Теплообменные аппараты систем термостатирования

Теплообменные аппараты предназначены для передачи теплоты от одной среды к другой.

По способу передачи теплоты они разделяются на поверхностные и контактные. Поверхностные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных ТО теплообмен происходит через теплопроводную стенку и направление теплового потока остаётся постоянным. В регенеративном ТО одна и та же поверхность теплообмена поочерёдно через определённые промежутки времени омывается тёплым и холодным газом. Поверхностью теплообмена является теплоаккумулирующая масса, называемая насадкой. При протекании тёплого потока насадка нагревается, а при протекании холодного потока она отдаёт ему полученную теплоту. Направление потока теплоты периодически изменяется. В качестве насадки используется нарезанная медная проволока или диски гофрированной алюминиевой ленты.

В системах термостатирования наибольшее применение получили рекуперативные теплообменные аппараты (ТОА): воздухоохладители различных типов, испарители, конденсаторы, кожухотрубные аппараты для охлаждения компонентов топлива и др.

В контактных ТОА теплота передаётся от тёплой среды непосредственно к холодной и сопровождается массообменом. Контактные ТОА разделяются на смесительные и барботажные. К смесительным ТОА относятся форсуночные и пенные воздухоохладители, используемые в системах кондиционирования воздуха в специальных сооружениях.

Барботажные аппараты применяются в заправочном оборудовании высококипящими горючими и криопродуктами. Компоненты топлива охлаждаются продувкой через барботёр холодным азотом. Жидкий водород барботируется газообразным гелием. Газовые пузыри имеют большую поверхность тепло- и массообмена и жидкости охлаждаются в основном за счёт испарения внутрь пузырей. Применяется также способ охлаждения углеводородных горючих путём впрыска в них жидкого азота, который быстро испаряется, образуя большое количество пузырей.

К теплообменникам с внутренними источниками энергии относятся широко распространённые электронагревательные установки (электрокалориферы). Например, перед подачей воздуха в отсек носителя воздух вначале охлаждается до температуры ниже требуемой, а перед поступлением в отсек, вблизи него, подогревается до требуемой температуры с заданной точностью. Таким способом получить нужную температуру проще и надёжнее, чем непосредственно от воздухоохладителя.

В зависимости от взаимного расположения потоков в рекуперативных ТО различают:

прямоточные ТО, если оба потока направлены в одну сторону;

противоточные ТО, если оба потока направлены в противоположные стороны;

ТО с однократным перекрёстным током;

ТО с многократным перекрёстным током;

ТО со сложным движением рабочих сред.

В зависимости от агрегатного состояния вещества ТОА делятся на «жидкостно-жидкостные» , на «газо-жидкостные» и на «газо-газовые».

Требования, предъявляемые к ТОА систем термостатирования

1. Высокая производительность и экономичность.

2. Минимальная масса и габариты.

3. Компактность - максимум поверхности теплообмена в единице объёма-м²/м³.

4. Герметичность конструкции, исключающая смешение протекающих сред

5. Высокий коэффициент полезного действия.

6. Технологичность изготовления.

7. Удобство эксплуатации (доступ к внутренним полостям для осмотра и очистки от грязи, возможность проверки на герметичность и др.).

Характеристики и параметры газо-жидкостных и газо-газовых теплообменников:

площадь оребрённой поверхности теплообмена, м²;

производительность по теплопереносу, кВт;

максимальный расход теплоносителя, м³/с;

площади живого сечения межтрубного пространства, м²;

допустимые пределы изменения скоростей течения теплоносителей, м/с;

коэффициент теплопередачи, Вт/м²К;

компактность - максимум поверхности теплообмена в единице объёма, м²/м³.

масса (сухая) аппарата, кг;

максимально допустимое давление, МПа, кг/см²;

недорекуперация.

Характеристики и параметры жидкостно-жидкостных теплообменников:

внутренний диаметр корпуса, мм;

диаметр и толщина теплообменных труб, (например, 25x2) мм;

длина теплообменных труб, мм;

количество труб, шт.;

рабочее давление по трубному и межтрубному пространствам, МПа, кг/см² ;

характер среды по каждому пространству (например, нейтральная, агрессивная, фреон и др.);

количество ходов по каждому пространству;

поверхность теплообмена, м²;

габариты и масса (сухая), кг.

По конфигурации поверхности теплообмена различают:

трубчатые аппараты с прямыми трубами;

трубчатые аппараты с U-образными трубами;

витые теплообменники;

пластинчато-ребристые теплообменники.

Трубчатые аппараты с прямыми и U-образными трубами (рис. 1.22а,б), витые ТО (рис. 1.22в) широко используются в ВСОТР и ТСОТР для охлаждения воздуха (как тепло- и хладоносителя объектов термостатирования) и компонентов топлива.

Рис. 3.16. Типы теплообменных аппаратов систем термостатирования: а) с прямыми трубами; б) с U-образными трубами; в) витой ТО; г) пластинчато-ребристый ТО; д) ТО «Фильда» в ёмкости с компонентом топлива

Пластинчатые ТОА используются в качестве испарителей и конденсаторов холодильных машин небольшой холодопроизводителыюсти, эффективных и компактных воздухоохладителей.

Пластинчато-ребристые ТОА (рис. 3.16г) являются наиболее компактными из всех ранее перечисленных аппаратов, выполняются из тонких листов алюминиевых сплавов, имеют малый вес, но не всегда достаточную для СТ прочность и сложны в изготовлении. Поэтому их можно рассматривать как перспективные.

Теплообменники типа «Фильда» (рис. 3.16д) используются в транспортных цистернах для нагрева и охлаждения высококипящих горючего и окислителя.

Воздухоохладители (ВО) широко используются в ВСОТР для охлаждения и осушки воздуха. Конструктивно они выполняются в виде кожухотрубных теплообменных аппаратов с прямыми или U-образными трубами, а также в виде витых и змеевиковых аппаратов.

Воздухоохладители могут быть типа «жидкость-воздух», «кипящая жидкость-воздух» и «воздух-воздух». В ВО типа «жидкость-воздух» охлаждение воздуха происходит водой или фреоном R11 или R30, имеющим температуру кипения выше температуры окружающей среды. В комплексных системах термостатирования используется вода из внешних источников (системы внешнего водоснабжения), проходящая специальную обработку по своему составу и охлаждаемая в градирне. В заглублённых сооружениях вода может охлаждаться в водоледяных аккумуляторах холода.

В ВО типа «воздух-воздух» прямой поток влажного воздуха охлаждается осушенным холодным обратным потоком воздуха из турбодетандера в системе ВСОТР на основе воздушной холодильной машины.

В ВО типа «кипящая жидкость - воздух» охлаждение воздуха происходит при отборе у него теплоты на кипение хладагента (R11 или R22) в испарителе, т.е. воздухоохладитель является одновременно испарителем фреона в холодильной машине. В ВО первых двух типов воздух подаётся в межтрубное пространство, а хладоноситель или хладагент - в трубное пространство.

Воздухоохладители - испарители применяются в системах термостатирования, на которые накладываются жёсткие ограничения по габаритам, по массе и длинам связывающих оборудование труб, при сравнительно небольших тепловых нагрузках на холодильные машины. Это относится к системам термостатирования подвижных комплексов и шахтных сооружений. Нагнетание воздуха здесь осуществляется вентиляторами, а в крупных стационарных системах - турбокомпрессорами.

Воздухоохладители ВСОТР обеспечивают необходимые температурно-влажностные условия:

при хранении и эксплуатации изделий в транспортных контейнерах, устанавливаемых на подвижных пусковых установках и в ШПУ;

в отсеках ракет-носителей и под обтекателями космических аппаратов в период предстартовой подготовки, при хранении в монтажно-испытательном корпусе;

при создании комфортных условий в пунктах и машинах управления и близких к ним по параметрам воздуха для технологического кондиционирования, например, в помещениях с ЭВМ, приборных отсеках и т.п.

По условиям работы различают воздухоохладители:

для сухого охлаждения;

одновременно для охлаждения и осушения воздуха конденсационным способом, когда влага выпадает на оребрённую поверхность в виде капель росы и стекает в водосборник;

одновременно для охлаждения и осушения воздуха вымораживанием влаги, когда конденсат замерзает на оребрённых поверхностях в виде инея.

Для увеличения поверхности теплообмена и его интенсификации со стороны воздуха наружная поверхность труб выполняется оребрённой.

В системах термостатирования все теплообменники являются двухпоточными. Взаимосвязь теплого и холодного потоков описываются уравнениями теплового баланса и теплопередачи.

Уравнение теплового баланса для двухфазного потока (рис.3.17, см. также рис.2.2) без учета теплообмена с окружающей средой имеет вид:

Q = G_г (i_г1..- i_г2) = G_х (i_х2..- i_х1)

для однофазных потоков

Q = с_рг G_г(t_г1.- t_г2) = с_рх G_х (t _х2.- t _х1)

где G_г , G_x - массовые расходы (теплого) горячего и холодного потоков; i - их энтальпии (теплосодержание); с_pг, с_pх – удельные теплоёмкости; t_г1 , t_г2 , t_х1 , t_х2 - температуры сред на входе и выходе из аппарата; Q - тепловой поток от теплой среды к холодной - теплопроизводительность аппарата, с_рG - полная теплоёмкость потока.

С_г = с_р G_г ; С _х = с_р G _х

Рис. 3.17. Графики изменения тёплой и холодной среды по длине теплообменника:

а) в прямоточном ТО; б) в противоточном; в в испарителе; г) в конденсаторе

Тогда

Q = С_м Δt_г= С _х Δt _х

где:

Δt_г = t_г1.- t_г2 Δt _х = t _х2.- t _х1

Отсюда следует, что изменение температур сред обратно пропорционально их полным теплоёмкостям:

Δt_г / Δt _х = С _х / С_г

Уравнения расходов

G_г = ρ_г f_г V_г G _х = ρ _х f_х V _х

где ρ_г , ρ_х - плотности сред; f_г , f_x - площади живых сечений аппарата для каждой среды; V_г, V_x - средние скорости потоков.

Уравнение теплопередачи от теплой среды к холодной

Q = К F Δt_m = q F

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/м²К ; F- поверхность теплообмена, м²; Δt_m - средний температурный напор между потоками; q - плотность теплового потока через единичную площадь

q= k Δt_m

При переменной разности температур t_г - t_x вдоль поверхности теплообмена (рис. 3.17) величина Δt_m может определяться как среднелогарифмическая:

Δt_m = (Δt₁ - Δt₂ ) / ln (Δt₁/ Δt₂)

где Δt₁, Δt₂ - наибольшая и наименьшая разности температур.

Коэффициент полезного действия теплообменного аппарата

η = Δt/(t_г1 - t_х1 )

где Δt - действительное изменение температуры потока; (t_г1-t_х1)~ максимально возможное изменение температуры потока. Величина Δt₂ = t_г2 - t_x1 - называется температурной недорекуперацией, обусловленной ограниченностью поверхности теплообмена противоточного аппарата.

Контрольные вопросы к разд. 3.4

1 По каким признакам классифицируются ТОА СТ?

2 Какие требования предъявляются к ТОА ?

3 Какого типа воздухоохладители используются в СТ ?

4 Запишите уравнения теплового баланса для влажного и сухого воздуха в двухпоточном теплообменнике.

5 Запишите уравнение теплопередачи от теплой среды к холодной через стенку ТОА.

6 Что называется недорекуперацией в ТОА ?

7 Что такое коэффициент полезного действия ТОА ?

8 Какие способы осушки воздуха применяются в СТ ?

3.5 Основные требования, предъявляемые к воздушным системам термостатирования

1.Система термостатирования должна обеспечивать определённый температурно-влажностный режим изделия (объекта термостатирования - ОТ) во время его хранения и эксплуатации:

,

где , - минимальная и максимальная температуры ОТ. Однако непосредственно на объект термостатирования температурные датчики не устанавливают, а контролируют температуру воздуха около ОТ (вблизи), где имеются возможности монтажа датчиков. Поэтому разработчик ОТ задаёт требования к рабочему диапазону температур и относительной влажности воздуха, обеспечивающего необходимый тепловой режим ОТ:

,

где за счёт термического сопротивления воздуха между датчиками и поверхностью ОТ. Например, эти условия могут иметь вид: +10°С £ t £ +25°С; 60% £ φ£ 80% , где φ -относительная влажность воздуха - отношение водяных паров, содержащихся в некотором объёме воздуха, к массе водяных паров, насыщающих тот же объём воздуха при той же температуре. Если рассматривается поток воздуха, то вместо массы водяного пара имеется в виду его массовый расход.

Осушение воздуха до φ = 60 ... 80% может быть сделано конденсационным способом в воздухоохладителе. Если в требовании указывается более низкое значение φ (например, φ<60%), то это означает, что система термостатирования должна содержать в дополнение к воздухоохладителям либо адсорберы, либо вымораживающие устройства, обеспечивающие более глубокую осушку воздуха сорбцией влаги или её вымораживанием. Кроме того, в системах термостатирования должны быть устройства для регенерации (восстановления) увлажнённого сорбента или для оттайки инея и льда. Практически оба метода доосушки воздуха реализуются только в стационарных условиях.

Если допустимый перепад температуры воздуха в контейнере по длине изделия (Δt_L)_доп намного меньше интервала температур [t₁ ... t₂], то для экономии энергозатрат на термостатирование выгоднее задать в ТЗ на разработку СТ два интервала температур: [t₁ ... t₂] - для зимней эксплуатации и [t₂ ... t₃]] - для летней эксплуатации:

,

например,

+ 10°С £ t £+17°С - для зимы;

+ 17°С £ t £+25°С - для лета.

2. В пределах заданных интервалов температур [t₁ ... t₂] и [t₂ ... t₃] перепады температур по длине ОТ не должны превышать допустимых значений:

Δt_L1 £ (Δt_L)_доп, Δt_L2 £ (Δt_L)_доп

где Δt_L1 относится к [t₁ ... t₂], a Δt_L2 относится к интервалу [t₂ ... t₃].

3. В некоторых случаях, когда равномерность обтекания корпуса ОТ потоком воздуха-теплоносителя не может быть обеспечена из-за помех (выступов ) ограждения и другого оборудования, устанавливается ограничение на перепад температуры на единицу длины ОТ:

Δt_Li £ (Δt_Li)_доп, град/м.

4. Перепад температуры по диаметру ОТ не должен превышать допустимой величины:

Δt_D £ (Δt_D)_доп

где Δt_D -величина, измеряемая по датчикам температуры воздуха около ОТ.

5. Указываются параметры наружного воздуха в тех регионах, в которых предполагается эксплуатация ОТ: t_н - температура наружного воздуха; его относительная влажность φ_н и v_вет. -скорость ветра. Обоснование выбора предельных значений t_н для зимы и лета требует специального исследования. Если принять: крайние возможные значения t_н = ±50°С, то для поддержания температуры ОТ в заданных пределах потребуются большие энергозатраты и соответственно габариты и вес нагревательно-холодильной установки (НХУ). В то же время следует учитывать, что крайние минусовые и плюсовые температуры t_н могут наблюдаться статистически (по климатическому справочнику) всего несколько дней в году. Кроме того, тепловая изоляция контейнера, кузова или другого ограждения обладает определённой тепловой инерцией и способна задерживать или заметно ослаблять кратковременные тепловые волны. Поэтому для минимизации энергозатрат на термостатирование расчётные значения t_н принимаются меньшими крайних значений. Например, t_н = - 40°С и t_н = + 37°С для зимы и лета в зависимости от режима эксплуатации и особенностей конструкции. Поскольку имеются суточные колебания температуры наружного воздуха, то действительная температура ОТ будет изменяться в меньших пределах или даже оставаться неизменной.

Если в течение нескольких дней в году температура t_н выйдет за пределы данных значений, то в техническом задании должно быть указано допустимое суммарное время нахождения ОТ при температурах t, отличных от t₁ и t₂: t < t₁ и t > t₂ или t > t₃. Следовательно, в системе термостатирования должны быть установлены счетчики моточасов, которые подсчитывали бы время пребывания ОТ вне интервала температур [t₁ ... t₂] или [t₂ ... t₃] зимой и летом.

Если ОТ должен эксплуатироваться на открытом воздухе, то скорость ветра задаётся средней: например, для лета v_вет = 6 ... 8 м/с и для зимы v_вет = 10 ... 12 м/с. Отдельные порывы ветра до 20 ...25 м/с на тепловой режим ОТ практически не сказываются. Если в каких-то местах ветер длительное время дует с высокой скоростью, то в ТЗ это обстоятельство оговаривается отдельно. Например, если речь идёт о термостатировании оборудования высоко в горах, тундре и т.п.

6. Если ограждение ОТ не является герметичным и через щели, неплотности возможно натекание наружного воздуха, то в техническом задании на проектирование СТ указывается возможная величина инфильтрации наружного воздуха внутрь термостатируемого объёма: например, для специального вагона V_инф = 300 м³/ч.

7. В случае выхода из строя СТ или отключения источники электроснабжения на длительный срок должно быть определено время пребывания подвижной установки на открытом воздухе в зависимости от температуры t_н. За это время установку необходимо вернуть в сооружение.

8. Время выхода системы термостатирования на стационарный тепловой режим не должно превышать допустимую величину

τ_вых £ (τ_вых)_доп

Этот параметр характеризует динамические свойства СТ и чаще всего является трудновыполнимым, так как непросто учесть достаточно точно время захолаживания или нагрева до требуемой температуры всех масс элементов конструкции контура термостатирования. Под временем выхода на стационарный тепловой режим τ_вых понимается время от момента включения СТ до момента подвода к ОТ воздуха с заданной температурой, влажностью и запылённостью.

9 Время перехода СТ с одного режима работы на другой также ограничивается по времени

τ_перех £ (τ_перех)_доп.

Переход от охлаждения ОТ к его обогреву производится быстрее, чем переход от обогрева к охлаждению, так как время выхода холодильной установки, особенно большой холодопроизводительности, на стационарный режим значительно больше, чем электронагревательной установки. Необходимость перехода с режима обогрева на режим охлаждения и обратно возникает при эксплуатации крупных объектов типа железнодорожного вагона с изделием или ракеты-носителя, установленной на стартовом устройстве при температуре наружного воздуха близкой к 0°С . Неопределённость выбора теплового режима может наблюдаться в тех случаях, когда датчики температуры, находящиеся в теневой зоне, выдают сигнал на включение режима «Обогрев», а датчики, находящиеся на солнечной стороне ограждения, выдают сигнал на включение режима «Охлаждение». В этом случае полезным может оказаться режим «Перемешивание» воздуха в помещении без включения средств нагрева и охлаждения, т.е. вентиляция помещения по замкнутому контуру.

10. Запылённость воздуха не должна превышать допустимой величины. Следовательно, СТ должна быть оборудована фильтрами, обеспечивающими необходимую чистоту воздуха от пыли и обладающими достаточным ресурсом работы. Чем тоньше фильтрация, тем большую энергию надо затрачивать на подачу воздуха по контуру СТ. Чистота воздуха может задаваться в виде допустимой массы пыли в 1 м³ воздуха или количества пылинок на 1 см² поверхности контрольной пластины. Особенно тонкая фильтрация требуется в системах термостатирования космических аппаратов с оптической аппаратурой.

11. В некоторых системах термостатирования накладываются ограничения на частоту и амплитуду колебаний температуры воздуха, поступающего в ограждение с изделием. Следовательно, в контуре подачи воздуха должен быть тепловой демпфер или регенератор, сглаживающий эти колебания.

12. Для СТ подвижных агрегатов могут накладываться ограничения:

на массу нагревательно-холодильной установки:

М_нху £ (М_нху)_доп;

на габариты НХУ (высоту, ширину и длину):

Н £ Н_доп; B £ B_доп; L £ L_доп;

на компоновку отдельных составляющих агрегатов НХУ на шасси подвижной установки;

на перегрузку НХУ во всех направлениях:

13. К воздушным системам обеспечения температурного режима стационарного типа некоторые требования задаются в иной форме. Например, при термостатировании ракеты-носителя на старте осушенный и нагретый (охлаждённый) воздух подаётся в разные отсеки: двигательный, приборный, под обтекатель КА и т.п. В техническом задании указываются весовые или объёмные расходы воздуха к каждому потребителю : V₁, V₂, ... V_n в нм³/ч , т.е. в единицах «нормального» м³ - приведённого к атмосферному давлению, поскольку на входе в стартовое устройство давление воздуха больше атмосферного.

Также задаются температуры воздуха на входе в каждый ОТ:

t_вх = t_ном ± Δt_вх,

где t_ном - номинальная (средняя) температура; Δt_вх - допустимое отклонение от нормального значения. Обычно t_вх = ± 1,0 ... 2,0°C. Величина Δt_вх может снижаться до ± 0,5°С . Величина Δt_вх является характеристикой точности работы СТ. Для обеспечении; необходимых значений температуры t_вх проще охлаждать воздух до t < t_вх, а непосредственно перед подачей его в ОТ подогревать до t_ном . Регулировать подогрев значительно проще, чем охлаждение.

Суммарные значения объёмных расходов могут достигать 20000-30000 нм³/ч.

Контрольные вопросы к разд.3.5

1. Какие требования предъявляются к ВСОТР по обеспечению температурных режимов СТ?

2. Какие требования предъявляются к динамическим свойствам ВСОТР ?

3. На какие внешние условия должны расчитываться ВСОТР ?

4. Каким параметром оценивается точность работы ВСОТР ?