Цикл Карно 5 страница

где: - разности температур в начале и конце теплообмена по длине поверхности теплообмена,оС (рис. 11.1).

Величина в существенной мере зависит от направления движения сред, обменивающихся теплом. Если среда, отдающая тепло, движется в том же направлении, что и среда, воспринимающая тепло, то это движение называют параллельным. Если среды движутся в противоположных направлениях, то такое движение сред называют противотоком. Противоток - наиболее эффективный способ теплообмена.

, (11.3) , (11.4)

Выражение (11.3) отражает оценку величины при параллельном движении сред, выражение (11.4) - при противотоке.

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2×К) теплообменного аппарата зависит от величин коэффициентов теплоотдачи по обе стороны поверхности теплообмена. В простейшем случае, для плоской поверхности теплообмена, его можно представить выражением 11.5:

, (11.5)

где: , - коэффициенты теплоотдачи по обе стороны поверхности теплообмена, Вт/(м²×К),

- отношение толщины слоёв металла, грязи, ржавчины, краски, инея и т.д. на поверхности теплообменного аппарата к величинам теплопроводностей соответствующих слоев,

n - число слоев компонентов по обе стороны стенки теплообменного аппарата (грязь, ржавчина, краска, масло).

Поскольку коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности теплообмена, например, испарителя, к холодильному агенту существенно выше коэффициента теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности, то для обеспечения большой величины теплового потока Q, Вт следует увеличить наружную площадь поверхности теплообмена посредством ее оребрения.

Оребрение, т.е. увеличение площади поверхности теплообмена, применяют к той части поверхности, со стороны которой коэффициент теплоотдачи меньше. Это относится ко всем типам теплообменных аппаратов - испарителям и конденсаторам. Причём, чем больше степень оребрения теплообменного аппарата, тем меньше его габаритные размеры, что существенно при создании и эксплуатации компактных конструкций холодильных машин торгового холодильного оборудования и кондиционеров.

Из выражения (11.5) следует, что увеличить тепловой поток Q, можно увеличивая коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой или теплоотводящей сред. Это достигается увеличением скорости движения среды (посредством применения вентиляторов), или заменой самой среды, если это технически и технологически оправдано. Например, заменяя в конденсаторах воздух жидкой теплоотводящей средой, например, водой, увеличивают теплоотвод в конденсаторе и одновременно уменьшают его габаритные размеры. Это обстоятельство важно, когда появляется необходимость отводить с поверхности конденсатора значительное количество тепла.

Конденсатор осуществляет эффек­тивный отвод теплоты конденсации, если его поверхность во время экс­плуатации остаётся чистой. При на­личии на поверхности конденсатора, пыли или грязи сумма термических сопротивлений слоев становится больше суммы .

Современные холодильные машины, устанавливаемые в торговом холодильном оборудовании, комплектуется компактными конденсаторами. Они имеют большую величину оребрения поверхности теплообмена. Воздушные зазоры между ребрами в таких конденсаторах невелики, поэтому, с целью предотвращения попадания пыли между ребрами, устанавливают на конденсаторе съемный воздушный фильтр.

На рис. 11.2 представлен холодильный шкаф фирмы “Caravell”. В нижней части шкафа располагается холодильный агрегат с конденсатором воздушного охлаждения. Поток воздуха поступает из торгового зала через съёмный фильтрующий элемент (рис. 11.3).

Произведение называют плотностью теплового потока, т.е. количеством тепла, которое отводится через 1м2площади поверхности аппарата. Его обозначают , Вт/м2. В этом случае , Вт.

Соответственно, площадь поверхности теплообмена аппарата равна:

, м2. (11.6)

Данное выражение является основой для расчета и последующего подбора теплообменных аппаратов.

11.2. Испарители и воздухоохладители

11.2.1. Испарители для охлаждения воздуха

По типу охлаждаемой среды различают испарители для охлаждения воздуха и жидкого хладоносителя.

По конструкции испарители разделяют на ребристотрубные типа ИРТ, ИРСН, БНР (для судовых установок), гладкотрубные. Гладкотрубные испарители применяют для судовых холодильных установок и в холодильных камерах большой площади загрузки (150...250 м²).

На холодильном транспорте используются аккумуляционные плиты-испарители.

По способу заполнения испарителей холодильным агентом они подразделяются на сухие, затопленные и комбинированные. В сухих испарителях жидкий холодильный агент подается сверху; пары откачиваются компрессором из испарителя снизу. В торговом холодильном оборудовании применяются в основном сухие испарители, в которые жидкий холодильный агент поступает сверху, а пары отводятся снизу. Уровень жидкости в испарителе отсутствует.

В затопленных испарителях, при нижней подаче в него холодильного агента, устанавливается заданный уровень жидкости, определяемый общим расходом холодильного агента, проходящего через испаритель.

Каждый из способов подачи холодильного агента в испаритель имеет теплотехнические достоинства и недостатки. При нижней подаче практически вся поверхность испарителя участвует в теплообмене, чем достигается большой теплоотвод.

При верхней подаче холодильного агента, проще обеспечивается возврат масла из испарителя в компрессор. Кроме того, сравнительно с затопленными испарителями, в холодильной машине может находиться, меньшее количество холодильного агента.

Воздушные ребристотрубные испарители, например, типа ИРТ используют в торговом холодильном оборудовании. Основным элементом испарителя является секция, состоящая из труб с насаженными на них ребрами. Секции изготавливают двух и четырехтрубными (рис. 11.4).

Испарители типа ИРСН (испаритель ребристый сухой настенный) (рис.11.5) используются в комплекте с холодильными машинами холодопроизводительностью от 3.5 до 10.5 кВт.

Испарители типа БНР применяют в судовых холодильных установках.

Воздушные листотрубные испарителиизготавливают в виде приваренных друг к другу листов с каналами для движения холодильного агента между ними. Листотрубные испарители применяют в основном в бытовых холодильниках и в торговом низкотемпературном холодильном оборудовании (рис.11.5).

Воздушные гладкотрубные испарителииспользуют в основном в рассольных системах для охлаждения воздуха холодильных камер, торговых баз, производственных и иных холодильников с большими грузовыми площадями холодильных камер.

Для охлаждения воздуха в небольших по объему (6…18 м³) холодильных камерах наибольшее применение находят испарители ребристотрубные, типа ИРСН.

В торговом холодильном оборудовании, преимущественно в низкотемпературном оборудовании, устанавливают листотрубные (рис. 11.6) или прокатно-сварные испарители (рис. 11.7).

Испарители этого типа состоят из двух листов, обычно стальных или алюминиевых, имеющих штампованные каналы полукруглого сечения. Листы соединяют сваркой.

Аналогом листотрубных испарителей являются змеевиковые испарители, в которых медные трубки привариваются, припаиваются или прижимаются скобами к металлическому листу.

Принудительное движение воздуха уменьшает габаритные размеры испарителя. Теплообменные аппаратыподобного типа называют воздухоохладителями. Конструкция воздухоохладителя представлена на (рис. 11.8). Движение воздуха в воздухоохладителе обеспечивает охлаждение электродвигателя вентилятора.

11.2.2. Испарители для жидких хладоносителей

К испарителям для охлаждения жидкого хладоносителяотносят охладители воды (например, в торговых автоматах), пива, для охлаждения рассола или других незамерзающих жидкостей.

В холодильных машинах холодопроизводительностью более 9.0 кВт используют преимущественно горизонтальные кожухотрубные испарители. Типовая конструкция горизонтального кожухотрубного испарителя представлена на (рис. 11.9).

В качестве типовой конструкции отображен аммиачный испаритель ИТГ-12. Он представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус (кожух) к торцам которого приварены стальные трубные решетки. В отверстия трубных решеток вставлены и развальцованы стальные горизонтальные трубки. Обе трубные решетки закрыты чугунными крышками с внутренними перегородками для обеспечения многоходового движения охлаждаемой среды (рассола). Рассол циркулирует внутри труб, а аммиак кипит в межтрубном пространстве.

Отличие хладонового испарителя от аммиачного состоит в том, что в хладоновом испарителе используются медные толстостенные трубы с наружным оребрением.

Разновидностью кожухотрубного испарителя является кожухозмеевиковый испаритель (рис. 11.10). Принципиальное отличие от кожухотрубного испарителя состоит в том, что кожухозмеевиковый имеет одну трубную решетку. Противоположная трубной решетке часть труб соединена калачами (изогнутыми трубами).

Системы с жидким теплоносителем, в частности с рассолом, несмотря на дополнительные энергетические затраты, обладают рядом технических достоинств. Рассол обеспечивает большую “хладоемкость” системы, возможность транспортировать рассол на значительное расстояние, технически просто регулировать температуру воздуха в холодильных камерах, используя в холодильной машине незначительное количество холодильного агента.

Агрессивность и коррозионная активность рассола определяется свойствами рассола и не является принципиально непреодолимым препятствием в использовании рассольной системы охлаждения.

11.3. Конденсаторы

По типу теплоотводящей среды различают конденсаторы воздушного и водяного охлаждения.

В холодильных агрегатах торгового холодильного оборудования преимущественно применяют конденсаторы воздушного охлаждения. По сравнению с конденсаторами водяного охлаждения они проще в монтаже и эксплуатации.

Конденсаторы воздушного охлаждения подразделяют на конденсаторы с конвективным и принудительным движением воздуха.

11.3.1. Воздушные конденсаторы

В холодильном оборудовании с небольшой тепловой нагрузкой (домашние холодильники, холодильные шкафы, витрины) устанавливаются конденсаторы с конвективным (естественным) движением воздуха(рис. 11.11). Основным достоинством таких конденсаторов, является отсутствие шума в работе.

Коэффициент теплопередачи конденсаторов не превышает величины 4...6 Вт/(м2×К).

Конденсаторы с принудительным движением воздуха, как и воздухоохладители снабжены вентиляторами.

Коэффициент теплопередачи конденсаторов с принудительным движением воздуха составляет 25...35 Вт/(м2×К). Вследствие этого в торговом холодильном оборудовании преимущественное распространение получили конденсаторы с принудительным движением воздуха (рис. 11.12).

11.3.2. Конденсаторы водяного охлаждения

Конденсаторы водяного охлажденияподразделяют на конденсаторы проточного типа и конденсаторы, в которых обеспечивается оборотное снабжение.

Конденсатором проточного типа называют конденсаторы, в которых охлаждаемая среда (вода), после отвода тепла конденсации удаляется в канализацию.

Конденсаторы водяного охлажденияконструктивно не отличаются от испарителей аналогичного технического исполнения. Например, кожух конденсатора КТР-3 (рис.11.13) выполнен из стальной трубы диаметром 0.19м. и длиной 0.9м.

К одному концу кожуха приварено сферическое дно. Другой конец кожуха закрыт крышкой с направляющими для воды, обеспечивающие множество проходов. Пары холодильного агента подаются в верхнюю часть конденсатора, жидкий холодильный агент удаляется из нижней части конденсатора. Хладон конденсируется в межтрубном пространстве, а вода циркулирует внутри оребренных труб змеевика.

Существенным недостатком проточных конденсаторов является большой расход воды, протекающей через него. Например, расход воды через конденсатор КТР-3 составляет порядка 1.5 м3/ч. Поэтому все конденсаторы проточного типа обязательно комплектуются водорегулирующими вентилями (ВРВ), рис. 11.14.

В ВРВ чувствительным элементом является сильфон, на который воздействует давление конденсации. Усилие от сильфона передается через шток на клапан. При повышении давления конденсации сильфон растягивается, его кожух опускается, сжимая пружину. Шток перемещается вниз, отжимая клапан от седла, и вода поступает через вентиль в конденсатор. При понижении давления в конденсаторе действие рабочих элементов обратное.

После прекращения работы компрессора клапан поджимается к седлу, прекращая подачу воды. Однако, при этом допускается протечка через клапан до 5% от количества воды, циркулирующей через конденсатор. Настройка вентиля осуществляется вращением винта задатчика.

Кроме установки в холодильной машине ВРВ, прибегают к техническим решениям, обеспечивающим повторное использование воды, выходящей из конденсатора.

В режиме экономии воды работают оросительные и испарительные конденсаторы.

11.3.4. Конденсаторы с возвратом охлаждающей воды

Оросительные конденсаторы

Конденсаторы этого типа представляют вертикально расположенные змеевики на которые сверху через распределительное устройство подается вода. Вода стекает по трубам, частично испаряясь, и падает в емкость, из которой вновь поступает в распределительное устройство. Потери воды компенсируют ее подачей из водопровода через поплавковое устройство.

Оросительные конденсаторыприменяют в основном в аммиачных холодильных машинах большой холодопроизводительности.

Испарительные конденсаторы

Они представляют собой трубчатые змеевики, размещенные внутри металлического шкафа (рис.11.15). Конденсаторы этого типа могут быть использованы в интервале тепловых нагрузок от 3.5 до 350 кВт и более.

В испарительных конденсаторах вода непрерывно циркулирует между водяным баком и форсунками. Наружный воздух засасывается вентилятором, прогоняется через корпус и выбрасывается наружу. Влага отделяется на водоотделителе. Расход воды в этих конденсаторах обычно не превышает 10% от расхода воды в проточных конденсаторах.

Эксплуатационным недостатком конденсаторов является необходимость обеспечивать жесткий режим водоподготовки, исключающий, прежде всего развитие водорослей. Кроме того, вода должна быть чистой, без механических частиц и грязи.

Серьезной проблемой является размещение конденсатора. При размещении конденсатора в контуре здания, требуется специальное помещение, в котором обеспечивается очистка воздуха, выбрасываемого наружу за пределы контура здания.

При размещении конденсатора за пределами контура здания, например, на крыше здания, возникает проблема эксплуатации конденсатора в зимнее время, связанная с возможным замерзанием воды.

В связи с многочисленными техническими сложностями конденсаторы этого типа предпочтительно эксплуатировать в теплой климатической зоне.

11.4. Универсальные пластинчатые теплообменные аппаратыдля охлаждения или нагрева жидких сред

Современные паяные пластинчатые теплообменные аппараты (рис. 11.16) являются универсальными элементами холодильных машин, способными, в зависимости от направления потока холодильного агента и рабочей жидкости, выполнять функции испарителя или конденсатора (рис. 11.17).

При выполнении теплообменником функции испарителя жидкий холодильный агент поступает снизу (левый патрубок), пар выходит сверху (левый патрубок). Хладоноситель противотоком поступает в испаритель сверху (правый патрубок), а выходит охлажденным снизу.

В случае использования теплообменника в качестве конденсатора (позиция b, рис. 11.17) горячие пары холодильного агента поступают в верхнюю часть теплообменного аппарата (левый патрубок), а жидкий холодильный агент выходит снизу (левый патрубок). Охлаждающая среда, например, вода, поступает в нижнюю часть теплообменного аппарата, а выходит нагретой сверху.

Теплообменные аппаратыпри большой площади теплообмена имеют небольшие геометрические размеры. Например, паяный теплообменный аппарат обеспечивающий холодопроизводительность 13 кВт имеет высоту 310 мм, ширину 111 мм. Масса аппарата невелика и оценивается исходя из соотношения 1.2+0.13 ´n (n – число пластин теплообменного аппарата). При холодопроизводительности 2.2 кВт используют 10 пластин, при 13.3 кВт - 50 пластин. Таким образом, масса теплообменного аппарата, обеспечивающего холодопроизводительность 13.3 кВт, составляет всего 7.7 кг.

Малые геометрические размеры и масса аппарата обусловлены большой поверхностью теплообмена и высокой его эффективностью. Теплообменные аппаратысобираются из отдельных штампованных пластин с каналами для потока холодильного агента и жидкой среды (рис. 11.8). Набор пластин (рис. 11.19) обеспечивает высокую скорость движения сред, многократно изменяемое направление потока и большую площадь поверхности теплообмена.

Контрольные вопросы

68. Каковы особенности теплообмена в испарителях и конденсаторах?

69. Каковы особенности конструкций испарителей для охлаждения воздуха?

70. Каковы особенности конструкций испарителей для жидких хладоносителей?

71. Каковы конструктивные особенности конденсаторов бытовых холодильников?

72. В чем состоят особенности конструкций конденсаторов водяного охлаждения?

73. Отметить отличительные особенности оросительных и испарительных конденсаторов.

74. Чем обеспечивается высокая эффективность теплообмена в пластинчатых теплообменных аппаратах?

Глава 12

12. Холодильные агрегаты, классификация

Агрегатирование, т.е. объединение отдельных элементов холодильной машины в единую жестко связанную техническую конструкцию обусловлено удобством монтажа холодильного оборудования в заводских условиях, упрощением условий его эксплуатации и обслуживания в системе общественного питания и в торговле.

12.1. Классификация агрегатов

По способу объединения основных элементов холодильной машины (компрессор, конденсатор, дросселирующее устройство, испаритель) холодильные агрегаты подразделяют на компрессорно-конденсаторные, испарительно-регулирующие, комплексные; по способу отвода теплоты конденсации - на агрегаты с воздушным охлаждением, водяным и смешанным; по диапазону температур кипения хладагента - на средне-, низко-, и высокотемпературные; по способу исполнения компрессора - на сальниковые (компрессоры открытого типа), герметичные, разъемные бессальниковые; по принципу работы компрессора, агрегаты подразделяют на поршневые, ротационные и т. д., в соответствии с типом компрессора; по роду электрического тока – на одно- и трехфазные.

Холодильные агрегаты холодопроизводительностью до 3480Вт (3000Ккал/ч.) выпускались, - в компоновке с поршневыми сальниковыми компрессорами ФАК и ФВ, с поршневыми герметичными компрессорами ВС, ВСэ, ВН, и ВВ, с ротационными герметичными компрессорами ВСр и ВПр. В настоящее время выпуск агрегатов ФАК прекращен, однако в общественном питании и торговле подобные агрегаты еще продолжают эксплуатироваться.

Холодильные агрегаты холодопроизводительностью выше 3500Вт (3000 Ккал/ч.) - с поршневыми сальниковыми компрессорами и конденсатором воздушного охлаждения имеют буквенную индексацию АВ, с конденсатором водяного охлаждения и сальниковыми компрессорами АК; равным образом это относится к бессальниковым компрессорам.

12.2. Компрессорно-конденсаторные агрегаты с конденсатором воздушного охлаждения

12.2.1. Компрессорно-конденсаторные агрегаты с поршневым сальниковым компрессором и конденсатором воздушного охлаждения

Типичным поршневым агрегатом с сальниковым компрессором является агрегат ФАК (рис. 12.1).

Холодильные агрегаты подобного типа применяются преимущественно для охлаждения, расположенных вне торгового зала, небольших холодильных камер. Агрегаты не встраиваются в холодильное оборудование, располагаясь отдельно. Электродвигатели агрегатов подключаются к сети напряжением 380v.

Агрегат состоит из компрессора (1), конденсатора (5) и дополнительных элементов - ресивера (4) (емкости для сбора и хранения холодильного агента), электродвигателя (7), реле давления (2).

Ресивер, наряду с функцией транспортной тары, предназначен для хранения и сбора жидкого холодильного агента из нижней части конденсатора. Это освобождает нижнюю часть конденсатора от жидкого холодильного агента, что увеличивает теплосъем с его поверхности.

Агрегат, как правило, дополнительно комплектуется фильтром-осушителем.

Холодопроизводительность Q0, Вт холодильного агрегата устанавливается на основе его рабочей характеристики. Графически она представляется в виде функции холодопроизводительности Q0, Вт от температуры кипения холодильного агента в испарителе t0, оС (рис. 12.2).

12.2.2. Компрессорно-конденсаторные агрегат с поршневым бессальниковым компрессором и конденсатором воздушного охлаждения.

Иллюстрацией агрегата подобного типа является агрегат АКВ1-6 с компрессором ФВБС-6 (рис. 12.3).

Особенностью этого агрегата является использование бессальникового компрессора, что упрощает компоновочное решение агрегата. Однако, при этом, появляется необходимость в дополнительной установке электродвигателя вентилятора конденсатора.

Все эксплуатационные достоинства и недостатки бессальниковых компрессоров распространяются на специфику эксплуатации агрегата в целом.

Холодильные агрегаты данного типа применяются для поддержания технологически заданной температуры воздуха в стационарных холодильных камерах.

Существенным недостатком агрегатов является высокий уровень шума вследствие чего агрегаты принято устанавливать в специализированных помещениях – машинных отделениях.

12.3. Компрессорно-конденсаторные агрегаты с конденсатором водяного охлаждения.

12.3.1. Компрессорно-конденсаторные агрегаты с поршневым сальниковым компрессором и конденсатором водяного охлаждения

На рис. 12.4 представлен типовой холодильный агрегат с поршневым сальниковым компрессором и конденсатором водяного охлаждения АКФВ-4М.

Холодопроизводительность агрегата при температуре кипения -15оС и конденсации 30оС составляет 5.3 кВт.

Агрегат обеспечивает охлаждение воздуха в стационарных холодильных камерах.

12.3.2. Компрессорно - конденсаторные агрегаты с поршневым бессальниковым компрессором и конденсатором водяного охлаждения.

Агрегатом подобного типа является агрегат АК4,5-1-2 (рис. 12.5).

Подобные агрегаты используются преимущественно для охлаждения комплекса холодильного оборудования, например, холодильного оборудования магазинов типа «Универсам».

Регламентирующим фактором применения агрегатов с водяным охлаждением конденсатора является высокая стоимость воды, поступающей на конденсатор и сбрасываемой в канализацию после прохождения ее через конденсатор.

Потребителю приходится оплачивать стоимость, используемой воды практически дважды. Поэтому охлаждение конденсатора водой возможно лишь при сочетании следующих условий: на территории предприятия есть относительно дешевый источник природной не питьевой воды (артезианская скважина, река…). Сбрасываемая вода не несет в себе экологически вредных компонентов, загрязняющих окружающую среду.

В современных условиях работы предприятий, использование проточной воды для охлаждения конденсатора без ее последующей утилизации, является экономически затратным шагом. Поэтому холодильные агрегаты с водяным охлаждением используют системы оборотного водоснабжения с применением градирен, прудов, брызгальных бассейнов.

Холодильные агрегаты с водяным охлаждением конденсатора комплектуются водорегулирующим вентилем (поз. 3) (рис. 12.5). Водорегулирующий вентиль(ВРВ) в зависимости от давления конденсации, регулирует расход воды протекающей через

конденсатор, что обеспечивает постоянство температуры конденсации и, соответственно, холодопроизводительности холодильной машины.

Разновидностью компрессорно-конденсаторные агрегата с поршневым бессальниковым компрессором и конденсатором водяного охлаждения является агрегат с конденсатором, который располагается на одной металлической стойке и в то же время не является единой составной частью агрегата (рис 12.6)

12.4. Компрессорно-конденсаторные агрегаты с поршневыми,

герметичными компрессорами

Агрегаты с поршневыми, герметичными компрессорамихолодопроизводительностью до 3,0 кВт имеют обозначения: ВС, ВН и ВВ, ВСэ.

Агрегаты с ротационными, герметичными компрессорами имеют буквенные обозначения – ВСр и ВВр.

Первая буква в обозначении агрегата с герметичным компрессором указывает, что охлаждение конденсатора осуществляется посредством воздуха. Вторая буква в обозначении соответствует температурному диапазону работы (С- среднетемпературный, Н- низкотемпературный, В- высокотемпературный). Прописные буквы определяют тип компрессора (р- ротационный компрессор, э- компрессор с экранированным ротором).

Температурные режимы работы герметичных агрегатов отражены в таблице 12.1.

На рис.12.7 представлен агрегат с герметичным поршневым компрессором ВС500.

В агрегатах подобного типа компрессор охлаждается воздухом, проходящим через конденсатор. Агрегаты рассчитаны на длительную работу при температуре конденсации не выше 55^оС, что соответствует температуре воздуха, обеспечивающего отвод тепла конденсации, равного 45^оС.