ХКМ Мальгина 1. I холодильные машины глава принципы искусственного охлаждения

• Название: I холодильные машины глава принципы искусственного охлаждения
• Анкор: ХКМ Мальгина 1.doc
• Дата: 15.05.2018
• Размер: 24.08 Mb.
• Имя файла: ХКМ Мальгина 1.doc
• Тип: Документы; #19288
• страница: 11 из 16

Глава 8. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

К основным теплообменным аппаратам холодильных машин относят конденсаторы, испарители для охлажде­ния жидких сред и камерные приборы охлаждения (камерные батареи и воздухоохладители). К теплооб­менным аппаратам предъявляют следующие требова­ния: высокая интенсивность теплопередачи, небольшой расход металла на единицу теплового потока, простота и компактность конструкции, безопасность и удобство эксплуатации, легкость очистки аппарата от загрязне­ний, удобство перевозки и монтажа, низкая стоимость.
КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсатор — это теплообменный аппарат, в кото­ром пар холодильного агента охлаждается и конденси­руется при отводе теплоты охлаждающей средой (воз­духом или водой).

По роду охлаждающей среды различают конденсато­ры с воздушным охлаждением (ребристо-змеевиковые и листотрубные с принудительной и естественной цир­куляцией воздуха), водяным охлаждением (горизон­тальные и вертикальные кожухотрубные, кожухозмеевиковые) и водовоздушным охлаждением (ороситель­ные и испарительные).

Конденсаторы с водяным охлаждением имеют интен­сивную теплопередачу и компактную конструкцию. Од­нако в условиях эксплуатации часто воздушное охлаж­дение конденсатора является более целесообразным (простота монтажа, эксплуатации и экономия воды).

В конденсаторах теплота от холодильного агента передается охлаждающей среде через разделяющую стенку. Количество переда­ваемой теплоты (в единицу времени), т.е. тепловой поток в конден­саторе, определяют по формуле



где Q — тепловой поток, Вт;

k — коэффициент теплопередачи, равный количеству теплоты, переходящей от холодильного агента

к охлаждающей сре­де через стенку поверхностью 1 м² в единицу времени (се­кунду) при

разности между температурами сред 1 К, Вт/(м²•К);

F — площадь поверхности теплопередачи, м²;

Ө_т — средний температурный напор между холодильным аген­том и охлаждающей средой. Коэффициент теплопередачи в конденсаторах зависит от интен­сивности теплоотдачи со стороны холодильного агента и охлажда­ющей среды, воды или воздуха, а также от теплового сопротивления стенки аппарата. Коэффициент теплопередачи можно определить по уравнению



где α₁ и α₂ — коэффициенты теплоотдачи со стороны холодильного агента и охлаждающей среды; они

равны количеству теплоты, переходящей соответственно от холодильного агента к стенке

поверхностью 1 м² или от поверхности стенки к охлаждающей среде в единицу времени

(се­кунду) при разности между температурами среды и поверхности стенки 1 К, Вт/(м²•К);

δ_п—толщина отдельных слоев стенки, м;

λ_п— коэффициент теплопроводности отдельных слоев стен­ки, он равен количеству теплоты,

проходящему сквозь стенку однородного материала толщиной 1 м, площа­дью

поверхности 1 м² в единицу времени (секунду) при разности температур на поверхностях

стенки 1 К. Вт/(м•К).

Обратную коэффициенту теплопередачи величину 1/k м²•К/Вт называют общим тепловым сопротивлением и определяют по формуле



где 1/α₁ и 1/α₂ — тепловое сопротивление теплоотдачи, м²•К/Вт;

— сумма тепловых сопротивлений теплопроводности всех слоев стенки, м²•К/Вт.

Стенку конденсатора изготовляют из теплопроводных материа­лов (стали, меди, алюминия). Но тепловое сопротивление стенки зна­чительно увеличивается при загрязнении, которое появляется в про­цессе эксплуатации холодильной установки. Поверхность аппарата со стороны холодильного агента, не растворяющего масло, загрязня­ется маслом, которое попадает с парами из компрессора (в конден­саторах для R12 загрязнения поверхности маслом не наблюдается). На поверхности конденсатора со стороны охлаждающей воды откла­дывается водяной камень. Со стороны воздуха поверхность загряз­няется пылью. Кроме загрязнений некоторые покрытия (например, краска на поверхности аппарата) также значительно увеличивают тепловое сопротивление. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых металлов, а также осадков, загрязнений и покрытий при­ведены в табл. .

Таблица



Загрязнения и покрытия поверхности аппарата ухудшают тепло­передачу, поэтому практические значения коэффициентов теплопере­дачи конденсаторов (см. табл. ) значительно отличаются от зна­чений, подсчитанных для чистых стенок.

При эксплуатации холодильной установки поверхность конденса­тора необходимо регулярно очищать.

Теплоотдача со стороны охлаждающей среды представляет со­бой процесс теплообмена между водой или воздухом и поверхностью стенки при их непосредственном соприкосновении. Теплоотдача осу­ществляется путем конвекции и теплопроводности.

На интенсивность теплоотдачи, характеризуемую коэффициентом теплоотдачи а, влияет много факторов, но в основном физические свойства среды, характер и скорость ее движения (скорость движе­ния воды в конденсаторе составляет 1—2 м/с, воздуха —3—6 м/с).

Примерные значения коэффициентов теплоотдачи со стороны охлаждающей среды в конденсаторах составляют для воды α= 3500÷4600 Вт/(м²•К), для воздуха при свободном движении α= 1.6÷12 Вт/(м²•К) и вынужденном движении α=20÷60 Вт/(м²•К).

Интенсивность теплоотдачи со стороны холодильного агента при конденсации зависит от характера образования конденсата и ско­рости удаления его с теплопередающей поверхности. По характеру образования жидкости на стенке различают пленочную, капельную и смешанную конденсации. В аппаратах холодильной установки на­блюдается пленочная конденсация холодильного агента. Пленка жид­кости на поверхности аппарата увеличивает тепловое сопротивление теплоотдаче, поэтому ее необходимо быстрее удалять с поверхности.

При конденсации коэффициент теплоотдачи значительно умень­шается, если в паре содержится воздух. В этом случае у холодной поверхности стенки создается воздушно-паровой слой с меньшим содержанием пара, чем в основном потоке, так как из этих слоев пар выпадает в виде конденсата на холодную поверхность аппарата. Воздушно-паровой слой препятствует движению пара к поверхности конденсации и переходу теплоты, что вызывает повышение темпера­туры конденсации и давления в конденсаторе.

Примерные значения коэффициентов теплоотдачи при конденса­ции следующие: для воды α=4500÷750 Вт/(м²•К), для чистого аммиака α= 10500÷7500 Вт/(м²•К), для смеси аммиака с воздухом, содержащей воздуха 5% по объему, α = 4500÷5800 Вт/(м²•К) при плотности теплового потока q_F—5800÷17500 Вт/м², для R12 α= 1200÷2300 Вт/(м²•К), для R22 α= 1500÷3000 Вт/(м²•К).

Когда коэффициент теплоотдачи с одной стороны стенки мал по сравнению с коэффициентом теплоотдачи по другую сторону стенки, коэффициент теплопередачи по величине будет приближаться к мень­шему значению коэффициента теплоотдачи. В этом случае интенсив­ность теплопередачи можно повысить путем увеличения поверхности (оребрением) на стороне, имеющей меньший коэффициент тепло­отдачи. Например, в конденсаторе с воздушным охлаждением с од­ной стороны находится конденсирующийся R12 [α₁= 1200÷2300 Вт/(м²•К)], а с другой —воздух [α₂ = 20÷60 Вт/(м²•К)]. В этом случае со стороны воздуха устанавливают ребра. Если R12 в кон­денсаторе охлаждают не воздухом, а водой, то α₂ будет больше, чем α₁, так как коэффициент теплоотдачи со стороны воды α₂= 3500÷4600 Вт/(м²•К). Тогда ребра применяют со стороны R12.

Ребра могут составлять одно целое со стенкой, или их можно из­готовлять раздельно, а затем плотно соединять с поверхностью тру­бы. При насадке ребер должен быть плотный контакт между стен­кой и ребром, иначе в месте перехода теплоты от стенки к ребру бу­дет большое тепловое сопротивление.

Эффективность теплопередачи конденсатора характеризуется не только коэффициентом теплопередачи k, но и плотностью теплового потока



Средний температурный напор Ө_т графически можно предста­вить (рис ) как высоту прямоугольника, площадь которого равна площади, заключенной между линия­ми изменения температур холодильно­го агента и охлаждающей среды вдоль поверхности F при равных ос­нованиях. Температуру холодильного агента принимают постоянной, равной температуре конденсации, так как вы­падение конденсата наблюдается на всей поверхности аппарата. Темпера­тура охлаждающей среды изменяется криволинейно в процессе теплообме­на, поэтому следует определять сред­ний логарифмический температурный напор


Рис. . Средний температурный напор:

t_к - температура конденсации

холодильного агента; t_в1 и t_в2 —

тем­­­­­­пе­ратура воды в начале и в конце теплообмена; Ө₁ и Ө₂ —темпера­турный напор в начале и в конце теплообмена; Ө_т —средний температурным напор.


где Ө₁ и Ө₂ — температурный напор в начале и конце теплообмена, К.

Если температурные напоры в начале и конце теплообмена незначительно различаются и Ө₁/Ө₂ <2,

можно применять средний арифметический температурный напор


Конденсаторы с воздушным охлаждением

Такие конденсаторы чаще всего применяют в малых холодильных агрегатах, в которых водяное охлаждение нецелесообразно, так как усложняет и удорожает экс­плуатацию, а также вызывает необходимость монтаж­ных работ по подводу и отводу воды.


Рис. . Конденсатор КВЗ-10 с воздушным охлаждением для R12.

Конденсаторы с воздушным охлаждением представ­ляют собой ряд плоских вертикальных змеевиков из медных или стальных труб, в которых протекает холо­дильный агент. Наружную поверхность змеевиков, об­мываемую воздухом, делают ребристой. Для оребрения применяют пластинчатые стальные или алюминиевые ребра. Для создания контакта между ребрами и трубами практикуют раздачу труб: в каждой трубе протяги­вают шарик или цилиндр, диаметр которого на 0,5 мм больше внутреннего диаметра труб. Применяют также гидравлический способ раздачи труб,

Ребристо-змеевиковый конденсатор КВЗ-10 с воз­душным охлаждением для RI2 показан на рис. . Площадь наружной поверхности конденсатора 10 м². Он состоит из пяти плоских змеевиков, изготовленных из красномедных труб диаметром 12x1 мм. На горизон­тальные трубы надеты 90 общих стальных пластинча­тых ребер с шагом между ребрами 4,5 мм. Оребренные трубы соединены в змеевик калачами 1. Для защиты от коррозии и надежного контакта применяют омеднение ребер и гальваническое лужение аппарата в собранном виде. Конденсатор закреплен в кожухе 2; который име­ет диффузор 3 для равномерного направления воздуха при обдувании секций.

Пары R12 подаются через верхний коллектор 4 и расходятся по змеевикам, а жидкий R12 отводится сни­зу через коллектор 5. Непосредственно за змеевиковым конденсатором устанавливают ресивер для сбора o6paзовавшейcя в конденсаторе жидкости. Охлаждающий воздух прогоняется через конденсатор вентилятором.

Вентилятор в агрегатах с сальниковыми компрессо­рами насаживают на вал электродвигателя. Воздух дви­жется в направлении от конденсатора к электродвига­телю со скоростью в живом сечении конденсатора 4— 5 м/с. Коэффициент теплопередачи таких конденсаторов 30—35 Вт/(м²•К). К конденсатору в агрегатах с герме­тичными компрессорами воздух подается отдельно уста­новленным вентилятором со своим электродвигателем. Вследствие низкого к.п.д. электродвигателя вентилято­ра оптимальная скорость движения воздуха в живом сечении составляет 2—4 м/с. При этом коэффициент теплопередачи конденсатора равен 25—30 Вт/(м²•К).



Рис. . Конденсаторы с естественной циркуляцией воздуха: а — алюминиевый листотрубный; б — с ребрами из стальной проволоки: в —трубы в листах.
В домашних холодильниках применяют конденса­торы воздушного охлаждения с естественной циркуля­цией воздуха (рис. ). Одной из основных конструкций является листотрубный конденсатор (рис. ,а). Он выполнен из двух алюминиевых листов, которые после нанесения на них специальной краской рисунка каналов подвергают в горячем состоянии прокатке, и листы сва­риваются, кроме закрашенных мест. После этого водой или воздухом под давлением 4—10 МПа листы разду­вают для получения каналов (рис. ,в). Такие конден­саторы относительно дешевы в изготовлении и обеспе­чивают достаточно интенсивную теплопередачу.

Наряду с ними применяют конденсаторы змеевиковые с ребрами из стальной проволоки (см. рис.,б). Они просты в изготовлении и достаточно эффективны.

Коэффициент теплопередачи конденсаторов с воз­душным охлаждением при естественной циркуляции воздуха 6—10 Вт/(м²•К).
Конденсаторы с водяным охлаждением


Рис. . Рис . Горизонтальные, кожухотрубные конденсаторы: а- для аммиака; б - для R12: 1-кожух; 2-трубные решетки; 3 - крышки; 4 - оребренные теплообменные трубки; 5-ресивер; 6-спускной клапан; 7 - предохранительный клапан; в - профиль накаткн труб.
Эти конденсаторы наиболее компактны и менее ме­таллоемки. Масса горизонтальных кожухотрубных и кожухозмеевиковых конденсаторов с водяным охлажде­нием составляет 40—45 кг на 1 м² площади поверхности теплообмена. Их применяют в холодильных установках любой производительности.



Горизонтальный кожухотрубный конденсатор для аммиака. Представляет собой стальной цилиндрический кожух 8, в котором расположены цельнотянутые труб­ки 9 диаметром 25x3 (рис. ,а). В трубках протекает вода. К кожуху с торцовых сторон приварены трубные решетки 10, в отверстия которых вставлены и разваль­цованы концы внутренних водяных труб. Решетки за­крыты крышками 11 с перегородками. С кожухом крыш­ки скреплены болтами.

В конденсаторе охлаждающая вода, подаваемая че­рез нижний штуцер в крышке, проходит по внутренним трубкам и выходит через верхний штуцер в крышке конденсатора. Вода, проходя по трубам, совершает по­следовательно несколько ходов, так как в крышках конденсатора имеются перегородки. Это способствует увеличению скорости движения воды в конденсаторе и коэффициента теплоотдачи, а также уменьшает расход охлаждающей воды.

Пары аммиака, поступающие сверху в межтрубное пространство, соприкасаются с холодной поверхностью горизонтальных водяных труб, конденсируются, и жид­кость стекает в нижнюю часть кожуха. Из конденсато­ра жидкий аммиак отводится к линейному ресиверу или непосредственно к регулирующему вентилю. Уровень жидкого аммиака в конденсаторе контролируется по указателю уровня 12,

К нижней части конденсатора приварен маслоотстойник, из которого выпускают масло через вентиль 7. Сверху на кожухе установлены манометр 3, предохра­нительный клапан 2, штуцер 1 для паровой уравнитель­ной линии с ресивером и штуцер 4 для отвода паро­воздушной смеси к воздухоотделителю. Последний раз­мещают как можно дальше от штуцера, через который поступают пары аммиака (пар подают в одном конце. кожуха, паровоздушную смесь отводят в другом). На одной из крышек в верхней части имеется кран 5 для выпуска воздуха из водяного пространства, а в нижней— кран 6 для слива воды.

В горизонтальных кожухотрубных конденсаторах для аммиака коэффициент теплопередачи 800—1000 Вт/(м²•К). Большая скорость движения воды (1,5— 2 м/с) и хороший отвод конденсата с теплопередающей поверхности труб обусловливают интенсивность тепло­передачи.

Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы для хладона. Они отличаются от аммиачных тем, что в них внутренние трубы применяют как стальные, так и мед­ные, и тем, что они со стороны хладона оребрены. Реб­ра бывают в виде стальных листов, надетых на трубы, или накатные (рис. ,б).

На рис. , б показан кожухотрубпый конденсатор КТР-12 для R12. Внутренние трубы конденсатора име­ют накатные ребра (см. рис. , в). Площадь теплопе­редающей поверхности со стороны R12 равна 12 м². Коэффициент теплопередачи, отнесенный к ребристой поверхности, 460—580 Вт/(м²•К). Коэффициент оребрсния 3,5. Для таких конденсаторов маслоотстойник не нужен, так как R12 хорошо растворяет масло, и оно циркулирует вместе с холодильным агентом. Нижняя часть конденсатора, где собирается образовавшаяся жидкость, является ресивером. При повышении избы­точного давления до 1,85 МПа≈18,5 кгс/см² предохра­нительный клапан 7 (см. рис. ,б) перепускает пар в испаритель или непосредственно в атмосферу. Спускной клапан 6 при резком значительном повышении давле­ния и температуры выпускает хладон наружу и этим исключает возможность взрыва.

В настоящее время горизонтальные кожухотрубные конденсаторы изготовляют поверхностью 2—300 м².

Трубы кожухотрубных конденсаторов очищают от водяного камня металлическими щетками «ершами». Менее трудоемок способ очистки труб от водяного кам­ня промывкой их 15—25%-ным раствором соляной кис­лоты с добавкой ингибитора ПБ-5, нейтрализующего кислотное воздействие на металл и предохраняющего трубки конденсатора от разъедания.