Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

Теплообменники устанавливаются вертикально или горизон-

тально.

При горизонтальной установке патрубки входа и выхода паров

размещаются в донышках так, что пар поступает в аппарат через

верхнюю

часть одного днища, а покидает его через нижнюю часть

другого днища. Специальное расположение патрубков направлено

на обеспечение возврата масла.

При вертикальной установке пар входит в аппарат снизу, про-

ходит гидравлический затвор, обеспечивающий возврат масла, и

выходит

вместе

с каплями масла через верхний патрубок; в обоих

вариантах установки жидкий холодильный агент идет внутри труб

противотоком по отношению к пару.

Теплопередающая поверхность кожухозмеевиковых теплообмен-

ников составляет от 0,08 до 14 м

. Маркировка теплообменника

предусматривает обозначение диаметров паровых патрубков,

например, Тф-25 - теплообменник фреоновый с диаметром паровых

патрубков 50 мм.

Кожухотрубные фреоновые теплообменники представляют собой

кожухотрубные аппараты общеизвестной конструкции с двумя

трубными решетками, трубным пучком и сегментными перегород-

ками в межтрубном пространстве.

трубном пространстве аппарата проходит жидкость из конден-

сатора, причем подача жидкости осуществляется через штуцер,

расположенный в нижней части днища, выход жидкости - через

штуцер, находящийся в верхней части другого днища. Цифровое

обозначение в маркировке этого вида теплообменника означает

площадь его теплопередающей поверхности, например

ТФ-25

теплообменник фреоновый теплопередающей поверхностью 25 м

Задачей теплового конструктивного расчета фреоновых тепло-

обменников

всех

трех типов является определение площади теп-

лопередающей поверхности. В исходных данных известными являют-

ся

температуры потоков на концах аппарата и расход потоков.

Определение среднего логарифмического перепада температур

осуществляется

по обычной формуле.

Коэффициенты

теплоотдачи

от

жидкостного и парового потоков рассчитываются на основе

принятых скоростей: для пара - 5-7 м/с, для жидкости -

0,5-0,8

м/с.

Если

теплообменник работает при степени сухости пара,

засасы-

ваемого

из испарителя, х < 0,98, то при расчете конвективного

коэффициента

теплоотдачи следует пользоваться поправкой

«0,9

0,98

«*=1

/54

(1-Х)

1,08).

(4.79)

121

Расчет

водяных

противоточных

переохладителей

Водяные

противоточные переохладители используются в амми-

ачных холодильных установках и предназначены для переохлаж-

дения

жидкого холодильного агента перед регулирующим клапаном

за

счет использования холодной, часто артезианской, воды. Такие

аппараты обычно являются принадлежностью крупных холодиль-

ных

установок. Конструктивно аппарат состоит из плоских двухтруб-

ных

змеевиков. Внутренняя труба р

38x3

мм вставляется в наруж-

ную р

57x3,5

мм, концы наружной трубы подгибаются и приварива-

ются

к поверхности внутренней трубы.

Жидкий

аммиак поступает в кольцевое межтрубное пространство

сверху

вниз (рис.

4.17),

распределяясь по вертикальным коротким

патрубкам от канала к каналу.

Вода

проходит противотоком по

внутренней трубе, имеющей по концам прямых участков соедини-

тельные калачи. Длина прямого участка двухтрубного элемента

5 м, количество элементов по

высоте

12 и 16. Переохладители вы-

пускаются

одно- и двухсекционные с площадью теплопередающей

поверхности соответственно 6 и 8 м

и 12 и 16 м

в зависимости

от

числа элементов и секций.

Пример

маркировки аппарата: 12ПП -

противоточный переохладитель с теплопередающей поверхностью

Последовательность

расчета аппарата следующая. Задавшись

разностью

температур на холодном конце аппарата (разность тем-

ператур между холодной водой и охлажденным жидким аммиаком)

= 2-М'С и зная расход охлаждающей воды, определяем из

Вход

жидкого

NHj

жидкого

ННз

Рис.

4.17.

Односекционный водяной промежуточный переохладитель

122

теплового

баланса переохладителя температуру воды на выходе

(температура воды на входе предполагается известной). Далее

определяем средний

логарифмический

перепад и

коэффициент

теплопередачи, при расчете которого следует учесть термическое

сопротивление ржавчины и водяного камня.

Значения

термичес-

ких сопротивлений можно

принять

по рекомендациям, ^приведен-

ным ранее для расчета кожухотрубных конденсаторов и испарителей.

Располагая тепловой нагрузкой, средним логарифмическим перепадом

коэффициентом

теплопередачи, можно

найти

площадь теплопере-

дающей поверхности переохладителя.

отдельных случаях расход охлаждающей воды может быть и

не задан.

Тогда

следует

принять

подогрев охлаждающей воды

4-6

"С,

что позволяет определить средний

логарифмический

перепад

температур и далее вести расчет по изложенной выше методике.

Ориентировочно

коэффициент

теплопередачи составляет 500-

700

Вт/(м

• К).

Расчет промежуточных водяных холодильников

Промежуточные водяные холодильники предназначены для

частичного сбива перегрева паров, нагнетаемых компрессором

низкой ступени в двухступенчатых холодильных машинах, рабо-

тающих на аммиаке. В таких аппаратах вода подается по внутри-

трубному пространству, а

пары

проходят межтрубное пространство

со

скоростями соответственно

0,5-0,8

м/с для воды и 5-8 м/с для

пара. Температура паров после холодильника обычно на

10—

15°С

выше

температуры охлаждающей воды. Процедура расчета тепло-

передающей поверхности обычная. Ориентировочно

коэффициент

теплопередачи

100-150

Вт/(м

-К).

Промежуточные водяные хо-

лодильники серийно не выпускаются и подбираются (проектируются)

индивидуально в каждом конкретном случае.

Расчет испарителей-конденсаторов каскадных

холодильных машин

Испарители-конденсаторы в каскадных холодильных машинах

выполняются в виде горизонтальных или вертикальных кожухо-

трубных теплообменников с кипением холодильного агента в

межтрубном пространстве (верхний каскад) и конденсацией паров

трубном пространстве

(нижний

каскад).

Возможна

и обратная

схема

теплообмена - конденсация паров в межтрубном пространст-

123

ве

и кипение агента внутри труб. Такая 'схема считается менее

эффективной.

качестве теплопередающей поверхности используются медные

оребренные трубы $

16x1,5

или

20x3

мм. В связи с низкотемпера-

турными условиями работы аппарата при его изготовлении исполь-

зуется

нержавеющая сталь. Полости пара и

кипящей

жидкости снаб-

жаются

предохранительными клапанами, обязательными являются

клапаны для выпуска воздуха и спуска масла. Для обеспечения

надежного слива конденсата горизонтальные аппараты устанавли-

ваются

с некоторым наклоном.

Спецификой

расчета испарителя-конденсатора является необ-

ходимость

учета термических сопротивлений воздуха при конден-

сации паров нижнего контура и слоев масла при

кипении

агента

верхнего

контура. Такой учет следует выполнять непосредственно

уравнении, которое определяет равенство тепловых потоков с обеих

сторон (конденсации и кипения). В итоге расчетное уравнение для

определения температуры стенки трубы и теплового потока имеет

вид

0,25

СМ—

Фр

0.75—— ('

-*„)-.»

f(n)Bi

]*(t„-t

(4.80)

Здесь

все обозначения соответствуют § 4.2, уравнениям

(4.22)

(4.64).

Расчет промежуточных сосудов

со

змеевиком

Такие

аппараты являются одним из трех типов промежуточных

сосудов,

предназначенных для работы в двух- и трехступенчатых

124

аммиачных холодильных машинах. Сосуды обеспечивают резкое

снижение перегрева паров, нагнетаемых компрессором низкой

ступени, охлаждение жидкого холодильного агента, идущего из

конденсатора к основному регулирующему клапану, отделение

капель жидкости от паров, идущих в компрессор высокой ступени.

Промежуточный сосуд со змеевиком представляет собой цельно-

сварную вертикальную конструкцию, в

нижней

полости которой

размещен стальной змеевик, куда подается основная часть

жидкости после конденсатора.

межзмеевиковом пространстве

кипит

при промежуточном дав-

лении

холодильный агент, образующийся при дросселировании доли

жидкости, поступающей из конденсатора. Эта жидкость впрыски-

компрессору

Ьысокого

да

Висни»

Выход

жидкого

агента

из

змсеВика

кот/рессора

низкого

дивлсния

жидкого

агента

зпсевик

Рис. 4.18.

Промежуточный сосуд со змеевиком:

- каплеотбойник; 2 - змеевик; 3 - уравнительная линия жидкости; 4 - линия

выпуска

масла;

5 -

указатель

уровня жидкости;

- впрыск жидкого

аммиака

в трубопро-

вод горячего пара из ступени низкого давления; 7 - манометр; S - клапан выпуска

воздуха

в нерабочем состоянии установки; 9 - уравнительная линия

пара;

10 - клапан

выпуска

воздуха во время

эксплуатации

125

вается

сверху в патрубок, через который под уровень жидкости

подается пар после компрессора низкой ступени. Жидкость в змеевике

переохлаждается до температуры, близкой к промежуточной, и

направляется к основному регулирующему клапану (рис.

4.18).

промежуточных

сосудах

со змеевиком масло после ступени

низкого давления не попадает в испаритель.

Аппараты подобного типа снабжаются клапанами для спуска

масла

и слива жидкого аммиака, а также штуцером с предохранитель-

ным клапаном.

При расчете промежуточного

сосуда

подлежат определению

теплопередающая поверхность змеевика и геометрические размеры

аппарата. Внутренний диаметр аппарата находят из условия допусти-

мой скорости пара по сечению (обычно не более 0,5 м/с).

Высоту

цилиндрической части принимают по соотношению ее к диаметру

от

2 до 4 с учетом размещения во внутренней полости змеевика

и отбойников капель.

Температуру стенки змеевика и плотность теплового потока

находят при

решении

уравнения

(4.22),

левая часть которого отражает

теплообмен жидкого холодильного агента, протекающего по внутри-

трубному пространству со стенкой, правая же часть - теплообмен

при

кипении

жидкого аммиака в межзмеевиковом пространстве

полости аппарата. Температура жидкого агента, выходящего из

змеевика,

принимается на

2-3°С

выше температуры кипящего

аммиака. Термические сопротивления загрязнений, учитываемые при

записи условия теплообмена во внутритрубном пространстве

змее-

вика, принимаются такими же, как и для аммиачных горизонтальных

кожухотрубных

испарителей

(масло,

ржавчина,

воздух).

Глава пятая

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

УЛУЧШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИСПАРИТЕЛЬНО-ГАЗИФИКАЦИОННЫХ

КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

5.1.

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

ИСПАРИТЕЛЬНО-ГАЗИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

ТЕХНИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Интенсификация

теплообмена в испарительно-газификационных

системах,

работающих в условиях выпадения влаги как в чистом

126

виде,

так и в виде льдоинеевых отложений, является актуальной

для современной техники низких температур.

Низкие температурные напоры между теплообменивающимися

средами в сочетании с высоким термическим сопротивлением обра-

зующихся

осадков из влаги, льда и инея приводят к существенному

снижению передающей плотности теплового потока, возрастанию

поверхности теплопередачи, габаритных и

массовых

показателей

оборудования.

Улучшение конструкции и повышение технико-экономических

показателей испарительно-газификационных систем на основе

снижения массы и объема аппаратов, уменьшения энергетических

затрат при их эксплуатации и стоимости изготовления возможно

путем повышения

интенсификации

тепломассообменных процессов.

Наиболее полное обобщение современных методов

интенсификации

теплообмена в испарителях холодильных машин и установок

содержится в [83]. Низкотемпературные условия эксплуатации

испарителей в сочетании с рядом эксплуатационных факторов (за-

грязнения поверхности стенки, слабая растворимость

масел)

при-

водят

к малым значениям

коэффициентов

теплоотдачи как со

стороны кипящего холодильного агента, так и на стороне жидкого

хладоносителя.

Известные

методы повышения

коэффициентов

теплоотдачи со

стороны жидких хладоносителей и кипящих фреонов достаточно

эффективны

по

своему

применению. Так, оснащение труб пористыми

металлическими и неметаллическими покрытиями при

кипении

фреонов в стекающей пленке и большом объеме дает увеличение

коэффициентов

теплоотдачи в 3-5 раз по сравнению с орошаемыми

гладкими трубами и в 5-10 раз для гладкой поверхности большого

объема

[83].

Существенной

интенсификации

теплоотдачи можно достичь

также

при течении жидких хладоносителей в каналах с использо-

ванием различных приемов турбулизации потока - от встроенных

кольцевых

турбулизаторов [84] до искусственно возбуждаемых

пульсаций давления в потоке

[85].

Гараздо

менее разработанным остается

интенсификация

наруж-

ного теплообмена в условиях выпадения на теплопередающей

поверхности осадков в виде влаги, инея и льда.

холодильной технике рекомендации по

интенсификации

тепло-

обмена при эксплуатации низкотемпературных воздухоохладителей

сводятся

к оптимизации циклов их оттаивания, тогда как сам по

себе

этот процесс неэффективен, поскольку связан с отключением

127

холодильного агрегата и требует дополнительных затрат энергии и

времени.

Аналогичная ситуация существует и в криогенной технике, где

непрерывность процесса

газификации

жидкого криогенного продукта

водяных газификаторах достигается искусственным подогревом

теплоносителя за счет подачи пара или электроэнергии [86, 87].

Термическое

сопротивление льдоинеевого осадка может дости-

гать

высоких значений. Как показано в гл. 3,

коэффициент

теплопро-

водности инея в сильной степени зависит от температуры его обра-

зования и уменьшается с ее понижением.

Следовательно,

термическое сопротивление инеевого осадка

является

главной

причиной

низких

коэффициентов

теплопередачи

низкотемпературных воздухоохладителях. Образование льда на

теплопередающей поверхности приводит к росту термического сопро-

тивления теплопередачи в еще большей степени, поскольку в

сопоставимых

по температуре условиях скорость роста слоя льда

гораздо выше, чем инея.

Все

сказанное подчеркивает необходимость разработки

эффек-

тивных методов

интенсификации

наружного теплообмена в испа-

рительных системах, работающих в условиях выпадения инея и

образования льда.

Ниже рассмотрены методы

интенсификации

наружной теплоотдачи

воздухоохладителях и воздухоосушителях с использованием

механических принципов удаления инея - пленкой стекающей

жидкости, скребковой насадкой, телами капиллярно-пористой

структуры (капиллярное

всасывание),

сепарацией капельной влаги.

Все

предложенные методы удаления инея не требуют остановки

холодильного агрегата и не нарушают технологического процесса

охлаждения и осушки воздуха

[88].

Интенсификация

теплообмена при образовании льда в водоохла-

дителях, льдогенераторах имеет особые методы решения и поэтому

все

вопросы, относящиеся к данной проблеме, рассмотрены в

§5.4.

5.2.

ПОДАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ИНЕЕВЫПАДЕНИЯ

СИСТЕМАХ

ОХЛАЖДЕНИЯ

ОСУШКИ ВОЗДУХА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Образование водяного инея на теплопередающих поверхностях

ухудшает эффективность, увеличивает габаритные и массовые

показатели низкотемпературного оборудования, особенно испари-

телей и воздухоохладителей промышленного и торгового назначе-

ния. В практике эксплуатации та"ого оборудования основным

128

метолом

удаления

инея

остается оттаивание. Очевидный недостаток

метода

состоит в необходимости периодически отключать холодиль-

ный контур, что нарушает технологический режим работы установки.

Следует

иметь в виду также дополнительный расход

энергии

тепловыделяющих элементах и потери при захолаживании системы

до рабочей температуры. Частота отключений для отогрева зависит от

конструкции и типа аппарата (испаритель, воздухоохладитель, гази-

фикатор), а также от условий эксплуатации (влажностный и темпе-

ратурный

режимы).

Во

многих случаях при отсутствии надежных датчиков роста

толщины слоя инеевого осадка холодильная система отключается

на отогрев по реле времени через произвольно устанавливаемые

интервалы, что приводит к существенному перерасходу электро-

энергии.

Увеличить .интервалы между отключениями на отогрев можно,

применяя

различные способы подавления процесса инееобразования.

Применение стороннего холодильного агента является одним из

приемов, предотвращающих появления

инея

на теплопередающей

поверхности стенки

[89].

Схема

низкотемпературной установки воздухоохладителя с

использованием стороннего холодильного агента показана на

рис.

5.1.

Установка

состоит из газового смесителя, 1, теплообменника 2

и фильтра-отделителя 3. Влажный

воздух

при температуре окружаю-

щей среды подается в смеситель 1, где смешивается с газообразным

холодильным агентом, температура конденсации которого выше 0°С,

температура затвердевания ниже самой низкой температуры на

поверхности теплообмена. В качестве хладагента может быть подоб-

ран

один

из

фреонов

с высокой температурой

кипения

(табл. 5.1) или

селевой

хладоноситель.

Смесь

направляют в теплообменник

на стенках каналов которого

холодильный агент конденсируется из потока влажного воздуха.

Образующаяся при этом транспортная пленка стекающей жидкости

увлекает

твердые частицы

инея

в фильтр-отделитель 3, где суспен-

зия отделяется от потока.

Далее поток очищенного воздуха направляется потребителю,

суспензия из жидкого холодильного агента и твердых частиц

подвергается разделению на жидкую и твердую фазы.

Жидкий

хо-

лодильный агент возвращается в теплообменник, твердая

фаза

удаляется в дренаж. Из условия сохранения транспортных

свойств

пленки на 1 м

теплообменной поверхности должно приходиться

129

Воздух

Фреон

Рис.

5.1.

Схема

низкотемпературной установки

воздухоохладителя для осушки воздуха с исполь-

зованием стороннего холодильного агента

Воздух

Иней

дренаж\

Рис.

5.2.

Схема

устройства отвода влаги с приборов

охлаждения телами капиллярно-пористой структуры

Таблица

5.1. Температурные

характеристики

фреонов

Холодильный

Температура,

°С

Холодильный

Температура,

°С

агент агент

Насыщения

Затвердева-

Насыщения

Затвердева-

при давлении ния

760

мм

рт.ст.

760

мм

рт.ст.

Фреон-11

23,7

-111

Фреон-30

41,6

-96,7

Фреон-21

8,9

-135

Фреон-160

12,2

-138,7

370-450

г конденсата холодильного агента или жидкого хладоноси-

теля. Обильная подача холодильного агента в смеситель вызывает

затопление каналов теплообменника на выходе и увеличение

сопротивления по прямому потоку.

Рассмотренная схема процесса допускает капельную подачу

стороннего холодильного агента на теплопередающую поверхность.

При этом обязательным является равномерное распределение

жидкости по смачиваемой поверхности. По сравнению с газовой

подачей капельная менее экономична, так как приводит к увеличе-

нию расхода стороннего холодильного агента.

130