Розрахунок випарників для охолодження повітря

Особливості тепло- та масообміну у повітроохолодниках. У повітроохолодниках відносно тепле повітря контактує з холодною теплообмінною поверхнею апарата (в сухих повітроохолодниках) чи холодною поверхнею рідини (в мокрих повітроохолодниках. Якщо температура поверхні нижча від температури мокрого термометра, то буде відбуватися конденсація водяної пари, яка є у теплому повітрі та випадіння вологи. У сухих випарниках, залежно від температури поверхні, конденсат випадає у вигляді інею чи плівки води, у мокрих – змішується з холодною рідиною, яка зрошує поверхню.

Поблизу холодної поверхні повітря має її температуру та стає насиченим ( %).Повітря, яке залишає повітроохолодник є сумішшю повітря, яке надходить та насиченого повітря при температурі поверхні теплообміну.

На діаграмі вологого повітря h-d (рис.9.4) точки, які характеризують стан повітря на вході (1), виході (2) та поблизу поверхні (w), розташовуються на одній лінії, яка характеризує процес охолодження повітря. Нахил лінії процесу охолодження характеризується рівнянням

. (9.69)

При розрахунку повітроохолодників враховують не тільки теплоту Q₀, але й кількість вологи W₀, яку необхідно відвести від повітря.

Помноживши рівняння (9.69) на витрату сухого повітря G_п, отримаємо нахил лінії процесу

. (9.70)

Ця величина називається тепловологісним відношенням.

Робота сухого повітроохолодника характеризується діапазоном зміни температури охолодної поверхні. З однієї сторони він обмежений дотичною лінією, проведеною з точки 1 до лінії (лінія 1–w₁), з іншої – перетином линії d₁=const з лінією (лінія 1–а). Температура поверхні може бути нижчою від t_w1, однак у цьому випадку поблизу охолодної поверхні частина вологи повітря утворює туман.

При температурі поверхні вищій від t_а повітря не буде осушатися. У випадку, коли видалення вологи спричиняє висушування продуктів, які зберігаються, температура поверхні вибирається близькою до температури точки роси. Однак це спричиняє зменшення різниці температур у апараті і, як наслідок, зростання його розмірів.

У мокрих повітроохолодниках процеси обмежені лініями 1–w₁ та 1–w₂, дотичними до лінії .

Якщо, температура поверхні t_w лежить у межах , то повітря охолоджується та осушується. При повітря лише охолоджується. Якщо , повітря охолоджується та зволожується. При повітря нагрівається та зволожується.

Рис.9.4. Процеси охолодження повітря у повітроохолодниках

Мокрі повітроохолодники широко використовуються у кондиціонуванні повітря, тому що дозволяють змінювати температуру та вологість повітря у широких межах.

У випадку низьких температур у мокрих повітроохолодниках використовують розсіл. Однак у цьому випадку стан насиченого повітря не буде відповідати лінії , тому що пружність водяної пари над розсолом p_s менша, ніж над водою p_w. Стан повітря у граничному з поверхнею шарі характеризується точкою, яка лежить на лінії . Пружність пари над розсолом визначають за таблицями складеними для різних розсолів, які використовуються у холодильній техніці. Таким чином область роботи мокрого розсільного повітроохолодника обмежена лініями 1–d та 1–e дотичними до лінії .

У більшості випадків об’єм повітря, яке проходить через повітроохолодник, встановлюється технологічними чи іншими вимогами. Для забезпечення рівномірності температур всередині охолодних приміщень бажано мати великі об’єми циркуляції повітря.

Кількість теплоти, відведеної від повітря внаслідок тепло масообміну з холодною поверхнею повітроохолодника

, (9.71)

де – коефіцієнт волого обміну, кг/(м²с); h_m – ентальпія повітря при середній температурі в апараті, Дж/кг; h_w – ентальпія повітря поблизу поверхні охолодження; h_ст – ентальпія конденсату, який випадає на поверхні теплообміну; F – площа поверхні теплообміну, м²; W₀ – кількість видаленої вологи, кг/с; G_п – витрата повітря, кг/с; с_р – теплоємність повітря, Дж/(кгК).

Кількість теплоти, відведеної від повітря шляхом конвективного теплообміну (сухою тепловіддачею),

. (9.72)

Коефіцієнт волого виділення

. (9.73)

При °С

; (9.74)

при °С

. (9.75)

Тепловий та конструктивний розрахунок повітроохолодників. Для розрахунку повітроохолодника задають холодопродуктивність Q₀, початковий стан повітря t₁ і φ₁ та кількість вологи, яку необхідно видалити з повітря W₀, чи кінцевий стан повітря t₂ і φ₂. В результаті розрахунку визначають площу поверхні теплообміну F та температуру кипіння робочої речовини t₀ чи середню температуру теплоносія t_sm.

В сухих повітроохолодниках температура повітря на виході t₂ приймається на 2–4°С нижчою від температури на вході t₁.

За вихідними параметрами повітря в h-d діаграмі вологого повітря будують процес зміни стану повітря (рис.9.5) та визначають ентальпій у точках 1, 2 та w.

Рис.9.5. Процес охолодження повітря у сухому повітроохолоднику

Параметри в точці w знаходять за рівнянням (9.69) шляхом підбирання t_w, при якому виконується рівність, чи графічним шляхом, за допомогою побудованого графіка та відомого тепловологісного відношення. Після чого приймається тип та конструкція поверхні теплообміну (зовнішній та внутрішній діаметри труб; висота, крок та товщина ребер; кроки труб у пучку).

Коефіцієнт тепловіддачі зі сторони сухого повітря, віднесений до зовнішньої ребристої поверхні труб, визначають за рівнянням (8.) для пучків труб з круглими ребрами чи за рівнянням (8.) – з пластинчатими ребрами. Під час розрахунку виходять з умови, що масова швидкість повітря не повинна перевищувати 5 кг/(м²с). При більших значеннях можливе відривання краплин вологи з поверхні теплообміну, винесення та випаровування їх в потоці повітря, що зменшує висушуючи дію повітроохолодника.

Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі , який враховує конденсацію з повітря водяної пари, за рівнянням (9.74) чи (9.75) знаходять коефіцієнт волого виділення .

Тоді

. (9.76)

Умовний коефіцієнт тепловіддачі вологого повітря, який враховує тепломасообмін, термічний опір інею та контакту ребер з трубами,

. (9.77)

Умовний коефіцієнт тепловіддачі, віднесений до внутрішньої поверхні труб,

. (9.78)

Густина теплового потоку зі сторони повітря, віднесена до внутрішньої поверхні,

, (9.79)

де t_в – середня температура повітря, °С.

Площа поверхні теплообміну (внутрішня)

. (9.80)

Повітроохолодник комплектується з кількох секцій, які розташовуються або вертикально, одна над одною, або горизонтально, одна за одною. Кожна секція проектується з таким розрахунком, щоб забезпечити прийняту масову швидкість повітря в живому перерізі апарата.

При витраті повітря

, (9.81)

живий переріз повітроохолодника

. (9.82)

Якщо секції апарата розміщені у глибину апарата, то поверхня теплообміну однієї секції

, (9.83)

а число паралельних секцій

. (9.84)

Загальна довжина труб у секції

. (9.85)

За умови, що висота Н та ширина В апарата знаходяться у відношенні В/Н=К, число рядів труб в секції

. (9.86)

Отримане значення m округлюють до цілого значення та за рівнянням (9.86) уточнюють величину К. ЇЇ необхідно приймати такою, щоб відношення В/Н забезпечувало рівномірне обдування фронтальної поверхні повітрям.

Якщо відведення теплоти у повітроохолоднику забезпечується холодоносієм, то його середня температура t_sm знаходиться так. Задавшись зміною температури теплоносія у повітроохолоднику та кількома значеннями середньої температури теплоносія t_sm (в межах 0,2–2°С), визначають витрату теплоносія G_s та його швидкість у трубах

. (9.87)

У відповідності із визначеними швидкостями визначається характер руху теплоносія та вибирається розрахункова залежність для коефіцієнта тепловіддачі до теплоносія.

Густина теплового потоку зі сторони розсолу з урахуванням термічного опору стінки та забруднень

. (9.88)

Оскільки , то і за рівнянням (9.88) має декілька значень. Справжня середня температура розсолу t_sm знаходиться графічним шляхом, для чого за рівнянням (9.88) будується залежність і за її значенням за рівнянням (9.79) визначають t_sm.

У тому випадку, коли в трубах повітроохолодника кипить холодильний агент, його температура кипіння t₀ визначається так. Відповідно до холодопродуктивності повітроохолодника Q₀ та числа паралельних секцій апарата z визначається масова витрата холодильного агента для кількох температур кипіння (в межах °С). Вибравши одне з рівнянь (9.20)–(9.22), будуються графіки залежностей (рис.9.6). Шукана величина t₀ знаходиться з графіка при , визначеному за рівнянням (9.79).

Рис.9.6. До визначення температури кипіння

робочої речовини у сухому повітроохолоднику

Під час розрахунку сухих повітроохолодників доцільно дотримуватись таких рекомендацій. Товщина латунних ребер приймається 0,2–0,4 мм, сталевих – 0,3–0,5 мм. Крок ребер у випадку позитивних температур становить 3–4 мм, у випадку від’ємних температур – 7–10 мм. Найбільш компактними є апарати з кроком 2 мм та ребрами товщиною 0,2 мм. У пластинчатих апаратах використовуються мідні (іноді мельхіорові) труби діаметром 9х1 мм чи 18х1 мм.

Збільшення коефіцієнта тепловіддачі зі сторони повітря досягається збільшенням масової швидкості до 5÷6 кг/(м²с), яка забезпечує спокійне стікання конденсату по поверхні.

Доцільно використання труб малого діаметра. Це знижує кількість холодильного агента в апараті, збільшує його компактність та призводить до більш сприятливої до теплообміну гід динамічної структури потоку робочої речовини.

Контактний опір для монолітних та оцинкованих ребер R_конт=0, для насадних ребер з комірцями у випадку присутності конденсату та інею R_конт=0,005 (при ), для сухих поверхонь R_конт=0,01. Теплопровідність інею при ρ=250 кг/м³ приймається рівною Вт/(мК), товщина шару інею 5÷6 мм.

При високих коефіцієнтах оребрення ( ) швидкість теплоносія приймається не менше 1–1,5 м/с, при малих ( ) – не менше 0,5–0,8 м/с.

Допоміжна апаратура

Робоча схема холодильної машини відрізняється від принципової наявністю поряд з основними елементами допоміжної апаратури, запірної арматури, приладів автоматичного регулювання і захисту, а також контрольно-вимірювальних приладів.

До допоміжної апаратури відносять теплообмінники, проміжні посудини, мастиловіддільники, віддільники рідини, грязеуловлювачі, переохолодники, ресивери, фільтри, осушувачі й ін. Їхнім призначенням є підвищення термодинамічної й енергетичної ефективності холодильної машини, створення умов безпечної роботи, підвищення надійності експлуатації устаткування.

Зупинимося на стислій характеристиці допоміжної апаратури.

Теплообмінники і переохолодники. Як відомо, холодильні машини, що використовують холодильний агент R12, працюють за регенеративним циклом. Переохолодження рідини в них перед дросельним вентилем відбувається за рахунок підігрівання пари холодильного агента, відсмоктуваного компресором із випарника. Процес теплообміну здійснюється в спеціальному парорідинному регенеративному теплообміннику. Крім охолодження рідини в теплообміннику одночасно відбувається підігрів і осушення пари, що дозволяє здійснити сухий хід компресора. Для більшості фреонів (крім 22) перегрівання пари призводить до деякого збільшення термодинамічної ефективності циклу, а також до покращення об’ємних характеристик компресора. Це підвищення повинне перекривати негативний вплив падіння тиску в паровій зоні теплообмінника, що заставляє компресор працювати при більш низькій температурі кипіння. Найбільший виграш від встановлення РТ спостерігається при низьких температурах кипіння. В системах кондиціонування повітря РТ себе не оправдовують.

Переохолодження рідкого ХА запобігає чи зменшує пароутворення в РВ. Це необхідно у випадку великого падіння тиску в рідинних трубопроводах і піднімання рідини в випарники, що розташовані вище ресиверів.

Іноді при використанні випарників затопленого типу багатий мастилом шар рідина спеціально відводиться у всмоктувальну лінію для забезпечення повернення мастила в компресори, в цьому випадку осушування пари проходить в РТ.

При коливаннях навантаження, у випадку відсутності регулювання подачі рідкого ХА (капілярна трубка), РТ осушує пару. В системах з R22 РТ використовуються тільки для осушення. Високе перегрівання, особливо для R22 небажане.

Основною задачею при конструюванні теплообмінника є створення апарату з малими опорами в паровому просторі і з високими коефіцієнтами тепловіддачі з боку пари. Найбільше поширення знайшли кожухозмієвикові та кожухотрубні теплообмінники (для установок середньої та великої продуктивності) з мідними трубками, що мають накатні ребра. Найпростішою є конструкція, в якій трубопроводи просто зварюються чи спаюються між собою, а потім покриваються спільною ізоляцією, при цьому рідинна трубка розташована нижче парової. Зустрічаються конструкції в яких рідинна трубка навивається на парову, а зверху заливається алюмінієвим сплавом (Данхем-Буш, США); парова трубка при цьому має внутрішні повздовжні ребра.

На рис.10.1 показано кожухозмієвиковий РТ, в якому рідина рухається в двох паралельних змійовиках, завитих навколо витіснювача, а пара проходить в кільцевому зазорі між корпусом та витіснювачем. Змійовик виконується з гладких, а частіше з ребристих труб.

Кожухотрубні РТ використовуються лише у ХМ великої продуктивності. В них рідина рухається в трубах, а пара в міжтрубному просторі.

РТ повинні монтуватися так, щоб вихід пари був у нижній точці кожуха для запобіганя затримування мастила в ньому. У випадку коли РТ слугує для осушування пари, підведення її здійснюється знизу, а відведення зверху, при цьому рідина, яка відділиться, буде накопичуватися у середині кожуха, та вступаючи в контакт з теплим змієвиком випаровуватися. Однак при цьому необхідно організувати видалення мастила з РТ як показано на рис.10.2.

РТ типу труба в трубі не так ефективні для покращання характеристик циклу та переохолодження рідини, як кожухозмійовикові та кожухотрубні. Однак вони добре підходять для тих випадків, коли необхідно отримати мінімальне перегрівання. В таких РТ процес інтенсифікують шляхом використання різноманітних вставок, що турбулізують потоки та грають роль оребрення (рис.10.3).

Останннім часом поширюються пластинчаті РТ, оскільки вони відрізняються великою компактністю.

В аміачних холодильних машинах зниження необоротних утрат від дроселювання здійснюється шляхом включення в схему між конденсатором і дросельним вентилем переохолодника.

На рис.10.4 показано двотрубний протитечійний переохолодник. Він складається з однієї або двох секцій, зібраних із послідовно включених подвійних труб (труба в трубі). Внутрішні труби сполучені чавунними калачами, зовнішні – зварюванням. Рідкий холодоагент протікає в міжтрубному просторі в протитечія охолодній воді, що рухається по внутрішніх трубах. Труби – сталеві безшовні. Температура виходу холодильного агента з апарата звичайно на 2-3°С вища температури охолодної води, що надходить.

Передконденсатор. Використання таких теплообмінників, є доцільним у випадку наявності споживачів гарячої води, адже є можливість отримати воду високої температури. Теплове навантаження передконденсатора становить до 20% від загальної кількості теплоти, яка, у разі його відсутності, віддається у конденсаторі. Передконденсатори виконуються у вигляді кожухотрубних чи кожухозмієвикових ТО. На рис.10.5 показано аміачний кожухотрубний передконденсатор та схема його включення холодильної машини, а на рис.10.6 кожухозмійовиковий передконденсатор.

Проміжні посудини. Призначенням цих апаратів є охолодження знаходиться при проміжному тиску рідким холодоагентом перегрітої пари після компресора нижнього ступіні в двохступінчатих холодильних машинах, а також охолодження в змійовиках рідкого холодоагенту після конденсатора перед його дроселюванням. На рис.10.7 показана проміжна посудина типу ПС_з із змійовиком і барботуванням аміачної пари через прошарок рідкого холодоагенту.

У умовах нормальної роботи проміжна посудина через штуцер 1 заповнюється рідким холодоагентом із температурою, що відповідає проміжному тиску. Рівень його підтримується на визначеній позначці або ручним регулюючим вентилем, або автоматично. Перегріта пара холодоагенту надходить із компресора нижньої ступіни через верхній штуцер під рівень і, барботуючи через прошарок рідини товщиною 200-500 мм, за рахунок випаровування рідини олоджується до температури, що відповідає проміжному тиску. Піднімаючись нагору, охолоджена пара, пройшовши конусні відбійники, звільняється від рідини і через бічний штуцер надходить у компресор верхнього ступеня стискання. Змійовик у проміжній посудині слугує для переохолодження рідкого холодоагенту після конденсатора. Підбирають ПП за діаметром вхідного парового патрубка чи за площею поверхні змійовика. Коефіцієнт теплопередачі змієвика 350-700 Вт/(м²К).

Мастиловіддільники і мастилозбірники. При роботі машини на холодоагентах, що обмежено розчиняють у собі мастило, останнє виноситься з компресора в систему, осідає на стінках теплообмінних труб апаратів і погіршує їхню роботу. Для видалення мастила із системи в машинах, що працюють на таких холодоагентах як R717, а також у випадку холодоагентів, що добре розчиняються в мастилі, але в системах із затопленими випарниками, встановлюють мастиловіддільники і мастилозбірники. У всіх інших випадках можна обійтися без мастиловіддільників. Для ХА погано розчинних у мастилі мастиловіддільники слід встановлювати якомога далі від компресорів, так як ефективність їх роботи залежить від температури суміші. В той же час для ХА добре розчинних у мастилі мастиловіддільники слід встановлювати відразу за компресорами. Доля мастила, що залишається у парі після проходження через хороший мастиловіддільник не повинна перевищувати 10^-6. Вони можуть бути різноманітні за конструкцією, та використовувати різні принципи: відцентрові, гравітаційні, інерційні; з охолодженням чи без.

На рис.10.8 показано мастиловіддільник із водяним охолодженням пари холодоагенту. Принцип роботи апарата зрозумілий з малюнка і не потребує додаткових пояснень.

Мастилозбірники призначені для перепускання мастила з мастиловіддільників і наступного видалення його із системи при низькому тиску. Вони сприяють зменшенню втрат холодоагенту і підвищують безпеку обслуговування системи. Вони необхідні у випадку, коли в установці працює декілька компресорів, кожний з яких має свій регулятор рівня мастила. З них відбувається доливання мастила в картери компресорів, за сигналом регулятора рівня. Тиск у мастилозбірнику підтримується таким як і в картері, завдяки вирівнювальній лінії.

Віддільники рідини. Вони слугують для відділення пари холодоагенту від краплин рідини, що захоплюються з випарної системи, і запобігання влучення рідкого холодоагенту в циліндри компресора. Крім сказаного віддільники рідини застосовують у якості посудин, з яких відбувається живлення рідким холодильним агентом вмпарників, у різноманітних схемах подавання його у випарну систему. Відділення пари від рідини відбувається внаслідок різкого зменшення швидкості і напрямки прямування холодоагенту при проходженні через апарат. Іноді в нижню частину віддільника рідини встановлюють змієвик для нагрівання мастила (парами ХА) перед зливанням. Іноді як віддільники рідини використовують проміжні посудини.

Грязеуловлювачі, фільтри й осушувачі. Грязеуловлювачі (газовий фільтр) призначені для запобігання влучення в циліндри компресора часток іржі, окалини і т.п. Монтуються вони або на усмоктувальному трубопроводі в безпосередній близькості від компресора, або безпосередньо в усмоктувальній порожнині компресора.

Одна з конструкцій грязеуловлювача показана на рис.10.9. Він складається з корпуса з вхідним і вихідним патрубками, розташованими під кутом 90. У середині встановлена крупна сітка, і каркас із дрібною подвійною сіткою з дроту. Періодично шляхом зняття кришки сітка виймається і відбувається її очищення. До двох бобишок, привареним до корпуса грязеуловлювача, приєднують манометр і вентиль для зливання рідкого холодоагенту. На рис.10.10 показані фільтри й осушувачі хладонових холодильних машин. Фільтр (рідинний) встановлюється перед приладом автоматичної подачі рідкого холодоагенту у випарну систему і слугує для захисту приладу від механічних забруднень. Осушувач ставиться для поглинання і наступного видалення води із системи. У якості адсорбенту використовують цеоліт, алюмогель чи сілікогель. Сілікогель поглинає до 40% вологи (по відношенню до своєї ваги). Поглинальна здатність сілікогелю відновлюється прогріванням за температури 200-220 на протязі 2-х годин. Циоліт в порівнянні з сілікогелем має ряд переваг: для осушування R12 його потребується в 2,5 рази менше; внаслідок малої залежності його поглинальних властивостей від температури, можливе встановлення в будь якому місці схеми; вміст мастила не впливає на його адсорбційну дію. Недолік: недостатня стійкість до вологи та кислот. Фільтри й осушувачі обладнані двошаровою сіткою, що фільтрує, з оцинкованого сталевого дроту. Сітка притискається до верхнього обмежувача пружиною, що упирається в кришку апарата.

В аміачних газових та рідинних фільтрах використовується сітки з вічком 0,4 мм, у хладонових – латунні сітки з вічком 0,22 мм для пари та 0,1 мм для рідини. Крім латунної сітки використовуються також тканини (войлок, сукно, фетр, фільтротканина тощо) або зпечені бронзові кульки діаметром 0,2-0,3 мм.

Повітровіддільники. Через наявність у системі газів, що не конденсується, погіршується енергетична ефективність холодильної машини, тому що знижуються коефіцієнти теплопередачі в апаратах, підвищується тиск конденсації і збільшується витрата енергії на стискання пари холодоагенту в компресорі. Для видалення повітря, що потрапляє в холодильну систему, установлюють повітровіддільник. На рис.10.11 показано повітровіддільник конструкції инж. Ш.Н.Кобулашвили. Він складається з чотирьох суцільнотянутих сталевих труб, вставлених із деяким зазором одна в іншу. Принцип дії апарата такий. Рідкий холодоагент після дросельного вентиля подається через патрубок 1 у внутрішню трубу повітровіддільника, після чого надходить у міжтрубний простір між першою і третьою трубою і через патрубок 2 виходить у випарну систему. Суміш повітря з холодоагентом подається по лінії, з’єднаній з патрубком 4 у міжтрубний простір, між трубою найбільшого діаметра і наступною за розміром меншою трубою, і охолоджується рідким холодоагентом, переходячи потім у наступний міжтрубний простір. У результаті охолодження відбувається конденсація холодоагенту з пароповітряної суміші, і повітря через патрубок 5 віддалиться в скляну посудину, заповнену водою. Холодоагент, що скондесувався, через вентиль 3 перепускається у внутрішню трубу повітровіддільника. У результаті інтенсивного охолодження пароповітряної суміші втрати холодоагенту при видаленні повітря із системи в повітровіддільнику описаній конструкції незначні.

Більш простим за конструкцією є повітровіддільник типу труба в трубі. Він встановлюється над лінійним ресивером. У внутрішню трубу поступає рідкий ХА після РВ. Повітряно-аміачна суміш входить у міжтрубний простір де аміак конденсується, а повітря видаляється в посудину з водою, в деяких випадках внутрішня труба має зовнішнє оребрення.

Ресивери. По призначенню ресивери діляться на лінійні, циркуляційні і дренажні. Призначенням лінійного ресивера є звільнення конденсатора від рідкого холодоагенту і забезпечення рівномірної подачі його на регулюючу станцію. Крім того він є гарним збірником повітря та мастила. Циркуляційні ресивери застосовують у насосних циркуляційних схемах подачі холодоагенту у випарну систему. Дренажні ресивери призначені для випуску в них рідкого холодоагенту при ремонті основних апаратів і розморожуванні снігової шуби з батарей безпосереднього випару.

Захисні ресивери встановлюються на стороні низького тиску і служать для зливання рідини, що невипарувалася із віддільників рідини в безнасосних системах.

Ресивери являють собою горизонтальні або вертикальні циліндричні посудини з патрубками для входу і виходу холодоагенту, зрівняльною лінією і комплектуючою арматурою і приладами. Горизонтальні ресивери займають багато місця і внслідок великої поверхні дзеркала рідини погано автоматизуються.

Ресивери підбираються за об’ємом, який визначається в залежності від призначення за умови 80% його заповнення.