ХКМ Мальгина 1. I холодильные машины глава принципы искусственного охлаждения
![]()
|
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; Өт — 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); δп—толщина отдельных слоев стенки, м; λп— 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; ![]() 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 qF—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 ![]() С ![]() Рис. . Средний температурный напор: tк - температура конденсации холодильного агента; tв1 и tв2 — температура воды в начале и в конце теплообмена; Ө1 и Ө2 —температурный напор в начале и в конце теплообмена; Өт —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. |