Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин

Подождите немного. Документ загружается.

теплоотдачи от воды с поверхности льда,

Вт/(м

• К);

, Г

- темпе-

ратура воды в ванне и на охлаждаемой поверхности стенки; т - вре-

мя, ч.

Расчет

выполняется по обычным формулам конвективного

теплообмена

[40].

Уравнение

(4.11)

дает хорошие результаты, когда наружный

коэффициент

теплоотдачи от воды к поверхности льда много меньше

внутреннего

коэффициента

теплоотдачи от холодильного агента или

хладоносителя (случай естественной конвекции

воды).

Соотношение

(4.11)

получено из выражения

(2.39),

определяющего

рост

толщины слоя льда

„со временем на плоской стенке.

Расчет

теплопередачи через оребренные поверхности выполняет-

ся

по формулам стационарного теплообмена. При этом

коэффициент

теплопередачи обычно относят к оребренной поверхности стенки

(fcp).

По условиям задачи иногда требуется находить

коэффициент

теплопередачи, отнесенный к гладкой несущей поверхности к

Соотношение между

имеет вид

4=fco4;

o=V-

(4-12)

Запишем выражения для к

и fc

для

схемы

оребрения стенки с

одной из сторон в частном случае это может быть и канал с наруж-

ным или внутренним оребрением

*р=—i—4——

(4лз)

+1 я,——

"пр^к

fmi

где

коэффициент,

учитывающий полноту контакта ребра с

несущей поверхностью; ЕЯ, - сумма термических сопротивлений

слоев

покрытий или загрязнений, (м

• К)/Вт;

. - средняя удельная

поверхность

i'-го слоя покрытия или загрязнений; ос

коэффициент

теплоотдачи с гладкой стороны стенки,

*»--

7. Г"'

(4Л4)

1,(Я,)—

•-

fmi

прС

<Р

где

- удельная площадь несущей поверхности.

4.2.

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА

КОЖУХОТРУБНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

ИСПАРИТЕЛЕЙ

(С МЕЖТРУБНЫМ КИПЕНИЕМ)

качестве исходных данных

для

расчета заданными являются

тепловая

нагрузка

аппарата

некоторые температуры.

расчет-

ной практике проектирования конденсаторов обычно задаются

температурой воды, идущей

на

охлаждение аппарата,

реже-

температурой конденсации

. Для

кожухотрубных испарителей

характерно задание температуры хладоносителя, покидающего

аппарат,

начале расчета полезно построить

схему

теоретического распре-

деления температур,

на

которой

координатах температуры

услов-

ной теплопередающей поверхности наносятся кривые понижения

температуры хладоносителя

от /

до /

испарителе

подогрева

воды

от t

до t

конденсаторе. Соответственно температуры

конденсации

кипения

холодильного агента изображаются

горизонтальными отрезками, параллельными

оси

абсцисс

(рис.

4.1).

представленных распределениях температур подогрев воды

конденсаторе

подохлаждение хладоносителя

испарителе

можно

обозначить

как

Дг^

и At

соответственно.

Разность температур

между

выходящими

из

аппаратов водой

хладагентом

хладоно-

сителем

хладагентом обозначим

Значения

, Дг

и В

принимаются

на

основе рекомендаций:

конденсаторах, питающихся оборотной водой,

3,5н-5,5°С,

Рис.

4.1. Теоретические распределения

температур:

о-в конденсаторе; б - в испарителе

[

ox.

ри использовании прямой воды At

6-^8°С.

В испарителях под-

хлаждение хладоносителя Д'

3+5°С

(большее значение отно-

сится

к высокотемпературным режимам). Для обоих видов аппара-

тов

(меньшее значение характерно для конденсаторов).

По принятым температурным параметрам определяем температу-

ры '

и г

, характеризующие теплоэнергетические уровни работы

аппаратов.

Объемные расходы воды для конденсатора V

и хладоносителя

для испарителя V

рассчитываем по формулам

(4.15)

где

- плотность воды; с

- теплоемкость воды, и

°"

(4.16)

где

- плотность раствора хладоносителя; с

- теплоемкость

хладоносителя.

Теплофизические характеристики раствора хладоносителя находят-

ся

по его средней температуре и конденсации соли в нем. Соответ-

ственно

концентрация соли зависит от температуры замерзания f,

которую принимают на

6-8°С

ниже температуры кипения г

Задавшись скоростью движения энергоносителей внутри труб,

по обычным формулам конвективного теплообмена находят

коэффи-

циент теплоотдачи изнутри. Скорость движения воды внутри труб

конденсаторов W = 1,7 +

2,5

м/с. В испарителях рекомендуемые

скорости хладоносителей W

находятся в пределах 1,5 - 2,2 м/с.

реальных условиях эксплуатации аппаратов теплообмену

препятствуют различные слои загрязнений на стенке каналов.

Учет

термических сопротивлений загрязнений осуществляется при

определении условного

коэффициента

теплоотдачи, который обыч-

но относят к развитой поверхности трубок:

для конденсатора

*р' = 7 ; (4.П)

ОС

, Р* М '.

foe

здесь

ф -

коэффициент

оребрения труб (для гладкой трубы <р = i);

коэффициент

теплоотдачи к стенке трубы со стороны воды;

- термическое сопротивление осадка в виде водяного камня,

* °>!5

•

Ю-

(м

•

К)/Вт;

ос

, /

- удельные поверхности осадка

оребрения

трубы соответственно (приближенно

ос

* ф); Я1

термическое сопротивление слоя ржавчины, ^

= 0,1 • Ю-

(м

• к)/Вт

(учитывается

только для стальных труб); R

- термическое сопро-

тивление слоев масла и неконденсированных

газов,

M а

0,3-Ю"

(м

. К)/Вт (учитывается только для аммиачных аппара-

тов

со стальными трубами);

для испарителя

—

\ ;

(4.18)

- ш ^

+ К

рж

здесь

коэффициент

теплоотдачи от хладоносителя к стенке

канала; R

- термическое сопротивление слоев из твердых отложе-

ний соли и биоосадка, R

. = 0,2

•

-3

(м

•

г)/Вт (при использовании в

качестве

хладоносителей этиленгликоля, спиртов, фреона-30

Значения

рж

и R

принимаются по аналогии с расчетом конден-

сатора.

Основные

характеристики кожухотрубного аппарата- теплопе-

редающая поверхность F

(по оребрению),

внутренний

диаметр

обечайки D

число труб на диаметре n

, температура стенки трубы

ст

, а также плотность теплового потока q

(по оребрению) - находят-

ся

путем

решения

(совместного для конденсатора или раздельного

для испарителя) двух уравнений: уравнения теплового расчета, по

которому определяют плотность теплового потока, и уравнения кон-

структивного расчета, по которому определяют габаритные размеры

аппарата.

Система

уравнений

для кожухотрубных конденсаторов при

пленочной конденсации

фреонов

или аммиака имеет вид:

уравнение конструктивного расчета

2,8465/

(l,lS)

;

(4.19)

уравнение теплового расчета

0,25 -0,167

где

- средняя температура воды, f

= L - 6 -'б^, - средне-

т "т mm

логарифмический

температурный перепад в аппарате, 9

= ;

1пв

/е

Таблица 4.1.

Значения

коэффициентов

Тем-

Вид холодильного агента

Тем-

Вид холодильного агента

пера- пера-

тура тура

кон-

денса-

R-12 R-22 R-134 R-125

денса- NH

R-22 R-134

R-125

ции ции,

°С

"С

234 69 78,5

83,4

63,35 45 219

57,3 65,2

72,98

57,64

233 68

77,0 80,0

62,517 50

216 55,3 63,0 71,65 57,66

232

66,4 75,0

78,98 61,81 55 212

53,0 60,4 70,19 57,70

230 64,6 73,5 77,89 60,85 60 207

51,4

57,5 68,73

57,89

228

63,3 71,5 76,83

59,92

49,5

67,15

224

61,3 69,6 75,53 58,79 70

46,6

65,59

222

59,2

67,7

74,33 57,71

коэффициент,

зависящий от ориентации трубы в пространстве, для

горизонтальной трубы С = 0,72; Ъ -

коэффициент,

зависящий от

теплофизических

свойств

холодильного агента и температурного

уровня конденсации (табл. 4.1); Ai - разность энтальпий на входе

и выходе холодильного агента в конденсаторе, Дж/кг; d - средний

диаметр оребрения или наружный диаметр гладкой трубы, м; ф

коэффициент,

учитывающий влияние геометрических соотношений

ребристой поверхности на интенсивность теплообмена, для медной

трубы о 16x2 мм ф

= 1,44, для гладкой трубы ф

= 1; S - шаг раз-

мещения трубок в трубной решетке.

Система

уравнений

(4.19)

(4.20)

решается при условии

* .

(4.21)

Vct-Чп)

Искомыми параметрами при решении являются t

и D

Уравнение

(4.20)

составлено на основе формулы Нуссельта [40] с

учетом поправки на изменение скорости пара по мере прохождения

горизонтальных рядов труб и роста пленки конденсата на нижеле-

жащих рядах

[79].

При расчете фреонового испарителя, работающего в режиме

пузырькового

кипения, в начале решается тепловое уравнение

*р"-('*_"'«)-[Со/00

V (r

- f

(4.22)

где

коэффициент,

зависящий от теплофизических

свойств

Таблица

4.2.

Значения коэффициентов

Холодильный Критическое давле-

Коэффициент

агент

ние

Р,

Па

R12

41,2

4,21

R22

49,86

• 10

4,77

R502

42,66

• 10

4,56

холодильного агента (табл. 4.2); /(л) -

функция

от числа л, /(л) =

Ро

0,14 +

2,2

л; л= отношение давления кипения к критическому

Ркр

Z \0,2

давлению для данного холодильного агента; В = —— - ком-

**„ I

плекс,

учитывающий шероховатость трубы; R

- средняя шерохо-

ватость

поверхности труб, мкм; R

- то же для эталонной поверх-

ности; R

мкм.

используемых в промышленности образцах медных и стальных

труб значение комплекса можно принять 1,2 для стальных и 1,32 для

медных

труб; е

коэффициент,

учитывающий влияние пучка труб

на эффективность теплоотдачи, зависит от f

, q , S/d (табл. 4.3);

коэффициент,

учитывающий влияние масла на процесс кипения

(при концентрации масла до 5% е

0,8

0,95);

коэффициент,

учитывающий влияние геометрии оребрения на эффективность

теплоотдачи при кипении, зависит от отношения высоты ребра к

межреберному просвету (для отечественных образцов труб о

16х

1,5 мм

и 0

20x3

мм е

равен 1,55 и 1,43 соответственно); е

пп

коэффициент

перегрева паров (зависит от величины перегрева At

): при

п п

= 0

с„_

= 1; при

n п

= 0,5 е

п п

0,93;

при At„

= 0,85

0,85.

Из уравнения

(4.22)

определяют t и переходят к уравнению

конструктивного расчета

%SD

2,846/pSD^

(l,l5)

(4.23)

Уравнение для развитого кипения NH

на пучке труб имеет вид

k;<t,

-t„) = №,n

-t

)r-".

(4.24)

Площадь теплопередающей

поверхности испарителя можно

определить

Таблица

4.3.

Значениектффкщ—тга

--дприряпргитмщрмптаттразмяцгшгя

труб

S/d= 1,3

Плотность

Холодильный

агент

теплового

потока,

кВт/м

R12

R22

теплового

потока,

кВт/м

Температура

кипения

,'С

-10

-20

-10

-20

2,0

2,5

3,0

4,0

2,15

2,0

1,95

1,8

1,9

1,73

1,65

1,5

1,63

1,43

1,41

1,35

1,4

1,32

1,3

1,25

1,85

1,75

1,65

1,60

2,1

2,05

2,0

1,9

После

нахождения искомых геометрических характеристик аппа-

рата следует провести ряд уточнений.

Число труб на диаметре, т.е. n

/S,

согласно условиям раз-

мещения труб должно быть нечетным. Общее число труб п находится

при графической прорисовке их размещения в поле обечайки с

полученным внутренним диаметром, округленным до ближайшего

стандартного размера. Важнейшая характеристика аппарата -

расстояние между трубными решетками / - определяется по урав-

нению

-!_ =

2,846D

. (4.26)

Следует

иметь в виду, что значение / предпочтительно округлить.

Далее определяется число ходов в'аппарате по воде в конденсаторе

или по хладоносителю в испарителе:

0,785d

.nW

где

внутренний

диаметр труб; W - ранее

принятая

скорость

энергоносителей в трубах, воды в конденсаторе и хладоносителя в

испарителе; V - объем протекающей воды V

в конденсаторе и

хладоносителя V

в испарителе.

Число ходов в кожухотрубном аппарате принимают четным для

обеспечения удобства подвода трубопроводных коммуникаций

и их обвязки при монтаже. Значение z может меняться от 2 до 16,

практически z не превышает 8, ибо увеличение числа ходов приводит

к росту гидромеханического сопротивления аппарата и усложнению

его

конструкции.

настоящее время существует тенденция выполнения кожухо-

трубных конденсаторов и испарителей с малым числом

ходов.

Тепловой

конструктивный расчет завершается оценкой сопро-

тивления протеканию энергоносителя внутри труб.

Наибольшей массоемкостью в кожухотрубном аппарате обладают

обечайка и трубы. Следует также иметь в виду такие узлы, как

крышки с перегородками и штуцерами, трубные решетки, арматура.

Обозначив первые две составляющие через G

определим

массу

всего

аппарата:

где

п -

коэффициент,

учитывающий дополнительную

массу

поиме-

нованных выше узлов и деталей.

Коэффициент

зависит от конструктивных особенностей аппарата.

частности, для фреоновых конденсаторов и испарителей холодиль-

ных

машин п =

0,75+0,95.

В аммиачной кожухотрубной аппаратуре

коэффициент

п зависит от типа используемой трубы, для наиболее

распространенных стальных бесшовных труб 0 25 и 0 38 мм п равно

соответственно

0,75-0,85

0,65-0,75.

испарителях с внутритрубным кипением

коэффициент

п рас-

считывается

по эмпирической формуле

где

/ - расстояние между трубными решетками; D

- внутренний

диаметр обечайки.

Массы

обечайки G

и труб G определяются на основании их

геометрических

характеристик и физических

свойств

материалов.

4.3.

ЭЛЕМЕНТЫ

УЗЛЫ КОЖУХОТРУБНЫХ АППАРАТОВ

Основными

элементами кожухотрубных аппаратов являются

обечайки, трубы, трубные решетки, крышки. Обечайки малых диа-

метров

(D<400

мм) обычно производятся из стальных бесшовных

труб. Обечайки больших диаметров выполняются из листового

материала.

Сортамент наружных диаметров цилиндрических обечаек, про-

изводимых

из стальных труб, и внутренних диаметров обечаек,

(4.28)

0,2

(4.29)

Рис.

4.2. График рекомендуемых значений /

отношения 1/D в кожухотрубных аппа- 10

ратах

0,5

1,0 1,5 _

изготавливаемых

из листового материала, регламентируется нор-

мативными документами, согласно которым для обечаек малых

диаметров рекомендуется иметь следующий ряд размеров:

159/4,5;

219/6;

273/7; 325/8; 377/9; 426/10

мм.

обечайках больших диаметров из листового материала предпоч-

тительно иметь

внутренний

диаметр кратным 100 в интервале от

400

до

1000

мм и кратным

200

в интервале от

1200

до

2000

мм.

Длина обечайки (расстояние между трубными решетками) опре-

деляет габаритные размеры аппарата, которые зависят от производи-

тельности машины и вида агрегатирования (частичное или полное).

Однако желательно во

всех

случаях иметь отношение I/D возможно

большим. Практически это отношение изменяется в пределах от

до 20. С увеличением отношения 1/D уменьшается

масса

аппарата,

так как при равных условиях сокращение диаметра обечайки

приводит к уменьшению толщин обечайки, трубных решеток и

крышек. В целом аппарат становится более надежным в эксплуатации

из-за

меньшего числа

мест

вальцовок труб.

На рис. 4.2 представлен

график

рекомендуемых отношений 1/D в

кожухотрубных

конденсаторах и испарителях холодильных машин.

Область

предпочтительных

значений

отношения //D находится

между

двумя сплошными кривыми.

методиках расчета кожухотрубных аппаратов предусматривается

решение уравнения конструктивного расчета с последующим на-

хождением искомого отношения

1/D.

Развитая теплопередающая поверхность кожухотрубных аппа-

ратов выполняется в виде пучков гладких или оребренных труб

разных диаметров. В горизонтальных конденсаторах и испарителях

аммиачных холодильных установок широко используются стальные

бесшовные

трубы

25x2,5

(2,0) мм. В аппаратах больших производи-

тельностей с площадью теплопередающей поверхности F >

400

Могут

быть использованы стальные трубы

38x3

мм.

Поверхность

вертикально-трубных аммиачных конденсаторов

составляется

из стальных бесшовных труб о

57x3,5

мм.

Таблица

4.4.

Ппи-«««т»|т

тд,тд Яягтпдяиг

труЛ

Условный

Наружный

Масса

проход,

мм

диаметр

тол- трубы,

кг

щи

на

стенки,

мм

10 14x1,6

0,49

15 18x1,6

0,65

20 25x1,6

0,92

25 32x2

1,48

32 38x2

1,78

40 45x2,5

2,62

50 57x3,5

4,62

70 76x3,5

6,26

Условный

Наружный

Масса 1

проход, мм диаметр и тол- трубы,

кг

щина стенки,

мм

80 89 x3,5

7,38

100 108x4

10,26

125 133 x4

12,73

150 159x4,5

17,15

200 219x7 36,60

250 273x8 52,28

300 325x8 62,54

350 377x9

81,68

Основные

данные

по

стальным бесшовным трубам представлены

табл. 4.4.

отечественной промышленности

для

изготовления кожухо

трубных аппаратов используются стальные трубы

и 20 мм,

оребренные проволокой.

горизонтальных кожухотрубных конден-

саторах

испарителях

межтрубным кипением фреоновых холодиль-

ных

машин применяются медные трубы

накатным оребрением.

Наиболее распространенной

настоящее время является труба

0 16x1,5

мм,

имеющая

коэффициент

оребрения

3,6. Эта

труба почти

полностью

заменила медную трубу

20x3

мм.

Проводятся испыта-

ния аппаратов

нарезной медной трубой

20x1,5

мм, и в

перспек-

тиве-использование

нарезной трубы

16x1,5

мм. Во

фреоновых

испарителях

внутритрубным кипением применяется труба, имею-

щая медную оболочку

запрессованной алюминевой вставкой

виде

десятиконечной

звезды.

Диаметр трубы

20x1,5

мм,

коэффициент

оребрения

2,52. Промышленностью освоен выпуск труб

18x1,5

13x0,8

мм

внутренним оребрением.

трубных решетках трубы размещаются

по

вершинам равносто-

ронних треугольников. Нормальный шаг размещения труб следующий:

медные

трубы:

0 16x5

мм S=

мм,

0 20x3

мм

= 27 мм,

0 20x1,5

мм S= 26 мм,

стальные

трубы:

0 25x2,5

мм S= 32 мм,

0 38x3

мм

= 46 мм.