Пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа

Содержание

1. История развития и современное состояние испарителей холодильных установок

1.1. Модернизация атмосферных испарителей

2. Классификация и конструкции основных типов испарителей холодильных установок

2.1. Испарители для охлаждения жидких теплоносителей

2.2. Кожухотрубные оросительные испарители

2.3. Испарители с кипением рабочего вещества внутри труб

2.4. Испаритель — конденсатор

3. Испарители для охлаждения воздуха

3.1. Форсуночный воздухоохладитель

3.2. Воздухоохладитель с насадкой

3.3. Камерные приборы тихого охлаждения

4. Общая методика теплового конструктивного расчета испарителей для охлаждения жидких теплоносителей

4.1. Кожухотрубные испарители затопленного типа

4.2. Кожухотрубные оросительные испарители

4.3. Испарители с кипением рабочего вещества внутри труб

4.4. Испаритель — конденсатор

4.5. Тепловой и конструктивный расчет испарителей для охлаждения воздуха

5. Пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа

6. План — конспект урока Заключение Список используемых источников

Искусственный холод находит все большее применение в пищевой, химической, авиационной и оборонной промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте, в установках кондиционирования воздуха и в других отраслях народного хозяйства. В последнее время развитие холодильной техники приобретает особую важность и актуальность.

Холодильная машина представляет собой устройство, служащее для переноса теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Решение этой задачи реализуется с помощью обратного термодинамического цикла, осуществляемого рабочим веществом, называемым хладагентом. Собственно холодильная машина осуществляет отвод теплоты от охлаждаемых объектов, имеющих температуру более низкую, чем окружающая среда, и передачу этой теплоты последней. Холодильная машина состоит из четырех основных элементов; испарителя, конденсатора, компрессора и дроссельного вентиля.

Испаритель предназначен для отвода теплоты от охлаждаемой среды, которая циркулирует между испарителем и объектом охлаждения и, в свою очередь отнимает от последнего теплоту. Эта промежуточная среда называется хладоносителем. Иногда в испарителе происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом (воздухоохладители, батареи, технологические аппараты непосредственного охлаждения).

1. История развития и современное состояние испарителей холодильных установок

Первые в отечественной истории испарители (атмосферные) были созданы в НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха). В 1972 году это предприятие, после проведения экспериментальных исследований, успешно освоило выпуск панельных атмосферных испарителей. Результаты этой работы были отмечены государственной премией. Панели испарителей изготавливал ВИЛС (Всесоюзный институт легких сплавов, г. Москва) прокатно-сварным способом из алюминиевых листов из сплава АД1 с нанесенным на них рисунком восьми каналов (технология испарителей бытовых холодильников). Каналы формировались (раздавались изнутри) воздухом и были рассчитаны на рабочее давление 1,6 мПа. Панели собирались вертикально в теплообменные блоки. Каждый блок включал секцию подъема давления (надувную) и продукционные секции. Надувная секция предназначалась только для испарения криогенной жидкости. Образовавшийся газ, выходя из этой секции, подавался в верхнюю часть сосуда для создания в нем рабочего давления. За счет давления жидкость с заданным расходом подавалась в две последовательные продукционные секции. Продукционные секции (холодная и теплая) служили для испарения жидкости и подогрева газа до температуры, практически равной температуре окружающего воздуха. Безусловно, для того времени эти решения были пионерскими. С помощью газификаторов ГХК (ГХКЗ/1,6−200, ГХК8/1,6−500…2000, ГХК25/1,6−500…2000, ГХ-1,0−0,035/1,6) с атмосферными испарителями панельного типа предприятиями криогеники (НПО «Криогенмаш», НПО «Микрокриогенмаш», г. Омск, Свердловским заводом криогенного машиностроения) было решено множество народно-хозяйственных задач (металлургия, химия, космос, медицина и др.).

Несомненным достоинством панельных атмосферных испарителей криогенных газификаторов ГХК являлась простота периодической очистки их поверхности от десублимирующихся из воздуха кристаллов инея воды и углекислоты. Необходимо отметить, что проблема инееобразования — известная проблема снижения эффективности атмосферных испарителей с течением времени из-за увеличения их термического сопротивления. Наиболее актуальна эта проблема именно для России с ее климатом. Так в 1989 году были выполнены многодневные экспериментальные исследования с целью определения степени изменения тепловых характеристик холодного криогенного газификатора ГХК25/1,6−500 (рисунок 1.1) с течением времен.

Рисунок 1.1. Испытания панельного испарителя атмосферного газификатора на обмерзание инеем, февраль 1989 года Испытания проводились при самых неблагоприятных условиях с точки зрения инееобразования (температура 0 -1°С, относительная влажность 90−95%). Вот только небольшой пример (рисунок 1.2,1.3,1.4). Толщина инея на панелях через десять часов эксплуатации в номинальном режиме достигала величины 20−25 мм. При этом величина недорекуперации продукта увеличивалась до 70−75°С вместо расчетных 20 °C (рисунок 1.4). Удаление инея возвращало расчетные характеристики испарителя.

Рисунок 1.2. Обмерзание теплой секции Рисунок 1.3. Обмерзание холодной секции Проблема очистки панельных испарителей атмосферных газификаторов получила развитие в статьях и закреплена в ряде авторских свидетельств.

В настоящее время цельносварные панельные атмосферные испарители выпускаются ОАО «Криогенмаш» в небольших количествах. Их условно относят к группе атмосферных испарителей низкого давления (до 1,6 мПа).

В середине 80-х годов прошлого века перед НПО «Криогенмаш» была поставлена задача изготовления холодного криогенного газификатора (ГХК) аргона среднего давления (4,0 мПа) для сталелитейной промышленности.

Отдельная задача (кроме изготовления сосуда) состояла в разработке атмосферного испарителя на это давление.

Рисунок 1.4. Результаты экспериментального исследования процесса газификации ГХК25/1,6−500М. Изменение во времени: а) расхода газифицируемого азота, б) толщины слоя инея в теплой (тс) и холодной (хс) секциях испарителя, в) недорекуперации газифицируемого азота относительно температуры окружающей среды Распространение имеющегося опыта изготовления панельных испарителей на давление 4,0 мПа было невозможно в силу ряда обстоятельств. Во-первых, увеличенная толщина алюминиевых пластин не позволяла в полной мере применить прокатно-сварной способ их соединения из-за расплавления поверхностных слоев, во-вторых, был велик процент брака при раздаче каналов воздухом.

В этой связи, при решении задачи создания первого отечественного атмосферного испарителя среднего давления был учтен опыт зарубежных фирм, а также появившаяся технологическая возможность — изготовление оребренных алюминиевых труб методом экструзии. В этой связи был разработан и запатентован теплообменный элемент — труба с наружным и внутренним продольным оребрением. Диаметр несущей трубы составлял 30 мм. Толщина стенки 3 мм. Диаметр окружности по концам наружных ребер 160 мм, диаметр окружности по концам внутренних ребер 12 мм. Толщина ребер у основания 2,5 мм, на концах 1,8 мм. Количество ребер 6,8 и 12. Официальное название этих элементов носило аббревиатуру ТРФ, неофициально их до настоящего времени называют «звездочки» или «снежинки».

Необходимо отметить, что «вытяжка» тонких (2 мм) высоких (65 мм) ребер в те годы было сложной технологической проблемой. Для ее решения было привлечено ведущее отечественное предприятие в области обработки легких сплавов — ВИЛС. Совместные усилия НПО «Криогенмаш» (изготовление инструментальной оснастки (рисунок 1.5,1.6) и ВИЛС (экструзия труб) позволило в конце 80-х годов двум предприятиям криогенной отрасли НПО «Криогенмаш» и НПО «Микрокриогенмаш» начать выпуск холодных криогенных газификаторов с испарителями нового типа из труб с продольным оребрением. Трубы изготавливались из алюминиевого сплава АМц.

Рисунок 1.5. Элементы оснастки. Матрица для формирования наружных ребер (6 шт.) труб с продольным оребрением методом экструзии: а) формирующая часть, б) подложка Рисунок 1.6. Элемент оснастки. Игла для формирования внутренних ребер (6 шт.) труб с продольным оребрением методом экструзии Конечно, выбор геометрии оребрения не был оригинален и был обусловлен стремлением к максимальной площади поверхности теплообмена на одном погонном метре трубы, а, следовательно, к наибольшей высоте ребра, тем более что высокий тепловой КПД ребра (0.97*0,98) это допускал. Однако технологические возможности ВИЛС позволяли формировать теплообменные элементы с диаметром по концам ребер не более 160 мм.

Другим параметром, увеличивающим площадь поверхности погонного метра, была вариация числа ребер. В процессе детальных исследований, проведенных на экспериментальных моделях труб с продольным оребрением, с учетом процесса инее-образования (рисунок 1.7) было выбрано оптимальное количество ребер -8.

Опытно-промышленные испытания первого промышленного образца испарителя (рисунок 1.8, 1.9) подтвердили правильность принятых конструктивных решений. Одновременно делались попытки повышения эффективности этой конструкции испарителей.

Атмосферные испарители из труб с продольным оребрением выпускаются ОАО «Криогенмаш» двух типов ИА-33 и ИА-65 (площадью наружной поверхности теплообмена, соответственно, 33 и 65 м2). Они рассчитаны на производительность, соответственно, 100 и 250 нм3/час по кислороду. испаритель холодильный установка охлаждение Рисунок 1.7. Обмерзание опытного образца ТРФ: а — через 3 часа, б — через 24 часа В середине 80-х годов прошлого века в НПО «Кислородмаш» г. Одессы Резниковым Л. Е. была успешно решена задача создания атмосферных испарителей высокого давления (20,0−40,0 мПа) [4, стр. 12].

Рисунок 1. 8. Стенд промышленных испытаний первого испарителя из труб с продольным оребрением. Число теплообменных элементов -36, высота рабочей части-3 м Благодаря этим техническим решениям, были созданы эффективные стационарные газификацион-ные установки высокого давления Г-1,6−0,28/40, Г-7,4−0,25…0,5/20 и транспортные газификационные установки высокого давления ПГ-3,2−0,63/20. Теплообменный элемент испарителей представлял собой биметаллическую трубу. Внутренняя (несущая) труба выполнена из нержавеющей стали и выдерживает высокие давления, наружная алюминиевая труба, предназначенная для развития поверхности теплообмена, выполнена из алюминиевого сплава и оребрена.

Рисунок 1.9. Первый промышленный испаритель из труб с продольным оребрением Этот, в общем-то, простой принцип, до сих пор используется при создании атмосферных испарителей высокого давления с той лишь разницей, каким образом решена проблема контактного термического сопротивления. В работе было предусмотрено соединение нержавеющей и алюминиевой труб клеем с теплопроводным наполнителем. С этой целью на трубах были предусмотрены специальные «спирально-шлицевые замки». «Замки», при провороте сопрягаемых труб в противоположных направлениях, заклинивали трубы и обеспечивали вместе с клеем их надежный тепловой и механический контакт. Испарители высокого давления, выпускаемые ОАО «Кислородмаш» были рассчитаны на одну объемную производительность—250 нм3/час по кислороду. Увеличение производительности достигалось увеличением числа теплообменных блоков.

В настоящее время основным отечественным производителем атмосферных испарителей, входящих в состав, выпускаемых ими же холодных криогенных газификаторов являются приемники НПО «Микрокриогенмаш», г. Омск — российские фирмы ООО «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап». Материал теплообменных элементов — алюминиевые сплавы 6060, 6063. Для испарителей низкого и среднего давления разработаны и изготавливаются в России высокоэффективные теплообменные элементы и высокотехнологичные связующие элементы по ГОСТ 2223–2001. Трубы с продольным оребрением имеют высокие наружные ребра и за счет этого высокие показатели площади поверхности теплообмена, приходящейся на один метр длины — F =1,486 м²/п.м. По этому показателю испарители ООО «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап находятся на уровне лучших зарубежных образцов («Linde», Германия (1,49 м2/п.м), «L'Air Liquid», Франция (1,51 м2/п.м), «Nippon Sanso», Япония (1,39 м2/п.м)) и даже превышает их («Ferox», Чехия (1,297 м2/п.м), «VRV», Италия (1,174 м2/ п. м).

Параметры испарителей, выпускаемых «НТК Криогенная техника» и ООО «КриоВап»:

— рабочее давление — до 4,0 мПа,

— объемная производительность для продукционных испарителей от 35 до 500 нм3/час, для испарителей подъема давления от 35 до 100 нм3/час.

Увеличение производительности достигается увеличением числа теплообменных блоков.

Год назад начала выпускать атмосферные испарители российская фирма ООО «Мониторинг» (г.Москва). Параметры труб с продольным оребрением, входящих в состав испарителей этой компании, точно такие же, как у труб с продольным оребрением в испарителях, выпускаемых ОАО «Криогенмаш». В настоящее время потребности отечественной промышленности в атмосферных испарителях обеспечиваются поставками зарубежных и российских производителей примерно в равных долях.

При этом, хотя поставляемое оборудование этого типа и имеет достаточно высокий технический уровень, оно не лишено существенных недостатков (не адаптировано к российским условиям эксплуатации, зафиксированы частые выходы из строя, высокая цена). [5, стр. 58].

1.1 Модернизация атмосферных испарителей

В рамках частного предприятия ИП Ельчинов В. П. (г. Балашиха) совместно с ЗАО «НПП Криосервис» (г. Балашиха) в 2007 году начал освоение и выпуск атмосферных испарителей для газификации криогенных жидкостей.

При разработке испарителей были приняты за основу следующие принципы:

— повышенный запас площади поверхности теплообмена,

— надежность,

— низкая цена.

В испарителях, в качестве теплообменных элементов, используются трубы с продольным оребрением (рисунок 1.1.1), разработанные для среднего (а) и высокого (б) давления. Показатели площади поверхности теплообмена, приходящейся на один метр длины соответственно.

Рисунок 1.1.1. Алюминиевые трубы с продольным оребрением: а — на среднее давление; б — для высокого давления (без несущей стальной трубы) В настоящее время над созданием новых, исследованием и усовершенствованием существующих холодильных машин и их составных элементов работают многие научно-исследовательские и учебные институты, конструкторские бюро и заводы нашей страны. В настоящее время в нашей стране выпускаются все виды холодильного оборудования, известного и применяемого в мировой технике. Отечественные заводы выпускают холодильные машины от бытовых мощностью в несколько десятков ватт до промышленных мощностью 10 МВт. Более 75% холодильных машин и оборудования предназначено для хранения и обеспечения технологии переработки пищевых продуктов. Вместимость холодильников за последние 15 лет увеличилась в нашей стране в 1,8 раза. Выпуск холодильного оборудования в ближайшие годы будет увеличен более чем в два раза.

Практическое применение холодильные машины получили во второй половине XIX века. Однако массовое использование холода в промышленности и в быту началось лишь в XX столетии.

В развитие теории холодильных машин, создание новых типов и их современных конструкций большой вклад внесли советские ученые; П. Л. Капида, A. А. Саткевич, И. И. Левин, В. Е. Цыдзик, С. Я. Герш, Н. Н. Кошкин, В. С. Мартыновский, Ф. М. Чистяков, Л. М. Розенфельд, А. Г. Ткачев, И. С. Бадылькее, A. А. Гоголин, В. М. Бродянский, A. В. Быков, И. М. Калнинь и другие хорошо известные холодильщикам нашей страны и за ее пределами.

2. Классификация и конструкции основных типов испарителей холодильных установок

Испаритель является одним из элементов холодильной машины, в котором рабочее вещество кипит за счет теплоты, подводимой от источника низкой температуры. Образовавшийся при кипении холодильного агента пар отсасывается из испарителя компрессором для совершения дальнейших процессов цикла холодильной машины. В зависимости от положенного в основу принципа испарители делятся на ряд групп:

по характеру охлаждаемого источника:

1) испарители для охлаждения жидких хладоносителей;

2) испарители для охлаждения воздуха;

3) испарители для охлаждения твердых сред;

4) испарители-конденсаторы.

в зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости:

1) с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости (кожухотрубные и кожухозмеевиковые);

2) с открытым уровнем охлаждаемой жидкости (вертикально-трубные, панельные).

по характеру заполнения рабочим веществом:

1) затопленные;

2) незатопленные (оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, змеевиковый с верхней подачей жидкости).

Испарители могут подразделяться и на другие группы (в зависимости от того, на какой поверхности происходит кипение рабочего вещества; по характеру движения рабочего вещества и др.). В качестве промежуточного жидкого теплоносителя в испарителях применяются рассолы (водные растворы солей NaCl, СаСl₂), вода, спирт, водный раствор этиленгликоля и другие [1,стр. 314].

2.1 Испарители для охлаждения жидких теплоносителей

Кожухотрубные испарители затопленного типа. Аппараты такого типа являются наиболее распространенными и применяются в машинах как средней, так и крупной производительности. В кожухотрубных испарителях затопленного типа рассол охлаждается при движении внутри труб, а рабочее вещество кипит на их наружной поверхности.

Принципиального различия между аммиачными кожухотрубными испарителями и аппаратами, работающими на хладонах, нет. Отличие состоит в конструкции поверхности теплообмена и материалах" применяемых для изготовления.

Кожухотрубный испаритель представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический барабан (обечайку), с двух сторон к которому приварены плоские трубные решетки с отверстиями. Через эти отверстия протянуты трубы, образующие теплообменную поверхность. Трубы развальцовываются в отверстиях. К трубным доскам крышки крепятся болтами. Одна из крышек имеет входной (нижний) и выходной патрубки для рассола, другая — выпускные отверстия для воздуха (верхнее) и для рассола. В крышках расположены горизонтальные перегородки, обеспечивающие многоходовое движение рассола, причем они смещены по вертикали в разных крышках. Число ходов по теплоносителю составляет 4—12, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость движения рассола. На обечайке находятся штуцеры для установки манометра и приборов автоматики.

В аммиачных испарителях к верхней части обечайки приварен сухопарник, к нижней — маслоотстойник. Пучок труб заполняет обечайку не полностью, верхняя часть ее свободна от труб. Подача рабочего вещества производится снизу аппарата, а отвод паров — через сухопарник. Для аппаратов с большой поверхностью подвод парожидкостной смеси осуществляется от общего коллектора в нескольких точках по длине испарителя. Отвод пара осуществляется через несколько патрубков, объединенных общим коллектором. Это обеспечивает равномерное омывание теплопередающей поверхности потоком рабочего вещества. Пучок труб в испарителях шахматный, ромбический. В аммиачных аппаратах применяются стальные бесшовные гладкие трубы. При работе на хладонах применяются медные трубы с накатными ребрами.

На рисунке 2.1.1 показан общий вид аммиачного кожухотрубного испарителя затопленного типа, а на рисунке 2.1. 2 — общий вид хладонового кожухотрубного испарителя.

Рисунок 2.1.1. Аммиачный кожухотрубный испаритель затопленный: 1 — манометр; 2 — трубы; 3 — трубная решетка; 4 — спуск воздуха; 5, 6 — патрубки для входа и выхода рассола; 7 — слив рассола; 8, 13 — крышки; 9 — корпус; 10 — вход жидкого аммиака; 11 — спуск масла; 12 — отстойник; 14 — сухопарник В испарителях холодильных машин с центробежными компрессорами, теплопередающая поверхность собрана в плотный шахматный пучок с уменьшенными перемычками между трубами. Пучок занимает примерно половину объема обечайки, свободная часть которой выполняет функции сухопарника для осушения и перегрева пара. Для обеспечения требуемого перегрева пара на всасывании в компрессор подача теплоносителя осуществляется через верхний патрубок, тогда в зоне перегрева создается максимальная разность температур. Для уменьшения уноса капель рабочего вещества над пучком устанавливаются сепараторы.

Равномерность подвода парожидкостной смеси обеспечивается специальным распределителем. Он способствует лучшей турбулизации потока и улучшению процесса теплопередачи.

Рисунок 2.1.2. Кожухотрубный испаритель затопленного типа на R12: 1 — коллектор жидкостный; 2 — кожух; 3 — перегородки; 4, 5 — патрубки для входа и выхода рассола; 6 — крышка; 7 — клапан предохранительный; 8 — указатель уровня; 9, 14 — вход и выход R12; 10 — манометр; 11 — спуск воздуха; 12 — спуск теплоносителя; 13 — спуск масла Плотность теплового потока q_{F в испарителе зависит от скорости движения теплоносителя ? и температурного напора (разности температур между охлаждаемой средой и кипящим рабочим веществом) Om. Ориентировочные значения плотности теплового потока в испарителях приведены в таблице 2.1.2.}

Таблица 2.1.2 Ориентировочные значения плотности теплового потока q_F в испарителях

Примечание. Кожухотрубные испарители с гладкими трубами затопленного типа ИТГ применяются в составе аммиачных и пропановых холодильных машин; кожухотрубные испарители с ребристыми трубами затопленного типа ИТР — в составе хладоновых холодильных машин на R12 и R22 [1, стр. 315].

2.2 Кожухотрубные оросительные испарители

Как и в кожухотрубных испарителях затопленного типа рассол в оросительных испарителях течет по трубам, а холодильный агент кипит на поверхности пучка труб, стекая по нему в виде пленки.

Рисунок 2.2.1. Кожухотрубный оросительный испаритель: 1 — корпус; 2 — трубная решетка; 3 — крышка с перегородками; 4 — распылительная труба; 5 — распределительная труба; 6 — сухопарник Кожухотрубные оросительные испарители заполняются меньшим количеством рабочего вещества, гидростатический столб жидкости практически не влияет на температуру кипения, интенсивность теплопередачи выше за счет большего коэффициента теплоотдачи при кипении в стекающей пленке. Для интенсивной работы аппарата необходимо обеспечить равномерное орошение поверхности труб.

На рисунке 2.2.1 показан кожухотрубный оросительный испаритель. Плотность теплового потока в оросительных кожухотрубных испарителях достигает 2900—3500 Вт/м². [1,стр. 319].

2.3 Испарители с кипением рабочего вещества внутри труб

Испарители такого типа имеют несколько конструктивных решений: кожухотрубные испарители (с прямыми и с U-образными трубками); вертикально-трубные и панельные испарители.

Рисунок 2.3.1. Кожухотрубный испаритель с кипением рабочего вещества внутри прямых труб: 1, 9 — вход и выход рабочего вещества; 2 — крышка; 3, 7 — выход и вход рассола; 4 — перегородки; 5 — кипятильные трубы; 6 — вентиль для продувки; 8 — трубная решетка; 10 — слив рассола В кожухотрубных испарителях можно получать низкие температуры теплоносителя, не опасаясь его замерзания и разрыва трубок. На рисунке 2.3.1. приведена конструкция кожухотрубного испарителя с кипением рабочего тела внутри прямых труб. Для обеспечения достаточной скорости движения теплоносителя внутри кожуха установлены вертикальные перегородки. Скорость охлаждаемой жидкости ?_{s = 0,34−0,8 м/с.}

На рисунке 2.3.2. показана конструкция кожухотрубного испарителя с внутритрубным кипением в U-образных трубках.

Рисунок 2.3.3. Панельный испаритель: 1 — отделитель жидкости; 2 — выход паров аммиака; 3 — коллектор сборный; 4 — коллектор распределительный; 5 — вход жидкого аммиака; 6 — перелив рассола; 7 — выход рассола; 8 — спуск рассола; 9 — изоляция; 10 — спуск масла; 11 — автоматический предохранительный клапан Рисунок 2.3.2. Кожухотрубный испаритель с кипением рабочего вещества внутри U-образных труб: 1,2 — вход и выход рабочего вещества; 3 — крышка; 4,9 — вход и выход рассола; 5 — кипятильные трубы; 6 — перегородки; 7 — вентиль для продувки; 8 — кожух; 10 — слив рассола Панельный испаритель (рисунок 2.3.3) представляет собой прямоугольный бак, в котором размещены испарительные секции панельного типа и мешалка для обеспечения циркуляции рассола. При разности температур Om = 5 — 6 °C плотность теплового потока в панельных испарителях достигает q_{F = 2900ч — 3500 Вт/м² [1,стр. 319].}

2.4 Испаритель-конденсатор

Испаритель-конденсатор является элементом каскадных холодильных машин, связывающим между собой верхний и нижний ветви каскада. Для верхней ветви каскада он является испарителем, для нижней — конденсатором.

Конструкция испарителя-конденсатора показана на рис. 7. При разности температур в аппарате 8 °C плотность теплового потока доходит до q_{F = 1600 Вт/м². К испарительным конденсаторам относятся оросительные, которые в настоящее время сняты с производства.}

Рисунок 2.4.1. Испаритель — конденсатор: 1 — вход паров R13; 2 — спуск воздуха; 3 — выход паров R 22; 4 — вентиль к манометру; 5 — предохранительный клапан; 6 — выход жидкого R13; 7 — спуск масла; 8 — выход жидкого R22

Применение испарительных конденсаторов (ИК) в зонах с сухим и жарким климатом может быть экономически более целесообразным, чем кожухотрубных конденсаторов и градирен. Они позволяют при высоких температурах наружного воздуха получать достаточно низкие температуры конденсации tK. При этом расход воды минимальный.

Конденсатор испарительного охлаждения (рисунок 2.4.2) представляет собой расположенный в кожухе пучок гладких или оребренных труб, орошаемый рециркулирующей водой и продуваемый воздухом. В целях экономии цельнотянутых труб поверхность конденсатора может быть составлена из листоканальных элементов.

Рисунок 2.4.2. Испарительный конденсатор: 1 — вентилятор с электродвигателем; 2 — корпус; 3 — каплеотбойник; 4 — форсунки; 5 — вход газообразного хладогента; 6 — выход жидкого хладогента; 7 — жалюзи; 8 — водосборник; 9 — слив воды; 10 — насос Хорошо обтекаемый профиль панелей позволяет осуществлять тонкопленочное орошение. Малая толщина пленки обеспечивает ее высокую температуру и интенсивную теплои массоотдачу с поверхности панелей в воздух. Относительно низкие гидравлические сопротивления панельных поверхностей позволяют увеличить скорость движения воздуха до 5 м/с, в результате чего увеличивается компактность аппарата и снижается его металлоемкость.

В гладкотрубных испарительных конденсаторах используют трубы малого диаметра, скомпонованные в виде тесных пучков, что позволяет увеличить их компактность. Так, компактность современного испарительного конденсатора ИК-125, выполненного из пучка труб диаметром 22?1,6 мм, втрое больше, а масса его вдвое меньше, чем у конденсаторов с трубами диаметром 38?3 мм.

Иногда для интенсификации теплообмена скорость воздуха в узком сечении повышают до 10 м/с. Это требует высокой степени отделения капель воды, чтобы не допустить выноса их за пределы аппарата.

Применение испарительных конденсаторов, выполненных из ребристых труб, требует обязательного смягчения и фильтрации воды, так как удаление «водяного камня» с таких поверхностей затруднено.

Свежую воду, восполняющую убыль циркулирующей воды от испарения и уноса воздухом, добавляют в поддон аппарата. На каждые 1000 кДж отводимой теплоты расход циркулирующей воды составляет 0,005—0,0075 кг/с, расход воздуха 0,005— 0,01 м3/с, расход свежей воды 0,0001—0,0003 кг/с, суммарный расход энергии на вентиляторы и насос 0,005—0,0075 кВт"ч. Процесс теплопередачи, реализуемой в испарительном конденсаторе, включает в себя конденсацию паров хладагента; теплопроводность через стенку трубы и ребра; теплопроводность и конвекцию от поверхности труб и ребер к наружной поверхности пленки воды, покрывающей трубы и ребра; теплои массообмен между смоченной поверхностью, и потоком воздуха. Наибольшее частное термическое сопротивление создается в зоне контакта воды и воздуха, поэтому температура воды во время работы конденсатора достаточно высока и приближается к температуре конденсации. Уменьшить это термическое сопротивление можно, увеличив скорость движения воздуха (обычно до 3—5 м/с), а также поверхность соприкосновения воды и воздуха (это достигается путем применения оребренных труб) [1,стр. 320].

3. Испарители для охлаждения воздуха

Воздухоохладители. Воздухоохладители делятся на поверхностные (сухие), контактные (мокрые) и смешанного типа. Наиболее распространенными являются аппараты поверхностного типа, в которых воздух отдает теплоту рабочему веществу, кипящему внутри труб, или рассолу, протекающему по ним. Аппараты, в которых агент, называют воздухоохладителями непосредственного охлаждения, а при отводе теплоты рассолом или водой — воздухоохладителями водяного или рассольного охлаждения.

Рисунок 3.1. Воздухоохладитель непосредственного охлаждения В контактных воздухоохладителях отвод теплоты от воздуха происходит за счет непосредственного контакта последнего с водой или рассолом. Контактные воздухоохладители выполняются форсуночными или с орошаемой насадкой. В аппаратах смешанного типа отвод теплоты от воздуха происходит за счет кипения рабочего вещества в трубках и за счет контакта с рассолом, охлаждаемым на поверхности трубок путем их орошения.

Поверхностные воздухоохладители обычно выполняют в виде пучка оребренных труб, заключенных в кожух. Гладкие трубы используют редко: в том случае, когда при охлаждении воздуха требуется его осушка. Циркуляция воздуха через аппарат принудительная, с помощью вентиляторов.

Рисунок 3.2. Схема форсуночного воздухоохладителя На рисунке 3.1 показана конструкция сухого воздухоохладителя непосредственного охлаждения, работающего на R22. Воздух подается нормально пучку труб, жидкий R22 — через распределитель в секции, расположенные горизонтально по высоте аппарата, отвод пара — снизу каждой секции через вертикальный паровой коллектор. Такая конструкция аппарата обеспечивает хороший возврат масла.

Рисунок 3.3. Воздухоохладитель с орошаемой насадкой: 1 — отбойный слой; 2 — рабочий слой Контактные воздухоохладители широко применяются при кондиционировании воздуха, когда помимо охлаждения требуется регулировать и влажность воздуха. Главное достоинство контактных аппаратов — меньшая разность температур между воздухом и орошающей жидкостью (водой или рассолом). На рисунке 3.2 показан принцип работы форсуночного контактного воздухоохладителя, на рисунке 3.3 изображен воздухоохладитель с орошаемой насадкой. Охлаждающая жидкость разбрызгивается форсунками на слой насадки, состоящий из фарфоровых колец. Воздух пропускается через слой колец противотоком снизу вверх и в результате контакта с насадкой охлаждается. Для предотвращения уноса капель жидкости над насадкой установлен сепаратор или отбойный слой колец [1,стр. 320].

3.1 Форсуночный воздухоохладитель

Основная часть воздуха вступает в теплои массообмен с теплоносителем, выходящим в виде мелких капель из форсунок. Частицы воздуха, непосредственно соприкасающиеся с каплями, в пределе приобретают температуру капель и влажность, отвечающую условиям полного насыщения. Если форсунками разбрызгивается вода, то воздух у поверхности капель будет иметь влажность. В процессе тепло-и массообмена с воздухом температура теплоносителя (капель) изменяется. Равновесное состояние воздуха у поверхности капель соответствует температуре и поэтому изменение состояния основной части воздуха происходит соответственно.

Часть влаги, выходящей из форсунок, осаждается на стенках камеры и в выходных сепараторах. Вследствие теплои массообмена с воздухом температура этой выпавшей влаги близка к температуре предела охлаждения. Часть воздуха (меньшая) будет соприкасаться с этими увлажненными поверхностями и процесс изменения состояния этой части воздуха изменится.

В форсуночных воздухоохладителях поверхностью теплообмена является поверхность капель, в воздухоохладителях с насадкой — поверхность струй, орошающих насадку, и поверхность самой насадки. В связи с этим вводится условное понятие «площади теплопередающей поверхности», за которую принимают площадь сечения воздухоохладителя, нормальную движению воздуха.

3.2 Воздухоохладитель с насадкой

Помимо рассмотренных выше форсуночных кондиционеров, для охлаждения и осушения воздуха применяют воздухоохладители с орошаемой насадкой. Эти воздухоохладители состоят из металлической камеры, имеющей в плане прямоугольное сечение (рисунок 3.2.1). В нижней части этой камеры находится поддон, в который сливается нагревшаяся вода. Над поддоном в стенке камеры имеется отверстие для входа обрабатываемого воздуха. Поступающий через это отверстие воздух проходит снизу вверх через орошаемый слой (орошаемую насадку) металлических или фарфоровых колец, лежащих насыпью, вследствие чего для прохода воздуха образуются извилистые пути. Этот слой называется рабочим. Наиболее распространены фарфоровые кольца размерами 25×25×3 мм.

Число колец, содержащихся в объеме 1 м³, составляет около 50 000 шт., причем их общая поверхность равна 220 м². Рабочий слой колец орошается холодной водой или, если требуемая температура охлаждающей жидкости ниже 0°, рассолом.

Орошающим устройством могут являться желоба открытого типа или перфорированные трубы. Для орошения можно применять и форсунки грубого распыла.

Охлаждение воздуха происходит в результате контакта его со смоченной холодной поверхностью колец рабочего слоя, а также частично и при встрече его с каплями орошающей воды в пространстве над орошаемой насадкой. Таким образом, движение воздуха и охлаждающей воды происходит противотоком.

Рисунок 3.2.1. Воздухоохладитель с орошаемой насадкой Над орошающим устройством расположен второй слой таких же колец, но меньшей толщины, имеющий назначение улавливания капелек воды, увлекаемых проходящим воздухом. Этот слой носит название отбойного и выполняет функции, аналогичные функциям сепаратора в форсуночных камерах.

При выходе из отбойного слоя воздух получает заданное состояние и выходит из камеры через отверстие, расположенное в верхней ее части.

Толщину рабочего слоя, в целях обеспечения равномерного его" орошения, а также учитывая большое сопротивление (по воздуху) колец, принимают не более 500 мм и в каждом случае определяют расчетом.

Толщину отбойного слоя при орошении из лотков принимают 100— 120 мм, а при. орошении из форсунок — 200 мм. Вследствие значительного сопротивления, оказываемого слоем колец проходящему воздуху, его скорость, отнесенная к лобовому сечению слоя колец, принимают в пределах 0,8—1,2 м/сек. Нагревшаяся вода (или рассол) поступает в поддон аппарата и затем через специальный горшок с фильтром направляется на повторное охлаждение в испаритель холодильной машины.

3.3 Камерные приборы тихого охлаждения

Камерные приборы тихого охлаждения представляют собой теплообменные аппараты — батареи, служащие для охлаждения воздуха в охлаждаемых помещениях. Внутри батарей движется рассол или кипит рабочее вещество, отнимая теплоту от воздуха в результате его естественной циркуляции. Рассольные батареи применяются редко, только в тех случаях, когда этого нельзя избежать по условиям безопасности.

Рисунок 3.3.1. Аммиачная ребристая однорядная батарея: 1 — штуцер; 2 — коллектор; 3 — подвеска; 4 — труба оребренная; 5 — подвеска; 6 — коллектор Батареи, как правило, изготавливают оребренными с целью увеличения плотности теплового потока qFвн, сокращения расхода труб и уменьшения габаритных размеров аппарата. Охлаждающие батареи бывают: потолочные, пристенные (однои двухрядные) гладкотрубные и ребристые, коллекторные и змеевиковые и т. п. На рис. 3.3.1 показана аммиачная пристенная батарея коллекторного типа АРС. Батарея имеет трубы, на которые спиралью навиты ребра. На рисунке 3.3.2 изображена аммиачная ребристая потолочная батарея типа АРП.

Рисунок 3.3.2. Аммиачная ребристая потолочная батарея Рисунок 3.3.3. Пристенная ребристая батарея типа ИРСН Батарея состоит из двух трехтрубных элементов, соединенных жидкостным и паровым коллекторами. В каждом элементе две трубы расположены в верхнем ряду, одна — в нижнем. На рисунке 3.3.3 показана пристенная ребристая батарея типа ИРСН, работающая на R12 или R22. [1,стр. 322].

4. Общая методика теплового конструктивного расчета испарителей для охлаждения жидких теплоносителей

Для расчета испарителя, предназначенного для охлаждения жидкого теплоносителя, необходимо знать его холодопроизводительность Q₀, температуру теплоносителя после охлаждения в аппарате t_s2, рабочее вещество и тип аппарата.

Расчет испарителя сводится к определению площади его теплопередающей поверхности F и конструктивному решению, связывающему между собой его основные размеры.

Площадь теплопередающей поверхности испарителя определяется из уравнения теплопередачи

F = Q₀/k?m = Q₀/qF (4.1)

где k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²· К); ?_m— средний логарифмический температурный напор, °С; q_F — плотность теплового потока, отнесенная к гладкой поверхности, Вт/м².

Численное определение коэффициента теплопередачи в испарителе затруднено, так как тепловое сопротивление (коэффициент теплоотдачи) со стороны кипящего холодильного агента находится в степенной зависимости от ?. По этой причине решение уравнения (4.1) сводится к графическому определению величины q_F при разных перепадах температур между стенкой и средами, обменивающимися теплотой.

Средняя логарифмическая разность температур в испарителе определяется по уравнению

?m= (4.2)

Охлаждение рассола в испарителях составляет примерно 3 — 5 °C, a ?_m = 5? 7 °C, причем для хладоновых аппаратов больше, чем для аммиачных. Оптимальные величины? t_s и ?_m определяются технико-экономическим расчетом.

При определении q_F учитывается термическое сопротивление стенки и загрязнений. В аммиачных испарителях оно составляет (0,7? 0,9) 10^-3 (м²· К)/Вт; в хладоновых аппаратах с гладкими стальными трубами (0,45? 0,6) 10^-3 (м²· К)/Вт; в аппаратах с медными накатными трубами (0,2? 0,3)10^-3 (м²· К)/Вт.

Графоаналитический метод расчета испарителя так же, как и расчет конденсатора, сводится к определению плотности теплового потока. Плотность теплового потока со стороны теплоносителя к стенке с учетом всех термических сопротивлений

q_Fs= (4.3)

Тепловой поток со стороны рабочего тела, отнесенный к площади поверхности со стороны теплоносителя,

q_Fs = ?_a?_a F_a/ Fs. (4.4)

В этих уравнениях ?_S = t_sm - t_ст; ?_а = t_CT — t₀; t_s = t_sm = t₀ + ?_m; F_a — площадь поверхности теплообмена со стороны рабочего тела; F_s — площадь поверхности теплообмена со стороны охлаждаемой жидкости. Задаваясь несколькими значениями ?_а (0 < ?_а < ?_m) находим соответствующие значения q_F, по которым строим зависимость q_F = f (?_а).

Точка пересечения линий по зависимостям (4.3) и (4.4) дает искомый тепловой поток [1,стр. 336].

Коэффициент теплопередачи аппарата, отнесенный к площади поверхности со стороны хладоносителя, определяется по уравнению

k_Fs = q_Fs/?m (4.5)

Коэффициент теплоотдачи со стороны рабочего тела

?_a= q_Fs/?a (4.6)

4.1 Кожухотрубные испарители затопленного типа

В начале расчета задаются размерами труб, из которых будет составлена площадь теплопередающей поверхности (диаметром труб и их типом), принимается состав хладоносителя и его концентрация, а также скорость движения.

Теплофизические параметры теплоносителя определяются по таблицам его свойств в зависимости от принятой концентрации ?, которая должна быть такой, чтобы температура замерзания рассола t_зам была ниже температуры кипения на 5—10 °С.

Из уравнения теплового баланса испарителя определяется массовый расход теплоносителя

Gs = Q_a/с_s(t_s1 — t_s2) (4.1.1)

и количество труб в одном ходе аппарата

n₁ = 4Gs/?d_вх ² ?р. (4.1.2)

Полученная величина n₁ округляется до целого значения и по уравнению (4.1.2) уточняется скорость движения теплоносителя ?.

По вычисленному числу Re определяется характер движения теплоносителя и выбирается расчетное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи. Плотность теплового потока q_FBH со стороны теплоносителя с учетом термического сопротивления стенки и загрязнений, отнесенная к площади внутренней поверхности, определяется по уравнению (4.3). Плотность теплового потока со стороны рабочего вещества, отнесенная к площади внутренней поверхности, находится по уравнению (4.4). С учетом уравнений при кипении на пучке гладких труб уравнение (4.4) примет вид: при кипении аммиака

q_Fвн = 580?_а ^1.677 F _нар/ F _вн; (4.1.3)

при кипении хладонов

q_{F вн} = C₀⁴ [F (?)]⁴ (Rz/ Rz_эт)^0.8 ?_а⁴ ?_пр⁴ F_нар/F_вн (4.1.4)

При кипении хладонов на пучке оребренных труб с учетом уравнений (4.2) — (4.3) плотность теплового потока определяется по уравнениям:

для R12 q_Fвн = 335р_о ^0,5 (?_пр?_мр)?_a ² F_нар/ F_вн (4.1.5)

для R 22 q_Fвн = 568р_о ^0,45?_пр ^1,82 ?_a ^1,82 F_нар/ F_вн (4.1.6)

для R13 q_Fвн = D ?_a ^2,94F_нар/ F_вн (4.1.7)

Полученная система уравнений (4.3) и (4.1.3)—(4.1.7) позволяет графоаналитическим методом определить плотность теплового потока в испарителе, отнесенную к внутренней гладкой поверхности. На рисунке 4.1.1 показано это решение.

Коэффициент теплопередачи в аппарате и коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему рабочему веществу определяется по уравнениям:

k_Fвн = q_Fвн/?m, ?_Fвн = q_Fвн/?_a

После определения площади внутренней поверхности теплопередачи F_вн выполняется конструктивный расчет аппарата, позволяющий затем осуществить его конструкторскую разработку.

Конструктивные размеры аппарата и его теплопередающая поверхность связаны соотношением:

F_вн = ?d_внn₁l₁z (4.1.8)

где d_вн — внутренний диаметр трубы, м; n₁ — число труб в одном ходе; l₁ — длина труб в аппарате, м; z — число ходов.

Рисунок 4.1.1. Графоаналитический метод определения плотности теплового потока в испарителе Общее число труб в испарителе n= n₁z, определяет диаметр аппарата при длине l_1. Пучок труб в кожухотрубных испарителях располагается по сторонам концентрических шестиугольников со смещением в нижнюю часть обечайки. Верхняя часть освобождается от труб с целью снижения уровня жидкого рабочего вещества по высоте.

Число ходов в аппаратах четное и равно 2—8. Принимая число ходов z, определяем общее число труб n и по специальным таблицам или уравнению (7.34) — число труб m по диагонали внешнего шестиугольника. Оптимальное соотношение между длиной аппарата 1₁ и D_вн составляет 4—6 [1,стр. 338].

4.2 Кожухотрубные оросительные испарители

Тепловой поток со стороны теплоносителя, движущегося внутри труб, определяется по аналогии с расчетом кожухотрубных испарителей затопленного типа по уравнению (4.3).

Тепловой поток со стороны испаряющейся на поверхности горизонтального пучка труб пленки хладонов определяется по зависимости

q_{F вн} = C₂^2,7 р_о^0.73 ?_а^2,7 F_нар/F_вн (4.2.1)

Решая графоаналитическим методом систему уравнений (4.3) и (4.2.1), определяем q_Fвн и F_вн. Далее выполняем конструктивный расчет аппарата и для полученных конструктивных соотношений определяем плотность орошения пучка труб рабочим веществом Г = G_a/(l₁pn_a) (4.2.2)

где G_a — массовый расход рабочего вещества, кг/с; l₁ — длина трубы, м; р — плотность жидкости, кг/м³; n_a — эквивалентное число параллельных труб по ширине пучка,

n_а=1,04n^0.5(s₁/s₂)^0.5 (4.2.3)

где n — общее число труб в пучке; s₁ и s₂ — горизонтальный и вертикальный шаг труб в пучке, м.

Полученное численное значение плотности орошения Г позволяет установить правильность применения уравнения. Для этого определяем тепловой поток в начале закипания q_{F вн.}

Если q_{F н. з. ?} q_{F н. з.}F_нар/F_вн и Г лежит в допустимых пределах (0,3?2,4) 10^-4 м³/(м· с), расчет выполнен правильно. [1,стр. 339].

4.3 Испарители с кипением рабочего вещества внутри труб и каналов

В кожухотрубных испарителях с кипением хладонов внутри труб движение теплоносителя имеет сложный характер: на одной части поверхности жидкость движется поперек труб, на другой — вдоль. Однако первая часть поверхности преобладает, поэтому коэффициент теплоотдачи считается по уравнению 4.7, а тепловой поток относится к наружной (гладкой) поверхности теплообмена по уравнению (4.3).

При определении скорость теплоносителя принимается равной? < 0,5 м/с.

Расчет выполняется в следующей последовательности. Задаваясь скоростью движения хладона ?, определяем его массовую скорость ?p и число труб в одном ходе

n₁ = G_а/(f_ж?р) (4.3.1)

где f_ж — живое сечение внутри оребренной трубы, м² (для медных внутриоребренных 10-канальных труб с d_нap = 20 мм, f_ж = 1,1724· 10^-4 м²). Число n₁ округляем до целого значения и по нему уточняем величину ?.

Массовая скорость хладона ?p определяет уравнение, по которому рассчитывается тепловой поток.

Для тепловых потоков

q_{F нар}= С^1,176 (?р)^1,176n?_a^1.176 F_вн/F_нар (4.3.2)

При тепловых потоках

q_{F нар}= А^2,5 (?р)^0,5а^-0,5?_a^2,5 F_вн/F_нар (4.3.3)

Коэффициент оребрения F_вн/F_нар = ?, входящий в уравнения (4.3.2) и (4.3.3) для вышеназванных труб, равен 2,52.

Совместное решение графоаналитическим методом уравнений (4.3) и (4.3.2) или (4.3.3) определяет плотность теплового потока в аппарате. Сопоставляя полученное значение q_F с данными рекомендациями, устанавливаем правильность применения уравнений (4.3.2) или (4.3.3). Поверхность теплопередачи F_нар определяется с учетом величины q_Fняр.

Кожухотрубные испарители с кипением внутри труб имеют, как правило, число ходов z = 2.

По этой причине скорость рабочего вещества должна быть небольшой, тогда аппарат будет иметь ограниченную длину и отношение l₁/D должно лежать в пределах 4—6 с уменьшенным числом перегородок по. длине и сопротивлением движению хладоносителя.

Конструктивным расчетом, аналогично расчету кожухотрубного испарителя, определяются общее число труб в пучке п, длина труб в пучке l_l, внутренний диаметр обечайки D_BH.

Расстояние между перегородками по длине аппарата находится исходя из определенной величины живого сечения на пути теплоносителя