Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

3KS

УЗ

Б.Т.МАРИНЮК

Л/

АППАРАТЫ

ХОЛОДИЛЬНЫХ

МАШИН

ТЕОРИЯ

РАСЧЕТ

МОСКВА

ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ

1995

4434

ББК

22.4

УДК 621.57

>__8НИИХОЛОД1У»АЦ|

Рецензент А.К. Городов

Маринюк Б.Т.

Аппараты холодильных

машин

(теория и расчет). - М.:

26 Энергоатомиздат,

1995,

160

с: ил.

ISBN 5-233-02129-7

книге приведена методика тепловых и конструктивных расчетов

теплообменных аппаратов холодильных машин, рассмотрены физико-мате-

матические

модели

процесса теплообмена в условиях льдообразования на

активной поверхности стенки.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников холодильной

промышленности и может быть также полезна для аспирантов и студентов

вузов соответствующих специальностей.

2204000000-041

КК1Г

„ .

051(01)95

Бе30бЪЯВД

ББКИ

ISBN 5-283-02129-7

©Автор,

1995

ПРЕДИСЛОВИЕ

•

-ж

- •

традиционных областях использования искусственного холода -

пищевой и химической промышленности, сельском хозяйстве, на

транспорте, в машиностроении и строительстве в последние годы

возросло

применение теплообменных аппаратов в

составе

оборудо-

вания парокомпрессионных холодильных

машин

для промышлен-

ных и гражданских сооружений.

Теплообменные аппараты во многом определяют массогабарит-

ные и энергетические показатели холодильных машин, и поэтому

тепловые и конструкторские расчеты являются важным и ответствен-

ным этапом при проектировании и создании новой холодильной

установки.

представленной книге изложены методика и

принципы

тепловых

расчетов основных и вспомогательных аппаратов холодильных

машин

и парокомпрессионных тепловых насосов. Помимо этого в книге

рассмотрены конструктивные схемы перспективных холодильных

машин

и теплообменных аппаратов. Особое внимание в книге уде-

лено процессам теплообмена в условиях льдоинеевых образований,

что встречается при работе теплообменных аппаратов змеевиково-

ребристого и пластинчатого типов.

книге большая часть изложенного материала носит оригиналь-

ный характер и нашла отражение в публикациях автора в отрасле-

вых

журналах и лекциях, читаемых автором по специальным курсам

Московском институте химического машиностроения

(МИХМ).

Автор выражает благодарность рецензенту А.К. Городову за

просмотр рукописи.

Автор признателен организациям СКБ Турбохолод, заводам

холодильного машиностроения "Компрессор", "Искра", "Борец",

акционерным обществам АО Мосхолод, Росмясомолторг,

фирме

Мар-

ком,

АОЗТ "Остров", оказавшим помощь в

издании

книги.

Отзывы

и замечания по предлагаемой книге автор примет с

благодарностью, их следует присылать по адресу:

113114,

Москва,

М-114,

Шлюзовая наб.,

10,

Энергоатомиздат.

Автор

Глава

первая

КЛАССИФИКАЦИЯ

И РАСЧЕТЫ АППАРАТОВ

ХОЛОДИЛЬНЫХ

МАШИН

1.1.

ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ АППАРАТОВ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

основе классификации аппаратов холодильных машин лежат

два

признака: технологическое назначение и конст-

руктивное оформление.

Признак технологического назначения следует понимать

смысле той

функциональной

роли, которую выполняет аппарат

схеме холодильной машины, и этот признак является основным.

Однако в пределах каждой технологической группы (конденсато-

ры, испарители) возможна классификация по конструктив-

ным признакам.

Целесообразно различать также основные и вспомогательные

аппараты. К разряду основных аппаратов относятся конден-

саторы и испарители.

Роль

и значение этих аппаратов в схеме холодильной машины

выделяют

их из тепло- и массообменного оборудования.

Достаточно указать, что суммарная масса конденсатора и испа-

рителя составляет 2/3 и 3/4 общей массы соответственно для аммиач-

ных

фреоновых холодильных машин.

Работа

аппаратов холодильных машин протекает в специфичес-

ких условиях, в частности в конденсаторах и испарителях холодиль-

ных

машин диапазон изменения давлений находится в пределах

0,8-2,5

МПа (конденсаторы) и

0,01-1,8

МПа (испарители), соответст-

венно этому температурный уровень работы аппаратов составляет

от

10 до

120°С

в конденсаторах и от +10 до

—

120°С

в испарителях.

Низкие температурные перепады в сочетании с разнообразием

видов

рабочих тел и энергоносителей также составляют особенности

теплообменных аппаратов холодильных машин

[1].

Конденсаторы холодильных машин подразделяются по виду

используемой охлаждающей среды на аппараты с водяным, воздуш-

ным и водовоздушным охлаждением.

свою

очередь конденсаторы с водяным охлаждением подразде-

ляются

на горизонтальные и вертикальные кожухотрубные, элемент-

ные и двухтрубные.

Конденсаторы с воздушным охлаждением выпускаются промыш-

ленностью малой, средней и большой производительности. Аппара-

ты малой производительности работают исключительно на

фреонах.

аппаратах большой производительности в основном используется

аммиак, и эти аппараты имеют общепромышленное исполнение и

оформляются в виде малопоточных, горизонтальных и зигзагооб-

разных конструкций.

Конденсаторы с водовоздушным охлаждением эксплуатируются

на аммиаке и по признаку характера охлаждения подразделяются

на оросительные и испарительные.

Испарители по виду охлаждаемой среды различаются на

испарители для охлаждения жидкостей и воздуха или других

газов.

Испарители для охлаждения жидкостей могут выполняться ко-

жухотрубными и открытыми погружными. В зависимости от места

организации

процесса

кипения

горизонтальные кожухотрубные

испарители выпускаются с межтрубным и внутритрубным кипением

холодильного агента.

По признаку конструкции активной поверхности различаются

два

типа открытых испарителей - вертикально-трубные и панельные.

Последние часто эксплуатируются в режиме холодоаккумуляции с

намораживанием льда на поверхности. В качестве испарителей

для охлаждения воздуха известны воздухоохладители и батареи,

работающие в условиях влаго- и инеевыпадения на активной по-

верхности.

Все

вспомогательные теплообменные аппараты можно по

функ-

циональному назначению разделить на теплообменные, емкостные и

улавливающие.

1.2.

РАСЧЕТЫ АППАРАТОВ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

На различных стадиях проектирования теплообменных аппаратов

выполняются следующие расчеты: тепловой конструктивный,

тепловой поверочный, гидромеханический и прочностной.

Тепловой

конструктивный расчет заключается в определении типа

аппарата, площади теплопередающей поверхности, геометрических

характеристик теплопередающей поверхности и корпуса (количество и

диаметр труб, размещение труб в пучке, размеры штуцеров, число

ходов,

габаритные размеры аппаратов и

т.д.).

качестве исходных данных при этом задаются тепловая нагрузка,

вид холодильного агента и тепло- или хладоносителя, некоторые

температуры.

Содержание поверочных расчетов связано с определением рас-

четным путем ряда характеристик имеющегося теплообменного

аппарата с определенной теплопередающей поверхностью, размерами

и т.д.

Гидромеханические расчеты обычно сопутствуют тепловым конст-

руктивным расчетам и имеют целью определение гидравлического

сопротивления по полостям холодильных агентов и тепло- и хладоно-

сителей для выбора типа и числа насосов, смесителей, вентиляторов.

Прочностной расчет проводится как заключительная стадия

конструктивных расчетов с целью подбора материалов аппаратов

и нахождения толщин стенок обечаек, крышек и других элемен-

тов

и деталей оборудования.

Глава

вторая

ТЕПЛООБМЕН

УСЛОВИЯХ

ЛЬДООБРАЗОВАНИЯ

НА

ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ

ПОВЕРХНОСТИ

СТЕНКИ

2.1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА

ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ЛЬДА

Явление

образования льда на теплопередающей поверхности стенки

имеет важное практическое значение в различных области примене-

ния искусственного холода.

криогенной технике получило распространение использование

теплоты морской воды для

газификации

сжиженных

газов,

в част-

ности водорода [2]. Транспортные

газификационные

установки,

предназначенные для получения газообразного кислорода под

давлением, снабжены испарителями, работающими за счет электро-

подогрева воды, омывающей теплопередающую поверхность [3].

установках опреснения морской воды с использованием низко-

температурного метода работа кристаллизаторов также сопровож-

дается

льдоообразованием

[4].

последние годы интерес к процессу теплообмена в условиях

льдообразования усилился в связи с выполнением национальных

и международных программ по освоению акватории северных морей и

арктического побережья [5]. Значительное место в этих программах

отводится

технологии возведения ледяных буровых

платформ

методом

намораживания при использовании искусственного и

естественного

холода

[6],

[7].

Современная техника низких температур, криогенная и

холо-

дильная техника содержат большие возможности по применению

новой техники возведения

платформ

для поиска и разведки

нефти

и газа как на морском шельфе, так и на участках слабых грунтов

(болота,

водоносные пески и

т.д.).

Широкое и крупномасштабное внедрение искусственного замо-

раживания больших участков слабых грунтов и морского шельфа

сдерживается

отсутствием опыта и малой изученностью процесса

теплообмена при льдообразовании. В частности, применение низких

температур для целей замораживания воды и слабых грунтов требует

знания динамики роста слоев намораживаемого льда. Расчет харак-

теристик процесса теплообмена в этом случае связан с учетом ряда

факторов - температурной зависимости теплофизических

свойств

льда, конвективной теплоотдачи к поверхности льда, термоклин и

т.д., которые плохо поддаются учету.

Процесс

низкотемпературного теплообмена в условиях образования

льда на теплопередающей поверхности относится к сложным про-

цессам

фазового превращения вещества. Точное решение данной

проблемы для двух частных случаев найдено Нейманом и Стефа-

ном

[8], [9].

Для расчета теплообмена, осложненного намерзанием льда, в

технике низких температур характерны приближенные аналитичес-

кие решения с экспериментальной проверкой результатов. С этой

точки зрения интерес представляет ряд публикаций по расчету

толщины намораживаемого льда в льдогенераторах

[10-12].

[10] изложены результаты теоретического и экспериментального

анализа процесса намерзания тонких слоев льда в аппаратах непре-

рывного действия. В теоретической постановке рассмотрена задача

намерзания льда на охлаждаемой стенке при ее обтекании потоком

пресной воды с конечной скоростью.

Приближенное аналитическое решение получено при принятых

упрощающих допущениях, касающихся прямолинейности

профиля

температур в слое льда, и соблюдении теплового взаимодействия пер-

вого

рода со стороны холодильного агента.

Сравнение расчетных данных с опытными показало, что при малых

частотах

вращения барабана (от 1 до. 3 об/мин) расхождение между

фактической производительностью и расчетом достигает 25%, с

увеличением частоты вращения барабана до 10 об/мин расхождение

снижается

до 1,5%. Проведенное сравнение указывает на то, что

принятие

прямолинейного

профиля

температур в слоях наморажи-

ваемого

льда оправдано только для малых толщин.

Как показали исследования, проведенные

ЛТИХП,

интенсивность

процесса

намерзания льда существенно зависит от условий тепло-

обмена на границе стенка-хладагент. В связи с этим составлена

математическая модель процесса при тепловых условиях взаимодей-

ствия

третьего рода со стороны холодильного агента [11]. Процедура

получения результата сводится в этом случае к решению системы

уравнений теплопроводности в слое льда и стенке при условиях

сопряжения и

соответствующих

краевых условиях.

качестве допущения при постановке задачи принято предположе-

ние о прямолинейности

профиля

температур в слое льда и толще

металлической стенки. Принятие такого распределения температур

существенно

огрубляет математическую модель задачи, что может

привести к ошибкам в решении, величина которых будет тем больше,

чем больше толщина слоя льда.

Для расчета толщины намораживаемого льда предложено урав-

нение

•+

(2.1)

здесь

г - теплота фазового перехода воды в лед, Дж/кг; р - плотность

льда, кг/м

; t

- температура кипения холодильного агента, °С; ос

коэффициент

теплоотдачи от воды к стенке,

Вт/(м

• К); к

, к - коэф-

фициент

теплопроводности металлической стенки и льда

соответ-

ственно,

Вт/(м

•

К); R - толщина металлической стенки, м; £ - коор-

дината поверхности раздела лед-вода; N -

коэффициент,

учитываю-

щий степень

интенсификации

процесса льдообразования.

Анализ полученного решения, проведенный на ЭВМ, показал, что

интенсификация

процесса льдообразования путем увеличения

коэффициента

теплоотдачи со стороны холодильного агента возмож-

на до

1200-1500

Вт/(м

• К), дальнейшее увеличение теплоотдачи со

стороны холодильного агента практически не влияет на рост толщины

слоя

льда.

статье не приведены экспериментальные данные по испытаниям

генераторов льда.

Важным

для практики случаем является намерзание льда при

натекании жидкости на охлажденную цилиндрическую поверхность.

Известно

приближенное аналитическое решение такой задачи при

краевом условии первого рода на внутренней поверхности и краевом

условии третьего рода на внешней

[13].

Математическая модель включает запись

дифференциального

уравнения Фурье для металлической стенки и слоя льда в

цилиндри-

ческих

координатах при соответствующих краевых условиях и

условиях

сопряжения.

Для упрощения процедуры решения предложено заменить поля

истинных температурных кривых в металлической стенке и слое льда

их

простейшими аналогами, соответствующими стационарному

режиму теплообмена. Такой прием позволяет представить резуль-

тат в компактной форме, удобной для проведения расчетов.

Температура поверхности раздела металлическая стенка-лед

находится из выражения

V.«"T7iT

—

+ R

1п

„

о о

(2.2)

здесь

к, К

коэффициенты

теплопроводности льда и стенки

соот-

ветственно;

- температура кипения холодильного агента; г

радиус внутренней стенки

цилиндра;

R, £ - толщина стенки металли-

ческого

цилиндра

и толщина слоя льда; f

- температура фазового

перехода жидкости в лед.

Время

намерзания слоя льда определяется по соотношению

-in

-In

x*_

Kt.

(r +

—

r+R

+R\

<'.•*>

(2.3)

где

P - плотность намораживаемого льда; у - теплота фазового

перехода воды в лед; а -

коэффициент

теплоотдачи от жидкости к

поверхности льда; t

- температура замораживаемой жидкости.

Модификация уравнения (2.3) применительно к плоской стенке

имеет вид

2Х

(X^ +

atjK)

(2.4)

III 7.11 ill 'ill

r,iiun

Рис.

2.1. Сопоставление эксперименталь-

ных

данных с результатами

расчетов

по

уравнению

(2.4):

—

экспериментальные данные;

результаты

расчетов

по уравне-

нию

(2.4);

—

температура кипения

хлад-

агента

—

29,5°С,

температура воды

+12°С;

—

температура

кипения

криогента—

196°С,

температура

воды

+12°С

Уравнение (2.4) является более удобным для выполнения расче-

тов,

так как позволяет избежать при вычислениях разности близких

величин. Поскольку в рассматриваемой работе не приведено сопо-

ставление теоретических и опытных данных, расчетные значения

толщины слоя льда по уравнению (2.4) сопоставлены с опытными

значениями, приведенными в

[14]

(рис.

2.1).

Как следует из сопоставления, различие экспериментальных и

теоретических данных тем больше, чем ниже температура поверх-

ности стенки и больше толщина слоя льда.

Стремление получить аналитическое решение задачи Стефана

привело к созданию ряда математических подходов, наиболее

известными из которых являются: сведение задачи Стефана к раз-

личным функциональным системам уравнений [15, 16], разложение

решения задачи в ряд по "мгновенным" или локальным собствен-

ным

функциям

[17],

метод интегральных преобразований

[18].

Для инженерной практики представляет интерес метод последо-

вательных

приближений [19], используемый при

решении

задачи о

промерзании жидкости, натекающей на изотермическую стенку при

постоянной ее температуре (граничные условия первого рода).

Развитием метода последовательных приближений в

решении

задач

переменной границей является анализ, представленный в [20].

Процедура решения предусматривает поиск

интегродифференциаль-

ного уравнения путем интегрирования

дифференциального

уравне-

ния теплопроводности с учетом краевых условий. Решение интегро-

дифференциального

уравнения выполняется методом последователь-

ных

приближений, после чего определяется время, в течение которого

на бесконечной пластине намерзнет слой льда заданной толщины.

Получение численного результата на основе изложенной методики

возможно

только с использованием

ЭВМ.

Более

привлекательным с точки зрения представления готового

результата является методика К.Н. Чакалева, использующая прием