Конденсаторы и теплообменники

 

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 (рис. 5.1) 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 рис. 5.1 (б) показан 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.

 

Рисунок 5.1 – Конденсатор горизонтальный кожухотрубный хладоновый

а – конструкция конденсатора; б – профиль накатки труб

 

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 (рис. 5.2) 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 5.2 – 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 конденсатора по формуле:

,

где — тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

  — удельный тепловой поток Вт/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 бывают кожухозмеевиковые (рис. 5.3) 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 5.3 – 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.

 

 

Рисунок 5.4 – Паровая холодильная машина с регенеративным теплообменником

а – принципиальная схема;

б – цикл в диаграмме S - Т;

в – цикл в диаграмме l – lg p

 

Обозначение точек цикла соот­ветствует рис. 5.4;

 — коэффициент теплопередачи, теп­лообменника, равный 230 - 290Вт/(м²·К);

— разность средних температур жидкого и парообразного холо­дильного агента в теплообменнике, °С;

 — масса холодильного агента, про­ходящего через теплообменник, кг.