух, и сепараторов, улавливающих уносимые потоком воздуха капли.

60

Рис. 6.3. Схемы контактных воздухоохладителей: а – форсуночного

трехрядного воздухоохладителя: 1 – входные сепараторы капель; 2 – форсунки; 3 – выходные сепараторы капель; поддон; б – оросительного: 1 – сепараторы капель; 2 – форсунки; 3 – насадка; 4 – поддон; в – ци- клонно-пенного: 1 – поддон; 2 – улитка для закручивания воздушного потока; 3 - рабочая камера; 4 – форсунка для разбрызгивания воды; 5 – трубопровод подачи воды; 6 – улитка для раскручивания воздушного потока; 7 – сепаратор капель

Вударно-пенном контактном воздухоохладителе низкая температура воды, охлаждающей воздух, поддерживается путем непрерывной подачи в рабочий объем холодной воды из испарителя. Пена образуется потоком воздуха, ударяющимся о поверхность воды со скоростью 20...25м/с.

Вциклонно-пенных воздухоохладителях (рис. 6.3, в) пена образуется в цилиндрическом сосуде, в который через улиткообразный канал тангенциально подается воздух со скоростью до 20 м/с. Пена движется по стенке снизу вверх спиралеобразно на высоту до 0,6 м. В верхней части аппарата имеется вторая

улитка, раскручивающая поток воздуха в обратном направлении. Скорость воздуха в рабочей камере 5...6 м/с. Плотность орошения gw = 7,3 кг/(м2∙с).

6.3. Охлаждающие батареи.

Охлаждающие батареи классифицируют:

по конструкции охлаждающей поверхности — на ребристые с навивными и пластинчатыми ребрами, гладкотрубные и панельные;

по охлаждающему веществу — на аммиачные, рассольные и фреоновые; по компоновке — на одно- и двухрядные; по расположению — на потолочные и пристенные;

по исходному материалу — на стальные (аммиачные, рассольные), стеклянные (гладкотрубные рассольные) и медные (фреоновые).

Аммиачные батареи долгое время изготовляли из стальных бесшовных труб с навитыми спиральными ребрами из частично гофрированной стальной ленты. Централизованное производство батарей отсутствовало, и их изготовляли кустарным образом на месте монтажа.

Централизованное изготовление батарей или их секций предусматривает унификацию рассольных и аммиачных батарей.

ГОСТом установлены три типа охлаждающих батарей: коллекторные однорядные пристенные и потолочные; змеевиковые однорядные пристенные и