 |
Аппараты и устройства судовых холодильных установок
|
|
|
|
6.1. Теплообменные аппараты холодильных установок
К основным теплообменным аппаратам холодильных установок относятся конденсаторы, испарители (для охлаждения хладоносителей), воздухоохладители и батареи (для охлаждения воздуха хладагентом либо рассолом). Вспомогательными являются регенеративные теплообменники, переохладители, промежуточные охладители и промсосуды.
Конденсаторы бывают с водяным, воздушным и комбинированным охлаждением. По способу отвода теплоты они делятся на проточные, испарительные и оросительные.
На судах чаще используются кожухотрубные горизонтальные конденсаторы с двумя трубными досками. Пары хладагента охлаждаются в верхней части конденсатора, затем конденсируются в средней части, а в нижней переохлаждаются, так как поверхность теплообмена на 5–10% больше расчётной. Вода подаётся в нижние ряды труб, а отводится через верхние со скоростью 1,5–2,5 м/с, плотность теплового потока 3–6 кВт/м2. В конденсаторах для фреона трубы медные, их наружную поверхность оребряют накаткой, увеличивая её в 2–3 раза. В аммиачных конденсаторах трубы стальные неоребрённые. В небольших установках используют кожухо-змеевиковые конденсаторы с одной трубной доской.
Воздушные конденсаторы изготовляют из оребрённых труб, обдуваемых с помощью вентилятора. Для интенсификации отвода теплоты от наружной поверхности труб применяют оросительные и испарительные конденсаторы.
Тепловой расчёт проточных конденсаторов выполняют на основании уравнения теплопередачи
 ,
| (6.1) |
где Q к — тепловая нагрузка конденсатора, кВт;
k — коэффициент теплопередачи, кВТ/(м2. °С);
F — поверхность теплообмена, м2;
Δ t ср — средняя логарифмическая разность температур, °С.
|
|
|
Тепловую нагрузку определяют по формуле
| Q k = Q 0 + Ni = Q 0 + N т/ηi. | (6.2) |
При длинных коммуникациях учитывают потери холода, увеличивая значение Q 0 на 15–20%.
В конденсаторе есть три зоны с разными условиями теплообмена (с разными значениями k и Δ t). В расчётах это не учитывают, так как основное количество теплоты отводится во второй зоне — зоне конденсации.
Наибольшее сопротивление теплоотдаче оказывает плёнка конденсата. Для расчета коэффициента теплоотдачи αа, кВт/(м2К), от конденсата к горизонтальной трубе применяют формулу Нуссельта
 ,
| (6.3) |
где λ — коэффициент теплопроводности, кВт/(м . К);
r — теплота парообразования, кДж/кг;
ρ — плотность конденсата, кг/м3;
ν — кинематическая вязкость конденсата м2/с;
d — диаметр трубы, м;
t к и t ст — температуры конденсата и стенки трубы.
Среднее значение αап для пучка труб меньше, чем для одиночной трубы, и рассчитывается по формуле
 ,
| (6.4) |
где nz –– среднее число рядов труб по вертикали для коридорного пучка и 1/2 этого числа — для шахматного.
n z ≈ 0,5  ,
| (6.5) |
где n — общее число труб в пучке,
S 1 и S 2 — шаги по горизонтали и вертикали.
В аммиачных конденсаторах термические сопротивления со стороны хладагента и воды соизмеримы. Во фреоновых основное термическое сопротивление оказывается со стороны пара, поэтому трубы таких конденсаторов оребряют накаткой. Тогда значение αа, отнесенное к гладкой наружной поверхности, увеличивается пропорционально коэффициенту оребрения.
Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы к воде рассчитывают по формуле, полученной на основании известного критериального уравнения
| αв = Aw 0,8/ d 0,2вн, | (6.6) |
где коэффициент А =1,384+0,02484(t –0,00157 t 2) для воды в интервале значений её температуры 0–100°C.
Для расчета скорости w воды вначале определяют её расход G в, кг/с, из уравнения теплового баланса
|
|
|
| G в= Q к/(cвΔ tz), | (6.7) |
где Δ t — нагрев воды в конденсаторе (5–6°C в стационарных установках и 2–3°C в судовых);
z — число конденсаторов (не менее двух).
Зная расход воды, определяют её скорость
| w =4 G в/p d 2вн n хrв , | (6.8) |
где nх — число труб в ходу, rв — плотность воды, кг/м3.
При расчёте аммиачных конденсаторов учитывают наличие слоя масла на поверхности труб. Толщину этого слоя dм принимают равной 0,05–06 мм, а коэффициент теплопроводности масла lм равен 0,15 Вт/(м . К). Для фреоновых конденсаторов влияние масла не учитывают. Для всех конденсаторов необходимо учитывать влияние загрязнений (камня) со стороны воды. Их толщину dкм принимают равной 0,5 мм, а значение lкм=1,7 Вт/(м . К).
Наличие в системе неконденсирующихся газов уменьшает a со стороны хладагента, поэтому их надо удалять. Для увеличения a со стороны воды надо повышать ее скорость до 3–4 м/с, что возможно при использовании труб из медно-никелевых сплавов.
Ввиду малой толщины стенки трубы коэффициент теплопередачи от хладагента к воде, отнесенный к поверхности F н (гладкой в аммиачных конденсаторах и оребрённой во фреоновых), можно рассчитывать по формуле для плоской оребрённой стенки
 ,
| (6.9) |
где dм, dкм –– толщины масла и водяного камня;
lм lкм –– их коэффициенты теплопроводности.
Средняя логарифмическая разность температур определяется для постоянной температуры конденсации
 ,
| (6.10) |
где t в1 и t в2 –– температура воды на входе и выходе;
t к — температура конденсации.
Расчет поверхности теплопередачи проводят методом последовательных приближений, так как коэффициент теплоотдачи со стороны пара aа (6.3) зависит от неизвестной температуры стенки трубы t cт. Поэтому задают значение t ст, определяют aa, затем проверяют плотность теплового потока q н со стороны воды и со стороны пара. Если пренебречь термическим сопротивлением стенки трубы и загрязнениями, то справедливо равенство
 ,
| (6.11) |
где t в –– средняя температура охлаждающей воды,
b –– коэффициент оребрения, (β=Fн/Fвн).
Для аммиачных конденсаторов b=dн/dвн.
При некотором значении t ст потоки q н от пара к стенке и от стенки к воде равны; для определения q н достаточно двух–трёх приближений. Уравнение (6.11) часто решают графическим методом. Для этого рассчитывают оба указанных потока при нескольких (как минимум трёх) значениях t ст, строят графики в координатах q а= f (t ст) и q в= f (t ст) и по точке пересечения этих функций находят значения q н и t ст, удовлетворяющие уравнению. Воздушный конденсатор рассчитывают аналогично.
|
|
|
Определив q н, рассчитывают наружную поверхность конденсатора F н = Q к/ q н z, м2 и увеличивают её на 10% с учётом возможной заглушки труб при эксплуатации. В судовых условиях тепловую нагрузку Q к распределяют не менее чем на два конденсатора. Число конденсаторов увеличивают на единицу по сравнению с расчётным. Это обеспечит работу установки с неизменной холодопроизводительностью при аварии одного из конденсаторов.
Испарители служат для охлаждения жидкого хладоносителя (рассола, воды) либо воздуха путём отбора теплоты на кипение хладагента. В зависимости от охлаждаемой среды испарители подразделяются на две группы: для охлаждения промежуточного хладоносителя и для непосредственного охлаждения помещения.
По характеру движения рассола испарители бывают открытые (рассол движется самотёком) и закрытые (рассол находится под давлением). По степени заполнения жидким хладагентом различают испарители незатопленного и затопленного объёма. При незатопленном часть поверхности омывается паром хладагента и используется для его перегрева. В случае затопленного объёма поверхность используется эффективнее, так как коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенке больше, чем от пара. Однако при этом необходимо устанавливать маслоотделитель после компрессора.
По конструктивному исполнению рассольные (водяные) испарители бывают погружные, панельные, вертикально-трубные, оросительные и кожухотрубные. На судах часто применяются кожухозмеевиковые испарители погружного типа с одной трубной доской. В них хладагент кипит в трубах, а рассол поступает в кожух. Количество хладагента в испарителях погружного типа в 2–3 раза меньше, чем в аппаратах затопленного типа.
Панельные испарители имеют горизонтальные коллекторы, к ним приварены панели из двойных штампованных листов, внутри которых образуются каналы. Секции из нескольких панелей погружаются в бак с рассолом. Такие испарители имеют меньшую массу и ёмкость по хладагенту, чем аппараты с трубами.
|
|
|
Кожухотрубные испарители затопленного типа широко применяются на судах для охлаждения жидких хладоносителей. Они подобны кожухотрубным конденсаторам: имеют две трубные доски и две крышки с перегородками для обеспечения многоходового движения рассола. Хладагент подводится снизу и кипит в межтрубном пространстве, а пар отводится сверху в компрессор. Уровень жидкости составляет 0,8 диаметра кожуха. На испарителе установлены манометр, предохранительный клапан и краны для выпуска воздуха и спуска рассола.
Фреоновые и аммиачные испарители имеют аналогичную конструкцию, но во фреоновых трубы медные оребрённые, а в аммиачных — стальные гладкие. В аммиачном испарителе масло собирается в нижней части кожуха в отстойнике, откуда периодически удаляется. Недостатки испарителей затопленного типа –– большой объём хладагента, влияние столба жидкости на температуру кипения хладагента и возможность замерзания рассола при внезапной остановке рассольного насоса.
В оросительных испарителях фреон подаётся через распылительные трубы с мелкими отверстиями и дроссельные форсунки эжекторного типа. Форсунки обеспечивают также рециркуляцию неиспарившегося фреона.
Испарители для отвода теплоты от воздуха охлаждаемого помещения подразделяются на воздухоохладители и батареи непосредственного охлаждения. Для интенсификации теплопередачи применяют оребрение со стороны воздуха. Рёбра изготовляют из латуни, дюралюминия либо стали, их толщина равна 0,2–5мм, а шаг — 2–4 мм при t >°C и 7–11 мм при t <°C. Для улучшения контакта с трубами на рёбрах имеются манжеты.
Батареи более громоздки, чем воздухоохладители, в связи с меньшим значением коэффициента теплоотдачи. Для фреоновых батарей плотность теплового потока q н=9–14 Вт/м2, а в воздухоохладителях q н≈70 Вт/м2. Однако для работы вентиляторов воздухоохладителей расходуется энергия, которая в итоге идёт на нагрев воздуха, увеличивая потребную холодопроизводительность.
Поверхность испарителя определяют по уравнению
| F = Q и/ k Δ t, | (6.12) |
где Q и — тепловая нагрузка испарителя.
Значение Q и для испарителей, находящихся вне охлаждаемых помещений, принимают равным 1,05 Q 0 с учетом теплопритоков через изоляцию. Разность температур Δ t теплообменивающихся сред для фреоновых батарей непосредственного испарения равна t т – t 0. Для рассольных батарей и воздухоохладителей значение Δ t рассчитывают по формуле (6.10). Для рассольных батарей Δ t = 2,5–5°C, а для воздухоохладителей — 6–8°C.
|
|
|
Коэффициент теплопередачи для кожухотрубных испарителей затопленного типа равен
 ,
| (6.13) |
где δ и λ — толщина и коэффициент теплопроводности загрязнений (ржавчины и масла).
В судовых кожухотрубных испарителях имеет место пузырьковое кипение, при котором αа= Aqn н, где значение А зависит от рода хладагента и интенсивности кипения. Коэффициент теплоотдачи со стороны хладоносителя αр= Bw 0,8/ d 0,2вн, где B зависит от рода хладоносителя и температуры
| B = 0,021λ(ν/ a)0,4ψ. | (6.14) |
Множитель ψ учитывается при значении числа Рейнольдса меньше 104 и определяется по графику.
Так как αа зависит от q н, при расчете испарителя применяют метод последовательных приближений. Задают наружную поверхность испарителя F н, определяют q н, αа и k и, после чего рассчитывают F н и сравнивают с принятым значением. По найденному значению F н подбирают испаритель (не менее двух плюс резервный).
Количество рассола определяют по формуле
 ,
| (6.15) |
где Δ t =2–4°C — рост температуры рассола в испарителе.
В воздухоохладителях хладоноситель –– воздух с относительной влажностью 80–95%. Температура поверхности охладителя tF ниже точки росы охлаждаемого воздуха, и водяной пар конденсируется либо выпадает в виде инея. При этом выделяется теплота фазового перехода и коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности αн выше, чем при сухой теплоотдаче αс
 .
| (6.16) |
Здесь ξ — коэффициент влаговыпадения
 ,
| (6.17) |
где ср — изобарная теплоёмкость влажного воздуха, индексами 1 и F обозначены его свойства на входе в охладитель и на поверхности аппарата.
Обычно известны параметры воздуха на входе в охладитель (рис.6.1, состояние 1) и тепловая нагрузка последнего Q и. Далее возможны два варианта расчёта. Если задана норма усушки груза D, [(кг влаги)/с], определяют уклон процесса ε= Q и/ D, кДж/(кг влаги). Проведя из точки 1 прямую с уклоном ε, находят точку её пересечения F c кривой φ=100% и определяют температуру поверхности tF. Зная значение относительной влажности воздуха в помещении φ, определяют состояние охлаждённого воздуха (точку 2), а затем –– расход циркуляционного воздуха
 .
| (6.18) |
Далее рассчитывают поверхность воздухоохладителя F н из соотношения, связывающего значение F н с коэффициентом охлаждения η tF
 .
| (6.19) |
Значение αс определяют по известным критериальным уравнениям.
Если вместо D задана температура испарения хладагента t и, то при известных геометрии аппарата и гидродинамике потока методом последовательных прибли-жений определяют расход воздуха, коэффициенты охлаждения и влаговыпадения и поверхность теплообмена
Батареи, устанавливаемые в рефрижераторных трюмах либо в провизионных кладовых, отнимают теплоту непосредственно от воздуха; все батареи имеют оребрение. При расчете батарей принимают, что коэффициент теплопередачи k равен коэффициенту теплоотдачи от воздуха к батарее αв
 ,
| (6.21) |
где αвк, αвл и ψ — коэффициенты конвективной и лучистой теплоотдачи и облучения батареи;
χ и φ — множители, учитывающие влияние числа труб и наличие инея на батарее,
К вспомогательным аппаратам холодильных установок относятся промежуточные сосуды и теплообменники. Промсосуды предназначены для отделения пара промежуточного давления и отвода его в компрессор высокого давления, полного промежуточного охлаждения пара хладагента, а змеевиковые сосуды — также для переохлаждения жидкого хладагента высокого давления. Кроме того, использование промсосудов позволяет получать холод на промежуточном температурном уровне.
Регенеративные теплообменники используются во фреоновых холодильных машинах для переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем и перегрева пара перед компрессором. В теплообменнике внутри змеевика протекает жидкий хладагент, а снаружи змеевика в кожухе — перегреваемый пар хладагента по противоточной схеме. Для переохлаждения жидкости перед дросселированием иногда используют водяные переохладители.
6.2. Вспомогательные устройства холодильных
установок
К вспомогательным устройствам относятся: ресиверы, масло- и воздухоотделители, маслосборники, отделители жидкости, фильтры и осушители. Ресиверы позволяют создать запас хладагента в системе и компенсировать неравномерное заполнение жидким хладагентом конденсатора и испарителя при переменных режимах. Основные ресиверы называются линейными и устанавливаются после конденсатора; они имеют манометр, предохранительный клапан и указатель уровня жидкости. В больших установках есть дренажные ресиверы для приёма жидкого хладагента во время оттаивания приборов охлаждения и перед ремонтом. В малых установках функции ресиверов выполняют отстойники конденсата.
Внасосно-циркуляционных системах охлаждения применяют циркуляционные ресиверы, устанавливаемые между регулирующим клапаном и испарителем. В безнасосных системах устанавливают защитные ресиверы на стороне низкого давления для приёма жидкого хладагента при переполнении отделителя жидкости.Для создания запаса хладагента используют запасные ресиверы.
Маслоотделители служат для отделения масла, уносимого хладагентом из компрессора в виде капель. Они бывают пустотелые, с отбойной насадкой из керамических колец, барботажные (паромасляная смесь барботирует через слой жидкого аммиака), с подогревом масла, возвращающегося в картер компрессора (для удаления фреона, растворившегося в масле). В последнем случае масло подогревается перегретым паром фреона, поступающим из компрессора. В аппарате есть поплавковый клапан, поддерживающий необходимый уровень масла.
Маслосборники предназначены для сбора масла из теплообменных аппаратов и ёмкостей. Конструктивно маслосборник –– вертикальная ёмкость, снабженная клапанами для присоединения маслоотделителя (маслоотстойника аппарата), всасывающего патрубка компрессора и манометра. Масло выпускается после снижения давления паровхладагентав корпусе маслосборника до0,12–0,13 МПа. Иногда предусматривается подогрев масла для лучшего испарения растворённого хладагента.
Отделители жидкости обеспечивают защиту компрессора от попадания в него жидкого хладагента, предотвращая гидравлический удар. Их применяют в системах непосредственного охлаждения и устанавливают на линии всасывания перед компрессором. Конструктивно отделители жидкости выполняют виде вертикальных цилиндрических ёмкостей, имеющих патрубки и штуцера для подключения паровых, жидкостных и уравнительных линий, а также приборов автоматики.
Воздухоотделители позволяют удалять воздух при минимальных потерях хладагента. Они устанавливаются на конденсаторах либо ресиверах, бывают кожухозмеевиковые и двухтрубные. Внутри змеевика либо внутренней трубы движется хладагент, кипящий при температуре испарения, а снаружи — паровоздушная смесь при температуре конденсации. Смесь охлаждается, пары хладагента конденсируются, а воздух удаляется в атмосферу через гидравлический затвор. Применение воздухоотделителей обязательно, если во всасывающих линиях установок возможно давление ниже атмосферного.
В систему холодильной установки в процессе её изготовления и монтажа, а также при техническом обслуживании попадают твёрдые частицы, которые при работе установки захватываются парообразным и жидким хладагентом и циркулируют вместе с ним. Маслохладоновые смеси смывают загрязнения с внутренних поверхностей системы. Загрязнения повышают износ деталей компрессора, засоряют отверстия вентилей, нарушают режим работы установки и приборов автоматики.
Для улавливания твёрдых частиц на паровых и жидкостных линиях устанавливают фильтры–грязеуловите-ли. Паровые фильтры устанавливают на всасывающих трубопроводах компрессоров для защиты цилиндров от загрязнений. Жидкостные устанавливают перед дроссельными клапанами для защиты их и приборов автоматического регулирования. Масляные фильтры ставят перед масляными насосами. В фильтрах для аммиачных установок используют стальные сетки с ячейками диаметром 0,4 мм, а для фреоновых — латунные с ячейками 0,2 мм. Жидкий фреон фильтруют через сетки с ячейками 0,1 мм либо через ткань. Предусматривают замену и чистку фильтров без разборки трубопроводов.
Осушители применяют во фреоновых установках для адсорбции воды перед дроссельным вентилем. После осушителя устанавливают фильтр, часто фильтр и осушитель совмещены. В качестве сорбента используют силикагель, иногда добавляют слой алюмогеля, также эффективен цеолит. Регенерацию сорбента осуществляют с помощью воздуха с температурой 190–200ºС.
Арматура, устанавливаемая на основных и вспомогательных аппаратах, должна обеспечивать герметичность системы во избежание утечек хладагента либо попадания в систему воздуха.
|
|
|
