Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

Недостаток метода подавления инееобразования с использованием

стороннего холодильного агента - необходимость организации

вынужденной

циркуляции

вводимого

фреона,

а также низбежные

потери его из-за разности упругости паров в потоке и над поверх-

ностью

стекающей пленки.

Этого

недостатка нет в работе приборов охлаждения, основанной

на отводе сконденсированной влаги телами капиллярно-пористой

структуры [90]. На рис. 5.2 изображена

схема

устройства прибора

охлаждения.

Прибор охлаждения с оребренной теплопередающей поверхностью

помещен в изоляционный кожух. Ребра охлаждающего прибора

заключены в оболочку из капиллярно-пористого материала, в

качестве

которого используется металлическая мелкоячеистая сетка,

соединенная в несколько слоев точечной сваркой.

Теплый конец капиллярно-пористой оболочки каждого ребра

выводится

через стенку изоляционного кожуха в окружающую

среду.

Для защиты от атмосферных воздействий и загрязнений все

сетчатые

выводы расположены под навесом.

Работа

прибора осуществляется следующим образом. Периоди-

ческая подача хладагента в

прибор

охлаждения вызывает охлаждение

ребер, а также их покрытия из капиллярно-пористого материала.

При этом на поверхности капиллярно-пористой оболочки и внутри

нее происходит выпадение капельной влаги, которая под действием

капиллярных сил транспортируется за пределы изоляционного кожуха

окружающую среду. Непрерывное удаление влаги из сетчатых

выводов

осуществляется простым испарением.

Достоинствами системы подавления процесса игеевыпадения,

описанной выше, являются простота устройства и отсутствие движу-

щихся частей; кроме

того,

не требуются дополнительные источники

энергии.

Эффективность работы системы капиллярно-пористого

отсоса

влаги в сильной степени зависит от температурного режима работы

прибора охлаждения. Как показали теоретические оценки, очехление

ребер мелкоячеистой сеткой целесообразно при температурах

основания ребра -

15°С

и выше. При низкотемпературных режимах

эксплуатации прибора охлаждения происходит замерзание капилляр-

ных

каналов и резкое ухудшение условий транспортировки капель-

ной влаги по ним.

Идея совмещения

принципа

интенсификации

теплообмена в

воздухоохладителях

путем удаления части твердого осадка ледо-

инеевых

отложений развита в техническом

решении

[191].

131

Ж.

Рис.

5.3. Конструктивная схема воздухо-

охладителя с П-обраэными вставками

±_

Схема

устройства воздухоохла-

дителя, представленная на рис. 5.3,

включает

в качестве основных кон-

структивных элементов змеевики

для

циркуляции

холодильного

агента и ряд пластинчатых ребер 2,

насаженных на прямых участках

змеевиков

с шагом относительно

друг друга. В межреберном прост-

ранстве установлены вертикальные

П-образные вставки 3, выполнен-

ные из

перфорированного

алюмини-

евого

листа, укрепленного у осно-

вания на плите 4, которая в

свою

очередь жестко связана посредст-

вом

штанги 5 с корпусом компрес-

сорного агрегата 6.

Ввод

штанги 5 через ограждения холодильной камеры 7 осущест-

вляется

через резиновые манжеты 8. Компрессорный агрегат 6

соединяется со змеевиком 1 воздухоохладителя трубопроводом 9.

Принцип

действия описываемого устройства заключается в

следующем.

Влажный отепленный воздух камеры 7 поступает в

межреберное пространство воздухоохладителя, где охлаждается

благодаря кипению холодильного агента в каналах змеевиков / и

конвективной теплоотдаче от ребер 2.

результате переохлаждения водяной пар, содержащийся в возду-

хе,

выпадает в воде

инея

на поверхности ребер и межреберных участ-

ках

змеевиков.

При работе компрессорного агрегата 6 возникающие колебаниия

корпуса передаются по штанге 5 к гориизонтальной плите и к укреп-

ленным на ее поверхности П-образным вставкам 3, размещенным

межреберном пространстве с зазором. Совершая возвратно-посту-

пательное движение в межреберном пространстве, П-образные вставки

срезают

кромками

перфорации

слой

инея

с пластинчатых ребер 2.

Измельченный

иней

подхватывается потоком воздуха и уносится за

пределы воздухоохладителя в объем камеры. Периодическое уда-

ление

инея

с рабочих поверхностей воздухоохладителя обеспечи-

132

вает

непрерывность его работы без необходимости организации

отогревов.

Последнее дает значительное сокращение потребляемой

энергии и непроизводительных простоев оборудования.

Помимо этого устройство воздухоохладителя с П-образными

вставками

обладает рядом других преимуществ, среди которых

следует

отметить развитые поверхности теплообмена за счет возник-

новения искусственной шероховатости и пористости выпавшего

на ребрах слоя, а также увеличение суммарного

коэффициента

теплоотдачи.

Как показали исследования, в условиях вынужденной конвек-

ции воздуха

коэффициент

теплоотдачи к шероховатому слою инея

почти в 2 раза выше аналогичных показателей для плоской стенки

без

инея. Суммарный

коэффициент

теплопередачи при этом зависит

от

толщины образованного слоя. При толщине слоя меньше 2 мм

коэффициент

теплопередачи становится выше по сравнению с

условиями бёзынеевого теплообмена гладкой стенки с сухим

воз-

духом

[51].

устройстве воздухоохладителя с П-образными вставками именно

такие условия

интенсификации

достигаются при зазоре 1,5-2 мм

между

пластинчатыми ребрами и перфорированными стенками

вставок.

Следует

сказать, что устройство действует автоматически и не

требует постановки управляющей автоматики. По мере намерзания

слоя

инея на ребрах происходит отепление рабочего объема камер.

Стандартная автоматика обеспечит включение компрессора, что

приведет к быстрому удалению лишних слоев инея с поверхности

ребер и понижению температуры воздуха в камере.

Так

как

иней

не удаляется из полезного объема камеры, продукты

охлаждаемые

там, не подвергнутся усушке, их качество будет

сохранено.

Способность

воздухоохладителя с П-образными вставками

к удалению инея с теплопередающей поверхности и выносу его

за

пределы змеевиково-ребристой батареи позволяют использовать

этот

аппарат для целей генерации искусственного снега.

Конструкция снегогенератора на основе воздухоохладителя

П-образными вставками имеет ряд особенностей, вытекающих

из назначения аппарата и

принципа

его работы. В частности, водо-

разбрызгивающие форсунки, обеспечивающие подачу основной

массы

воды в поток холодного воздух, должны быть расположены

после

змеевиково-ребристой батареи воздухоохладителя. В этом

случае

иней, образованный на теплопередающей поверхности батареи,

133

результате работы П-образных вставок устройства снятия

инея

перейдет в холодный поток воздуха в виде мелкодисперсной ледяной

пыли, которая станет

центрами

кристаллообразования для основной

массы

воды, впрыскиваемой в поток холодного воздуха. В резуль-

тате образование кристаллов искусственного снега будет происходить

активно и при меньшей разности температур между водой и воздухом.

Образование мелкодисперсной ледяной пыли обеспечивается

начальным влагосодержанием воздуха, которое при прочих равных

условиях

выше у воздуха, имеющего большую температуру. Поэтому

при

наличии

соответствующего резерва по холодопроизводитель-

ности возможна эксплуатация снегогенератора в условиях положи-

тельных

температур окружающего воздуха.

Обеспечение незабиваемости кожухотрубных и кожухозмееви-

ковых

теплообменников-охладителей влажных газов также дости-

гается

путем удаления водяного

инея

с теплопередающей поверх-

ности стенки. В практике эксплуатации теплообменников-вымора-

живателей влаги эта задача решается установкой двух аппаратов,

работающих параллельно, причем когда

один

теплообменник рабо-

тает,

другой переключается на отогрев. Попеременное переключение

аппаратов обеспечивает непрерывный эксплуатационный

цикл

[921.

Недостатком схемы параллельно действующих теплообменников-

вымораживателей является удорожание установки из-за

наличия

дополнительного аппарата и автоматически действующего меха-

низма переключения клапанов, управляемых логическим устройст-

вом.

Формирование сигнала, управляющего работой механизма

переключения клапанов, осуществляется в логическом устройстве

на основании поступающих от датчиков температуры или перепада

давлений сигналов о достижении заданных либо предельно допусти-

мых

значений

этих величин.

Насыщенность схемы арматурой и автоматикой оправдывает

ее

применение

в таких сложных и ответственных узлах теплообмена -

очистки воздуха, какими являются устройства регенераторов уста-

новок разделения воздуха

[93].

Стремление упростить узел теплообменников-вымораживателей

влаги из воздуха привело к техническому решению, в котором

незабиваемость

кожухотрубного теплообменника обеспечивается

одном аппарате

[94].

На рис. 5.4 представлена схема устройства теплообменника,

реализующая техническую сущность предложенного решения. Теп-

лообменник состоит из обечайки 1, трубного пучка 2, трубных реше-

ток 3, крышек 4 и 5, штуцеров входа и выхода холодильного агента

134

Рис.

5.4.

Схема

устройства теплообменника

10-

7, подводящих и отводящих пат-

рубков влажного воздуха 8 и 9.

Кроме

того,

в межтрубном прост-

ранстве пучка между трубными

решетками смонтирована очисти-

тельная насадка 10, укрепленная

на упругих элементах 11. Очисти-

тельная насадка выполняется из

высокотеплопроводного металла

форме

шара,

цилиндра

или

а)

6) б) г)

эллипсоида. Упругие элементы представляют собой гибкие стальные

спицы

разной

длины (рис. 5.4), конструктивно могут выполняться

также

в виде

пружин

(рис. 5.4, а

тл

б) или подвесных

нитей

(рис. 5.4,

и г).

Масса

элементов очистительной насадки и интервал ее размещения

зависят

от жесткости упругих связей и высоты теплообменника.

Работа

теплообменника-вымораживателя осуществляется

сле-

дующим образом. Низкотемпературный энергоноситель (хладагент)

поступает по штуцеру во внутритрубное пространство пучка 2.

Охлаждаемый поток влажного воздуха,

пройдя

штуцер 8, поступа-

ет

в межтрубное пространство аппарата, где из него выпадает инее-

вый осадок,

формирующийся

на стенке трубок в виде слоя пере-

менной толщины. Под действием охлаждаемого потока воздуха

расположенная в межтрубном пространстве на упругих элементах

очистительная насадка 10 приходит в колебательное движение

и ударяет по трубкам пучка 2. В результате инеевый слой подвер-

гается

разрушению и измельченные частицы

инея

выносятся потоком

воздуха

через отводящий патрубок 9. Отепленный хладагент покидает

аппарат через штуцер 7.

Для успешной работы теплообменника необходимо обеспечить

среднюю скорость воздуха в межтрубном пространстве аппарата

14-16

м/с.

135

5.3.

ИНЕЙ

КАК

ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Опыт транспортировки жидких криогенных продуктов по неизо

лированным участкам трубопроводов показал, что образование

устойчивого слоя инея толщиной 4-8 мм снижает теплоприток

5-10 раз

[92].

Получение устойчивого слоя инея в условиях крио-

генных температур на металлической поверхности стенки затруд-

нено, так как при высоких температурных напорах между стенкой и

окружающей средой фазовый переход водяного пара в

иней

про-

исходит не на стенке, а в пограничном

слое,

который уносит частицы

инея.

Режимы образования устойчивого слоя инея на трубопроводах

направлены на предотвращение образования частиц инея в толще

пограничного слоя. Для этого процесс теплообмена рекомендуется

вести

в несколько этапов

[95].

На первом этапе производится предварительное захолаживание,

позволяющее

получить слой инея по всей поверхности трубопровода.

Осуществляется

это прерывистой подачей малых

порций

жидкого

продукта или кратковременной подачей холодного газа.

Предварительное охлаждение идет до образования на стенке

сплошного инеевого покрытия толщиной 4-6 мм.

Второй

этап захолаживания производится при рабочих расходах

криогенного продукта по трубопроводу, при этом слой инея будет

увеличиваться автоматически в течение

всего

периода транспорти-

ровки.

Подслой, образованный на первом этапе, обеспечивает стабиль-

ный и безотрывный рост инея на стенке во время второго этапа.

Особенность

теплообмена при инееобразовании заключается в

развитии процесса в сторону саморегулирования термического

сопротивления слоя, когда увеличение теплопроводности компен-

сируется ростом толщины слоя, что обеспечивает (приближенно)

постоянство

термосопротивления слоя инея.

Оценка среднего эффективного

коэффициента

теплопроводности

инея показала, что наименьшей теплопроводностью обладает

иней

низкой плотности, образованный при криогенных температурах. Такой

иней

легко отслаивается от стенки при толщине 4-8 мм. По наблюде-

ниям

нижний

предел плотности инея, удерживающегося на металли-

ческой поверхности и условиях естественной конвекции воздуха,

составляет

40-

кг/м

табл. 5.2 сопоставляются средние эффективные

коэффициенты

теплопроводности инея с

коэффициентами

теплопроводности различ-

ных

видов тепловой изоляции.

136

Таблица

S.2.

Теплопроводность инея

сравнении

другими видами тепловой изоляции

Средняя

Коэффициент

теплопроводности, Вт/(:

м-К)

плотность температу-

материала,

ра

слоя,

инея

минераль- магнезии пробки пеностекла

кг/м

инея,К

ной ваты

100

190 0,0541

0,022

0,025

0,037

200

190 0,0667 0,025

0,025

0,035

0,044

Как видно из табл. 5.2, теплопроводность

инея

сопоставима с

теплопроводностью изоляционных материалов, хотя и превышает

1,5-2 раза.

Результаты исследования теплопроводности слоя инеевого осадка

позволяют рассчитать его термическое сопротивление и оценить*

плотность теплового потока к теплопередающей поверхности стенки.

При этом заданными могли бы быть температура теплопередающей

поверхности стенки, условия в среде окружающего воздуха (темпе-

ратура и влагосодержание), а также временной интервал процесса

теплообмена.

5.4. НАМОРАЖИВАНИЕ ЛЬДА

КАК

МЕТОД УЛУЧШЕНИЯ

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН РОТАЦИОННОГО ТИПА

Использование ледяного кольца

вакуумном

насосе-компрессоре

для

транспортирования

холодных

газов

паров

Эксплуатация крупных резервуаров с жидкими криогенными

продуктами часто связана с необходимостью проведения вакуум-

ной откачки холодных газов и паров. При этом процесс обычно

организуется по схеме с использованием промежуточного теплооб-

менника и вакуумного насоса

[96].

Если

в резервуаре хранится жидкий криогенный продукт -

кислород, то для его переохлаждения в качестве средства вакуум-

ной откачки обычно используется водокольцевой вакуумный насос.

этом случае схема процесса откачки становится

малоэффективной

как из-за

наличия

промежуточного теплообменника, представляющего

значительное сопротивление в вакуумном контуре, так и из-за

137

РИС.

5.5. Вакуумный насос-компрессор

для

ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

холодных

ГАЗОВ

И паров

высоких

потерь мощности

водо-

кольиевом насосе

на

перемещение

поды п цилиндре.

Анализ работы водоколыдевого

вакуумного насоса показал, что при

использовании

качестве уплот-

няющей среды водоледяной компо-

зиции, армированной металличес-

кой сеткой, можно вести прямую

откачку холодильных

взрыво-

опасных

газов и паров

[97].

На

рис. 5.5

показана конструктивная схема вакуумного насоса-

компрессора

для

транспортирования холодных газов

паров.

Основными элементами являются

цилиндр

с рубашкой 2, тепловой

ключ

ротор

лопатки

всасывающий патрубок

всасывающее

окно

нагнетательное окно

нагнетательный патрубок

сетчатый

барабан 10.

Вакуумный

насос-компрессор предложенной конструкции работает

следующим образом. Перед началом работы

цилиндр

заливают

порцию воды посредством теплового ключа 3, встроенного

рубашку

полость

цилиндра

соединяется

окружающей средой.

При вращении ротора

лопатки

5 все

серповидное простран-

ство

делят

на ряд

ячеек,

каждой

из

которых

на

периферии

форми-

руется водяной слой равной толщины, соединяющийся

единое

кольцо.

Так как

ячейки правой части увеличивают свой объем,

ячейки левой части уменьшаются

объеме,

то

холодный пар

или газ

из всасывающего патрубка

через всасывающее окно

поступает

на

всасывание

ячейки правой части, которые переносят .его

одно-

временным сжатием

левую часть. Отвод сжатого холодного газа

производится через нагнетательное окно

8 и

нагнетательный патру-

бок

138

Одновременно в результате охлаждения поверхности водяного

кольца

изнутри

холодным газом кольцо промерзает на толщину

ледяного кольца, образованного сетчатым барабаном 10.

Ледяное кольцо вращается вместе с сетчатым барабаном и лопат-

ками в водяном кольце. Водяное кольцо является гидрозатвором

и не создает значительного сопротивления вращению ротора с

лопатками, как в водокольцевом насосе-компрессоре, поскольку

лопатки в предложенном устройстве не погружены в воду, а следо-

вательно,

не перемешивают ее. С другой стороны, водяное кольцо

выполняет роль смазочной среды для системы ротор-лопатки-сетча-

тый барабан. Водяное кольцо не замерзает от контакта со льдом из-за

наличия

теплопритоков из окружающей среды через тепловой ключ

и подачи своих

порций

воды.

Предложенное устройство вакуумного насоса-компрессора имеет

следующие преимущества:

можно откачивать газы и пары, находящиеся при низких темпера-

турах вплоть до криогенных;

отсутствует

необходимость постановки теплообменника между

резервуаром и вакуумным насосом;

уменьшается" остаточное давление, до которого можно вести

откачку жидкого криопродукта;

достигается

снижение расхода

энергии

на транспортирование газа;

при работе в режиме компремирования повышается степень

сжатия легких газов из-за их низкой температуры;

конструкция вакуумного насоса-компрессора позволяет

осу-

ществлять

откачку и сжатие горючих и взрывоопасных газов, а

также

газов, склонных к распаду;

предложенной конструкции вакуумного насоса-компрессора

снижается

расход воды, подаваемой в

цилиндр.

Намораживание льда

холодильной машине ротационного типа

Существующие

методы охлаждения жидкостей построены на

схеме

погружения охладителей в ванну с жидкостью. При этом,

поскольку

интенсивность теплопередачи в охладителях мала,

установка

имеет большие габариты и массу. Необходимыми эле-

ментами погружной схемы являются также смеситель, устанавли-

ваемый в ванне с жидкостью, и насос, подающий охлажденную

жидкость

потребителю.

139

Рис.

5.6. Холодильная машина для охлаждения жидкостей

предложенной

схеме

(рис. 5.6) насоса-охладителя жидкости,

работающего в

составе

холодильной машины, эти

функции

объеди-

нены в одной холодильной машине, которая помимо этого выполняет

роль охладителя

[98].

Основными элементами

схемы

установки, представленной на

рисунке, являются компрессор 1, конденсатор 2, теплоизолиро-

ванный бак-сборник охлаждаемой жидкости 3 и насос-охладитель

в виде

цилиндра

с рубашкой для холодильного агента 5 и рото-

ром 6, оснащенным подвижными лопатками 7 и межлопаточными

карманами 8.

Установка

с насосом-охладителем работает следующим образом.

компрессоре 1 производится сжатие холодильного агента до

давления конденсации, после чего газообразный холодильный агент

поступает в конденсатор 2, где происходит фазовый переход паров в

жидкость.

Жидкий

холодильный агент подастся в насос-охладитель 4,

где

кипит

в рубашке 5, с отводом теплоты от стенки

цилиндра

При

вращении

ротора 6 лопатки 7 под действием центробежных сил

выдвигаются

из ротора и создают разреже ие в полости

цилиндра,

под действием которого теплая жидкость из бака-сборника заходит в

межлопаточные карманы 8 и отбрасывается к стенке

цилиндра.

результате на внутренней поверхности

цилиндра

образуется слой

но