Практическое занятие № 5 Тепловой расчет и подбор теплообменных аппаратов для термотрансформаторов

Основными теплообменными аппаратами как холодильных, так и теплонасосных установок, являются испарители и конденсаторы.

Конденсатор - это теплообменный аппарат, в котором охлаждают­ся и конденсируются пары холодильного агента за счет отдачи теплоты теплоносителю - охлаждающей воде или воздуху.

Теплоотдачей называется процесс передачи теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Пар конденсируется при сопри­косновении со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения пара, соответствующей давлению в аппарате. По характеру образования жидкости на стенке различают три вида конденсации: капельную, пленочную и смешанную.

При капельной конденсации пар непосредственно соприкасается с холодной поверхностью, поэтому имеет больший коэффициент тепло­отдачи по сравнению с пленочной конденсацией, когда пленка жид­кости на поверхности труб создает дополнительное термическое сопротивление, что снижает коэффициент теплоотдачи. В аппаратах холодильных машин происходит пленочная конденсация.

На интенсивность теплопередачи в конденсаторе влияют следую­щие факторы.

1. Скорость удаления жидкости с теплопередающей поверхности. При конденсации пара конденсат оседает на теплопередающей поверх­ности сплошной пленкой, которая, стекая по трубам, затрудняет дальнейшую конденсацию пара. Поэтому конструкция конденсатора должна обеспечивать быстрый отвод образующейся жидкости.

2. Скорость движения пара. При большой скорости движения пара ускоряется движение пленки жидкости, которая быстрее смывается с теплопередающей поверхности, увеличивая коэффициент теплоот­дачи.

3. Примесь воздуха и неконденсирующихся газов уменьшает коэффициент теплопередачи и повышает давление конденсации.

4. Отложения на стенках труб: со стороны хладагента - масла, унесенного паром из компрессора; со стороны воды - водяного камня (твердого осадка солей, растворенных в воде), ржавчины; в конден­саторах с воздушным охлаждением - слоя пыли, краски. Все эти отложения оказывают значительное термическое сопротивление, уменьшая коэффициент теплопередачи.

5. Скорость движения воды. Чем выше скорость движения воды, тем больше коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде, а, следовательно, и коэффициент теплопередачи.

Интенсивность теплопередачи конденсатора характеризуется плотностью теплового потока - количеством теплоты q_F (Вт/м²), которое отводится от хладагента теплоносителем через 1 м² площади поверхности конденсатора в течение 1 с.

Классификация конденсаторов.

В качестве охлаждающих веществ для конденсаторов можно применять как жидкости (вода), так и газы (воздух). Тип охлаждающего вещества, воспринимающего теплоту конденсации, зависит в теплонасосном цикле от способа применения. Использова­ние воздуха или других газов в качестве охлаждающих веществ для конденсаторов имеет смысл лишь тогда, когда газ, используемый для охлаждения, представляет собой вещество, к которому должна подво­диться полезная теплота. При использовании жидкостей в качестве ве­щества, охлаждающего конденсатор, их функцией часто является лишь транспортировка полезной теплоты от конденсатора к месту ее потреб­ления (промежуточные теплоносители).

В связи с большим различием в значениях коэффициентов тепло­обмена газов и жидкостей применяют различные конструкции конден­саторов с газовым и жидкостным охлаждением.

Конденсаторы с жидкостным охлаждением по конструктивному решению подразделяются на кожухотрубные, двухтрубные («труба в трубе») и змеевиково-трубные специальной конструкции.

Поскольку коэффициенты теплообмена конденсирующегося хла­дагента ниже коэффициента теплообмена потока жидкости или при­мерно равны, в качестве теплопередающего элемента также применяют гладкие трубы или трубы с увеличенной поверхностью (ребристые тру­бы) со стороны хладагента. Использование труб с увеличенной поверх­ностью со стороны жидкости имеет смысл в определенных условиях только при ее безнапорном движении.

Кожухотрубную конструкцию также наиболее часто применяют и в конденсаторах. При этом охлаждающее вещество пропускается вну­три труб, а хладагент конденсируется на наружной стороне труб в межтрубном пространстве (рис. 5.1). Причем пар хладагента посту­пает в полость кожуха сверху, сконденсировавшийся хладагент уда­ляется снизу. Чтобы получить возможно более высокий нагрев охлаж­дающего вещества, необходимо обеспечить его движение снизу вверх. Улучшенная реализация принципа противотока и более эффективное использование температуры перегретого пара хладагента, поступаю­щего в конденсатор, могут быть достигнуты при применении так назы­ваемого элементного (многосекционного) конденсатора (рис. 5.1), где несколько кожухотрубных теплообменников с относительно не большим числом труб в каждом расположены друг над другом.

Рисунок 5.1– Элементарный конденсатор, работающий по противоточной схеме: 1 – поступление хладагента, 2 – выход теплоносителя, 3 –поступление теплоносителя, 4 – выход хладагента

Двухтрубная конструкция. Принцип работы такой конструкции показан на рис. 5.5 и 5.6. Преимущество двухтрубных теплообмен­ников («труба в трубе») — создание полного противотока обоих ве­ществ. При этом благодаря использованию теплоты перегрева достига­ется более высокая температура теплоносителя на выходе. Такую кон­струкцию рекомендуется применять также при работе на неазеотропных смесях в качестве хладагентов. Хладагент может подаваться как во внутреннюю трубу, так и в зазор между наружной и внутренней трубой (причем с целью повышения прочности, а для тепловых насосов и с целью повышения термодинамических характеристик, более целе­сообразно пропускать хладагент внутри труб).

Змеевиковотрубная конструкция (рис. 5.2). Поскольку коэффициен­ты теплообмена конденсирующего хладагента больше, чем от потока га­за, в конденсаторах с воздушным охлаждением в качестве теплопередающего элемента всегда применяют трубы с увеличенной поверхностью (пластинчатые или ребристые трубы) со стороны газа. С целью дости­жения большей компактности аппарата и его удешевления осущест­вляется принудительное движение газа или воздуха через пучки пла­стинчатых или ребристых труб. Чаще всего применяют змеевиково-ребристые теплообменники. Размещение теплообменника и вентилятора, подающего воздух, в теплонасосных установках зависит от условий применения.

Рисунок 5.2 - Конденсатор с жидкостным ох­лаждением и погружным змеевиком

1—жидкий хладагент; 2 — парообразный хладагент; 3— нагретая вода; 4 — холодная вода

Расчет конденсаторов. Расчет конденсаторов заключается в оп­ределении площади их теплопередающей поверхности и объемно­го расхода воды.

Площадь теплопередающей поверхности (м²):

_(5.1)

где Q_K — тепловой поток в конденсаторе, Вт; к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К): вычисляют его по формуле или принимают по табл. 1; θ_m — средний логарифмический температурный напор между хладагентом и теплоносителем, К.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

_(5.2)

α_ХА – коэффициент теплоотдачи от хладагента к стенке трубы .

Аммиак 2300…5800 R717

1200…2300 R134а

1500…2900 R22

d_W и d_ХА – диаметры трубы со стороны воды и хладагента;

α_В – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы воде

α_В = 3500…7000– вода

α_В = 23…93 – воздух

- термическое сопротивление

Таблица 1- Коэффициенты теплопередачи конденсаторов

Конденсатор	к, Вт/(м2·К)	qF Вт/м2
Горизонтальные кожухотрубные:
аммиачные	700... 1050	4650...5250
фреоновые*	350...530	2300...3500
Вертикальные кожухотрубные	700...930	4100...4650
Оросительные	700...930	4100...4650
Испарительные**	470...580	2100...2300
С воздушным охлаждением:
с принудительным движением воздуха**	25...50	290...460
для бытовых холодильников	9...12	90... 120

Коэффициент теплопередачи отнесен к оребренной поверхности конденсатора *

Коэффициент теплопередачи отнесен к наружной поверхности ребер**.

Средний логарифмический температурный напор между хладагентом и теплоносителем:

_(5.3)

и - температура воды, поступающей в конденсатор и на выходе их него.

- температура конденсации хладагента

Зная площадь теплопередающей поверхности, можно по приложению 16-20 подобрать конденсатор.

Расход воды для проточных конденсаторов определяют из усло­вия, что вся теплота от хладагента отводится водой и, следователь­но, тепловой поток в конденсаторе:

_(5.4)

Откуда

_(5.5)

где m_в — массовый расход воды, кг/с; c_в— теплоемкость воды; c_в=4,1868 кДж/(кг·К); t_вl — температура воды, поступающей на конденсатор; t_в2 — температура воды, выходящей из конденсатора, °С.

Нагрев воды в конденсаторе t_в2 — t_в1 = (3...5) °С.

Объемный рас­ход охлаждающей воды (м³/с):

_(5.6)

где p_в =1000 кг/м³ — плотность воды.

Испаритель в тепловых насосах служит для того, чтобы при низкой температуре отбирать теплоту из окружающей среды или от теплоносителя; при этом хладагент переходит из жидкой фазы в газо­образную. В связи со значительным различием коэффициентов тепло­обмена потока газов и жидкостей применяются и различные конструк­ции испарителей для охлаждения жидкостей и газов.

Поскольку коэффициенты теплообмена испаряющихся хладагентов меньше или почти равны таким же коэффициентам для потока жид­кости, в качестве элемента, передающего тепло, используют гладкую трубу или трубу с увеличенной поверхностью (оребренная труба) со стороны хладагента. Важно не забывать, что теплоноситель часто за­грязняет систему и вызывает коррозию. Эти особенности оказывают серьезное влияние на выбор испарителя.

На интенсивность теплопередачи при кипении влияют следующие факторы:

1) плотность теплового потока q_F, зависящая от температур­ного напора между теплоперёдающей поверхностью и кипящей жид­костью, физических свойств жидкости;

2) смачиваемость теплопередающей поверхности жидкостью; если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность, то пузырьки образуются небольшие, легко отделяются от поверхности, улучшая теплопередачу; масло, раство­ренное в холодильном агенте, ухудшает смачиваемость, а, следовательно, и теплоотдачу;

3) конструкция испарителя; при парообразо­вании внутри вертикальных труб всплывающие пузырьки пара уси­ливают теплообмен и способствуют подъему парожидкостной смеси; скорость подъема тем больше, чем меньше диаметр труб;

4) скорость движения хладоносителя;

5) загрязнение на обеих сторонах стенок труб смазкой, ржавчиной, инеем снижает коэффициент теплопередачи.

Испарители для охлаждения жидкостей в зависимости от конструк­ции можно разделить на следующие группы: кожухотрубные, типа «труба в трубе», змеевиковые, регисторные, пластинчатые.

Кожухотрубная конструкция. Кожухотрубная конструкция наибо­лее широко применяется в испарителях для охлаждения жидкостей. Охлаждаемая жидкость может проходить как внутри труб (рис. 5.3), так и между ними (рис. 54).

Рисунок 5.3 - Кожухотрубный испаритель с движением теплоносителя внутри труб: 1 – хладагент (пар), 2 - охлаждаемое вещество (теплоноситель), 3 – хладагент (жидкость)

Рисунок 5.4 - Кожухотрубный испаритель с движением теплоносителя в межтрубном пространстве: 1 - охлаждаемое вещество (теплоноситель), 2 – хладагент

При движении охлаждаемой жидкости по трубам пространство внутри обе­чайки заполняется на 2/3 диаметра хладагентом. Уровень жидкого хладагента обычно регулируется поплавковым вентилем. При таком принципе работы, если применяются малорастворимые хладагенты, требуются специальные меры по отводу масла из испарителя в компрессор. Очистка внутренней поверхности труб, заполненных охлаждаемой жидкостью, может осуществляться как хими­ческими, так и механическими средствами после съема обеих водяных крышек. Предотвращению излишней загрязненности способствует высокая скорость дви­жения жидкости. Максимально допустимая скорость зависит от материала вну­тренних труб и ограничена максимальным заданным падением давления жидко­сти в испарителе.

В случае использования стальных внутренних труб для повышения коррозионной стойкости и уменьшения прилипания загрязнений ре­комендуется покрывать внутреннюю поверхность труб тонким слоем пластмассы (дуропласта). Некоторое снижение коэффициента тепло­передачи, вызванное пластмассовым покрытием, возможно лишь в начальном периоде эксплуатации, так как через определенный проме­жуток времени теплообменники с пластмассовым покрытием начинают обладать более высоким коэффициентом теплопередачи, чем обычные, благодаря меньшему слою загрязнений.

В испарителях с межтрубным движением теплоносителя внутрь труб с помощью термостатических регулирующих вентилей впрыски­вается лишь столько жидкого хладагента, сколько необходимо, чтобы на выходе из испарителя образовался чуть перегретый пар. Возврат масла из испарителя в компрессор обычно не представляет проблемы, так как скорость пара хладагента после полного испарения столь высо­ка, что он сам захватывает масло и отводит его назад к компрессору. Другое преимущество такой технологии состоит в том, что испаритель заполнен жидким хладагентом в меньшем количестве, чем при эксплу­атации испарителей затопленного типа.

Тогда как химический способ пригоден для очистки наружной по­верхности труб испарителя любой конструкции, загрязняемых охлаждаемой жидкостью, механический способ очистки требует такой кон­струкции теплообменного аппарата, в котором пучок труб можно вы­нимать.

Двухтрубная конструкция («Труба в трубе») применяется в основ­ном для малых производительностей (< 40 кВт). Преимущество такой конструкции состоит в том, что обе жидкости, участвующие в теплопере­даче, получают встречное направление, точно соответствующее про­тивотоку. Это имеет значение при использовании неазетропных смесей хладагента в холодильных установках, так как испарение смесей про­исходит не при постоянной, а при возрастающей вдоль направления: потока температуре. Возможные конструкции двухтрубных теплооб­менников показаны на рис. 5.5 и 5.6. Наиболее распространена в теплонасосных установках конструкция, показанная на рис. 5.6. В испарителях этого типа хладагент обычно проходит во внутренней тру­бе.

Рисунок 5.5 - Вариант двухтрубной конструкции (типа «труба в трубе)»

Рисунок 5.6 - Вариант двухтрубной конструкции (типа «труба в трубе)»

Змеевиковые, регисторные, пластинчатые конструкции. Хлада­гент, предназначенный для испарения, подается внутрь змеевика, ре­гистра или пластин. Такие конструкции применяют в тех случаях, когда испарители встроены в круглые или многоугольные резервуары, где протекает охлаждаемая жидкость.

Регисторные конструкции (рис. 5.7) пригодны только при исполь­зовании хладагентов, не растворяющих масло, и при внутреннем ис­парении (кожухотрубная конструкция с испарением в межтруб­ном пространстве); змеевиковые конструкции позволяют осуществлять полное испарение. Преимущество описанного размещения испарителей заключается в возможности удобной очистки, особенно при применении пластинчатых испарителей (рис. 5.8).

Рисунок 5.7- Регистровый испаритель для охлаждения жидкостей «вертикально-трубный испаритель»

Рисунок 5.8– Панельный испаритель для охлаждения жидкостей

Наибольшее распространение получили змеевиково-трубные кон­струкции.