Как рассчитать холодильный испаритель погружной для воды. Расчет испарителей для охлаждения жидких хладоносителей. Расчет холодопроизводительности чиллера. Расчет мощности чиллера - его мощности охлаждения
Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.
Что такое теплообменник
Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же или ТОА) - это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.
Виды теплообмена
Теперь поговорим о - их всего три. Радиационный - передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена - бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.
Однако самый эффективный способ передачи теплоты - это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction - "проводимость"). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА - пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, - это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.
Типы теплообменников
Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) - это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день - конечно же, рекуперативные.
Тепловой и конструктивный расчет
Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.
Гидравлический расчет
Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу - интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.
Исследовательские расчеты
Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.
Другие расчеты
Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.
Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.
Типы конструкции теплообменников
Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые - это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники "труба в трубе", кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или а также многие другие типы.
Теплообменники «труба в трубе»
Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.
Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры - 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.
Кожухотрубные теплообменники
Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет кожухотрубного теплообменника. Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду - в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.
Воздушные теплообменники
Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов - это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. "вентилятор" + "змеевик") во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет проводят с упором на минимизацию габаритов.
Пластинчатые теплообменники
В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное - многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.
Пример расчета теплообменника
Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера - эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость - жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой - тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.
Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср - удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:
Q1 = 14 500 * (14 - 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по первой стороне и
Q2 = 18 125 * (12 - 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт - по второй стороне.
Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.
Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k - коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м 2 ]), а ΔТср.лог. - среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):
ΔТ ср.лог. = (2 - 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;
F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м 2 .
В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ - плотность, [кг/м 3 ], η - динамическая вязкость, [Н*с/м 2 ], v - скорость среды в канале, [м/с], d см - смачиваемый диаметр канала [м].
По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 - в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 - в условиях охлаждения жидкости.
Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.
В указанных формулах λ - коэффициент теплопроводности, ϭ - толщина стенки канала, α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.
Площадь теплоотдающей поверхности испарителя F, м 2 , определяется по формуле:
где - тепловой поток в испарителе, Вт
к – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м 2 *К), зависит от типа испарителя;
Средняя логарифмическая разность между температурами кипящего фреона и охлаждаемой среды;
–удельный тепловой поток, равный 4700 Вт/м 2
Расход холодоносителя, необходимый для отвода теплопритоков, определяется по формуле:
где с - теплоемкость охлаждаемой среды: для воды 4,187 кДж/(кг*°С), для рассола теплоемкость принимается по специальным таблицам в зависимости от температуры его замерзания, которая принимается на 5-8°С ниже температуры кипения хладагента t 0 для открытых систем и на 8-10°С ниже t 0 для закрытых систем;
ρ р - плотность, холодоносителя СКВ, кг/м 3 ;
Δ t р - разность температуры холодоносителя на входе в испаритель и на выходе из него, °С.
Для условий кондиционирования воздуха при наличии форсуночных камер орошения применяются схемы распределения потоков воды. Согласно этому, Δt р определится как разность температур на выходе из поддона камеры орошения t w.к и на выходе из испарителя t Х :.
8. Подбор конденсатора
Расчет конденсатора сводится к определению площади теплопередающей поверхности, по которой подбирают один или несколько конденсаторов с суммарной площадью поверхности, равной расчетной (запас по поверхности не более+15%).
1. Теоретический тепловой поток в конденсаторе определяется по разности удельных энтальпий в теоретическом цикле с учетом или без учета переохлаждения в конденсаторе:
а) тепловой поток с учетом переохлаждения в конденсаторе определяется по разности удельных энтальпий в теоретическом цикле:
б) тепловой поток без учета переохлаждения в конденсаторе и при отсутствии регенеративного теплообменника
Полная тепловая нагрузка с учетом теплового эквивалента мощности, затрачиваемой компрессором на сжатие хладагента (действительный тепловой поток):
2. Определяется средняя логарифмическая разность температур θ ср между конденсирующимся хладагентом и охлаждающей конденсатор средой, °С:
где - разность температуры в начале теплопередающей поверхности (большая разность температур), 0 С:
Разность температуры в конце теплопередающей поверхности (меньшая разность температур), 0 С:
3. Находим удельный тепловой поток:
где к – коэффициент теплопередачи, равен 700 Вт/(м 2 *К)
4. Площадь теплопередающей поверхности конденсатора:
5. Расход охлаждающей конденсатор среды:
где - суммарный тепловой поток в конденсаторе от всех групп компрессоров, кВт;
с - удельная теплоемкость охлаждающей конденсатор среды (вода, воздух), кДж/(кг*К);
ρ - плотность охлаждающей конденсатор среды, кг/м 3 ;
- подогрев охлаждающей конденсатор среды, °С:
1,1 - коэффициент запаса (10%), учитывающий непроизводительные потери.
По расходу воды с учетом необходимого напора подбирают насос оборотного водоснабжения необходимой производительности. Обязательно предусматривают резервный насос.
9. Подбор основных холодильных агрегатов
Подбор холодильной машины производят одним из трех методов:
По описанному объему компрессора, входящего в состав машины;
По графикам холодопроизводительности машины;
По табличным значениям холодопроизводительности машины, приводимым в технической характеристике изделия.
Первый метод аналогичен тому, которым пользуются для расчета одноступенчатого компрессора: определяют требуемый объем, описанный поршнями компрессора, а затем по таблицам технических характеристик подбирают машину или несколько машин таким образом, чтобы фактическое значение объема, описанного поршнями, было на 20-30% больше полученного расчетом.
При подборе холодильной машины третьим методом необходимо холодопроизводительность машины, рассчитанную для рабочих условий, привести к условиям, при которых она дана в таблице характеристик, то есть к стандартным условиям.
После выбора марки агрегата (по холодопроизводительности, приведенной к стандартным условиям) необходимо проверить, достаточна ли площадь теплопередающей поверхности испарителя и конденсатора. Если указанная в технической характеристике площадь теплопередающей поверхности аппаратов равна расчетной или несколько больше ее, машина подобрана правильно. Если же, например, площадь поверхности испарителя оказалась меньше расчетной, необходимо задаться новым значением температурного напора (более низкой температурой кипения), после чего проверить, достаточна ли производительность компрессора при новом значении температуры кипения.
Принимаем чиллер с водяным охлаждением марки York YCWM с холодопроизводительностью 75 кВт.
Одним из самых важных элементов для парокомпрессионной машины является . Он выполняет главный процесс холодильного цикла – отбор от охлаждаемой среды. Другие элементы холодильного контура, такие как конденсатор, расширительное устройство, компрессор и пр., только обеспечивают надежную работу испарителя, поэтому именно выбору последнего необходимо уделять должное внимание.
Из этого следует, что, подбирая оборудование для холодильной установки, необходимо начинать именно с испарителя. Многие начинающие ремонтники часто допускают типичную ошибку и начинают комплектацию установки с компрессора.
На рис. 1 представлена схема самой обычной парокомпрессионной холодильной машины. Ее цикл, заданный в координатах: давление Р и i . На рис. 1б точки 1-7 холодильного цикла, является показателем состояния холодильного агента (давления, температуры, удельного объема) и совпадает с аналогичным на рис. 1а (функции параметров состояния).
Рис. 1 – Схема и в координатах обычной парокомпрессионной машины: РУ расширительное устройство, Рk – давление конденсации, Ро – давление кипения.
Графическое изображение рис. 1б отображает состояние и функции холодильного агента, которые изменяются в зависимости от давления и энтальпии. Отрезок АВ на кривой рис. 1б характеризует хладагент в состоянии насыщенного пара. Его температура соответствует температуре начала кипения. Доля пара хладагента в составляет 100%, а перегрев близок к нулю. В правой части от кривой АВ хладагент имеет состояние (температура хладагента больше температуры кипения).
Точка В является критической для данного хладагента, поскольку отвечает той температуре, при которой вещество не может перейти в жидкое состояние, не зависимо от того, на сколько высоким будет давление. На отрезке ВС хладагент имеет состояние насыщенной жидкости, а в левой стороне – переохлажденной жидкости (температура хладагента меньше температуры кипения).
Внутри кривой АВС хладагент находится в состоянии парожидкостной смеси (доля пара в единице объема изменчива). Процесс, происходящий в испарителе (рис. 1б), отвечает отрезку 6-1 . Хладагент поступает в испаритель (точка 6) в состоянии кипящей парожидкостной смеси. При этом доля пара зависит от определенного холодильного цикла и составляет 10-30%.
На выходе из испарителя процесс кипения может не завершиться и точка 1 может не совпадать с точкой 7 . Если температура хладагента на выходе из испарителя больше температуры кипения, то получаем испаритель с перегревом. Его величина ΔТперегрев представляет собой разность температуры хладагента на выходе из испарителя (точка 1) и его температуры на линии насыщения АВ (точка 7):
ΔТперегрев=Т1 – Т7
Если точка 1 и 7 совпадают, то температура хладагента равна температуре кипения, а перегрев ΔТперегрев будет равен нулю. Таким образом, получим затопленный испаритель. Поэтому, при выборе испарителя вначале необходимо совершить выбор между затопленным испарителем и испарителем с перегревом.
Отметим, что при равных условиях затопленный испаритель более выгоден по интенсивности процесса отбора теплоты, чем с перегревом. Но следует учитывать то, что на выходе затопленного испарителя хладагент находится в состоянии насыщенного пара, а подавать влажную среду в компрессор нельзя. В противном случае возникает высокая вероятность появления гидроударов, которые будут сопровождаться механическим разрушением деталей компрессора. Получается, что если выбрать затопленный испаритель, то необходимо предусматривать дополнительную защиту компрессора от попадания в него насыщенного пара.
Если отдать предпочтение испарителю с перегревом, то не нужно заботиться о защите компрессора и попадания в него насыщенного пара. Вероятность возникновения гидравлических ударов будет возникать только в случае отклонения от требуемого показателя величины перегрева. В нормальных условиях эксплуатации холодильной установки величина перегрева ΔТперегрев должна находиться в пределах 4-7 К.
При снижении показателя перегрева ΔТперегрев , интенсивность отбора теплоты окружающей среды повышается. Но при чрезмерно низких значениях ΔТперегрев (менее 3К) возникает вероятность попадания в компрессор влажного пара, что может стать причиной появления гидравлического удара и, следовательно, повреждения механических узлов компрессора.
В обратном случае, при высоком показании ΔТперегрев (больше 10 К), это говорит о том, что в испаритель поступает недостаточное количество хладагента. Резко снижается интенсивность отбора теплоты от охлаждаемой среды и ухудшается тепловой режим компрессора.
При выборе испарителя возникает и другой вопрос, связанный с величиной температуры кипения хладагента в испарителе. Чтобы его решить вначале необходимо определить какую температуру охлаждаемой среды следует обеспечить для нормальной работы холодильной установки. Если в качестве охлаждаемой среды используется воздух, то кроме температуры на выходе из испарителя требуется учесть и влажность на выходе из испарителя. Теперь рассмотрим поведения температур охлаждаемой среды вокруг испарителя во время работы обычной холодильной установки (рис. 1а).
Чтобы не углубляться в данную тему потерями давлений на испарителе будем пренебрегать. Также будем считать, что происходящий теплообмен между хладагентом и окружающей средой осуществляется по прямоточной схеме.
На практике такую схему используют не часто, поскольку по эффективности теплообмена она уступает противоточной схеме. Но если один из теплоносителей имеет постоянную температуру, а показания перегрева невелики, то прямоток и противоток будут равнозначными. Известно, что среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков. Рассмотрение прямоточной схемы предоставит нам более наглядное представление о теплообмене, который происходит между хладагентом и охлаждаемой средой.
Для начала введем виртуальную величину L , равную длине теплообменного устройства (конденсатора или испарителя). Ее значение можно определить из следующего выражения: L=W/S , где W – соответствует внутреннему объему теплообменного устройства, в котором происходит циркуляция хладагента, м3; S – площадь поверхности теплообмена м2.
Если речь идет о холодильной машине, то равнозначная длина испарителя практически равняется длине трубки, в которой происходит процесс 6-1 . Поэтому ее наружная поверхность омывается охлаждаемой средой.
Вначале обратим внимание на испаритель, который выполняет роль воздухоохладителя. В нем процесс отбора теплоты от воздуха происходит в результате естественной конвекции или же при помощи принудительного обдува испарителя. Отметим, что в современных холодильных установках первый способ практически не используют, поскольку охлаждение воздуха путем естественной конвекции является малоэффективным.
Таким образом, будем предполагать, что воздухоохладитель оборудован вентилятором, который обеспечивает принудительный обдув испарителя воздухом и являет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис. 2). Его схематическое изображение представлено на рис. 2б. рассмотрим основные величины, которые характеризуют процесс обдува.
Перепад температур
Перепад температур на испарителе рассчитывается следующим образом:ΔТ=Та1- Та2 ,
где ΔТа находится в пределах от 2 до 8 К (для трубчато-ребристых испарителей с принудительным обдувом).
Другими словами, при нормальной работе холодильной установки воздух проходящий через испаритель должен охлаждаться не ниже 2 К и не выше 8 К.
Рис. 2 – Схема и температурные параметры охлаждения воздуха на воздухоохладителе:
Та1 и Та2 – температура воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Максимальный температурный напор
Максимальный температурный напор воздуха на входе в испаритель определяется следующим образом:DTмакс=Та1 – То
Данный показатель применяется при подборе воздухоохладителей, поскольку зарубежные производители холодильной техники предоставляют значения холодопроизводительности испарителей Qисп в зависимости от величины DTмакс . Рассмотрим метод подбора воздухоохладителя холодильной установки и определим расчетные значения DTмакс . Для этого приведем в пример общепринятые рекомендации по подбору значения DTмакс :
- для морозильных камер DTмакс находится в пределах 4-6 К;
- для камер хранения неупакованной продукции – 7-9 К;
- для камер хранения герметично упакованной продукции – 10-14 К;
- для установок кондиционирования воздуха – 18-22 К.
Степень перегрева пара на выходе из испарителя
Для определения степени перегрева пара на выходе из испарителя используют следующую форму:F=ΔТперегр/DTмакс=(Т1-Т0)/(Та1-Т0) ,
где Т1 – температура пара хладагента на выходе из испарителя.
Данный показатель у нас практически не используют, но в зарубежных каталогах предусмотрено, что показания холодопроизводительности воздухоохладителей Qисп соответствует значению F=0,65.
Во время эксплуатации значение F принято принимать от 0 до 1. Предположим, что F=0 , тогда ΔТперегр=0 , а хладагент на выходе из испарителя будет иметь состояние насыщенного пара. Для данной модели воздухоохладителя фактическая холодопроизводительность будет на 10-15% больше показателя, приведенного в каталоге.
Если F>0,65 , то показатель холодопроизводительности для данной модели воздухоохладителя, должен быть меньше значения, приведенного в каталоге. Допустим, что F>0,8 , тогда фактическая производительность для данной модели будет на 25-30% больше значения, приведенного в каталоге.
Если F->1 , то холодопроизводительность испарителя Qисп->0 (рис.3).
Рис.3 – зависимость холодопроизводительности испарителя Qисп от перегрева F
Процесс, изображенный на рис.2б, характеризуют и другие параметры:
- среднеарифметический температурный напор DTср=Таср-Т0 ;
- средняя температура воздуха, которая проходит через испаритель Таср=(Та1+Та2)/2 ;
- минимальный температурный напор DTмин=Та2-То .
Рис. 4 – Схема и температурные параметры, отображающие процесс на испарителе:
где Те1 и Те2 температура воды на входы и выходе испарителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Если перепад температур по воде ΔТе=Те1-Те2 , то для кожухотрубных испарителей ΔТе следует поддерживать в диапазоне 5±1 К, а для пластинчатых испарителей показатель ΔТе будет находиться в пределах 5±1,5 К.
В отличие от воздухоохладителей в охладителях жидкости необходимо поддерживать не максимальный, а минимальный температурный напор DTмин=Те2-То – разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе.
Для кожухотрубных испарителей минимальный температурный напор DTмин=Те2-То следует поддерживать в пределах 4-6 К, а для пластинчатых испарителей – 3-5 К.
Заданный диапазон (разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе) необходимо поддерживать по следующим причинам: при увеличении разности интенсивность охлаждения начинает снижаться, а при снижении повышается риск замерзания охлаждаемой жидкости в испарителе, что может стать причиной его механического разрушения.
Конструктивные решения испарителей
Независимо от способа применения различных и хладагентов, теплообменные процессы, происходящие в испарителе, подчиняются основному технологическому циклу холодопотребляющего производства, согласно которому создаются холодильные установки и теплообменные аппараты. Таким образом, чтобы решить задачу по оптимизации теплообменного процесса необходимо учитывать условия рациональной организации технологического цилка холодопотребляющего производства.Как известно, охлаждение определенной среды возможно при помощи теплообменника. Его конструктивное решение следует выбирать согласно технологическим требованиям, которые предъявляются к данным устройствам. Особо важным моментом является соответствие устройства технологическому процессу термической обработки среды, что возможно при следующих условиях:
- поддержание заданной температуры рабочего процесса и контроль (регулирование) над температурным режимом;
- выбор материала устройства, согласно химическим свойствам среды;
- контроль над продолжительностью пребывания среды в устройстве;
- соответствие рабочих скоростей и давления.
- обеспечение необходимой скорости рабочих сред для осуществления турбулентного режима;
- создание наиболее подходящих условий для удаления конденсата, накипи, инея и пр.;
- создание благоприятных условий для движения рабочих сред;
- предотвращение возможных загрязнений устройства.
На удобство эксплуатации и надежность устройства влияют такие факторы как прочность и герметичность разъемных соединений, компенсация температурных деформаций, удобства для обслуживания и ремонта устройства. Данные требования заложены в основу конструирования и выбора теплообменного агрегата. Главную роль в этом занимает обеспечение требуемого технологического процесса в холодопотребляющем производстве.
Для того, что выбрать правильное конструктивное решение испарителя необходимо руководствоваться следующими правилами. 1) охлаждение жидкостей лучше всего осуществлять при помощи трубчатого теплообменника жесткой конструкции или компактного пластинчатого теплообменника; 2) применение трубчато-ребристых устройств обусловлено следующими условиями: теплоотдача между рабочими средами и стенкой по обе стороны поверхности нагрева значительно отличаются. При этом оребрение необходимо устанавливать со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.
Для увеличения интенсивности теплообмена в теплообменниках необходимо придерживаться таких правил:
- обеспечение надлежащих условий по отводу конденсата в воздухоохладителях;
- снижение толщины гидродинамического пограничного слоя путем повышения скорости движения рабочих тел (установка межтрубных перегородок и разбивка пучка трубок на ходы);
- улучшение обтекания рабочими телами поверхности теплообмена (вся поверхность должна активно участвовать в процессе теплообмена);
- соблюдение основных показателей температур, термических сопротивлений и пр.
Улучшение теплообменных процессов является одним из основных процессов по совершенствованию теплообменного оборудования холодильных машин. В этом отношении проводятся исследования в области энергетики и химической техники. Это изучение режимных характеристик течения, турбулизация потока путем создания искусственных шероховатостей. Кроме того, ведется разработка новых поверхностей теплообмена, благодаря чему теплообменники станут более компактными.
Выбираем рациональный подход для расчета испарителя
При проектировании испарителя следует произвести конструктивный, гидравлический, прочностной, тепловой и технико-экономический расчет. Их выполняют в нескольких вариантах, выбор которых зависит от показателей эффективности: технико-экономического показателя, КПД и пр.Чтобы произвести тепловой расчет поверхностного теплообменника необходимо решить уравнение теплопередачи и теплового баланса, с учетом определенных условий работы устройства (конструктивные размеры теплопередающих поверхностей, пределов изменения температур и схем, относительно движения охлаждающей и охлаждаемой среды). Чтобы найти решение этой задачу нужно применять правила, которые позволят получить результаты из исходных данных. Но из-за многочисленных факторов, найти общее решение для различных теплообменников невозможно. Вместе с этим существует много методов приближенного расчета, которые легко произвести в ручном или машинном варианте.
Современные технологии позволяют подобрать испаритель при помощи специальных программ. В основном они предоставляются производителями теплообменной аппаратуры и позволяют быстро подобрать необходимую модель. При использовании таких программ необходимо учитывать то, что они предполагают работу испарителя при стандартных условиях. Если фактические условия отличаются от стандартных, то производительность испарителя будет иной. Таким образом, желательно всегда проводить проверочные расчеты выбранной вами конструкции испарителя, относительно фактических условий его работы.
Собственное производство установок охлаждения жидкости (чиллеров) было организовано в 2006 году. Первые установки имели холодопроизводительность по 60кВт и собирались на базе пластинчатых теплообменников. По необходимости, оснащались гидромодулем.
Гидромодуль представляет собой теплоизолированный бак ёмкостью от 500 литров (в зависимости от мощности, так для установки холодопроизводительностью 50-60кВт ёмкость бака должна составлять 1,2-1,5 м3) разделённый перегородкой специальной формы на две ёмкости «тёплой» и «охлаждённой» воды. Насос внутреннего контура, забирая воду из «тёплого» отсека бака, подаёт её в пластинчатый теплообменник, где она, проходя в противотоке с фреоном, охлаждается. Охлаждённая вода поступает в другую часть бака. Производительность внутреннего насоса должна быть не меньше чем производительность насоса внешнего контура. Специальная форма перегородки позволяет регулировать объем перелива в широких пределах при небольшом изменении уровня воды.
При использовании в качестве теплоносителя воды, подобные установки позволяют охлаждать её до +5ºC ÷ +7ºС. Соответственно, при стандартном расчёте оборудования, температура входящей воды (идущей от потребителя) предполагается равной +10ºC ÷ +12ºС. Мощность установки рассчитывается исходя из необходимого расхода воды.
Наше оборудование комплектуется многоступенчатыми системами защиты. Прессостаты защищают компрессор от перегрузки. Ограничитель низкого давления не позволяет кипящему фреону понизить свою температуру ниже минус 2ºС, защищая пластинчатый теплообменник от возможного замерзания воды. Установленное реле протока выключит холодильный компрессор при возникновении воздушной пробки, при засоре трубопроводов, при обмерзании пластин. Регулятор давления всасывания поддерживает температуру кипения фреона +1ºС ±0,2ºС.
Подобные устройства были нами установлены для охлаждения раствора рассольных ванн для засолки сыра на сырзаводах, для быстрого охлаждения молока после пастеризации на молокозаводах, для плавного понижения температуры воды в бассейнах на заводах по производству (разведению и выращиванию) рыбы.
В случае необходимости понижения температуры теплоносителя от +5ºC ÷ +7ºС до отрицательных и около нулевых температур, вместо воды в качестве теплоносителя используется раствор пропиленгликоля. Также его используют, если температура окружающей среды опускается ниже -5ºС, либо при необходимости время от времени выключать насос внутреннего контура (контур: буферный бак - теплообменник холодильного агрегата).
При расчете оборудования мы обязательно учитываем изменения таких свойств теплоносителя как теплоемкость и поверхностный коэффициент теплопередачи. УСТАНОВКА РАСЧИТАНАЯ НА РАБОТУ С ВОДОЙ БУДЕТ РАБОТАТЬ НЕКОРРЕКТНО ПРИ ЗАМЕНЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА РАСТВОРЫ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ, ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ ИЛИ РАССОЛА. И НАОБОРОТ .
Установка охлаждения парафина, собранная по данной схеме, работает совместно с воздушной системой охлаждения теплоносителя в зимнее время, с автоматическим отключением холодильного компрессора.
Мы имеем опыт разработки и изготовления чиллеров для решения задачи охлаждения в течение короткого промежутка времени, но с высокой мощностью охлаждения. Например, цеху приёмки молока требуются установки со временем работы 2 часа/сутки для охлаждения за это время 20 т. молока от +25ºC ÷ +30ºС до +6ºC ÷ +8ºС. Это, так называемая, задача об импульсном охлаждении.
При постановке задачи об импульсном охлаждении продукции экономически целесообразно изготовить чиллер с аккумулятором холода. Стандартно подобные установки мы делаем следующим образом:
А) Изготавливается теплоизолированный бак с объёмом 125-150% от рассчитанной буферной ёмкости, заполняемый водой на 90%;
Б) Внутрь его помещается испаритель, изготовленный из гнутых медных трубопроводов, или металлических пластин с выфрезерованными внутри канавками;
Подавая фреон с температурой -17ºC ÷ -25ºС, обеспечиваем намерзание льда необходимой толщины. Пришедшая от потребителя вода охлаждается в результате таяния льда. Для увеличения скорости таяния применяется барботирование.
Такая система позволяет использовать холодильные агрегаты мощностью в 5÷10 раз меньше чем величина импульсной мощности холодильной нагрузки. При этом надо понимать, что температура воды в баке может существенно отличаться от 0ºС, так как скорость таяния льда в воде с температурой даже +5ºС очень невелика. Также, к недостаткам этой системы можно отнести большой вес и размеры бака с испарителем, что объясняется необходимостью обеспечения большой площади теплообмена на границе лёд/вода.
При необходимости использования в качестве теплоносителя воды с около нулевой температурой (0ºС÷+1ºС), без возможности применения вместо неё растворов пропиленгликоля, этиленгликоля или рассолов(например, не герметичность системы или требования САНПиНа), мы изготавливаем чиллеры с применением плёночных теплообменников.
При такой системе, приходящая от потребителя вода, проходя через специальную систему коллекторов и форсунок, равномерно омывает охлаждённые фреоном до минус 5ºС металлические пластины большой площади. Стекая вниз, часть воды намерзает на пластинах, образуя тонкую плёнку льда, остальная вода, стекая по этой плёнке, охлаждается до нужной температуры и собирается в расположенном под пластинами теплоизолированном баке, откуда и поступает потребителю.
Подобные системы имеют жёсткие требования к уровню запылённости помещения, где устанавливается бак с испарителем и, по понятным причинам, требуют более высокого уровня потолков. Они характеризуются самыми большими габаритами и стоимостью.
Наша фирма решит любую поставленную Вами задачу по охлаждению жидкости. Мы соберём (или подберём готовую) установку с оптимальным принципом работы и минимальной стоимостью, как самой установки, так и её эксплуатации.
При расчете проектируемого испарителя определяют его теплопередающую поверхность и объем циркулирующего рассола или воды.
Теплопередающую поверхность испарителя находят по формуле:
где F – теплопередающая поверхность испарителя, м 2 ;
Q 0 – холодопроизводительность машины, Вт;
Dt m – для кожухотрубных испарителей это средняя логарифмическая разность между температурами хладоносителя и кипения холодильного агента, а для панельных испарителей – арифметическая разность между температурами выходящего рассола и кипения холодильного агента, 0 С;
– плотность теплового потока, Вт/м 2 .
Для приближенных расчетов испарителей пользуются значениями коэффициентов теплопередачи, полученными опытным путем в Вт/(м 2 ×К):
для аммиачных испарителей:
кожухотрубных 450 – 550
панельных 550 – 650
для фреоновых кожухотрубных испарителей с накатными ребрами 250 – 350.
Среднюю логарифмическую разность температур хладоносителя и кипения холодильного агента в испарителе рассчитывают по формуле:
(5.2)
где t Р1 и t Р2 – температуры хладоносителя на входе и выходе из испарителя, 0 С;
t 0 – температура кипения холодильного агента, 0 С.
Для панельных испарителей, благодаря большому объему бака и интенсивной циркуляции хладоносителя, его средняя температура может быть принята равной температуре на выходе из бака t Р2 . Поэтому для этих испарителей 
Объем циркулирующего хладоносителя определяют по формуле:
(5.3)
где V Р – объем циркулирующего теплоносителя, м 3 /с;
с Р – удельная теплоемкость рассола, Дж/(кг× 0 С);
r Р – плотность рассола, кг/м 3 ;
t Р2 и t Р1 – температура теплоносителя соответственно при входе в охлаждаемое помещение и выходе из него, 0 С;
Q 0 – холодопроизводительность машины.
Величины с Р и r Р находят по справочным данным для соответствующего хладоносителя в зависимости от его температуры и концентрации.
Температура хладоносителя при прохождении его через испаритель понижается на 2 – 3 0 С.
Расчет испарителей для охлаждения воздуха в холодильных камерах
Для распределения испарителей, входящих в комплект холодильной машины, определяют требуемую теплопередающую поверхность по формуле:
где SQ – суммарный теплоприток на камеру;
К – коэффициент теплопередачи камерного оборудования, Вт/(м 2 ×К);
Dt – расчетная разность температур между воздухом в камере и средней температурой хладоносителя при рассольном охлаждении, 0 С.
Коэффициент теплопередачи для батареи принимают 1,5–2,5 Вт/(м 2 К), для воздухоохладителей – 12–14 Вт/(м 2 К).
Расчетную разность температур для батарей - 14–16 0 С, для воздухоохладителей - 9–11 0 С.
Количество приборов охлаждения для каждой камеры определяют по формуле:
где n – требуемое количество приборов охлаждения, шт.;
f – теплопередающая поверхность одной батареи или воздухоохладителя (принимают исходя из технической характеристики машины).
Конденсаторы
Различают два основных типа конденсаторов: с водяным и воздушным охлаждением. В холодильных установках большой производительности используются также конденсаторы с водо-воздушным охлаждением, называемые испарительными.
В холодильных агрегатах для торгового холодильного оборудования чаще всего применяют конденсаторы воздушного охлаждения. По сравнению с конденсатором водяного охлаждения они экономичны в работе, проще в монтаже и эксплуатации. Холодильные агрегаты, в состав которых входят конденсаторы водяного охлаждения, более компактны, чем агрегаты с конденсаторами воздушного охлаждения. Кроме того, при эксплуатации они издают меньше шума.
Конденсаторы с водяным охлаждением различают по характеру движения воды: проточного типа и оросительные, а по конструкции – кожухозмеевиковые, двухтрубные и кожухотрубные.
Основным типом являются горизонтальные кожухотрубные конденсаторы (рис. 5.3). В зависимости от вида хладагента в конструкции аммиачных и фреоновых конденсаторов есть некоторые отличия. По величине теплопередающей поверхности аммиачные конденсаторы охватывают диапазон, примерно от 30 до 1250 м 2 , а фреоновые – от 5 до 500 м 2 . Кроме того, выпускаются аммиачные вертикальные кожухотрубные конденсаторы с площадью теплопередающей поверхности от 50 до 250 м 2 .
Кожухотрубные конденсаторы используют в машинах средней и большой производительности. Горячие пары хладагента поступают через патрубок 3 (рис. 5.3) в межтрубное пространство и конденсируются на наружной поверхности пучка горизонтальных труб.
Внутри труб под напором насоса циркулирует охлаждающая вода. Трубы развальцованы в трубных решетках, закрыты снаружи водяными крышками с перегородками, создающими несколько горизонтальных ходов (2-4-6). Вода поступает через патрубок 8 снизу и выходит через патрубок 7. На этой же водяной крышке имеется вентиль 6 для выпуска воздуха из водяного пространства и вентиль 9 для слива воды при ревизии или ремонте конденсатора.
Рис.5.3 - Горизонтальные кожухотрубные конденсаторы
Сверху аппарата имеется предохранительный клапан 1, соединяющий межтрубное пространство аммиачного конденсатора с трубопроводом, выведенным наружу, выше конька крыши самого высокого здания в радиусе 50 м. Через патрубок 2 подсоединяется уравнительная линия, соединяющая конденсатор с ресивером, куда выводится жидкий хладагент через патрубок 10 из нижней части аппарата. Снизу к корпусу приварен маслосборник с патрубком 11 для слива масла. Уровень жидкого хладагента в нижней части кожуха контролируется с помощью указателя уровня 12. При нормальной работе весь жидкий хладагент должен сливаться в ресивер.
Сверху кожуха имеется вентиль 5 для спуска воздуха, а также патрубок для подсоединения манометра 4.
Вертикальные кожухотрубные конденсаторы применяются в аммиачных холодильных машинах большой производительности, они рассчитаны на тепловую нагрузку от 225 до 1150 кВт и устанавливаются снаружи машинного зала, не занимая его полезную площадь.
В последнее время появились конденсаторы пластинчатого типа. Высокая интенсивность теплообмена в пластинчатых конденсаторах, по сравнению с кожухотрубными, позволяет при одинаковой тепловой нагрузке примерно вдвое уменьшить металлоемкость аппарата и в 3–4 раза повысить компактность.
Воздушные конденсаторы применяют главным образом в машинах малой и средней производительности. По характеру движения воздуха их делят на два типа:
Со свободным движением воздуха; такие конденсаторы используют в машинах очень малой производительности (примерно до 500 Вт), применяемых в бытовых холодильниках;
С принудительным движением воздуха, то есть с обдувом теплопередающей поверхности с помощью осевых вентиляторов. Этот тип конденсатора наиболее применим в машинах малой и средней производительности, однако в последнее время в связи с дефицитом воды они все больше используются и в машинах большой производительности.
Конденсаторы воздушного типа применяют в холодильных агрегатах с сальниковыми, бессальниковыми и герметичными компрессорами. Конструкции конденсаторов однотипные. Конденсатор состоит из двух или более секций, соединенных последовательно калачами или параллельно коллекторами. Секции представляют собой прямые или U-образные трубки, собранные в змеевик с помощью калачей. Трубы – стальные, медные; ребра – стальные или алюминиевые.
Конденсаторы с принудительным движением воздуха используют в торговых холодильных агрегатах.
Расчет конденсаторов
При проектировании конденсатора расчет сводится к определению его теплопередающей поверхности и (если он с водяным охлаждением) количества расходуемой воды. Прежде всего подсчитывают действительную тепловую нагрузку на конденсатор
где Q к – действительная тепловая нагрузка на конденсатор, Вт;
Q 0 – холодопроизводительность компрессора, Вт;
N i – индикаторная мощность компрессора, Вт;
N е – эффективная мощность компрессора, Вт;
h м – механический к. п. д. компрессора.
В агрегатах с герметичными или бессальниковыми компрессорами тепловую нагрузку на конденсатор следует определять но формуле:
(5.7)
где N э – электрическая мощность на клеммах электродвигателя компрессора, Вт;
h э – к. п. д. электродвигателя.
Теплопередающая поверхность конденсатора определяется по формуле:
(5.8)
где F – площадь теплопередающей поверхности, м 2 ;
к – коэффициент теплопередачи конденсатора, Вт/(м 2 ×К);
Dt m – средняя логарифмическая разность между температурами конденсации холодильного агента и охлаждающей воды или воздуха, 0 С;
q F – плотность теплового потока, Вт/м 2 .
Среднюю логарифмическая разность определяют по формуле:
(5.9)
где t в1 – температура воды или воздуха на входе в конденсатор, 0 С;
t в2 – температура воды или воздуха на выходе из конденсатора, 0 С;
t к – температура конденсации холодильного агрегата, 0 С.
Коэффициенты теплопередачи различных типов конденсаторов приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1 - Коэффициенты теплопередачи конденсаторов
Оросительный для аммиакаИспарительный для аммиака
С воздушным охлаждением (при принудительной циркуляции воздуха) для хладонов
Значения к определены для оребренной поверхности.