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: 12 из 16

Вертикальные кожухотрубные конденсаторы. Эти. конденсаторы отличаются от горизонтальных располо­жением кожуха и распределением воды. Вода не запол­няет все сечение трубы, а протекает тонким слоем по внутренней поверхности.

Вертикальный кожухотрубный конденсатор для ам­миака изображен на рис. . В вертикальном цилинд­рическом кожухе 1 расположены трубы 2 диаметром 57X3 мм, развальцованные в трубных решетках. В верхней части конденсатора над кожухом находится водораспределительное устройство 7, состоящее из ба­ка и внутренней обечайки 8. Обечайка имеет вырезы для равномерного распределения воды, а каждая труб­ка— направляющую насадку 9 (колпачок), которая обеспечивает винтообразное движение воды по внутрен­ней поверхности трубы. Вода стекает в бетонный резер­вуар, который одновременно является и фундаментом конденсатора.

Пары аммиака поступают в межтрубное пространст­во через штуцер, расположенный в верхней части кожу­ха, и конденсируются на вертикальной поверхности внутренних труб.



Рис. . Вертикальный кожухотрубный конденсатор.
Жидкость стекает вниз, откуда отво­дится в ресивер 11 через штуцер, расположенный на высоте 80 мм от нижней трубной решетки, чтобы умень­шить попадание масла в испаритель. Воздух удаляется через патрубок 10, находящийся в кожухе над уровнем жидкости, а также через патрубок, расположенные вверху кожуха.

На конденсаторе и ресивере установлены трехходовые запорные вентили с двумя предохранительным; клапанами 5, уравнительная паровая трубка 4, соединяющая кожух конденсатора с ресивером, маслоспуск ной вентиль, манометры 6 и указательное стекло 3 для наблюдения за уровнем жидкого аммиака и масла.

Коэффициент теплопередачи вертикального кожухо трубного конденсатора 700—900 Вт/(м²•К). Его достоинства — компактность конструкции и относительная легкость очистки труб от водяного камня, что позволяет использовать воду наружных водоемов без предварительной очистки. Такие конденсаторы применяют в ам­миачных установках большой холодопроизводительностн, устанавливают их вне машинного отделения.

Кожухозмеевиковые конденсаторы. Их выпускают двух видов (рис. ); с одной трубной решеткой и с отъемной крышкой или кожухом, заваренным с обеих сторон.

Кожухозмеевиковый конденсатор с отъемной крыш­кой марки КТР-3 для R12 (рис. , а) имеет площадь теплопередающей поверхности 3 м². Его кожух 1 изго­товлен из цельнотянутой стальной трубы. С одной сто­роны к ней приварено сферическое днище, а с другой — фланец для крепления решетки 2 и крышки 3. В кожухе размещено восемь У-образных медных труб со стальны­ми пластинчатыми ребрами (применяют также трубы с накатными ребрами). Концы труб развальцованы в стальной трубной решетке, закрытой снаружи литой чугунной крышкой 3 с внутренними перегородками. По трубкам проходит вода, совершая четыре хода. Трубы размешают в верхней части кожуха, а нижнюю исполь­зуют в качестве ресивера для жидкого холодильного агента. Снизу к кожуху приварен сборник жидкости 4. На выходе из сборника установлен запорный жидкост­ный вентиль 5. В стенку кожуха вместо предохрани­тельного клапана ввернута легкоплавкая пробка 6. При температуре 70° С она расплавляется, и кожух соединя­ется с атмосферой, в результате чего исключается опасное повышение давления.



Рис. . Кожухозмеевиковые конденсаторы для хладонов:

а — с отъемной крышкой; б — с заваренным кожухом.
Кожухозмеевиковый конденсатор с заваренным ко­жухом (рис. , б) применяют в водоохладительных машинах торговых автоматов. Конденсатор имеет де­сять стальных труб 1 с навитыми латунными ребрами 2. Трубы соединены калачами. Наружную поверхность труб с ребрами лудят гальваническим способом. Концы змеевика вварены в дно 4. Снаружи к ним приварены штуцера для подсоединения гибких водопроводных шлангов. Пары хладона подводят в кожух 3 конденса­тора сбоку по трубе 6, а жидкость из нижней части кожуха отводят по трубке 5. На жидкостной трубе по­ставлены вентиль и фильтр.

Кожухозмеевиковые и горизонтальные кожухотруб-ные конденсаторы хорошо работают при использовании мягкой и чистой воды, когда отложения в трубах незна­чительны.

Конденсаторы с водо-воздушным охлаждением

В таких конденсаторах теплота от холодильного агента отводится водой и воздухом одновременно. Расход воды в них значительно меньше, чем в конденсаторах с водяным охлаждением.



Рис. . Оросительный конденсатор:

1 - водораспределительный желоб; 2 -сливная сетка; 3-приемная сетка; 4 - трубопровод рециркуляционной воды;

5 - вентиль для выпуска масла в маслосборник; 6 - уравнительная линия; 7 - вентиль для выпуска воздуха;

8- водораспределительный бачок; 9 - трубопровод свежей воды.
Оросительные конденсаторы. Их выполняют в виде плоских змеевиков (секций), орошаемых снаружи во­дой. Теплоту от холодильного агента отнимает вода часть которой испаряется. Для испарения воды к оро­сительным конденсаторам необходим хороший доступ воздуха.

Оросительный конденсатор для аммиака с нижним подводом паров и промежуточным отводом жидкого ам­миака показан на рис. . Каждая секция такого кон­денсатора имеет по высоте 14 труб диаметром 57X3 мм и четыре промежуточных отвода.

Пары аммиака поступают в змеевики снизу через общий коллектор. Конденсат, отводится из четвертой, восьмой, десятой, двенадцатой и четырнадцатой труб в стояк, откуда сливается в ресивер. Из верхней трубы конденсатора и верхней части ресивера отводится воз­дух через вентиль 7 к воздухоотделителю.

Вода поступает на конденсатор из распределитель­ного бака 8 через желоб 1 треугольного сечения с зуб­чатыми кромками и равномерно оро­шает поверхность змеевиков, стекая в поддон.

Над оросительным конденсатором можно смонтировать устройство для охлаждения воды в виде градирни из деревянных реек. Это позволяет пов­торно использовать воду для охлаж­дения конденсатора и сократить расход свежей воды.

Коэффициент теплопередачи 700— 900 Вт/(м²•К). Такие конденсаторы применяют в крупных аммиачных хо­лодильных установках и размещают вне здания на специальных площадках или крыше машинного отделения. Их окружают жалю-зийными стенками, которые не мешают циркуляции воздуха, но препятствуют уносу капель воды ветром. Преимущества оросительных конденсаторов — сравни­тельно малый расход свежей воды (около 30% общего количества циркулирующей воды) и относительная легкость очистки наружной поверхности труб от водя­ного камня. Но они громоздки и в них невозможно осу ществить переохлаждение жидкости. Их выпускают по­верхностью 30—90 м².

Оросительные конденсаторы целесообразно приме­нять в случае недостатка охлаждающей воды или если вода жесткая либо сильно загрязненная.

Испарительные конденсаторы. В таких конденсато­рах (рис. ) змеевики с холодильным агентом распо­ложены в плотном кожухе. Змеевики' 5 орошаются во­дой, а в противоток движению воды прогоняется воздух вентилятором 2. При обдувании воздухом вода интен­сивно испаряется, в результате чего температура ее не повышается. Поэтому вода, стекающая в нижнюю часть кожуха (поддон), вновь направляется насосом 1 к раз­брызгивающему устройству 4 для орошения змеевиков конденсатора, при этом не требуется промежуточного охлаждения воды. Часть воды испаряется в конденсато­ре, а часть уносится воздухом. Для уменьшения уноса воды в конденсаторе установлен каплеуловитель 3. Рас­ход свежей воды примерно 3% от количества циркули­рующей воды. Поплавковый вентиль 6 поддерживает постоянный уровень воды в поддоне, пропуская в него свежую воду.


Рис. . Испарительный конденсатор.
Такие конденсаторы применяют в средних и крупных установках при недостатке охлаждающей воды. Их можно устанавливать как вне машинного отделения, так И в закрытых помещениях.
Расчет и подбор конденсаторов

При проектировании холодильных установок чаще всего приходится подбирать конденсатор по площади теплопередающей поверхности F_K(в м²), которую рас­считывают, пользуясь формулой (43),



где Q_к — тепловой поток, проходящий через конденсатор, Вт (под­считывают по формулам главы 6).

Коэффициент теплопередачи k можно принять по табл. , а средний температурный напор Ө_т между конденсирующимся холодильным агентом вычисляют по формуле (45).

Температуру конденсации принимают в зависимости от температуры охлаждающей воды. Чем меньше раз­ность между температурами воды и холодильного агента, тем ниже температура и давление конденсаций. При этом уменьшается расход энергии на работу машины и увеличивается холодопроизводительность. Однако при этом увеличиваются размеры конденсатора и расходу­ется больше металла. Оптимальную разность между температурами в теплообменных аппаратах определя­ют технико-экономическим расчетом.

В конденсаторах холодильных установок экономиче­ски целесообразно поддерживать температуру конден­сации на 3—5° С выше температуры воды, выходящей изконденсатора, а нагревание воды в конденсаторе — на 2—6° С в зависимости от типа конденсатора.

По величине площади теплопередающей поверхно­сти подбирают конденсатор в справочниках и каталогах.

Расход воды в конденсаторе при условии, что вся теплота отводится водой, определяют по формуле



где V_B—расход воды в конденсаторе, м³/с;

с_в— теплоемкость воды [с_в=4187 Дж/(кг•К) =1 ккал/(кг•°С)];

ρ_в — плотность воды (ρ_в=1000 кг/м³);

t_в1— t_в2— разность между температурами воды на выходе из конденсатора и входе в него, °С (t_в2— t_в1=2÷6°С).

Расход воды, необходимой для оросительных конден­саторов, когда теплота отводится частично воздухом, но заводским данным, 0,6—0,8 м³/ч на 1 м² поверхности. При этом расход свежей воды составляет около 30%, а при наличии градирни—10—12% общего количества циркулирующей.

Пример. Определить теплопередающую поверхность и расход воды в кожухотрубном конденсаторе аммиачной холодильной машины холодопроизводительностью Q_o=116 кВт при температуре кипения аммиака t_о=—15° С и температуре пара, всасываемого в компрес­сор, t_вс= — 5° С, если температура воды, поступающей на конденса­тор, t_в1=20°С.

Принимают нагревание воды в конденсаторе на 5°С, а темпера­туру конденсации на 4° С выше температуры выходящей воды. Тогда



Параметры, необходимые для расчета, определяют по табли­цам и диаграммам для соответствующего холодильного агента.

Энтальпия пара, поступающего в компрессор, i₁=1687 кДж/кг.

Энтальпия перегретого пара в конце сжатия i₂=1915 кДж/кг.

Энтальпия сконденсированной жидкости i₃ = i₄=546 кДж/кг.

Массовый расход циркулирующего в машине аммиака подсчи­тывают по формуле (4)



Тепловой поток, проходящий через конденсатор, подсчитывают по формуле (24)



Коэффициент теплопередачи горизонтального кожухотрубного конденсатора для аммиака k=950 Вт/(м²•К) принимают по табл. .

Таблица


Средний логарифмический температурный напор подсчитывают по формуле (45)



Плотность теплового потока определяют по уравнению (44)



Площадь теплопередающей поверхности конденсатора опреде­ляют по формуле (47)



По каталогу принимаем конденсатор 25КТГ F=25 м².

Расход воды в конденсаторе рассчитывают по формуле (48)


ИСПАРИТЕЛИ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

И КАМЕРНЫЕ ПРИБОРЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Испарители — теплообменные аппараты, в которых кипит холодильный агент, воспринимая теплоту от ох­лаждаемой среды. По виду охлаждаемой среды разли­чают испарители; для охлаждения жидких хладоносителей—воды, рассола или других незамерзающих жидко­стей, для охлаждения воздуха — камерные батареи непосредственного охлаждения (с естественной циркуляцией воздуха) и воздухоохладители непосредственного охлаждения (с принудительной циркуляцией воздуха). По характеру заполнения холодильным агентом ис­парители разделяют на затопленные, в которых поддер­живается определенный уровень жидкого холодильного агента, и незатопленные или сухие, в которых нет уров­ня жидкости (змеевиковые аппараты, заполняемые не­посредственно от регулирующего вентиля).

Холодильный агент в испарителе воспринимает теплоту от ох­лаждаемой среды через разделяющую стенку. Тепловой поток в ис­парителе определяют по формуле (43).

Интенсивность теплопередачи в испарителях зависит от интен­сивности теплоотдачи со стороны охлаждаемой среды (воздуха, рассола) и со стороны кипящего холодильного агента, а также от теплового сопротивления стенки аппарата.

Со стороны охлаждаемого воздуха или рассола теплоотдача за­висит главным образом от скорости их движения. Скорость движения рассола в испарителях 1—2 м/с. Примерные значения коэффициентов теплоотдачи в испарителях: для рассола 600—1700 Вт/(м²•К), для воздуха при свободном движении 6—12 Вт/(м²•К), для воздуха при принудительном движении 14—40 Вт/(м²•К).

Теплоотдача со стороны холодильного агента зависит от харак­тера образования пара и скорости удаления его с поверхности наг­рева.

По характеру образования пара различают пузырчатое и пле­ночное кипение. При пузырчатом кипении на теплопередающей по­верхности образуются отдельные пузырьки пара. Центрами паро­образования являются впадины поверхности, а также пузырьки га­зов, легко выделяющиеся на поверхности нагрева. При пленочном кипении между жидкостью и поверхностью нагрева образуется плен­ка пара, из которой пар большими пузырями поднимается вверх. Пленка пара увеличивает тепловое сопротивление, ухудшая тепло­отдачу. Коэффициент теплоотдачи значительно выше при пузырча­том кипении, так как большая часть поверхности покрыта жидко­стью.

В испарителях холодильной установки происходит пузырчатое кипение.

Стенку испарителя изготовляют из теплопроводных материалов, но тепловое сопротивление стенки испарителя (как и конденсатора) значительно увеличивается в результате всевозможных отложений на поверхности. Со стороны холодильного агента поверхность может быть загрязнена маслом, со стороны рассола — продуктами коррозии и отложениями самого рассола, со стороны воздуха на охлаждающей поверхности выпадает влага в виде воды, инея, льда. Для защиты от коррозии наружную поверхность аппарата покрывают краской, суриком, антикоррозийным лаком и пр. Многие виды покрытий и за­грязнений, имея низкий коэффициент теплопроводности (см. табл. ), увеличивают тепловое сопротивление стенки и снижают интенсив­ность теплопередачи аппарата.

При проектировании испарителей холодильной установки сред­ний температурный напор между охлаждаемым рассолом и холодильным агентом определяют по формуле (46) как средний ариф­метический или принимают равным 4—5^оlC в аммиачных испарите­лях и 6—8° С в испарителях с медными накатными трубками для хладонов. При охлаждении воздуха температурный напор принимают 10—15°С, а в отдельных случаях меньше (при хранении фруктов). Практические значения коэффициентов теплопередачи различных конструкций испарителей с учетом возможных загрязнений стенки ап­парата даны в табл. .
Испарители для охлаждения

жидких хладоносителей

Испарители для охлаждения жидкого хладоносителя применяют в установках холодопроиз­во­дительностью свыше 14 кВт.

В зависимости от характера заполнения хладоносителем различают испарители закрытого и открытого типов.

В испарителях закрытого типа хладоноситель (рас­сол) с воздухом не соприкасается. В испаритель рассол подается насосом, а из испарителя охлажденный рассол поступает в охлаждающие приборы, расположенные в холодильных камерах. К этому типу относят кожухотрубные, кожухозмеевиковые и змеевиковые испарители.

В испарителях открытого типа поверхность рассола соприкасается с воздухом. Рассол из испарителя откры­того типа забирается насосом и под напором подается в охлаждающие батареи камер (или воздухоохладите­ли), откуда сливается обратно в испаритель. К такому типу испарителей относят панельный.

Хладоносителями называют обычно жидкие тела, которые ис­пользуют для переноса теплоты от охлаждаемой среды к холодиль­ному агенту в испарителе. Принципиальная схема охлаждения с по­мощью жидкого хладоносителя показана па рис. . Охлажденный в испарителе жидкий хладоноситель насосом нагнетается в батарею, установленную в охлаждаемом помещении, где он воспринимает теп­лоту, а затем возвращается в испаритель и отдает эту теплоту кипя­щему холодильному агенту.




Рис. . Зависимость темпера­туры затвердевания раствора от концентрации соли в рас­творе.


Рис. . Принципиальная схема охлаждения жидким хладоносителей.
Хладоносители должны отвечать следующим требованиям: иметь низкую температуру замерзания, обладать высокой теплоемкостью, быть безвредными, безопасными и химически нейтральными по отно­шению к металлам, из которых изготовляют аппараты и трубопро­воды, иметь низкую стоимость.

Самый дешевый и доступный хладоноситель — вода. Она имеет большую теплоемкость, но недостатком ее является высокая темпе­ратура замерзания, поэтому ее применяют только при температуре охлаждаемой среды выше 0°С (например, в установках кондицио­нирования воздуха).

Для температур ниже 0°С в качестве хладоносителей исполь­зуют водные растворы солей (рассолы). Наиболее распространены растворы хлористого натрия (поваренная соль) NaCl и хлористого кальция СаСl₂.

Свойства рассолов зависят от концентрации соли в растворе (рис. ). Левые ветви кривых показывают, что с увеличением кон­центрации соли температура замерзания рассола понижается до определенного значения, называемого криогидратyой точкой (точка а). Криогидратной точке соответству­ют определенная концентрация для каждой соли и самая низкая темпе­ратура замерзания раствора. Дальнейшее увеличение концентрации, наоборот, влечет за собой повыше­ние температуры замерзания, что характеризуют правые ветви кри­вых.

Если концентрация рассоле не соответствует криогидратной точ­ке, то при температуре замерзания раствор полностью не замерзает.

При замерзании рассола с концентрацией меньше криогидратиой выделяется лед, поэтому левую ветвь кривой называют кривой вы­деления льда. Если охлаждать рассол СаСl₂ концентрацией 18% соли в растворе, то концентрация его будет постоянной до температуры -14°С (точка b), а при дальнейшем охлаждении будет выделяться лед. Концентрация оставшегося жидкого раствора будет увеличи­ваться, а температура затвердевания понижаться до температуры, соответствующей криогидратиой, при которой весь рассол замерзнет. Замерзшая масса представит собой смесь кристаллов льда и твер­дого раствора эвтектической концентрации.

При охлаждении рассола СаСl₂, концентрация которого больше, чем в криогидратиой точке (например, 33%), концентрация раствора остается постоянной до температуры, соответствующей точке с, при которой начнется выделение кристаллов соли. При дальнейшем ох­лаждении концентрация оставшегося жидкого раствора будет умень­шаться до криогидратиой, температура замерзания соответственно снизится. Этот процесс характеризуется точками, лежащими на пра­вой кривой, которую называют кривой выделения соли. При темпе­ратуре, соответствующей криогидратиой точке, весь раствор замерз­нет. В состав замерзшей массы будут входить кристаллы соли и твер­дого раствора эвтектической концентрации. При охлаждении рассола концентрацией, соответствующей криогидратной точке, ни лед, ни соль не выпадут из раствора, а при достижении температуры, соот­ветствующей криогидратной точке (точка а), рассол замерзнет в ви­де однородной массы — эвтектики.

Криогидратную точку для раствора NaCl в воде характеризуют температура замерзания— 21,2° С и содержание соли в растворе 23,1%, а для раствора СаСl₂ — температура — 55° С и содержание соли 29,9%.

Концентрация рассола должна соответствовать режиму работы холодильной установки, но не превышать концентрации криогидрат­ной точки. При увеличении концентрации рассола повышается плот­ность и уменьшается теплоемкость, и, следовательно, увеличивается расход энергии на перекачку рассола. Однако при недостаточной кон­центрации возможно замерзание рассола в испарителе (в случае колебания температур кипения холодильного агента). Поэтому тем­пературу затвердевания рассола рекомендуется поддерживать на 5—8^oС ниже температуры кипения холодильного агента. В связи с этим рассол NaCl можно применять только при температурах кипе­ния агента выше —15° С, а рассол CaCl₂— при более низких темпе­ратурах (до —45÷—48°С). Концентрацию определяют по плотности рассола ареометром при 15° С.

Свойства рассолов указаны в приложениях 7, 8.

Недостаток всех рассолов — воздействие их на металл. В при­сутствии кислорода воздуха рассолы вызывают сильную коррозию.

Попадание кислорода в рассол можно сократить путем умень­шения поверхности соприкосновения рассола с воздухом (например, применяя закрытую рассольную систему). Коррозию также можно ослабить добавлением к рассолу пассиваторов, т. е. веществ, замед­ляющих коррозию металлов, — хромат натрия NaCrO₄ с едким нат­ром NaOH.

Чтобы получить температуры ниже —50° С, в качестве хладо-носителей используют органические вещества; водный раствор этиленгликоля с температурой замерзания около—72° С, фреон-30 (СНзСl) с температурой в эвтектической точке —96,7° С и фреон-11 (для температуры —90÷----—100°С). Эти вещества также гораздо меньше воздействуют на металлы.

Зависимость температуры замерзания водного раствора этиленгликоля от концентрации:

Концентрация этиленгликоля, % 30 40 50 60 70

Температура замерзания, °С —16 —25,5 —37,2 —51 —67,2

Рис. . Кожухотрубный аммиачный испаритель.