Классификация конденсаторов.

В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов можно применять как жидкости (вода), так и газы (воздух). Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации, зависит в теплонасосном цикле от способа применения. Использова­ние воздуха или других газов в качестве охлаждающих веществ для конденсаторов имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подво­диться полезная теплота. При использовании жидкостей в качестве ве­щества, охлаждающего конденсатор, их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потреб­ления (промежуточные теплоносители).

В связи с большим различием в значениях коэффициентов тепло­обмена газов и жидкостей применяют различные конструкции конден­саторов с газовым и жидкостным охлаждением.

Конденсаторы с жидкостным охлаждением по конструктивному решению подразделяются на кожухотрубные, двухтрубные («труба в трубе») и змеевиково-трубные специальной конструкции.

Поскольку коэффициенты теплообмена конденсирующегося хла­дагента ниже коэффициента теплообмена потока жидкости или при­мерно равны, в качестве теплопередающего элемента также применяют гладкие трубы или трубы с увеличенной поверхностью (ребристые тру­бы) со стороны хладагента. Использование труб с увеличенной поверх­ностью со стороны жидкости имеет смысл в определенных условиях только при ее безнапорном движении.

Кожухотрубную конструкцию также наиболее часто применяют и в конденсаторах. При этом охлаждающее вещество пропускается вну­три труб, а хладагент конденсируется на наружной стороне труб в межтрубном пространстве (рис. 5.1). Причем пар хладагента посту­пает в полость кожуха сверху, сконденсировавшийся хладагент уда­ляется снизу. Чтобы получить возможно более высокий нагрев охлаж­дающего вещества, необходимо обеспечить его движение снизу вверх. Улучшенная реализация принципа противотока и более эффективное использование температуры перегретого пара хладагента, поступаю­щего в конденсатор, могут быть достигнуты при применении так назы­ваемого элементного (многосекционного) конденсатора (рис. 5.1), где несколько кожухотрубных теплообменников с относительно не большим числом труб в каждом расположены друг над другом.

Рисунок 5.1– Элементарный конденсатор, работающий по противоточной схеме: 1 – поступление хладагента, 2 – выход теплоносителя, 3 –поступление теплоносителя, 4 – выход хладагента

Двухтрубная конструкция. Принцип работы такой конструкции показан на рис. 5.5 и 5.6. Преимущество двухтрубных теплообмен­ников («труба в трубе») — создание полного противотока обоих ве­ществ. При этом благодаря использованию теплоты перегрева достига­ется более высокая температура теплоносителя на выходе. Такую кон­струкцию рекомендуется применять также при работе на неазеотропных смесях в качестве хладагентов. Хладагент может подаваться как во внутреннюю трубу, так и в зазор между наружной и внутренней трубой (причем с целью повышения прочности, а для тепловых насосов и с целью повышения термодинамических характеристик, более целе­сообразно пропускать хладагент внутри труб).

Змеевиковотрубная конструкция (рис. 5.2). Поскольку коэффициен­ты теплообмена конденсирующего хладагента больше, чем от потока га­за, в конденсаторах с воздушным охлаждением в качестве теплопередающего элемента всегда применяют трубы с увеличенной поверхностью (пластинчатые или ребристые трубы) со стороны газа. С целью дости­жения большей компактности аппарата и его удешевления осущест­вляется принудительное движение газа или воздуха через пучки пла­стинчатых или ребристых труб. Чаще всего применяют змеевиково-ребристые теплообменники. Размещение теплообменника и вентилятора, подающего воздух, в теплонасосных установках зависит от условий применения.

Рисунок 5.2 - Конденсатор с жидкостным ох­лаждением и погружным змеевиком

1—жидкий хладагент; 2 — парообразный хладагент; 3— нагретая вода; 4 — холодная вода

Расчет конденсаторов.Расчет конденсаторов заключается в оп­ределении площади их теплопередающей поверхности и объемно­го расхода воды.

Площадь теплопередающей поверхности (м²):

(5.1)

где Q_K — тепловой поток в конденсаторе, Вт; к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К): вычисляют его по формуле или принимают по табл. 1; θ_m — средний логарифмический температурный напор между хладагентом и теплоносителем, К.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

(5.2)

α_ХА – коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке трубы .

Аммиак 2300…5800 R717

1200…2300 R134а

1500…2900 R22

d_W и d_ХА – диаметры трубы со стороны воды и хладагента;

α_В – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы воде

α_В = 3500…7000– вода

α_В = 23…93 – воздух

- термическое сопротивление

Таблица 1- Коэффициенты теплопередачи конденсаторов

Коэффициент теплопередачи отнесен к оребренной поверхности конденсатора *

Коэффициент теплопередачи отнесен к наружной поверхности ребер**.

Средний логарифмический температурный напор между хладагентом и теплоносителем:

(5.3)

и - температура воды, поступающей в конденсатор и на выходе их него.

- температура конденсации хладагента

Зная площадь теплопередающей поверхности, можно по приложению 16-20 подобрать конденсатор.

Расход воды для проточных конденсаторов определяют из усло­вия, что вся теплота от хладагента отводится водой и, следователь­но, тепловой поток в конденсаторе:

(5.4)

Откуда

(5.5)

где m_в — массовый расход воды, кг/с; c_в— теплоемкость воды; c_в=4,1868 кДж/(кг·К); t_вl — температура воды, поступающей на конденсатор; t_в2 — температура воды, выходящей из конденсатора, °С.

Нагрев воды в конденсаторе t_в2 — t_в1 = (3...5) °С.

Объемный рас­ход охлаждающей воды (м³/с):

(5.6)

где p_в =1000 кг/м³ — плотность воды.

Испаритель в тепловых насосах служит для того, чтобы при низкой температуре отбирать теплоту из окружающей среды или оттеплоносителя; при этом хладагент переходит из жидкой фазы в газо­образную. В связи со значительным различием коэффициентов тепло­обмена потока газов и жидкостей применяются и различные конструк­ции испарителей для охлаждения жидкостей и газов.

Поскольку коэффициенты теплообмена испаряющихся хладагентов меньше или почти равны таким же коэффициентам для потока жид­кости, в качестве элемента, передающего тепло, используют гладкую трубу или трубу с увеличенной поверхностью (оребренная труба) со стороны хладагента. Важно не забывать, что теплоноситель часто за­грязняет систему и вызывает коррозию. Эти особенности оказывают серьезное влияние на выбор испарителя.

На интенсивность теплопередачи при кипении влияют следующие факторы:

1) плотность теплового потока q_F, зависящая от температур­ного напора между теплоперёдающей поверхностью и кипящей жид­костью, физических свойств жидкости;

2) смачиваемость теплопередающей поверхности жидкостью; если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность, то пузырьки образуются небольшие, легко отделяются от поверхности, улучшая теплопередачу; масло, раство­ренное в холодильном агенте, ухудшает смачиваемость, а, следовательно, и теплоотдачу;

3) конструкция испарителя; при парообразо­вании внутри вертикальных труб всплывающие пузырьки пара уси­ливают теплообмен и способствуют подъему парожидкостной смеси; скорость подъема тем больше, чем меньше диаметр труб;

4) скорость движения хладоносителя;

5) загрязнение на обеих сторонах стенок труб смазкой, ржавчиной, инеем снижает коэффициент теплопередачи.

Испарители для охлаждения жидкостей в зависимости от конструк­ции можно разделить на следующие группы: кожухотрубные, типа «труба в трубе», змеевиковые, регисторные, пластинчатые.

Кожухотрубная конструкция.Кожухотрубная конструкция наибо­лее широко применяется в испарителях для охлаждения жидкостей. Охлаждаемая жидкость может проходить как внутри труб (рис. 5.3), так и между ними (рис. 54).

Рисунок 5.3 - Кожухотрубный испаритель с движением теплоносителя внутри труб: 1 – хладагент (пар), 2 - охлаждаемое вещество (теплоноситель), 3 – хладагент (жидкость)

Рисунок 5.4 - Кожухотрубный испаритель с движением теплоносителя в межтрубном пространстве: 1 - охлаждаемое вещество (теплоноситель), 2 – хладагент

При движении охлаждаемой жидкости по трубам пространство внутри обе­чайки заполняется на 2/3 диаметра хладагентом. Уровень жидкого хладагента обычно регулируется поплавковым вентилем. При таком принципе работы, если применяются малорастворимые хладагенты, требуются специальные меры по отводу масла из испарителя в компрессор. Очистка внутренней поверхности труб, заполненных охлаждаемой жидкостью, может осуществляться как хими­ческими, так и механическими средствами после съема обеих водяных крышек. Предотвращению излишней загрязненности способствует высокая скорость дви­жения жидкости. Максимально допустимая скорость зависит от материала вну­тренних труб и ограничена максимальным заданным падением давления жидко­сти в испарителе.

В случае использования стальных внутренних труб для повышения коррозионной стойкости и уменьшения прилипания загрязнений ре­комендуется покрывать внутреннюю поверхность труб тонким слоем пластмассы (дуропласта). Некоторое снижение коэффициента тепло­передачи, вызванное пластмассовым покрытием, возможно лишь в начальном периоде эксплуатации, так как через определенный проме­жуток времени теплообменники с пластмассовым покрытием начинают обладать более высоким коэффициентом теплопередачи, чем обычные, благодаря меньшему слою загрязнений.

В испарителях с межтрубным движением теплоносителя внутрь труб с помощью термостатических регулирующих вентилей впрыски­вается лишь столько жидкого хладагента, сколько необходимо, чтобы на выходе из испарителя образовался чуть перегретый пар. Возврат масла из испарителя в компрессор обычно не представляет проблемы, так как скорость пара хладагента после полного испарения столь высо­ка, что он сам захватывает масло и отводит его назад к компрессору. Другое преимущество такой технологии состоит в том, что испаритель заполнен жидким хладагентом в меньшем количестве, чем при эксплу­атации испарителей затопленного типа.

Тогда как химический способ пригоден для очистки наружной по­верхности труб испарителя любой конструкции, загрязняемых охлаждаемой жидкостью, механический способ очистки требует такой кон­струкции теплообменного аппарата, в котором пучок труб можно вы­нимать.

Двухтрубная конструкция («Труба в трубе») применяется в основ­ном для малых производительностей (< 40 кВт). Преимущество такой конструкции состоит в том, что обе жидкости, участвующие в теплопере­даче, получают встречное направление, точно соответствующее про­тивотоку. Это имеет значение при использовании неазетропных смесей хладагента в холодильных установках, так как испарение смесей про­исходит не при постоянной, а при возрастающей вдоль направления: потока температуре. Возможные конструкции двухтрубных теплооб­менников показаны на рис. 5.5 и 5.6. Наиболее распространена в теплонасосных установках конструкция, показанная на рис. 5.6. В испарителях этого типа хладагент обычно проходит во внутренней тру­бе.

Рисунок 5.5 - Вариант двухтрубной конструкции (типа «труба в трубе)»

Рисунок 5.6 - Вариант двухтрубной конструкции (типа «труба в трубе)»

Змеевиковые, регисторные, пластинчатые конструкции. Хлада­гент, предназначенный для испарения, подается внутрь змеевика, ре­гистра или пластин. Такие конструкции применяют в тех случаях, когда испарители встроены в круглые или многоугольные резервуары, где протекает охлаждаемая жидкость.

Регисторные конструкции (рис. 5.7) пригодны только при исполь­зовании хладагентов, не растворяющих масло, и при внутреннем ис­парении (кожухотрубная конструкция с испарением в межтруб­ном пространстве); змеевиковые конструкции позволяют осуществлять полное испарение. Преимущество описанного размещения испарителей заключается в возможности удобной очистки, особенно при применении пластинчатых испарителей (рис. 5.8).

Рисунок 5.7- Регистровый испаритель для охлаждения жидкостей «вертикально-трубный испаритель»

Рисунок 5.8– Панельный испаритель для охлаждения жидкостей

Наибольшее распространение получили змеевиково-трубные кон­струкции.

Тепловой расчет и подбор испарителя

При расчете определяют площадь теплопередающей поверхности и объемный расход хладагента.

Площадь передающей поверхности:

(5.7)

где Qо- холодопроизводительность (для тепловых насосов тепло-производительность), Вт; k – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м²·К), принимаем по таблице 1; θ_m – средний логарифмический напор между теплопередающими средами, ^оС

Таблица 2 - Коэффициенты теплопередачи испарителей

k, Вт/(м² • К) q_f, Вт/м²

Панельные 580—700 2900—3500

Кожухотрубные аммиачные* 465—525 2320—2620

Фреоновые* 230—350 1150—1750

* Относится к наружной поверхности.

В кожухотрубных и кожухозмеевиковых испарителях θ_m (°С) определяют по формуле среднего логарифмического температур­ного напора:

(5.8)

в панельных и вообще во всех испарителях с мешалкой

(5.9)

где t_н1 — температура рассола, входящего в испаритель, °С; t_н2 — температура рас­сола, выходящего из испарителя; t₀ — температура кипения хладагента, °С.

Расход циркулирующего рассола определяют из условия:

(5.10)

где с_р — теплоемкость рассола при рабочей температуре рассола, кДж/(кг • К); m_p — массовый расход рассола, кг/с;

(5.11)

Объемный расход циркулирующего рассола (м³/с)

(5.12)

где р_р — плотность рассола, кг/м³; с_р и р_р — определяют по приложениям 23-26 в зависимости от концентрации и рабочей температуры рассола.

По площади теплопередающей поверхности подбирают испа­ритель (приложение 21, 22), а по объемному расходу рассола - рас­сольный насос по приложению 27.

Переохладитель представляет собой противоточный теплообменный аппарат из двойных труб («труба в трубе»), в котором хладагент охлаждается ниже температуры конденсации за счет охлаж­дающей воды, движущейся противотоком по внутренним трубкам. Переохлаждение жидкости перед регулирующим клапаном увели­чивает холодопроизводительность машины. Переохладители, как самостоятельные аппараты, применяют в основном в стационарных аммиачных холодильных установках.

Переохлаждение жидкого хладона осуществляется в регенеративных теплообменниках за счет перегрева паров, идущих из испарителя в компрессор. Перегрев пара улучшает объемные и энергетические характеристики работы хладоновой холодильной машины.

По конструктивному исполнению теплообменники делят на двух­трубные и кожухозмеевиковые.

Двухтрубные («труба в трубе»), змеевиковые и прямые теплооб­менники изготовляют из медных труб. Пар движется в межтрубном пространстве, а жидкость - по внутренней трубе.

В кожухозмеевиковом теплообменнике (рис. 5.9) жидкость про­ходит по внутреннему тройному змеевику 3, а пар хладона из испари­теля поступает по трубе 2 в кожух 1 и проходит по межзмеевиковому пространству противотоком. Пар, омывая змеевики и переохлаждая жидкий хладон, перегревается и по трубе 5 поступает в компрессор. На входе и выходе жидкости из кожуха установлены коллекторы 6, к ко­торым присоединены жидкостные патрубки теплообменника. Для уве­личения скорости обдува змеевиков внутри наименьшего змеевика установлен вытеснитель 4.

Рисунок 5.9 – Регенеративный теплообменник типа МТФ-70