Аппараты парожидкостных холодильных машин
6.2.1. Общие сведения
По назначению все аппараты ХМ можно разделить на две группы: основные и вспомогательные.
Основные (теплообменные) – это конденсаторы, испарители, конденсаторы-испарители – являются обязательными элементами ХМ и определяют принцип ее работы.
Вспомогательные аппараты – не являются принципиально обязательными. Они улучшают эксплуатационные качества ХМ (экономичность, надежность). К ним можно отнести переохладители, регенеративные (по назначению) ТО, промежуточные сосуды и др.
Основные аппараты в значительной степени определяют массогабаритные и энергетические показатели ХМ. Их доля в общей массе машины составляет 50-70%. Энергетические показатели ХМ зависят от величины необратимых потерь энергии в теплообменниках, т.е. от величины температурного напора (DТ) между теплоносителями. Уменьшение DТ ведет к улучшению эксплуатационных показателей, но увеличивает капитальные затраты, и наоборот.
Кроме термодинамического несовершенства потери энергии в ТО еще связаны с гидро- и аэродинамическими сопротивлениями. Чем они больше, тем выше затраты энергии на их преодоление (в насосах, вентиляторах).
Из всего сказанного вытекают общие требования к ТО аппаратам при их проектировании и модернизации: высокая интенсивность теплопередачи; малое гидравлическое сопротивление; простота конструкции, технологичность; компактность, малая металлоемкость; дешевизна материалов; удобство монтажа и ремонта и др.
6.2.2. Испарители
Классификация испарителей различна, в зависимости от принципа заложенного в ее основу.
По назначению испарители делят:
-для охлаждения жидких хладоносителей (в рассольных системах);
-для охлаждения технологических продуктов (при работе по схеме с непосредственным испарением ХА);
-для охлаждения воздуха;
-для охлаждения твердых сред.
-испарители-конденсаторы.
По характеру заполнения рабочим веществом:
-затопленные;
-незатопленные (оросительные, кожухотрубные с кипением в трубах, змеевиковые с верхней подачей жидкости).
По характеру движения хладоносителя различают испарители двух типов:
а) с закрытой системой циркуляции, т.е. когда хладоноситель циркулирует по трубкам аппарата. Это кожухотрубные, кожухозмеевиковые испарители.;
б) с открытым уровнем охлаждаемой жидкости. Это вертикально-трубные и панельные испарители.
Открытая система менее благоприятна из-за повышенной коррозии труб и бака испарителя. Кроме того нужны насосы большого напора для преодоления гидростатического напора.
В химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, как правило, применяют горизонтальные кожухотрубные испарители. В каскадной схеме применяют как горизонтальные так и вертикальные аппараты.
Принципиального различия между аммиачными кожухотрубными испарителями и аппаратами, работающими на хладонах нет. Отличие состоит в конструкции поверхности теплообмена и материалах, применяемых для изготовления. В аммиачных аппаратах применяются стальные бесшовные гладкие трубы. При работе на хладонах применяют медные трубы с накатанными ребрами. Пучок труб в испарителях шахматный, ромбический.
В испарителях для аммиака, пропана и пропилена на кожухе сверху устанавливается сухопарник (цилиндрическая обечайка со сферическим днищем. Внизу – маслосборник. Верхняя часть кожуха испарителя (примерно 20% объема) – без трубок. Она служит для освобождения паров от жидкости.
В аппаратах для хладонов трубки занимают 50-60% объема кожуха, т.к. заполнение объема хладоном значительно меньше чем аммиаком. Это связано с сильным вспениванием кипящего фреона из-за растворенного в нем масла. Оптимальная высота уровня зависит от среднего температурного напора в аппарате и составляет примерно 0,6 диаметра кожуха.
Панельные испарители имеют меньшее распространение, чем кожухотрубные. Предназначены они для охлаждения хладоносителя (рассола или воды) в открытых системах холодоснабжения. Панельный испаритель марки ИП – это металлический или железобетонный прямоугольный бак. В нем размещаются испарительные секции панельного типа и мешалки для циркуляции ХН. Секции соединены между собой коллекторами. Кипение ХА происходит в нижнем коллекторе и каналах панелей. ХН поступает самотеком в бак и омывает поверхности панелей.
Панельные испарители более безопасны, с точки зрения замерзания ХН, по сравнению с кожухотрубными испарителями.
Более подробное описание конструкций и методик расчета испарителей различных типов дано в литературе, например [3, 7, 8].
6.2.3. Конденсаторы
Конденсатор служит для передачи теплоты холодильного агента охлаждающей (окружающей) среде. В общем случае перегретый пар ХА в конденсаторе охлаждается до температуры насыщения, конденсируется и охлаждается на несколько градусов ниже температуры конденсации. Энергетические характеристики ХМ сильно зависят от температурных изменений охлаждающей среды.
По роду охлаждающей среды все конденсаторы можно разделить на:
а) аппараты с воздушным охлаждением;
б) аппараты с водяным охлаждением;
в) специальные (конденсаторы-испарители, конденсаторы с охлаждением технологическими продуктами).
По принципу отвода теплоты конденсаторы с водяным охлаждением делятся на проточные, оросительные и испарительные. Два последних типа называют также конденсаторами с водовоздушным охлаждением.
К проточным относятся горизонтальные и вертикальные кожухотрубные, пакетно-панельные, элементные и пластинчатые конденсаторы.
От конденсаторов требуется высокая эффективность работы. От нее зависит экономичность ХМ. Так, например, понижение температуры конденсации tк на 1 градус (с 30 до 29°C) для ХМ с поршневыми компрессорами, работающих при средних температурах холода (t0@-10¸-15°C) приводит к уменьшению удельного расхода энергии примерно на 1,5 %. Такой же эффект достигается охлаждением жидкого ХА на 1°C ниже tк.
В химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности наибольшее распространение получили три типа конденсаторов:
1) горизонтальные и вертикальные кожухотрубные аппараты водяного охлаждения. В межтрубном пространстве конденсируется ХА, а в трубах циркулирует вода. При температуре воды tw1=25-28°C температура конденсации принимается обычно tк=35-40°C. Подогрев воды в среднем составляет Dtw=4-8°C;
2) аппараты воздушного охлаждения общепромышленного назначения типа АВГ и АВЗ (с горизонтальным и зигзагообразным расположением секций оребренных теплообменных труб). ХА конденсируется в трубках, а нагнетаемый вентиляторами воздух обдувает внешнее оребрение труб. Температура конденсации в летний период может составлять tк=50-54°C;
3) горизонтальные или вертикальные кожухотрубные аппараты, в которых теплота отводится испаряющимся ХА другого контура каскадных ХМ. Это конденсаторы-испарители.
Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы с гладкими трубами марки КТГ применяются для конденсации водой аммиака, пропана, пропилена и других углеводордов.
Горизонтальные кожухотрубные с ребристыми трубами марки КТР применяются для конденсации хладонов. Трубки медные, отношение наружной поверхности трубок к внутренней (коэффициент оребрения) составляет примерно 3,5.
Сокращение потребления воды на промышленных предприятиях является важной проблемой. А холодильные установки являются значительными потребителями воды. Поэтому в настоящее время на ведущих предприятиях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности осуществляется переход к воздушному охлаждению конденсаторов.
Преимущества воздушного охлаждения:
а) меньшее загрязнение теплообменных поверхностей;
б) исключение опасности замерзания системы;
в) простота обслуживания;
г) меньшая коррозия и удешевление эксплуатации.
Недостатки: уменьшение теплоотдачи со стороны охлаждающей среды влечет увеличение габаритов, металлоемкости, повышение давления конденсации и, как следствие, увеличение энергозатрат.
Серийные аппараты разделены на категории А и Б: А – для безопасных и нетоксичных сред; Б – для взрывопожароопасных сред и токсичных продуктов.
Аппараты АВЗ отличаются от АВГ большей компактностью и меньшей металлоемкостью.
Более подробное описание конструкций конденсаторов и методики их расчетов приведены в [3, 7, 8].