Теплообменные аппараты
Теплообменные аппараты должны обеспечивать интенсивный теплообмен между средами, быть безопасными и надежными в эксплуатации, компактными по объему, неметаллоемкими, удобными для монтажа, обслуживания и ремонта.
На интенсивность теплообмена оказывают влияние площадь теплопередающей поверхности, как правило, отражаемая в марке аппарата; разность температур между средами; характеристика материала; форма, цвет и шероховатость поверхности; степень загрязненности теплообменной поверхности; скорость движения сред, участвующих в теплообмене; теплофизические свойства сред, участвующих в теплообмене (способность среды отдавать или поглощать теплоту).
Уравнение теплового потока Q выражается следующей зависимостью, Вт: Q = FΘmk, где F — площадь поверхности теплообмена, м²; Θm — средний температурный напор между средами, К; k — коэффициент теплопередачи аппарата,
Вт/(м²·К).
Произведение Θmk называется плотностью теплового потока, т. е. количеством теплоты, которое отводится через 1 м² площади поверхности аппарата и обозначается qF, Вт/м², тогда Q = FqF, откуда F=Q/qF.
Последняя зависимость является основной для расчета и подбора теплообменных аппаратов для холодильных установок.
Аппараты, входящие в состав агрегатов, подобраны в соответствии с производительностью компрессоров.
При использовании неагрегатированного оборудования или замене в ходе модернизации на аппарат другого типа производится его расчет по вышеприведенным формулам и подбор.
Для существующего серийно выпускаемого оборудования значения характеристик k, Θm и qF являются известными справочными данными.
Конденсаторы
|
|
Применяются горизонтальные и вертикальные кожухотрубные (реже кожухозмеевиковые) оросительные, испарительные и воздушные конденсаторы. Теплотехнические характеристики их приведены в табл. 26.
Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы. В торцовых решетках аммиачных конденсаторов развальцованы стальные цельнотянутые трубы диаметром 25X2,5 мм, по которым циркулирует вода, делая от 2 до 8 ходов за счет установленных в крышках перегородок.
При изготовлении конденсаторов для равномерного распределения пара исключают несколько труб в верхней части аппарата или устанавливают на нем коллектор с несколькими вводами. В межтрубном пространстве устанавливаются поддерживающие перегородки, а в некоторых типах аппаратов — наклонные плоскости — конденсатоотводчики, препятствующие стеканию жидкости на нижние пучки труб. При отсутствии нижних пучков труб нижнюю часть кожуха используют в качестве ресивера либо удаляют жидкость в линейный ресивер из верхней части маслоотстойника. Характеристики аммиачных конденсаторов приведены в табл. 27.
В хладоновых конденсаторах применяют медные трубы диаметром 20X3 и 16X2 мм с накатанными ребрами. Коэффициент оребрения составляет соответственно 3,64 и 3,99. Характеристики хладоновых конденсаторов представлены в табл. 28.
Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы должны охлаждаться чистой водой, прошедшей магнитную обработку. Для защиты от коррозии применяются протекторы: для аммиачных конденсаторов — цинковые; для хладоновых — цинковые, кадмиевые или стальные.
Во избежание замерзания воды в аппаратах в зимнее время их целесообразно устанавливать в помещении.
Вертикальные кожухотрубные конденсаторы. Пар аммиака подводится к верхней части кожуха и конденсируется на наружной поверхности труб диаметром 57X3,5 мм, развальцованных в трубных решетках (рис. 39). Сконденсированный аммиак сливается из нижней части кожуха в линейный ресивер. Вода из открытого бака над аппаратом винтообразно стекает по трубам за счет направляющих насадок.
|
|
| 
|
С целью уменьшения габаритов конденсатора и его металлоемкости наружную поверхность труб оребряют продольными ребрами. Загрязнение вертикальных конденсаторов происходит значительно медленнее, чем горизонтальных. Направляющие насадки легко очищаются, поэтому для охлаждения этих конденсаторов может использоваться загрязненная вода. Аппараты размещаются вне помещения, занимая незначительную площадь.
Характеристики конденсаторов представлены в табл. 29.
Конденсаторы с водовоздушным охлаждением. Применяется два вида водовоздушных конденсаторов: испарительные и оросительные. Последние вследствие громоздкости и высокой коррозии сняты с производства.
Испарительные конденсаторы применяют в зонах с сухим и жарким климатом. Они позволяют получать достаточно низкие температуры конденсации при высоких температурах окружающего воздуха. При этом используется минимальный расход воды.
В нашей стране наибольшее распространение получили отечественные аппараты ИК и испарительные конденсаторы производства ВНР, характеристики которых приведены в табл. 30.
|
|
Схема работы испарительного конденсатора типа TVKA представлена на рис. 40. Воздух нагнетается вентиляторами в нижнюю часть аппарата, омывает змеевики конденсатора и, пройдя через каплеотбойный слой, обдувает фор-конденсатор и выходит наружу. Вода из поддона, обору-
дованного переливным и подпиточным устройствами, засасывается насосом через фильтр и подается на форсунки для орошения змеевиковых секций конденсатора.
Перегретый пар аммиака поступает в форконденсатор, охлаждается воздухом и направляется в секции конденсатора. Конденсация аммиака осуществляется за счет отвода теплоты от пара циркулирующей водой, которая передает ее воздуху в процессе испарения.
Расход свежей воды в испарительном конденсаторе определяется частичным ее испарением, уносом и необходимостью замены воды в поддоне (не реже чем через каждые 6 мес, а при значительной жесткости подпиточной воды — чаще). Количество циркулирующей воды составляет 0,06—0,1 м³ на 1 м² орошаемой поверхности; объем продуваемого воздуха — 120—200 м³/ч на 1000 Вт теплового потока.
Аппараты находят широкое применение вследствие возможности их использования с подачей и без подачи воды при включенных и выключенных вентиляторах.
Это дает возможность регулировать температуру конденсации в широких пределах, экономить воду и электроэнергию.
В отечественных испарительных конденсаторах типа ИК и некоторых аппаратах производства ВНР между форконденсатором и секциями конденсатора устанавливается маслоотделитель. При охлаждении пара аммиака в форконденсаторе происходит частичная конденсация масла, унесенного из компрессора в парообразном состоянии. Капельное масло отделяется от пара.
Недостатки испарительных конденсаторов: засорение форсунок раздачи воды, образование водяного камня на тешюпередающих поверхностях и выход из строя электродвигателей вентиляторов.
Аппараты устанавливают на площадках над линейными ресиверами вне помещения, вблизи компрессорного цеха.
Воздушные конденсаторы. Различают воздушные конденсаторы для домашних холодильников, малых холодильных установок, а также средних и крупных.
Для домашних холодильников применяют аппараты, в которых теплота конденсации отводится естественной конвекцией. В последнее время наибольшее распространение находят проволочно-трубные конденсаторы (рис. 41). К поверхности стального омедненного змеевика из трубы диаметром 6×1 мм приварены стальные проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 5—8 мм.
В малых холодильных установках применяются секционные конденсаторы из горизонтальных медных труб диаметром 14×1 мм с насаженными на них просечными алюминиевыми ребрами толщиной 0,5 мм с шагом 3,1 мм. На рис. 42 показан конденсатор от агрегата типа ФАК-0,7.
Воздушные конденсаторы для средних и крупных холодильных установок изготавливаются на базе биметаллических труб. На внутреннюю стальную трубу диаметром 25×2 мм насажена оребренная труба диаметром 38×8 мм из алюминиевого сплава АД1-М. Концы труб развальцовываются в трубных решетках прямоугольной формы, которые закрыты крышками. В результате образуется трубная секция. Такие секции устанавливаются на аппарате горизонтально или зигзагообразно.
Воздушные конденсаторы выпускаются трех типов: воздушные малопоточные (АВМ); воздушные горизонтальные (АВГ); воздушные зигзагообразные (АВЗ).
Характеристики аппаратов приведены в табл. 31.
Конденсаторы типа ABM и АВГ аналогичны по конструкции и отличаются только длиной труб. Конденсатор типа АВЗ предусматривает зигзагообразное размещение секций (рис. 43).
Испарители
Различают открытые и закрытые испарители.
В испарителях с открытой циркуляцией хладоносителя испарительные секции погружены в бак с хладоносителем, циркуляция которого осуществляется мешалкой. В результате постоянного насыщения хладоносителя кислородом из воздуха система подвержена быстрой коррозии.
Предпочтение отдается испарителям закрытого типа. В этом случае хладоноситель циркулирует в кожухотрубном испарителе за счет напора, создаваемого насосом.
По способу заполнения хладагентом различают затопленные испарители, в которых кипящий хладагент, заполняя полость аппарата, имеет четко определяемый уровень, и незатопленный — с кипением хладагента в трубном пространстве. Теплотехнические характеристики различных типов испарителей представлены в табл. 32.
Панельные испарители. Аппараты состоят из стального бака, в котором размещаются панельные испарительные секции и мешалка для циркуляции хладоносителя. Секции объединены жидкостным и паровым коллекторами.
Преимуществами панельных испарителей являются их простота изготовления, небольшой расход бесшовных труб, малая аммиакоемкость, доступность хладоносителя для наблюдения и контроля, отсутствие опасности разрушения аппарата при замерзании хладоносителя. При использовании в качестве хладоносителя ледяной воды, например на молочных холодильных установках, возможно использование панельного испарителя как аккумулятора холода за счет намораживания льда на панелях. В состав панельных испарителей входят отделители жидкости. Устанавливаются панельные испарители в помещении или на улице.
С целью увеличения эффективности серийных аппаратов
можно увеличить высоту перегородки, обеспечивающей два хода хладоносителя в баке, так как при перетекании хладо-носителя через перегородку нарушается его нормальная циркуляция; подавать теплый хладоноситель в бак по направлению его циркуляции, приварив к сливному трубопроводу отвод.
Характеристики панельных испарителей даны в табл. 33.
Кожухотрубные испарители затопленного типа. В трубных решетках аппаратов закреплены трубы: стальные диаметром 25×2,5 мм — в аммиачных; медные диаметром 16×2 мм с накатанными ребрами — в хладоновых.
В трубах циркулирует хладоноситель. Хладагент заполняет межтрубное пространство: аммиак — на 80%; хла-доны — на 60 % (вследствие значительного вспенивания масла). Пар хладагента выходит из испарителя через сухопарник, который обеспечивает перегрев пара аммиака на 3…5°С, хладонов — на 1,5 °С.
Уровень в аммиачных аппаратах поддерживают с помощью поплавковых реле уровня (ПРУ-5), в хладоновых применяются терморегулирующие вентили (ТРВ).
Устанавливаются закрытые испарители в помещении.
Характеристики затопленных исларителей представлены в табл. 34 и 35.
Испарители с кипением хладагента внутри труб. Представляют собой медные трубы диаметром 20X1,5 мм с запрессованными в них восьми- или десятиканальными сердечниками, закрепленные в трубных решетках (рис. 44).
В межтрубном пространстве установлены поперечные перегородки, что позволяет увеличить скорость движения хладоносителя и поперечное омывание труб.
Хладон подается в нижние пучки труб через ТРВ и делает в аппарате два хода. На выходе должен быть перегрев хладагента 2…3°С.
Преимуществами таких аппаратов являются малая вместимость по хладагенту и возможность получения низких температур хладоносителя. Нет опасности разрыва труб при замерзании хладоносителя.
Применяются для охлаждения воды до 1…2°С.
Характеристики аппаратов даны в табл. 36.
Камерные приборы
В качестве камерных приборов применяются потолочные, пристенные и радиационные батареи, а также навесные и постаментные воздухоохладители.
Потолочные и пристенные батареи. Изготавливаются коллекторные и змеевиковые из стандартных секций (см. раздел 2) либо из труб и фасонных деталей. Они могут быть оребренными и гладкотрубными. Радиационные батареи состоят из панельных секций, которыми комплектуются панельные испарители. Они находят применение преимущественно в остывочных камерах мясокомбинатов.
Воздухоохладители. По способу охлаждения воздушной среды делятся на поверхностные (сухие) и контактные (мокрые). Последние в настоящее время находят ограниченное применение из-за значительной коррозии и постоянного падения концентрации хладоносителя. Преимущественно применяются сухие воздухоохладители (рис. 45).
В аммиачных холодильных установках используются навесные и постаментные воздухоохладители с диаметром труб 25X2,5 мм, в хладоновых — навесные с диаметром труб 16X0,8 мм (табл. 37). Шаг ребер переменный, уменьшается по ходу движения воздуха через аппарат. Предусмотрена верхняя подача хладагента для насосно-циркуляционных схем и нижняя — для безнасосных.
Оттаивание снеговой шубы воздухоохладителей производится горячим паром холодильного агента, орошением водой и электрообогревом. Предпочтение отдается первому способу, при котором из аппарата параллельно оттаиванию удаляется и масло.
В последнее время широкое применение находят венгерские воздухоохладители типов X и. MX (табл. 38).
Устройства для охлаждения оборотной воды
Стоимость охлаждающей воды — одна из основных эксплуатационных затрат. Сократить затраты на охлаждающую воду позволяет применение оборотного водоснабжения.
Вода охлаждается в брызгальных бассейнах, открытых и вентиляторных градирнях за счет частичного ее испарения. После этого она подается на охлаждение конденсаторов, маслоохладителей винтовых агрегатов и рубашек поршневых компрессоров.
Брызгальные бассейны (рис. 46) работают по принципу фонтанов. Открытые градирни огорожены жалюзийными решетками, вода в них разбрызгивается форсунками с высоты 2—4 м. Эффективность в градирнях выше, чем в брызгальных бассейнах, за счет более длительного контакта воды с воздухом.
Наибольшее распространение получили пленочные вентиляторные градирни, в которых воздух вентилятором продувается или просасывается через орошаемые водой насадки из дерева или пластмасс по принципу противотока (рис. 47 и 48).
Под градирней устраивается водосборный резервуар.
Вентиляторные градирни выпускаются с нижним и верхним расположением вентиляторов, причем нижнее расположение предпочтительнее с точки зрения долговечности электродвигателей вентиляторов. Габариты вентиляторной градирни значительно меньше, чем открытой.
Недостатком пленочных вентиляторных градирен является возможность обрушения щитов насадки под тяжестью льда в холодное время года, поэтому при подключении градирни следует предусмотреть вариант переключения подачи воды в холодное время года в поддон градирни, минуя верхнюю раздачу.
Характеристики вентиляторных градирен, выполненных по проектам ВНИКТИхолодпрома и «Союзводоканалпроекта», представлены в табл. 39, характеристики градирен производства ВНР — в табл. 40.
Градирни могут размещаться вне помещений, на крышах зданий, а также внутри помещений, в этом случае уходящий из градирни воздух необходимо выводить наружу.
Для всех аппаратов охлаждения оборотной воды должна быть организована подпитка свежей воды из расчета 2—4 % от количества циркулирующей. Подпитку целесообразно производить в поддон аппарата, автоматизируя этот процесс по уровню в поддоне с помощью поплавкового устройства. Периодически необходимо осуществлять полную замену оборотной воды на свежую для удаления накапливающихся солей.
