Испарители и воздухоохладители

 

Теплопередача в испарителе. Различают кипение пу­зырчатое и пленочное. В первом случае образованные при кипении пузырьки пара открываются от поверхно­сти трубы и смешиваются с жидкостью, отсутствие пара у поверхности трубы способствует интенсификации про­цесса теплообмена. Во.втором случае на поверхности труб образуется слой парообразного холодильного аген­та, который задерживает передачу теплоты от охлажда­емой среды к холодильному агенту. В испарителях хо­лодильных установок происходит пузырчатое кипение.

Удельный тепловой поток испарителя определяют по формуле

,

где - коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м²·К);

 - средняя логарифмическая разность температур между кипя­щим холодильным агентом и охлаждаемым рассолом или воз­духом; примерно для рассольных испарителей  составляет 4 - 6° С; при охлаждении воздуха с естественной циркуляцией для аммиачных батарей непосредственного охлаждения 8÷12° С, для фреоновых батарей 12÷16° С; при принудительной циркуляции воздуха (для возду­хоохладителей) 6÷18°С.

Теплопередача в испарителе зависит от скорости дви­жения рассола или воздуха, чистоты теплопередающих поверхностей, конструкции испарителя (происходит кипение на вертикальных или горизонтальных поверхно­стях) и т.д.

Величина коэффициента теплопередачи может быть принята: для горизонтального кожухотрубного испарите­ля  46÷700 Вт/(м²·К); для гладкотрубных батарей непосредственного охлаждения 6÷3; для оребренных батарей 3,5÷5,8 Вт/(м²·К).

Конструкция испарителей. По назначению испарители подразделяют на испарители для охлаждения жид­ких хладоносителей и испарители для охлаждения воз­духа. Испарители для охлаждения воздуха называют батареями непосредственного охлаждения при естест­венной его циркуляции и воздухоохладителями при при­нудительной циркуляции.

Испарители для охлаждения жидких хладоносителей. По конструктивному исполнению они бывают вертикальнотрубные, листотрубные, кожухотрубные и кожухозмеевиковые. В судовых холодильных установках промысловых судов применяются кожухотрубные испарители с кипением холодильного агента в межтрубном пространстве (хладоноситель охлаждается в трубах), кожухотрубные и кожухозмеевиковые испа­рители с внутритрубным кипением холодильного аген­та (хладоноситель проходит в межтрубном простран­стве).

Кожухотрубный испаритель с межтрубным кипением холодильного агента (рис. 5.5) представляет собой гори­зонтальный кожухотрубный аппарат, по трубам которо­го проходит рассол, а в межтрубном пространстве кипит жидкий холодильный агент. Трубы в аммиачных испа­рителях стальные, в фреоновых — преимущественно мед­ные, оребренные.

 

 

Рисунок 5.5 – Кожухотрубный испаритель с межтрубным кипением

холодильного агента

 

Жидкий холодильный агент заполняет межтрубное пространство аммиачного испарителя на высоту пример­но 0,8 диаметра, фреонового испарителя — на уровень 0,5-0,7 диаметра. При таком заполнении верхние 1-2 ряда труб остаются незатопленными.

В аммиачных испарителях жидкий холодильный агент подается в кожух снизу, в фреоновых — снизу или сверху по трубе, заведенной внутрь кожуха и снабжен­ной отверстиями. Благодаря этому жидкий хладон свер­ху орошает трубы, что способствует лучшему теплооб­мену i между холодильным агентом и хладоносителем. Для уменьшения движения холодильного агента при качке в кожухе обычно ставят поперечные демпфирую­щие перегородки.

В верхней части кожуха имеются один или два сухо­парника, в которых происходит отделение капель жидко­сти унесенных паром; жидкость возвращается в кожух, а пар отсасывается компрессором, сухопарник может выполнять роль теплообменника. В этом случае в сухопарнике устанавливают змеевик, в котором переохлаждается жидкость перед регулирую­щим вентилем и одновременно перегревается пар, поступающий из испарителя в компрессор.

Кожухотрубный испаритель компактен, рассол нахо­дится под давлением, не соприкасается с воздухом. Это уменьшает коррозию, сокращает расход соли для под­держания постоянной концентрации, уменьшает затрату энергии на работу рассольных насосов. Недостатки кожухо-трубных испарителей с межтрубным кипением хо­лодильного агента - возможность аварии в случае за­мерзания рассола в трубках, наличие статического столба жидкого холодильного агента, большая емкость по холодильному агенту.

Испаритель с внутритрубным кипением холодильного агента (хладона-22) (рис. 5.6, а) представляет собой ко­жухотрубный аппарат, в межтрубном пространстве которого проходит хладоноситель, а внутри труб кипит хо­лодильный агент. Одна крышка испарителя имеет эллиптическое днище и разделена поперечной горизонтальной перегородкой на две равные части. В нижней части крышки размещена камера смешения 1, из которой парожидкостная смесь хладона подается в трубки испарителя, в верхней находится камера отбора паров 2. Вторая крышка глухая имеет плоское днище и обеспечивает изменение направления холодильного агента.

Равномерное распределение парожидкостной смеси по трубам пучка обеспечивается подачей в смесительную камеру холодильного агента через две форсунки и оптимальными размерами проходного сечения глухой крышки, обеспечивающего требуемые массовые скорости потока.   

Для повышения интенсивности теплообмена со стороны хладоносителя установлены специальные перегородки 3. Трубный пучок испарителя изготовлен медно-алюминиевых труб 4 с внутренним оребрением (рис. 5.6, б). Внутреннее оребрение выполнено при помощи вставленного алюминиевого сердечника с последующей наружной опрессовкой труб, чем обеспечивается хороший контакт между трубой и сердечником.

 

Рисунок 5.6 – Кожухотрубный испаритель с внутритрубным кипением

холодильного агента

а – конструкция испарителя;

б – труба с внутренним оребрением: – наружная труба биметаллическая медно-никелевая диаметром 22 х 1 мм, внутренняя – алюминиевая диаметром 20 х 1 мм

 

Внутреннее оребрение позволяет увеличить коэффициент теплопередачи за счет уменьшения теплового противления со стороны кипящего холодильного агента и уменьшить необходимое количество холодильного агента в системе в 2—3 раза.

Кожухозмеевиковый испаритель (рис. 5.7) имеет кожух, внутри которого в одной трубной решетке укреплен змеевик.

По змеевику проходит холодильный агент, имеющий параметры ,  в межтрубном пространстве охлажда­ется рассол. Преимущество кожухозмеевикового испари­теля перед кожухотрубным заключается в отсутствии термических напряжений в трубах.

На испарителях для охлаждения хладоносителей ус­танавливают предохранительные клапаны. Их регулиру­ют на избыточное давление открытия 1,6 МПа при рабо­те на аммиаке и хладоне-22 и избыточное давление 1,0 МПа при работе на хладоне-12.

 

Рисунок 5.7 — Кожухозмеевиковый испаритель

 

Удельный тепловой поток кожухотрубного амми­ачного испарителя с гладкими трубами составляет 2320—2600 Вт/м², фреонового испарителя с медными оребренными трубами — около 5000—9000 Вт/м² (dо внутренней поверхности) при 5^оС.

Расчет испарителя. Он состоит в определении пло­щади теплопередающей поверхности (в м²) по формуле

,

где - холодопроизводительность испарителя, Вт;

 - удельный тепловой поток испарителя, Вт/м².

Объем теплоносителя, циркулирующего через испаритель,  (в м³/с)

,

где  - теплоемкость рассола, Дж/(кг К);

 -плотность рассола, кг/м³;

, — температура рассола начальная и конечная, °С.

Испарители для охлаждения воздуха. Батареи непосредственного охлаждения устанавливают в охлаждаемом помещении: трюме, провизионной каме­ре, шкафу. Выбор типа и размеров батарей зависит от назначения охлаждаемого помещения, его размеров и формы. В батареи подают жидкий холодильный агент (параметры , ). Жидкость кипит, отбирая тепло от охлаждаемой среды, образующийся пар отсасывается компрессором. В зависимости от места установки бата­рей в охлаждаемом помещении различают бортовые и подволочные батареи.

Фреоновые батареи (рис. 5.8) изготавливают в виде змеевика из оребренных красно-медных труб. Такие ба­тареи называют ИРСН — испаритель ребристый сухой настенный. Жидкий хладон в батареи подается сверху, пар отсасывается снизу, чтобы вместе с паром был обеспечен возврат масла из батареи в картер компрес­сора. Масса подаваемого жидкого холодильного агента должна быть рассчитана таким образом, чтобы из бата­реи выходил сухой пар.

Рисунок 5.8 – Фреоновая ребристая батарея непосредственного охлаждения

 

Аммиачные батареи изготовляют из оребренных или гладких стальных труб диаметром 57×3,5 или 38×3мм. Конструктивное выполнение их различно. Применение аммиачных батарей для охлаждения трюмов запрещено Правилами морского Регистра.

Расчет батарей заключается в определении площади теплопередающей поверхности (в м²) по формуле

,

где  - тепловой поток батареи, Вт;

- коэффициент теплопередачи, принимаемый для оребренных труб (при коэффициенте оребрения от 5 до 10) равным 3,5— 5,8 Вт/(м²·К).

Коэффициентом оребрения называют отно­шение оребренной поверхности трубы к гладкой; — средняя разность температур охлаждаемого воздуха и ки­пения холодильного агента в батарее, равная для аммиач­ных батарей 8—12° С, для фреоновых —12—16° С.

Воздухоохладители — теплообменные аппараты, пре назначенные для охлаждения воздуха при условии принудительной циркуляции с помощью вентилятор Воздухоохладители применяют для охлаждения трюме в охлаждающих и замораживающих устройствах, а также в установках кондиционирования воздуха.

В зависимости от способа охлаждения воздуха воздухоохладители бывают сухие, мокрые и смешанные.

В сухих воздухоохладителях передача тепла от охлаждаемого воздуха к холодильному агенту хладоносителю, проходящему внутри труб, происходит через стенку трубы; в мокрых - тепло передается в результате непосредственного контакта воздуха и хладоносителя; в смешанных - охлаждение воздуха происходит вследствие соприкосновения с холодной поверхностью змеевиков и поверхностью хладоносителя.

В зависимости от того, что подается в змеевики воздухоохладителя (холодильный агент или рассол), различают воздухоохладители непосредственного охлаждения и рассольные. Воздухоохладители выполняют гладкотрубными или ребристыми.

Преимуществом воздухоохладителей, особенно ребристых, являются высокий удельный тепловой поток единицы длины трубы, компактность, малая масса. На рыбопромысловых судах применяют сухие воздухоохладители непосредственного охлаждения и рассольные.

При расчете определяют площадь теплопередающие поверхности (в м²). воздухоохладителя по формуле

 или ,

где  - холодопроизводительность воздухоохладителя, Вт;

 - удельный тепловой поток, Вт/м²;

 - коэффициент теплопередачи воздухоохладителя, Вт/(м^2·К);

 - средняя разность температур между циркулирующим воздухом и кипящим холодильным агентом или рассолом, °С.

Значение коэффициента теплопередачи принимают для гладкоотрубных аммиачных воздухоохладителей поперечным движением воздуха при скорости его 3 -5 м/с примерно 30-50 Вт/(м^2·К) при движении возду­ха вдоль труб 17-20, для фреоновых с ребристыми тру­бами 17,5-23 при коэффициенте оребрения 10-15, для аммиачных с ребристыми трубами 11,6-17,5 Вт/(м^2·К).  принимают 12-18° при =0°С, 6 - 10°С — при = - 40 °С.

Воздух в воздухоохладителе охлаждается на 2-5°С при низких температурах и на 10-15°С при умеренно низких; хладоноситель в змеевиках воздухоохладителя нагревается на 2-4°С. По найденной теплопередающей поверхности подбирают воздухоохладитель по каталогу или определяют размеры его расчетным путем.

Объем V (в м³/с) циркулирующего через воздухоох­ладитель воздуха определяют по формуле

,

где — плотность воздуха при средней температуре, кг/м³ (находят по i—d-диаграмме для воздуха или по психометрической таблице);

, —энтальпия воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя, Дж/кг (по i—d-диаграмме).

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Факторы, влияющие на теплопередачу в конденсаторах, испарителях, воздухоохладителях.

2. Для чего применяется оребрение теплообменных аппаратов?

3. Влияние температуры забортной охлаждающей воды и температуры охлаждаемого помещения на теплопередачу в аппаратах.

4. От чего зависит расход (объем) циркулирующего воздуха воздухоохладителя (воздухонагревателя)?

 

Литература: [1], [2].