Холодильных машин и установок

Классификация теплообменных аппаратов

К основным теплообменным аппаратам относятся конденсаторы, испарители и приборы охлаждения. В конденсаторе, нагнетаемый компрессором газообразный хладагент охлаждается, сжимается и образующаяся жидкость незначительно переохлаждается.

В испарителе происходит кипение хладагента за счет теплоты отводимой от охлаждаемой среды. Испарители служат для охлаждения промежуточных хладоносителей (рассол, ледяная вода), так и воздуха, охлаждаемых помещений, в этом случае они называются приборами охлаждения. К ним относятся воздухоохладители и батареи непосредственно кипения хладагента. В приборах охлаждения может циркулировать также промежуточный хладоноситель.

Конденсаторы

Промышленность выпускает кожухотрубные горизонтальные, кожухотрубные вертикальные, испарительные и воздушные конденсаторы.

Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы, благодаря широкому диапазону типоразмеров применяют в аммиачных и хладоновых холодильных установках пищевых предприятий.

Они состоят из стального цилиндрического кожуха, в котором трубы (стальные или медные) расположены горизонтально, концы развальцованы в трубных решетках. По трубам движется охлаждающая вода, которая может иметь несколько проходов, патрубки для воды с одной стороны. Конденсатор имеет предохранительный клапан 1, вентиль 2 для входа аммиака, манометр 3 и вентиль 4 для уравнительной магистрали, вентиль 5 для выпуска воздуха из трубного пространства, патрубки 6 и 7 соответственно для выхода и входа воды. Для слива воды используют вентиль 8. Вентиль для выхода аммиака 9, вентиль 10 для слива масла и мерное стекло 11.

В этих конденсаторах пары конденсируются в межтрубном пространстве. Они работают в комплекте с водо-охлаждающими устройствами. Для хладоновых конденсаторов используют трубы из цветных металлов с накатанными ребрами, для аммиачных прямые стальные. Для аммиачных установок с средней Q=30…100кВт и большей мощностью Q₀>100 кВт выпускают конденсаторы марок КТГ-10, 20, 25, 32…КТГ-1250. Расшифровка марки: К – конденсатор, Т – трубчатый, Г – горизонтальный, цифры – площадь поверхности охлаждения.

Вертикальные кожухотрубные конденсаторыв верхней части имеют водяной бак-распределитель, в который входят трубки охлаждения. Вода входит в трубки где происходит ее движение по спирали тонкой пленкой. В трубах атмосферное давление.

1-указатель уровня; 2-предохранительный клапан; 3-вентиль для спуска воздуха; 4-патрубок для входа аммиака; 5-манометр; 6-патрубок для выхода жидкого аммиака; 7-вентиль для спуска масла; 8-патрубок отвода воды.

Выпускают конденсаторы марок для аммиака 50КВ, 75КВ, 100КВ и т.д. Цифры – номинальная площадь охлаждения, К – конденсатор, В – вертикальный. Преимущества: малая площадь; использование любой воды (вода самотеком); простота очистки; увеличение тепловой нагрузки за счет принудительной циркуляции воды. Недостаток – неравномерность распределения воды по трубам.

Испарительные конденсаторы могут использоваться на пищевых предприятиях. В них теплота передается от хладагента через стенку трубы к воде, стекающей пленкой по наружной поверхности, и далее воздуху в основном посредством испарения. Они потребляют малое количество воды 400 г на 1000 кДж тепла.

Представляют собой закрытый корпус, внутри два змеевика. Первый – форконденсатор из оребреных труб работает как воздушный теплообменник. Из него пары аммиака попадают во второй змеевик из гладких горизонтальных труб, орошаемых водой. Вода испаряется при обдувании вентилятором. Вода сливается в бак под конденсатором. В настоящий момент применяется два типа испарительных конденсаторов ИК90 и ЭВАКО-200. Проектируются новые конструкции конденсаторов. Их преимущества – малая занимаемая площадь, небольшой расход воды, интенсивный тепловой обмен, в зимнее время используется как воздушный охладитель. Недостаток – быстро растет водный камень на поверхности труб, который трудно удалить.

Корпус, крышки трубные решетки у конденсаторов выпускаются из углеродистой стали, а трубы у аммиачных конденсаторов – стальные, у фреоновых – медные. В хладоновых конденсаторах для интенсификации теплопередачи из-за малых коэффициентов теплопередачи трубы оребреные. Применение медных труб повышает стоимость. Поэтому целесообразно повышать логарифмическую разность температур хладагент-вода до 7…10ºС и скорость протекания воды. Одним из видов загрязнения является масляная пленка на трубах (в основном в аммиачных). Фреоновые растворяют масло, и его на трубах не бывает.

Воздушные конденсаторы широко используются в агрегатах торгового оборудования, в домашних холодильниках в изотермическом транспорте. Различают конструкции со свободным (естественная конвекция) движением воздуха и принужденным. Первые Q₀=100…350 кВт, вторые Q₀ более 350 кВт. Из-за недостатка пресной воды должны широко применяться воздушные конденсаторы. Представляют собой систему змеевиков из труб с насаженными пластинчатыми ребрами (тонкий лист из стали). Ребристая поверхность подвергается металлизации (лужение) оцинковка. Для аммиачных установок конденсаторы изготавливают из биметаллических труб, а сверху алюминий или чисто стальные трубы из-за коррозии. Могут применяться конденсаторы с литыми ребрами теплообмена. В таких поверхностях отсутствует контактное сопротивление теплопередачи между трубой и ребрами.

Испаритель – это теплообменный аппарат, в котором охлаждается промежуточный теплоноситель в результате теплообмена с кипящим хладагентом. Кожухотрубный испаритель имеет точно такую же конструкцию, как и горизонтальный кожухотрубный конденсатор. В межтрубном пространстве кипит хладагент, нагреваемый циркулирующим в трубах хладоносителем.

Различают с закрытой и открытой циркуляцией хладоносителя. С закрытой – кожухотрубные. Охлаждаемая жидкость в них движется под напором насоса. С открытой циркуляцией испарительные трубы погружены в охлаждаемую жидкость в баке, циркуляция создается мешалкой. С открытой циркуляцией выполняют панельными. Это баки, в которые погружены испарительные секции. Панельные испарители поставляются с отделителями жидкости, при использовании ледяной воды можно их использовать как испарители-аккумуляторы. Применяются для сглаживания неравномерности тепловой нагрузки. Маркировка ИТГ-63: И – испаритель, Т – трубчатый, Г – горизонтальный, цифры – внутренняя площадь теплопередачи (это аммиачные). Хладоновые ИТР-12. И – испаритель, Т – трубчатый, Р – ребристый, цифры – площадь наружной теплоотдачи (м²).

Панельные испарители 40ИП, И – испаритель, П – панельный, цифры – наружная площадь.

Рис. 22. Испаритель панельный: 1-панели; 2-жидкостной горизонтальный коллектор; 3-стояки; 4-отделитель жидкости; 5-паровой горизонтальный коллектор; 6-подход жидкого хладагента.

Рис. 23. Ребристый испаритель ИРСН: 1-прямые бесшовные трубы; 2-плоские сплошные ребра; 3-опоры; 4-штуцеры для входа и выхода хладагента; 5-калач (поворот трубы).

Охлаждающие приборы – батареи, разделяются на непосредственного кипения и с промежуточным хладоносителем (рассольные). Поверхность батареи выполняется гладкой или оребреной. Бывают коллекторные и змеевиковые. В промышленности широко используют воздухоохладители с оребреными трубами или из пластин с каналами, внутри которых кипит хладагент или циркулирует хладоноситель. Воздух перемешивается с помощью вентилятора. Различают режим сухой, влажный, с осаждением инея на поверхности аппарата и с выделением инея в пограничном слое воздуха у холодной поверхности. Для первого и второго режима применяют аппараты с большим коэффициентом оребрения (F_реб/F_тр=15…20) для третьего с небольшим коэффициентом (F_реб/F_тр=7…10) либо с переменным шагом ребер, для четвертого – с большим коэффициентом (F_реб/F_тр>15) и с большой степенью эффективности, где берется у основания ребра. Ребра используются пластинчатые, пластинчато-ребристые, спирально-навивные, спирально-накатные, отдельно насажанные ребра. Разность температур между воздухом и поверхностью охлаждения может достигать 12°С.

Воздухоохладители компонуют из секций модулей, бывают постаментные и подвесные. Марки подвесных ВОП-50,75,100,150 производительность от 5,8 до 17,4 кВт, цифры – поверхность (м²).

Для оттаивания инея в них встроены ТЭНы. Мощность 8,7-12 кВт. Вентилятор осевой колесо 400-600 мм.

Вспомогательное оборудование – отделители жидкости, маслоотделители, маслосборники, промежуточные сосуды, ресиверы – обеспечивают стабильность и безопасность работы холодильной установки.

Отделители жидкости предназначены для улавливания капель жидкости, содержащихся в парожидкостной смеси хладагента, отходящего из приборов охлаждения (испарителей) и предохраняют компрессора от опасного режима работы. Это достигается резким уменьшением скорости паров и изменением направления на 90-180°. Скорость пара в отделителе для аммиака не более 0,5 м/с. Выпускают аммиачные отделители жидкости: 70 ОЖГ, ОЖМ 100, 125 и т.д. О - отделитель, Ж - жидкости, Г - условное обозначение, М – с обогревом зоны маслосбора, цифра – диаметр патрубков (входного и выходного).

Отделители жидкости устанавливаются на панельных испарителях. В системах охлаждения с принудительной циркуляцией хладагента жидкость оделяется в циркуляционном ресивере. Отделители жидкости испытывают на прочность и герметичность водой и воздухом. Их покрывают изоляцией.

1-патрубок для подвода парожидкостной смеси; 2-кожух; 3-патрубок для отвода пара аммиака; 4-патрубок для слива жидкого аммиака; 5-патрубок для подвода горячего аммиака; 6-патрубок для слива масла.

Маслоотделители – служат для отделения масла уносимого хладагентом из компрессора. Они сглаживают пульсацию подачи паров хладагента. Основная задача – повышение эффективности теплообменных аппаратов в результате уменьшения масляной пленки на теплообменной поверхности.

По принципу действия разделяют на промывные и инерционные. В первых - пар проходит через слой жидкого хладагента, охлаждается жидкостью и освобождается от масла, степень очищения масла 85-90 %. У вторых – резкое снижение скорости и направления потока или центробежной силой, степень очистки до 80 %.

1-кожух; 2-патрубок для подвода смеси масла и хладагента; 3-центральная труба; 4-патрубок для отвода хладагента; 5-отбойники капель; 6-отвод масла; 7-смотровое окно.

Сварной вертикальный сосуд марки 50М, 80, 100 и т.д. О – отделитель, М – масла, М – модернизированный 50 ОММ-300 ОММ (промывные). Цифры условный проход патрубков, с вместимостью – 3,65 м³.

Маслосборники служат для слива масла из аппаратов холодильных установок и последующего ее удаления на регенерацию. Подключается к всасывающей линии системы. Их применение сокращает потери хладагента, повышает безотказность работы при удалении масла из системы. Марки 150 СМ, 300 СМ и т.д. С – сборник, М – масла, цифры – диаметр кожуха.

Промежуточные сосуды применяют в аммиачных холодильных установках двухступенчатого сжатия для полного промежуточного охлаждения паров хладагента, поступающих в компрессор ступени низкого давления и переохлаждения жидкого хладагента в змеевике аппарата перед регулирующим вентилем. Пары охлаждаются при барбатировании через слой жидкого хладагента. Марки 40 ПС_з, 60, 80-120 и т.д. П – промежуточный, С – сосуд, з – змеевиковый, цифры – диаметр аппарата (в см.). Промежуточный сосуд представляет собой вертикальный сосуд со встроенной теплопередающей поверхностью (змеевик), укреплен на днище сосуда. При работе сосуд заполняют хладагентом так, чтобы змеевик находился ниже уровня жидкого хладагента.

1-кожух; 2-отбойник жидкости; 3-змеевик переохладитель; 4-патрубок подачи жидкого хладагента; 5-вход хладагента в змеевик; 6-выход из змеевика; 7-указатель уровня; 8-отвод пара хладагента в компрессор; 9-подача пара хладагента в промежуточный сосуд; 10-слив масла.

Промежуточный сосуд является аппаратом эффективного отделения масла из ступени низкого давления. Поэтому предусмотрен вентиль для слива масла.

Ресиверы – герметичные цилиндрические сосуды, служат для сбора жидкого хладагента. В зависимости от функций предназначения в разных технологических схемах питания испарительной системы жидким хладагентом, различают по назначению – линейные, дренажные, циркуляционные и защитные; по конструкции – вертикальные и горизонтальные.

Линейные для компенсации различия в заполнении испарительного оборудования жидкостью при изменении тепловой нагрузки, освобождают конденсатор от жидкости и создают равномерный поток жидкого хладагента к регулирующему вентилю.

Является хорошим сборником воздуха и масла, а так же гидрозатвором, препятствующим перетеканию в испаритель пара высокого давления. Их устанавливают между конденсатором и регулирующим вентилем.

Дренажные ресиверы служат для слива жидкого хладагента из аппарата и трубопроводов при эксплуатации и ремонте.

Циркуляционные ресиверы применяют в насосно-циркуляционных установках для питания испарительных систем жидким хладагентом. Это резервуар для хранения и обеспечения непрерывной работы циркуляционных насосов. Устанавливают ниже отметки уровня остального оборудования для самотека.

Защитные ресиверы устанавливают на всасывающем трубопроводе между испарителем и компрессором, служат для защиты компрессора от гидравлического удара. Их применяют в без насосных системах питания жидким хладагентом. Марки 0,75РД, РДВ, Р – ресивер, Д – дренажный, В – вертикальный, цифры – емкость (м³).

Виды теплообмена и теплопередача

Теплопередача – сложный процесс перехода тепла от более нагретой жидкости или газа (пара) к менее нагретой среде через разделяющую их стенку.

Тепло может передаваться посредством теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Теплопроводность – распространение тепла в неравномерно нагретом теле, обусловливаемое передачей тепловой энергии непосредственно соприкасающимися частицами тела. Теплообмен происходит пока температура во всем теле уравняется.

Конвекция – перенос тепловой энергии в жидкости или газе (паре) перемещением их частиц из одной части объема в другую. Перемещение частиц происходит вследствие разницы удельных весов в различных точках объема, из-за неравномерности температур в нем или в результате воздействия из вне. Конвекция тепла сопровождается явлением теплопроводности.

Тепловое излучение – превращение тепловой энергии в лучистую с передачей ее в окружающее пространство.

Лучистая энергия поглощается в большей или меньшей степени другими телами и превращается вновь в тепловую. Указанные виды теплообмена не обособлены и один вид сопровождается другим.

Теплопроводность объединяет понятия:

- температурное поле – совокупностью значений температуры во всех точках тела в данный момент времени;

- температура точки тела – функция ее положения и времени . Если не изменяется, то температурное поле стационарно т.е. ;

- изотермическая поверхность – геометрическая поверхность точек с одинаковой температурой;

- температурный градиент равен изменению температуры на единицу длины нормали к изотермической поверхности и служит мерой инертности изменения температуры в данной точке.

, ºС/м,

- тепловой поток – количество тепла к единице времени и единицы поверхности в направлении нормали к ней.

Закон Фурье – температурный поток пропорционален температурному градиенту.

, кДж/м²с,

где - коэффициент теплопроводности – количество тепла проходящего через м² поверхности в единицу времени при изменении температуры на 1ºС на метре длины нормали к изотермической поверхности – кДж/(м с ºС).

Характеризует способность вещества проводить тепло и зависит от температуры и в некоторой степени от давления.

Конвективный теплообмен

Теплоотдача – процесс переноса тепла от жидкой или газообразной (паровой) среды к стенке путем конвекции и теплопроводности.

Закон Ньютона – количество тепла, отданного телом в окружающую среду, пропорционально разности температур поверхности тела и среды, а также величине поверхности теплоотдачи и времени:

, кДж.

Коэффициент теплоотдачи точки можно определить из критериальных зависимостей полученных на базе теории подобия проходящих процессов тепло и массообмена.