К теплообменным аппаратам холодильных машин относятся конденсаторы, испарители, воздухоохладители, переохладители, регенеративные теплообменники.
Теплопередача в теплообменных аппаратах
Теплообмен - это процесс переноса теплоты от одного тела к другому. Различают три основных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение. Передача теплоты теплопроводностью происходит главным образом в твердых телах. Перенос теплоты конвекцией происходит только в жидкостях и газах. В действительности передача теплоты совершается одновременно двумя или тремя способами.
Обязательным условием передачи теплоты теплопроводностью является разность температур поверхностей стенки. При этом тепловой поток направлен от поверхности стенки с большей температурой к поверхности с меньшей температурой. Тепловой поток при теплопроводности, Вт, прямо пропорционален площади поверхности стенки, разности температур на ее сторонах и обратно пропорционален толщине стенки, т. е. Q = λF(t1-t2)/ δ, где λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м • °С); F - площадь поверхности стенки, м2; t1 - t2 - разность температур поверхностей стенки, °С; δ - толщина стенки, м.
Коэффициент теплопроводности λ. определяет количество теплоты, проходящее через плоскую стенку толщиной 1 м в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностями стенки 1 °С. Для различных тел коэффициент теплопроводности различен и зависит от структуры, плотности, влажности, температуры.
Конвективный теплообмен осуществляется между поверхностью твердой стенки и омывающей ее жидкостью или газом при их соприкосновении. В этом случае теплота передается одновременно конвекцией и теплопроводностью. Такой теплообмен, называемый теплоотдачей, связан с переносом самой среды (жидкости или газа).
Теплоотдача - сложный процесс, зависящий от многих факторов: рода движения (свободное и вынужденное), физических свойств среды (плотность, вязкость, теплопроводность), скорости потока среды и режима ее движения, формы и размеров поверхности твердого тела и т. д.
В теплообменных аппаратах теплота передается от одной среды к другой главным образом через стенку. Такой процесс теплообмена называется теплопередачей. Теплопередача включает теплоотдачу от среды к поверхности стенки, передачу теплоты через стенку теплопроводностью и теплоотдачу от поверхности стенки к среде.
Конденсаторы
Конденсатор - это теплообменный аппарат, в котором происходят охлаждение и конденсация пара хладагента, поступающего из компрессора за счет передачи теплоты охлаждающей среде( воде или воздуху).
На теплопередачу в конденсаторах влияют: характер движения и состояния пара хладагента, наличие в нем примеси воздуха и неконденсирующихся газов, неравномерность температуры стенки, затруднение свободного стока конденсата, загрязнение теплопередающей поверхности, изменение скорости охлаждающей воды или воздуха.
Типы конденсаторов. Различают конденсаторы с водяным, воздушным и водовоздушным охлаждением. Водяные конденсаторы по конструкции разделяют на кожухотрубные (горизонтальные и вертикальные), кожухозмеевиковые и элементные. Воздушные конденсаторы бывают с принудительным и свободным движением воздуха. Конденсаторы с водовоздушным охлаждением разделяются на оросительные и испарительные.
В судовых холодильных установках наибольшее распространение получили горизонтальные кожухотрубные и кожухозмеевиковые конденсаторы, охлаждаемые забортной водой, и воздушные конденсаторы с принудительным движением воздуха.
Горизонтальный хладоновый кожухотрубный конденсатор (рис. 2.57) состоит из стальной обечайки (корпуса) 1 с приваренными по концам латунными трубными решетками 2. Трубные решетки могут быть стальными с наплавленным слоем меди 3 или залитые эпоксидной смолой для защиты от коррозии. Трубки 6 из мельхиора (медно-цинкового сплава, содержащего 70% меди и 30% никеля) или меди имеют с наружной стороны накатные ребра.
Оребрение теплообменных труб кожухотрубных конденсаторов, как правило, осуществляется с помощью накатки наружной поверхности на трубонакатном станке. Оребрение осуществляется с целью увеличения поверхности теплоотдачи со стороны хладона для компенсации более низкого значения коэффициента теплоотдачи конденсирующегося хладагента по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от стенки к воде.
Концы теплообменных трубок 6 развальцованы в трубных решетках. По трубкам протекает забортная вода, а межтрубное пространство заполнено паром конденсируемого хладагента, поступающего из компрессора.
Трубные решетки через резиновые прокладки закрываются бронзовыми крышками 4 с перегородками, изменяющими направление движения воды по трубкам конденсатора. Скорость воды в трубках достигает 2,5 м/с, что обеспечивает высокую интенсивность теплопередачи. На одной из крышек в ее верхней и нижней частях имеются пробки 5 для выпуска воздуха из водяной полости и спуска воды.
Для защиты трубок, трубных решеток и крышек от коррозионного воздействия морской воды крышки конденсатора снабжены протекторами из цинка или магниевого сплава МЛ-4 и алюминиевого сплава АМц-15-10. Процесс защиты от коррозии происходит следующим образом. При контакте двух металлов, погруженных в электролит (морскую воду), создается гальваническая пара из металла конструкции и протектора. В результате электролитической диссоциации активный металл протектора, являющийся анодом, разрушается, а основной металл-катод сохраняется.
Пар в конденсатор поступает сверху через патрубок 7 (см. рис. 2.57). Сконденсированный жидкий хладон собирается в сборнике жидкости 12, расположенном в нижней части конденсатора, откуда через запорный вентиль 11 поступает в жидкостной трубопровод. На верхней части корпуса конденсатора установлены предохранительный клапан 8, клапан 9 для спуска воздуха и угловой запорный клапан 10 для присоединения уравнительной трубы или манометра.
Горизонтальные аммиачные кожухотрубные конденсаторы всех конструкций с водяным охлаждением отличаются, от хладоновых тем, что в них применяют стальные трубные решетки и гладкие утолщенные трубки (d = 25 мм; δ = 4 мм), так как аммиак агрессивен к цветным металлам.
Сборник жидкого хладагента в аммиачном конденсаторе одновременно является и маслоотстойником, из него масло выпускают через клапан, расположенный на сборнике. В судовой конструкции конденсатора предусмотрены два сборника жидкого хладагента, которые расположены в противоположных концах конденсатора. Такое расположение сборников обеспечивает постоянный отвод жидкости при креке и дифференте судна. Подвод пара в конденсатор осуществляется через коллектор, расположенный сверху над корпусом по оси и соединенный с ним несколькими патрубками. Число ходов в конденсаторах восемь.
В табл. 2.12 представлены основные характеристики судовых хладоновых кожухотрубных конденсаторов, а также аммиачных кожухотрубных конденсаторов, находящихся в эксплуатации на рыбопромысловых судах. Основные характеристики судовых хладоновых кожухотрубных конденсаторов нового ряда типа МКТНР приведены в табл. 2.13.
Кожухозмеевиковые конденсаторы на судах в основном применяют в составе компрессорно-конденсаторных агрегатов типа АМ-2ФВ-4/2-1 холодильных установок провизионных кладовых. Конденсатор состоит из кожуха, изготовленного из цельнотянутой стальной трубы. С одной стороны к кожуху приварено глухое сферическое донышко, с другой - фланец. К фланцу крепятся стальная трубная решетка с развальцованными в ней концами восьми U-образных оребренных медных трубок и водяная крышка с внутренними перегородками. Оребрение выполняют накатным или с помощью стальных оцинкованных пластин толщиной 0,5 мм, насаженных на трубки с шагом 3,5 мм.
Контакт между ребрами и трубками создан протяжкой через трубки стального цилиндра с диаметром, большим диаметра трубки. По трубкам проходит охлаждающая вода. Нижняя часть кожуха конденсатора является сборником жидкого хладагента - ресивером. В стенке кожуха установлена предохранительная легкоплавкая пробка, которая при температуре 70 °С расплавляется, в результате этого внутренняя часть кожуха конденсатора соединяется с атмосферой. Таким образом предотвращается разрушение аппарата из-за чрезмерного повышения давления конденсации.
Основные характеристики кожухозмеевиковых конденсаторов с водяным охлаждением приведены в табл. 2.14.
Конденсаторы с воздушным охлаждением могут быть как с принудительным, так и со свободным движением воздуха.
Конденсаторы с принудительным движением воздуха применяют в холодильных машинах охлаждаемых шкафов, контейнеров, автономных кондиционеров, в изотермическом авто- и железнодорожном транспорте, а также в установках на судах с воздушной подушкой.
Принудительное движение воздуха создается вентиляторами, которые интенсифицируют отвод теплоты от конденсатора. Для этой же цели наружную поверхность теплообменных трубок, обдуваемых воздухом, делают ребристой.
Конструкции конденсаторов с принудительным движением воздуха в основном одинаковы. Конденсатор состоит из двух и более секций, соединенных последовательно калачами или параллельно с помощью коллекторов. Секции изготовляют из прямых или U-образных трубок, на которые насажены общие ребра (стальные или алюминиевые). Стальные или медные трубки секции соединяют калачами. Секции для защиты от коррозии и обеспечения плотного контакта между стальными трубками и ребрами оцинковывают. Надежный контакт между медными трубками и алюминиевыми ребрами достигается протяжкой через трубку стального шарика диаметром на 0,5-0,6 мм больше внутреннего диаметра трубки.
Основные характеристики конденсаторов с воздушным охлаждением даны в табл. 2.15.
На рис. 2.58 показан хладоновый конденсатор с воздушным охлаждением марки 4-12 для R12. Площадь наружной поверхности конденсатора 14 м2. Конденсатор состоит из пяти секций, изготовленных из медных трубок диаметром 12x1 мм, и стальных ребер толщиной 0,5 мм. Оребренные трубки секции соединены между собой в плоский змеевик с помощью калачей 1. Секции соединены паровым 4 и жидкостным 3 коллекторами. Пар из компрессора подается в коллектор 4 сверху, а жидкий хладагент отводится через коллектор 3 снизу. Секции конденсатора закреплены в кожухе 2, который имеет диффузор 5 для равномерного обдува секций воздухом.
Конденсаторы со свободным движением воздуха применяют в домашних холодильниках. Они бывают проволочно-трубными и листотрубными. Проволочно-трубный конденсатор состоит из змеевика, к которому с обеих сторон приварены ребра из стальной проволоки диаметром 1-2,5 мм.
Листотрубные конденсаторы выполняются щитовыми и прокатносварными. Листотрубный щитовой конденсатор состоит из змеевика, который приварен или припаян к металлическому листу, заменяющему сплошное ребро. Листотрубный прокатно-сварной конденсатор изготовляют из двух алюминиевых листов, свареных прокаткой в горячем состоянии. Несваренными остаются ранее размеченные специальным составом участки, которые после того, как их раздули жидкостью или воздухом под давлением 4-10 МПа, принимают форму каналов.
Вертикальные кожухотрубные, элементные и водовоздушные конденсаторы применяют преимущественно на стационарных холодильниках большой холодопроизводительности.
Вертикальный кожухотрубный конденсатор состоит из цилиндрического кожуха с приваренными по торцам трубными решетками. В решетках развальцованы бесшовные стальные трубы диаметром 57 х 3,5 мм. В межтрубное пространство верхней части конденсатора поступает пар хладагента (R717). По трубкам сверху вниз стекает охлаждающая вода. Каждая трубка снабжена колпачком с направляющими прорезями, благодаря которым вода проходит по неполному сечению (по стенкам трубок). Конденсат отводится через жидкостный штуцер, расположенный в нижней части конденсатора.
Основное преимущество таких аппаратов - относительная легкость очистки внутренних поверхностей трубок от водяного камня.
В элементных конденсаторах каждый элемент представляет собой кожухотрубный конденсатор, в трубных решетках которого развальцованы 14 труб диаметром 38x3,5 мм. Элементы, расположенные один над другим, объединяются в секции. Снизу каждой секции имеется ресивер. Пары хладагента подводятся сверху в межтрубное пространство верхнего элемента. Вода подается через коллектор параллельно во все элементы. В каждом элементе вода проходит последовательно по нескольким ходам.
Водовоздушные конденсаторы относятся к конденсаторам со смешанным охлаждением (водой и воздухом). В этих конденсаторах процесс охлаждения водой сопровождается ее одновременным испарением и охлаждением. Водовоздушные конденсаторы применяют при недостатке охлаждающей воды.
Оросительный конденсатор состоит из плоских, вертикально расположенных змеевиков из стальных трубок диаметром 57 х 3,5 мм, орошаемых снаружи водой. Пары аммиака поступают внутрь трубок, где конденсируются, а из трубок жидкость стекает в ресивер. Теплота от хладагента отводится орошаемой водой, а также в результате ее частичного испарения. Конденсаторы устанавливают в местах, хорошо продуваемых воздухом.
В испарительном конденсаторе змеевики из стальных трубок расположены в плотном кожухе. Теплота отводится в результате испарения воды при обдувании ее воздухом. Принудительное движение воздуха в противоток движению воды улучшает процесс теплопередачи, поэтому температура охлаждающей воды практически не повышается. Стекающая с труб вода вновь направляется насосом для орошения змеевиков конденсатора.
Испарители
Испаритель - теплообменный аппарат, в котором хладагент кипит за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемой среды (воздуха, рассола и воды).
По назначению различают испарители для охлаждения жидких хладоносителей (рассола, воды) и испарители для охлаждения воздуха.
В зависимости от условий циркуляции хладоносителя испарители бывают закрытого и открытого типов. К испарителям закрытого типа относят кожухотрубные, кожухозмеевиковые, к испарителям открытого типа - панельные.
По характеру заполнения хладагентом испарители делят на затопленные, в которых поддерживается уровень хладагента, и незатопленные или сухие (кожухотрубные и кожухозмеевиковые с кипением в трубах).
Испарители для охлаждения хладоносителя. Для этих целей используют кожухотрубные, кожухозмеевиковые и панельные испарители.
Кожухотрубные испарители имеют широкое применение. Наиболее распространенными судовыми испарителями для охлаждения хладоносителей являются горизонтальные кожухотрубные испарители затопленного типа. По конструкции они имеют сходство с кожухотрубными конденсаторами. В кожухотрубных испарителях рассол охлаждается при циркуляции внутри трубок, а хладагент кипит в межтрубном пространстве. Аммиачные и хладоновые кожухотрубные испарители принципиально не отличаются один от другого. Различие состоит в конструкции поверхности теплообмена и материалах, применяемых для их изготовления.
Судовой хладоновый горизонтальный кожухотрубный испаритель МИТР-35 (рис. 2.59) входит в состав испарительно-регулирующего агрегата МАИР-60, установленного на ЖМС типа „Днепр”. Площадь теплопередающей поверхности охлаждения 35 м2. В отверстиях стальных трубных решеток 7 развальцованы 126 красномедных теплообменных трубок 2 диаметром 20 х 3 мм с накатными ребрами.
Трубные решетки со стороны рассола покрыты защитным слоем из наплавленной меди. К трубным решеткам через резиновые прокладки болтами прикреплены бронзовые крышки с внутренними перегородками. Перегородки в крышках изменяют направление движения охлаждаемого рассола по трубкам.
Подогретый в охлаждаемом помещении рассол подается насосом в испаритель через нижнее отверстие крышки. В процессе охлаждения рассол в испарителе делает шесть ходов и охлажденный выходит через верхнее отверстие крышки. Скорость движения рассола в трубках благодаря многоходовости составляет 0,75-1 м/с.
На испарителе (см. рис. 2.59) установлены предохранительный клапан 6, штуцер и клапан 1 для присоединения мановакуумметра, клапан для выпуска воздуха 3. Для удаления из испарителя хладагента и масла при ремонте служит клапан 9. Жидкий хладагент подводится к корпусу 4 испарителя снизу через угловой запорный вентиль 8 и заполняет межтрубное пространство испарителя на 0,6-0,8 диаметра корпуса.
Верхние незатопленные трубки испарителя выполняют функцию пароперегревателя. Выходящий из испарителя пар перегревается на 1-2 °С. Образующийся при кипении пар отсасывается компрессором через сухопарник 5, который служит для отделения капель жидкого хладагента в случае бурного вскипания.
В некоторых конструкциях хладоновых испарителей теплообменные трубки, по которым протекает рассол, разбрызгивают жидкий хладагент для увеличения коэффициента теплоотдачи кипящей жидкости. Есть конструкции кожухотрубного горизонтального испарителя, у которых сухопарник (отделитель жидкости) является теплообменником. По змеевику, расположенному в сухопарнике, проходит из ресивера жидкий хладагент, который снаружи переохлаждается парами хладагента, при этом пары перегреваются.
Конструкции аммиачных кожухотрубных испарителей отличаются от хладоновых тем, что трубный пучок аммиачных испарителей изготовляют из стальных (Ст. 2 или Ст. 3) гладкостенных бесшовных трубок. В аммиачных испарителях к верхней части обечайки приварен сухопарник, к нижней - маслоотстойник, предназначенный для сбора и выпуска масла и загрязнений. Пучок трубок в обечайке (шахматный или ромбический) полностью ее не заполняет, свободной от трубок, остается верхняя часть обечайки. Межтрубное пространство аммиачного испарителя заполнено жидким хладагентом на высоту примерно 0,8 диаметра кожуха. При этом незатопленными остаются один или два ряда трубок, которые выполняют функцию пароперегревателя.
В аппаратах с большой теплопередающей поверхностью хладагент подводится от общего коллектора в нескольких точках по длине испарителя. Отвод пара также осуществляется через несколько патрубков, объединенных одним коллектором, что обеспечивает равномерное омывание поверхности потоком хладагента.
Достоинства горизонтальных кожухотрубных испарителей: простота изготовления и компактность конструкции, эффективность теплопередачи, возможность применения в закрытых рассольных системах охлаждения.
Существенный недостаток испарителей этого типа: возможность замерзания рассола в трубках при случайной остановке рассольного насоса. Кроме того, на работе этих испарителей отрицательно сказывается влияние дополнительного гидростатического давления столба жидкого хладагента; в нижних слоях жидкого хладагента температура кипения повышается.
В кожухотрубных и кожухозмеевиковых испарителях с внутритрубным кипением хладагента перечисленные выше недостатки устранены. Основное отличие этих испарителей от кожухотрубных испарителей затопленного типа заключается в том, что хладоноситель заполняет межтрубное пространство, а хладагент проходит и кипит в трубках. Кожухотрубные испарители выполняют с прямыми и U-образными трубками (кожухозмеевиковые).
Схема кожухозмеевикового хладонового испарителя типа ИТВР с кипением в U-образных трубках показана на рис. 2.60. Испаритель имеет одну крышку 6 с двумя патрубками для подвода жидкого хладагента 7 и отвода паров 1, одну трубную решетку 5, в которой развальцованы входные концы испарительных трубок 4. Крышка испарителя имеет внутреннюю перегородку 8, которая разделяет полость подачи жидкости от полости паров. В межтрубном пространстве кожуха 3 для повышения интенсивности теплообмена со стороны хладоносителя устанавливают поперечные перегородки 2.
Для повышения коэффициента теплопередачи в таких аппаратах применяют трубки с внутренним оребрением (рис. 2.61). Оребрение медно-никелевой тонкостенной трубки при помощи вставленного алюминиевого сердечника позволяет сэкономить дорогостоящую медь. Хороший контакт трубки с сердечником достигается благодаря наружной опрессовке.
Для равномерного распределения парожидкостной смеси по трубкам пучка во входной полости крышки устанавливают распределительное устройство. Кожух и крышки кожухотрубных и кожухозмеевиковых испарителей теплоизолируют.
Достоинства кожухотрубных испарителей с внутритрубным кипением: отсутствие свободной поверхности жидкости, что улучшает работу аппарата при качке; снижение массы хладагента, наполняющего систему, в два-три раза; надежный возврат масла в компрессор; исключение опасности разрушения аппарата в результате намерзания льда на поверхности теплообменных трубок; уменьшение массы и габаритов испарителя за счет улучшения теплообмена.
Основные характеристики судовых аммиачных и хладоновых кожухотрубных испарителей приведены в табл. 2.16 и 2.17.
В табл. 2.18 представлены основные характеристики кожухотрубных и кожухозмеевиковых (ИТВР-5,0 и ИТВР-16,0) испарителей с внутритрубным кипением хладона.
Панельные испарители используют в стационарных аммиачных холодильных установках с открытой циркуляционной рассольной системой. На судах эти испарители не применяют.
Испаритель представляет собой стальной прямоугольный теплоизолированный бак, в котором размещены испарительные секции панельного типа. Панель выполнена из двух листов стали, отштампованных по специальному профилю листов и соединенных контактной точечной сваркой. Внутри изготовленной панели образуются вертикальные каналы, в которых кипит хладагент.
Панели собраны в секции, которые объединены общими жидкостными и паровыми коллекторами в пакеты. Пакеты устанавливают в бак, через который циркулирует рассол. Хладоноситель движется по баку вдоль секций под действием мешалки с приводом от электродвигателя. Направленное движение рассола в баке осуществляется с помощью установленных перегородок.
Испарители для охлаждения воздуха. К испарителям этого типа относят батареи и воздухоохладители непосредственного охлаждения. В этих аппаратах воздух охлаждается в результате его контакта с холодной поверхностью трубок, внутри которых кипит хладагент. Охлаждение воздуха в охлаждаемом помещении батареями непосредственного охлаждения происходит при естественной циркуляции воздуха. Такой теплообмен при свободном движении воздуха у поверхности батареи называется тихим охлаждением.
Воздухоохладители непосредственного охлаждения предназначены для охлаждения воздуха в охлаждаемом помещении путем принудительного перемещении его через теплопередающую поверхность аппарата.
Переохладители и теплообменники
Переохладитель представляет собой противоточный теплообменный аппарат из двойных труб („труба в трубе”), в котором жидкий аммиак охлаждается ниже температуры конденсации за счет охлаждающей воды, движущейся противотоком по внутренним трубкам.
Переохлаждение жидкости перед регулирующим клапаном увеличивает холодопроизводительность машины. Переохладители как самостоятельные аппараты применяют в основном в стационарных аммиачных холодильных установках.
В судовых условиях переохлаждение жидкого аммиака достигается в конденсаторах за счет охлаждения его забортной водой, а также в змеевиках, которые устанавливают в промсосудах или сухопарниках кожухотрубных рассольных испарителей.
Переохлаждение жидкого хладона в судовых холодильных установках осуществляется в регенеративных теплообменниках за счет перегрева паров, идущих из испарителя в компрессор. Перегрев пара улучшает объемные и энергетические характеристики работы хладоновой холодильной машины.
По конструктивному исполнению теплообменники делят на двухтрубные и кожухозмеевиковые.
Двухтрубные („труба в трубе”), змеевиковые и прямые теплообменники изготовляют из медных труб. Пар движется в межтрубном пространстве, а жидкость - по внутренней трубе.
В кожухозмеевиковом теплообменнике (рис. 2.62) жидкость проходит по внутреннему тройному змеевику 3, а пар хладона из испарителя поступает по трубе 2 в кожух 1 и проходит по межзмеевиковому пространству противотоком. Пар, омывая змеевики и переохлаждая жидкий хладон, перегревается и по трубе 5 поступает в компрессор. На входе и выходе жидкости из кожуха установлены коллекторы 6, к которым присоединены жидкостные патрубки теплообменника. Для увеличения скорости обдува змеевиков внутри наименьшего змеевика установлен вытеснитель 4.
Основные характеристики судовых змеевиковых регенеративных теплообменников приведены в табл. 2.19. Указанные в таблице теплообменники горизонтальные (исключение - МТВФ22-50, являющийся вертикальным, этот теплообменник-выпариватель предназначен для удаления хладона из масла, возвращаемого в компрессор).
Литература
Судовые холодильные машины и установки (Петров Ю.С.) 1991 г.
