6.1 Конденсаторы и теплообменники

КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсатором называют теплообменный аппарат, в котором происходят охлаждение и конденсация паров холодильного агента вследствие отвода теплоты охлаж­дающей водой или воздухом.

Теплопередача в конденсаторах. Интенсивность теп­лопередачи в конденсаторе определяется удельным теп­ловым потоком (Bт/м²), который равен количеству теплоты, отведенной от паров холодильного агента че­рез 1 м² поверхности конденсатора за единицу времени.

Удельный тепловой поток определяют по формуле:

,

где —коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м²·К); — средняя логарифмическая разность температур конденсирующего пара и охлаждающей воды или воздуха (может быть принята 5—8°С).

Для большинства конденсаторов коэффициент теплопередачи равен 700—900 Вт/(м^2·К). Величину коэффициента теплопередачи можно определить по формуле

,

где , — коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны холодильного агента и воды (воздуха): для воды =3500÷7000 Вт/(м^2·К), воздуха = 23÷93 при скорости воздуха=3÷8 м/с, аммиака= 2300÷5800, хладона-12= 1200÷2300, хладона-22= 1500÷2900 Вт/(м^2·К);

, —диаметры труб соответственно со стороны воды и холодильного агента, м;

, ,— толщина стенки соответственно трубы, масла, водяного камня, м;

, ,—теплопроводность соответственно материала стенки трубы, масла, водяного камня, Вт/(м·К).

Коэффициент теплопередачи увеличивается, с увеличением скорости движения пара, при отсутствии в паре воздуха и неконденсирующих газов, при хорошем отводе образующегося конденсата, при отсутствии загрязнения труб конденсатора смазочным маслом и водяным камнем.

Среднелогарифмическую разность температур можно определить по формуле

,

где , — температура воды (воздуха) на входе в конденсатор и на выходе из конденсатора, °С;

— температура конденсации, °С.

Конструкции судовых конденсаторов. Конденсаторы холодильных машин делят на конденсаторы с водяным

охлаждением и конденсаторы с воздушным охлаждени­ем. Конденсаторы с водяным охлаждением, в которых вся теплота от холодильного агента отводится нагрева­нием воды, называют проточными. Конденсаторы, в ко­торых теплота отводится нагреванием воды и частич­ным испарением, называют оросительными. Конденса­торы, в которых теплота отводится испарением воды, называют испарительными.

Конденсаторы с водяным охлаждени­ем изготовляют нескольких конструкций: горизонталь­ный кожухотрубный, кожухозмеевиковый, элементный, вертикальный кожухотрубный.

В судовых холодильных машинах применяют преиму­щественно горизонтальные кожухотрубные и кожухо-змеевиковые конденсаторы.

Горизонтальный кожухотрубный конденсатор (рисунок 6.1) представляет собой стальной горизонтальный ци­линдрический кожух с приваренными к нему трубны­ми решетками 2, в которых развальцованы трубки 4. В аммиачных конденсаторах трубы гладкие, стальные, цельнотянутые, в фреоновых — медные или латунные, преимущественно оребренные со стороны хладона. Малая теплота парообразования хладона и большая вяз­кость обусловливают меньшие значения коэффициента теплоотдачи со стороны хладона, чем со стороны воды. Поэтому наружную поверхность труб оребряют методом накатки или насадки ребер. На рисунке 6.1 (б) показан профиль накатки труб.

Рисунок 6.1 – Конденсатор горизонтальный кожухотрубный хладоновый:

а – конструкция конденсатора; б – профиль накатки труб

Применение медных труб обеспечивает чистоту теплопередающей поверхности, отсутствие ее коррозии, однако повышает стоимость аппарата. Для уменьшения коррозии стальных трубных решеток на ее поверхности (со стороны морской воды) наносят слой меди, покрытие из эпоксидной смолы или ставят протектор. С торцов кожух закрыт крышками 3 с перегородками для создания нескольких ходов воды. Одна из крышек имеет патрубки для подачи воды и для ее отвода из конденсатора.

Пар холодильного агента подают сверху в межтрубное пространство. Соприкасаясь с холодной поверхностью труб, по которым проходит вода, пар конденсируется, и жидкость стекает в сборник жидкого холодиль­ного агента - ресивер 5, снабженный спускным клапаном 6 и патрубком для отвода жидкого хладона. В фреоновых конденсаторах нижняя часть его цилиндрического кожуха иногда выполняется без труб и служит ресивером. В верхней части кожуха конденсатора установлен предохранительный клапан 7, выхлопную трубу от которого выводят в атмосферу (во фреоновых конденсаторах) и в забортную воду со стороны, противоположной забору воды (в аммиачных конденсаторах). В аммиачных конденсаторах и конденсаторах, работающих на хладоне-22, предохранительный клапан должен открываться при избыточном давлении паров холодильного агента 2,0 МПа, работающих на хладоне -12 при избыточном давлении 1,4 МПа.

Конденсаторы имеют штуцера для присоединения манометра, для уравнительной трубки, соединяющей конденсатор с ресивером, и трубки, по которой отводится паровоздушная смесь. Аммиачные конденсаторы в нижней части кожуха имеют маслоотстойник, из которого периодически удаляется масло. Удельный тепловой поток кожухотрубного аммиачного конденсатора c гладкими трубами = 3000÷6000 Вт/м², фреонового с оребренными трубами - до 6000-8000 Вт/м² при =5÷6°С. Кожухотрубные конденсаторы небольшие по габа­ритам и удобны в эксплуатации.

Кожухозмеевиковые конденсаторы (рисунок 6.2) приме­няют во фреоновых холодильных установках небольшой холодопроизводительиости при наличии чистой охлаждающей воды. В кожухе конденсатора в одной труб­ной решетке 3 укреплен змеевик 2, по которому прохо­дит вода, поступающая через патрубок в крышке 4. В межтрубном пространстве конденсируется холодиль­ные агент и собирается в сборник 5. Трубы могут быть гладкими или оребренными.

Рисунок 6.2 – Конденсатор кожухозмеевиковый хладоновый с отъемной крышкой

Конденсаторы с воздушным охлажде­нием применяют в малых фреоновых холодильных ус­тановках для упрощения монтажа. Конденсатор состо­ит из нескольких рядов змеевиков, выполненных из оребренных труб, объединенных вверху общим паровым коллектором, а внизу — общим жидкостным коллекто­ром. Змеевики обдуваются воздухом, который нагнета­ется вентилятором. Удельный тепловой поток конденса­тора с воздушным охлаждением составляет примерно 175 Вт/м². Разность температур между средней темпера­турой воздуха и температурой конденсации составляет 10-20 °С.

Расчет конденсатора.

Он заключается в определении площади теплопередающей поверхности конденсаторапо формуле:

,

(VI—4)S

где — тепловая нагрузка конденсатора, Вт;— удельный тепловой потокВт/м².

Расход воды для охлаждения конденсатора определяют по формуле:

,

где — теплоемкость воды, Дж/(кг К);

—плотность воды, кг/м³;

— разность температур воды, уходящей и поступающей на конденсатор (в судовых конденсаторах принимается 2 —4° С).

Фактическая площадь теплопередающей поверхности должна превышать расчетную примерно на 10%, чтобы при выходе некоторого количества труб из строя можно было заглушить их без ущерба для работы.

Трубы конденсаторов подвергаются сильной коррозии от действия морской воды, что приводит к образова­нию на стенках труб слоя ржавчины. Слой продуктов коррозии увеличивает их тепловое сопротивление уменьшается коэффициент теплопередачи k, повышается давление конденсации, увеличивается расход элек­троэнергии). Цель борьбы с коррозией — сохранить металл и увеличить коэффициент теплопередачи, однако очистка от продуктов коррозии ускоряет износ труб. Поэтому в конструкции желательно использовать кор­розийно-стойкие материалы (латунь, нержавеющую сталь), металлические коррозийно-стойкие покрытия и протекторы.

Металл протектора должен быть более активным, чем металл основной конструкции. Например, для защи­ты железных и алюминиевых конструкций применяют цинковые, для бронзовых, латунных, медных — цинко­вые и железные протекторы. Протектор и металл основ­ной конструкции образуют в морской воде (электроли­те) гальваническую пару. Протектор, являясь анодом, разрушается, а металл основной конструкций сохраня­ется. Протектор представляет собой небольшой лист металла, плотно прижатый болтами основной конст­рукции. Зона действия протектора в морской воде для труб 100—200мм,для плоских конструкций 3—5м.Пе­риодически поверхности протектора следует очищать от_ продуктов коррозии, а при полном разъедании заме­нять.

ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменники бывают кожухозмеевиковые (рисунок 6.3) или кожухотрубные. По змеевику или по трубам проходит жидкий хладон, а в межтрубном пространстве навстречу жидкости — пар. Теплообменник служит для переохлаждения жидкого хладона, поступающего из конденсатора к регулирующему вентилю, парами хла­дона, которые отсасываются из испарителя компрессо­ром.

Рисунок 6.3 – Теплообменник хладоновый

Теплообменники подбирают по площади теплопере­дающей поверхности змеевика (в м²), которую на­ходят по формуле

,

где — тепловой поток теплообменника, Вт.

Значение энтальпий определяют по s—Т или i—lg р-диаграмме.

Обозначение точек цикла соот­ветствует рисунку 6.4; — коэффициент теплопередачи, теп­лообменника, равный 230 - 290 Вт/(м²·К) — разность средних температур жидкого и парообразного холо­дильного агента в теплообменнике, °С;

— масса холодильного агента, про­ходящего через теплообменник, кг/а

Рисунок 6.4 – Паровая холодильная машина с регенеративным теплообменником:

а – принципиальная схема; б – цикл в диаграмме S - Т; в – цикл в диаграмме l – lg p

ИСПАРИТЕЛИ

Теплопередача в испарителе. Различают кипение пу­зырчатое и пленочное. В первом случае образованные при кипении пузырьки пара открываются от поверхно­сти трубы и смешиваются с жидкостью, отсутствие пара у поверхности трубы способствует интенсификации про­цесса теплообмена. Во .втором случае на поверхности труб образуется слой парообразного холодильного аген­та, который задерживает передачу теплоты от охлажда­емой среды к холодильному агенту. В испарителях хо­лодильных установок происходит пузырчатое кипение.

Удельный тепловой поток испарителя определяют по формуле

,

где - коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м²·К);

- средняя логарифмическая разность температур между кипя­щим холодильным агентом и охлаждаемым рассолом или воз­духом; примерно для рассольных испарителей составляет 4 - 6° С; при охлаждении воздуха с естественной циркуляцией для аммиачных батарей непосредственного охлаждения8÷12° С, для фреоновых батарей12÷16° С; при принудительной циркуляции воздуха (для возду­хоохладителей) 6÷18°С.

Теплопередача в испарителе зависит от скорости дви­жения рассола или воздуха, чистоты теплопередающих поверхностей, конструкции испарителя (происходит кипение на вертикальных или горизонтальных поверхно­стях) и т. д.

Величина коэффициента теплопередачи может быть принята: для горизонтального кожухотрубного испарите­ля 46÷700 Вт/(м²·К); для гладкотрубных батарей непосредственного охлаждения 6÷3; для оребренных батарей3,5÷5,8 Вт/(м²·К).

Конструкция испарителей. По назначению испарители подразделяют на испарители для охлаждения жид­ких хладоносителей и испарители для охлаждения воз­духа. Испарители для охлаждения воздуха называют батареями непосредственного охлаждения при естест­венной его циркуляции и воздухоохладителями при при­нудительной циркуляции.

Испарители для охлаждения жидких хладоносителей. По конструктивному исполнению они бывают вертикальнотрубные, листотрубные, кожухотрубные и кожухозмеевиковые. В судовых холодильных установках промысловых судов применяются кожухотрубные испарители с кипением холодильного агента в межтрубном пространстве (хладоноситель охлаждается в трубах), кожухотрубные и кожухозмеевиковые испа­рители с внутритрубным кипением холодильного аген­та (хладоноситель проходит в межтрубном простран­стве).

Кожухотрубный испаритель с межтрубным кипением холодильного агента (рисунок 6.4) представляет собой гори­зонтальный кожухотрубный аппарат, по трубам которо­го проходит рассол, а в межтрубном пространстве кипит жидкий холодильный агент. Трубы в аммиачных испа­рителях стальные, в фреоновых — преимущественно мед­ные, оребренные.

Рисунок 6.5 – Кожухотрубный испаритель с межтрубным кипением

холодильного агента

Жидкий холодильный агент заполняет межтрубное пространство аммиачного испарителя на высоту пример­но 0,8 диаметра, фреонового испарителя — на уровень 0,5-0,7 диаметра. При таком заполнении верхние 1-2 ряда труб остаются незатопленными.

В аммиачных испарителях жидкий холодильный агент подается в кожух снизу, в фреоновых — снизу или сверху по трубе, заведенной внутрь кожуха и снабжен­ной отверстиями. Благодаря этому жидкий хладон свер­ху орошает трубы, что способствует лучшему теплооб­мену i между холодильным агентом и хладоносителем. Для уменьшения движения холодильного агента при качке в кожухе обычно ставят поперечные демпфирую­щие перегородки.

В верхней части кожуха имеются один или два сухо­парника, в которых происходит отделение капель жидко­сти унесенных паром; жидкость возвращается в кожух, а пар отсасывается компрессором, сухопарник может выполнять роль теплообменника. В этом случае в сухопарнике устанавливают змеевик, в котором переохлаждается жидкость перед регулирую­щим вентилем и одновременно перегревается пар, поступающий из испарителя в компрессор.

Кожухотрубный испаритель компактен, рассол нахо­дится под давлением, не соприкаса- ется с воздухом. Это уменьшает коррозию, сокращает расход соли для под­держания постоянной концентрации, уменьшает затрату энергии на работу рассольных насосов. Недостатки кожухо-трубных испарителей с межтрубным кипением хо­лодильного агента - возможность аварии в случае за­мерзания рассола в трубках, наличие статического столба жидкого холодильного агента, большая емкость по холодильному агенту.

Испаритель с внутритрубным кипением холодильного агента (хладона-22) (рисунок 6.6, (а) представляет собой ко­жухотрубный аппарат, в межтрубном пространстве которого проходит хладоноситель, а внутри труб кипит хо­лодильный агент. Одна крышка испарителя имеет эллиптическое днище и разделена поперечной горизонтальной перегородкой на две равные части. В нижней части крышки размещена камера смешения 1, из которой парожидкостная смесь хладона подается в трубки испарителя, в верхней находится камера отбора паров 2. Вторая крышка глухая имеет плоское днище и обеспечивает изменение направления холодильного агента.

Рисунок 6.6 – Кожухотрубный испаритель с внутритрубным кипением

холодильного агента:

а – конструкция испарителя; б – труба с внутренним оребрением: – наружная труба

биметаллическая медно-никелевая диаметром 22 х 1 мм, внутренняя – алюминиевая диаметром

20 х 1 мм.

Равномерное распределение парожидкостной смеси. по трубам пучка обеспечивается подачей в смесительную камеру холодильного агента через две форсунки и оптимальными размерами проходного сечения глухой крышки, обеспечивающего требуемые массовые скорости потока.

Для повышения интенсивности теплообмена со стороны хладоносителя установлены специальные перегородки 3. Трубный пучок испарителя изготовлен медно-алюминиевых труб 4 с внутренним оребрением (рисунок 6.6, б). Внутреннее оребрение выполнено при помощи вставленного алюминиевого сердечника с последующей наружной опрессовкой труб, чем обеспечивается хороший контакт между трубой и сердечником.

Внутреннее оребрение позволяет увеличить коэффициент теплопередачи за счет уменьшения теплового противления со стороны кипящего холодильного агента и уменьшить необходимое количество холодильного агента в системе в 2—3 раза.

Кожухозмеевиковый испаритель (рисунок 6.7) имеет кожух, внутри которого в одной трубной решетке укреплен змеевик.

По змеевику проходит холодильный агент, имеющий параметры ,в межтрубном пространстве охлажда­ется рассол. Преимущество кожухозмеевикового испари­теля перед кожухотрубным заключается в отсутствии термических напряжений в трубах.

На испарителях для охлаждения хладоносителей ус­танавливают предохранительные клапаны. Их регулиру­ют на избыточное давление открытия 1,6 МПа при рабо­те на аммиаке и хладоне-22 и избыточное давление 1,0 МПа при работе на хладоне-12.

Рисунок 6.7 - Кожухозмеевиковый испаритель

Удельный тепловой поток кожухотрубного амми­ачного испарителя с гладкими трубами составляет 2320—2600 Вт/м², фреонового испарителя с медными оребренными трубами — около 5000—9000 Вт/м2 (dо внутренней поверхности) при 5^оС.

Расчет испарителя. Он состоит в определении пло­щади теплопередающей поверхности (в м²) по формуле

,

где - холодопроизводительность испарителя, Вт;

- удельный тепловой поток испарителя, Вт/м².

Объем теплоносителя, циркулирующего через испаритель, (в м³/с)

,

где - теплоемкость рассола, Дж/(кг К);

-плотность рассола, кг/м³;

,— температура рассола начальная и конечная, °С.

Испарители для охлаждения воздуха. Батареи непосредственного охлаждения устанавливают в охлаждаемом помещении: трюме, провизионной каме­ре, шкафу. Выбор типа и размеров батарей зависит от назначения охлаждаемого помещения, его размеров и формы. В батареи подают жидкий холодильный агент (параметры ,). Жидкость кипит, отбирая тепло от охлаждаемой среды, образующийся пар отсасывается компрессором. В зависимости от места установки бата­рей в охлаждаемом помещении различают бортовые и подволочные батареи/

Фреоновые батареи (рисунок 6.8) изготавливают в виде змеевика из оребренных красно-медных труб. Такие ба­тареи называют ИРСН — испаритель ребристый сухой настенный. Жидкий хладон в батареи подается сверху, пар отсасывается снизу, чтобы вместе с паром был обеспечен возврат масла из батареи в картер компрес­сора. Масса подаваемого жидкого холодильного агента должна быть рассчитана таким образом, чтобы из бата­реи выходил сухой пар.

Рисунок 6.8 – Фреоновая ребристая батарея непосредственного охлаждения

Аммиачные батареи изготовляют из оребренных или гладких стальных труб диаметром 57×3,5 или 38×3мм. Конструктивное выполнение их различно. Применение аммиачных батарей для охлаждения трюмов запрещено Правилами морского Регистра.

Расчет батарей заключается в определении площади теплопередающей поверхности (в м²) по формуле

,

где - тепловой поток батареи, Вт;

- коэффициент теплопередачи, принимаемый для оребренных труб (при коэффициенте оребрения от 5 до 10) равным 3,5— 5,8 Вт/(м²·К).

Коэффициентом оребрения называют отно­шение оребренной поверхности трубы к гладкой; — средняя разность температур охлаждаемого воздуха и ки­пения холодильного агента в батарее, равная для аммиач­ных батарей 8—12° С, для фреоновых —12—16° С,

Воздухоохладители — теплообменные аппараты, пре назначенные для охлаждения воздуха при условии принудительной циркуляции с помощью вентилятор Воздухоохладители применяют для охлаждения трюме в охлаждающих и замораживающих устройствах, а также в установках кондиционирования воздуха.

В зависимости от способа охлаждения воздуха воздухоохладители бывают сухие, мокрые и смешанные.

В сухих воздухоохладителях передача тепла от охлаждаемого воздуха к холодильному агенту хладоносителю, проходящему внутри труб, происходит через стенку трубы; в мокрых - тепло передается в результате непосредственного контакта воздуха и хладоносителя; в смешанных - охлаждение воздуха происходит вследствие соприкосновения с холодной поверхностью змеевиков и поверхностью хладоносителя.

В зависимости от того, что подается в змеевики воздухоохладителя (холодильный агент или рассол), различают воздухоохладители непосредственного охлаждения и рассольные. Воздухоохладители выполняют гладкотрубными или ребристыми.

Преимуществом воздухоохладителей, особенно ребристых, являются высокий удельный тепловой поток единицы длины трубы, компактность, малая масса. На рыбопромысловых судах применяют сухие воздухоохладители непосредственного охлаждения и рассольные.

При расчете определяют площадь теплопередающе поверхности (в м²). воздухоохладителя по формуле

или

,

где - холодопроизводительность воздухоохладителя, Вт;

- удельный тепловой поток, Вт/м²;

- коэффициент теплопередачи воздухоохладителя, Вт/(м^2·К)

- средняя разность температур между циркулирующим воздухом и кипящим холодильным агентом или рассолом, °С.

Значение коэффициента теплопередачи принимают для гладкоотрубных аммиачных воздухоохладителей поперёчным движением воздуха при скорости его 3 -5 м/с примерно 30-50 Вт/ ( м^2·К) при движении возду­ха вдоль труб 17-20, для фреоновых с ребристыми тру­бами 17,5-23 при. коэффициенте оребрения 10-15, для аммиачных с ребристыми трубами 11,6-17,5 Вт/( м^2·К). принимают 12-18° при=0°С, 6 - 10°С — при= - 40 °С.

Воздух в воздухоохладителе охлаждается на 2-5°С при низких температурах и на 10-15°С при умеренно низких; хладоноситель в змеевиках воздухоохладителя нагревается на 2-4°С. По найденной теплопередающей поверхности подбирают воздухоохладитель по каталогу или определяют размеры его расчетным путем.

Объем V (в м³/с) циркулирующего через воздухоох­ладитель воздуха определяют по формуле

,

где —плотность воздуха при средней температуре, кг/м³ (находят по i—d-диаграмме для воздуха или по психометрической таблице);

,—энтальпия воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя, Дж/кг (по i—d-диаграмме).