Общие сведения об аппаратах НТУ.

1.1 Место и роль ТОА (теплообменных аппаратов) в схемах ХУ.

· Основное назначение ХМ – понизить температура воздуха в помещении Х-камеры или температуру охладительного продукта в соответствии с заданным технологическим режимом.

· Состоит из 4-х основных элементов:

- компрессора КМ, в котором происходит сжатие паров ХА;

- регулирующего вентиля, РВ, в котором происходит расширение жидкого ХА;

- конденсатора КД, в котором происходит понижение температуры парообразного ХА и превращения его в жидкое состояние;

- испарителя И, в котором происходит кипение жидкого ХА за счет отбора тепла от охлаждаемого продукта, либо воздуха помещением Х-камеры.

· Тогда КД и И – основные теплообменные аппараты (ТОА)

· Кроме них в схему ХУ могут включаться и другие ТОА, которые не обязательны для установки в схему ХУ, но они существенно влияют на энергетические показатели работы ХУ ( к снижению потребления электроэнергии ЭЭ) и это регенеративные теплообменники, маслоотделители, маслосборники, промсосуды и т.д.

· ТОА составляют весьма существенную часть ХУ и на их долю приходится около 2/3 всех ХУ, а их стоимость приблизительно равна ½ общей стоимости установки.

· Большое влияние оказывают ТОА и на энергетические характеристики машин. В связи с тем что поверхность ТОА не может быть чрезвычайно большой, температура конденсации t_k в ХМ должна быть выше t_{окр.среды} на какую-то величину, а tкип = tо – должна быть ниже на какую-то величину tобъекта, поэтому наличие этих разностей температур и обуславливает внешнюю необратимость термодинамического цикла и приводит к энергетическим потерям.

· При работе ХУ с температурой охлаждаемого объетка -15^оС и температура окружающей среды +30^оС, общая разность температур ХМ будет равна 55 ^оС вместо 45 ^оС; (зазор в 10 ^оС – необратимость цикла) Поэтому расход электроэнергии на выработку 1000 ккал холода повышается ≈ на 40%

· (1) каким образом можно увеличить заданную тепловую нагрузку?

Основная задача при проектировании ТОА заключается в том, чтобы увеличить теплопередачи К, Вт/м²К

1.2 Типы ТОА ХУ.

До начала 30-х годов в ХУ применялись малоинтенсивные ТОА. Испарение и конденсация ХА производилась в длинных спиральных змеевиках, помещенных в цилиндрические баки с протекающим рассолом или охлаждающей водой. Вследствии малой скорости движения рассола или воды наружный коэффициент теплоотдачи был небольшим.

В середине 30-х годов были применены испарители, в которых увеличивалась скорость движения рассола или воды с помощью мешалок, а также начали применять кожухотрубные испарители с протеканием рассола в трубках и кипением ХА на наружной поверхности, а также испарителей, в которых, наоборот, внутри трубок протекал ХА, а рассол был в межтрубном пространстве.

Развитие конденсаторов в 30-х годах шло по пути не сколько интенсиорнации, сколько по пути сокращения числа их разновидностей.

В настоящее время, в основном, применяются противоточные, вертикальные, горизонтальные, оросительные и неоросительные конденсаторы.

В 50-60 гг интенсиоринация холодильной аппаратуры шла по двум направлениям:

1. Применение труб меньшего диаметра. В настоящее время вместо труб с условным проходом 50 мм в кожухообразных аппаратах применяют трубы ф 13-20мм, что повышает интенсивность теплообмена; уменьшает вес и габариты аппарата, количество заряжаемого в них ХА и т.д.
2. Повышение скорости рассола, охлаждаемой воды воздуха при прохождении через аппарат. В последнее время происходит вытеснение рассольного охлаждения непосредственным кипением ХА, что значительно уменьшает капитальные затраты на монтаж, обслуживание и ремонт ХУ, уменьшает металлоемкость и снижает энергетические затраты на работу рассольных насосов.

· Для интенсификации процесса ТО в последнее время широко применят оребрение батарей как на фрионовых, так на аммиачных ХУ, что позволяет увеличить площадь теплопередающей поверхности. Обычно эти ребра выполняют из меди, латуни, бронзы ( на малых ХУ) и стальные ребра (на средних и крупных ХУ). Малые ХУ в основном работают на фреонах.

В последнее время широкое применение получили так называемые воздухоохладители ВО в которых интенсификация ТО достигается одновременным использованием как оребрения, так и увеличения скорости движения.

1.3 Рабочие среды холодильных аппаратов.

В соответствии с назначением холодильных аппаратов рабочими средами в них могут служить

- ХА

- воды

- воздух

- различные жидкости с низкой температурой замерзания или рассолы.

1.3.1 Холодильные элементы.

В настоящие время наиболее распространенными ХА являются:

аммиак, R-12, R-13, e-22 –для поршневых и винтовых х.м.

R-11, R-12, R-113, пропан, NH₃ - для турбокомпрессорных холодильных машин.

1.3.2 Хладоносители.

Подразделяются на следующие три группы:

А) вода которая может быть использована при в основном установках кондиционирования воздуха, является наиболее дешевым и общедоступным Х-носителем.

Б) водные растворы солей NaCl, CaCl₂, MgCl₂, которые имеют tзамерзания до -55 и используются в аппаратах для быстрой заморозки продуктов ( скоро-морозильные аппараты).

В) водные растворы органических веществ, имеющие относятся метиловый и этиловый спирт, отиленглюколь и т.д.

Тема 2. Сведения о различных видах теплообмена без изменения агрегатного состояния.

2.1 Сведения из теории теплообмена. Формулы для расчета коэффициента теплоотдачи α.

В ТОА ХУ встречаются различные виды ТО капельных жидкостей паров и газов, а также процессы ТО при изменении агрегатного состояния. Задача курса – рассмотреть основные сведения из теории ТО и расчетные формулы для определения коэффициента теплоотдачи α однофазных сред, которые в основном и встречаются в ТОА ХУ. Процесс ТО в ТОА описывается законом Ньютона-Рихмана, согласно которому количество теплоты, отдаваемой или получаемой теплом от окружающей среды, пропорционально площади поверхности тела, разности температур между поверхностью тела (стенки) и средой, а также длительностью процесса:

(1)

Отсюда:

(2)

Коэффициент пропорциональности - коэффициент теплоотдачи ;

-величина численно равная количеству теплоты, которой обеспечивается в единицу времени единичная поверхность тела со средой при единичной разности температур межу ними:

Процесс теплообмена может быть определен критерием Нуссельта:

(3)

Отсюда:

Критерий Нуссельта (зная его можно определить ) зависит от критериев Рейнольдса, Прантля, Грозгофа.

(*)

- характеризует соотношение от инерции и внутреннего трения или вязкости при внутреннем движении среды.

- содержит только теплофизические параметры и характеризует влияние физических свойств жидкости на конвективный ТО.

- характеризует соотношение сил инерции и тяжести в условиях вынужденного движения жидкости и встречается при отставании свободного движения.

В данных выражениях:

-коэффициент теплопроводимости; ;

- скорость движения; ;

V-кинематическая вязкость; ;

-коэффициент объемного расширения; ;

-разность температур жидкости и стенки ;К

- коэффициент температуропроводимости;

(4)

- характеризует теплоинерционные свойства вещества, т.е. скорость изменения температуры в любой точке тела.

-плотность;

С-теплоемкость

-характерный размер для горизонтальной трубы; м

-характеризует размер для вертикальной стенки и трубы;

-ускорение свободного падения.

2.2 ТО при свободном движении.

Свободное движение вызывается различием плотностей холодных и горячих частиц среды, возникающим из-за резкости температур, между средой и стенкой аппарата. Определяющими критериями в этом случае являются и ; Определяющий размер для горизонтальной трубы – диаметр; для вертикальной степени и трубы – ее высота. В зависимости от произведения режим движения в ТОА может быть ламинарным, переходным, турбулентным при небольших разностях температур жидкости и степени, характерных. Холл. аппаратов (ХА), коэффициент теплоотдачи при свободном ламинарном движении может быть определен по зависимостям:

1. а) для горизонтальных труб используют уравнение Михеевой:

* - означает, что при обработке опытов определяющей температурой была принята температура вдали от стенки аппарата, т.е. температура невозмущенного потока. Такой, процесс встречается g.

Теплообменников с погруженным испарителем.

1. Для вертикальных труб и стенок:

А) при ламинарном режиме свободного движения

;С=0,75 – при постоянном тепловом потоке у стенки.

С=0,55 – если постоянная температура стенки.

Б) при турбулентном режиме свободного движения:

;

Если предоставить в размерном виде последние уравнения, то можно записать:

;

для воды и воздуха будут иметь значения:

Таблица

Коэффициент	Воздух	Вода
-50	-20
	1,19	1,15	1,13	1,08	1,05
	1,79	1,72	1,70	1,62	1,58
	1,85	1,74	1,61	1,50	1,41

2.3 ТО при вынужденном движении внутри труб и каналов.

При движении жидкости внутри труб и каналов определяющим будет Re и в зависимости от его величины режим может быть: ламинарным, турбулентным, переходным.

В случае турбулентного режима определяющим будут Re и Pr, а при ламинарном режиме – Re,Pr,Gr.

Если жидкость течет по трубе, то определяющим размером будет являться внутренний диаметр трубы, а если по каналу, то – эквивалентный диаметр трубы;

, где f-площадь поперечного сечения канала; S-параметр этого канала, м;

Определяющей температурой является средняя температура * или стенки. Индекс будет «ст»; тогда при ламинарном движении определяется как:

,

-коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине l трубы; при отношении ; а при -выбирается из справочника;

При движении рассола в испарителях рекомендуется следующая формула:

;

При турбулентном движении будет определяться по выражением:

Для жидкости ;

Для газов

В ТОА перепады температур малы; тогда с учетом этого в размерном виде может быть определен из выражения:

, где В зависит от физических свойств жидкости и воздуха и может быть определен для воздуха из справочника в зависимости от температурной перепада, а для рассолов может быть определен из таблицы.

Таблица «В» для рассолов.

Таблица «В» для ХА.

ХА	Температура хладоносителя;
	+10	+20	+30
R717
R12
R-11
Углекислоты

При переходном режиме рассчитывается по критериальным уравнениям для турбулентного режима и уменьшается на поправочный коэффициент ( из справочника).

При движении * в изогнутых трубках (коленах; отводах, змеевиках) возникает центробежный эффект, из-за которого поток жидкости отжимается к внешней стенки, в поперечном сечении возникают вторичная циркуляция, которая приводит к росту турбулентности и коэффициента теплоотдачи .

, где

;

Где Rзм – радиус змеевика.

2.4 Теплообмен при поперечном обтекании труб.

В настоящее время в ТОА встречается коридорное расположение пучка труб и шахматное

Коэффициенты теплоотдачи при поперечном обтекании труб зависит от свойств хладагента, режима движения, расположения труб в пуске, т.е. коридорный либо шахматное и тогда коэффициент теплоотдачи.

1) Для гладкотрубных пучков труб.

Коэффициенты c и m приведены для различных режимов в которых определяются размеры, являются наружные диаметры трубы, определяющей температурой – температура набегающего потока жидкости, а рассчитанной скоростью – скорость в наименьшем проходном сечении.

2) Для пучков оребренных труб – характерно для ВО – коэффициент теплоотдачи будет определятся по выражению:

Где L- длина пластин по ходу воздуха.

Таблица

Условия конвективного ТО между рабочей жидкостью и оребренными трубами усложняются по сравнению с обтеканием гладких труб; из-за влияния формы, размера ребер и шага между ребрами. При обтекании газовым пучков труб с поперечными крупными ребрами коэффициент теплоотдачи равен:

Где h – высота ребра, u – шаг ребер, do-наруж. Диам. Трубы; Cz- геометрический параметр, учитывающий расположение труб в пучке, - учитывает неравномерность распределения теплоотдачи по высоте ребра.

2.5 ТО в стекающей пленке жидкости.

Встречается в оросительных и вертикальнотрубных Кg, когда вода стекает по наружной поверхности труб в виде пленки. В этом случае коэффициент ТО рассчитывают:

-1- горизонтальные трубы:

При отношение S/d = 1,7-2,0, тогда

При S/d =1.3

Определяющей температурой является средняя температура пленки; определяющим размером является толщина пленки;

В размерном виде:

Где

-скорость движения пленки;

-динамическая вязкость;

-расход жидкости, приходящиеся на 1 погоночный метр прямой трубы с учетом ее двухстороннего омывания.

G – общечасовой расход жидкости через аппарат;

- число параллельно орошаемых секций;

Для случая орашения водой коэффициент ТО может быть определен из выражения: или

-2- вертикальные трубы

При стекании жидкости по периметру вертикальной трубы рассчитывается с помощью зависимости

При

;

При

;

В размерном виде:

; ; ;

Где H – высота трубы; Ге – расход жидкости на одном лотке периметра сечения одной трубы; nтр – число параллельно орошаемых труб.

Тема 3 ТО с изменением агрегатного состояния вещества, т.е. ТО при конденсации пара.

В зависимости от типа аппарата конденсация может происходить лишь на трубах (кожухотрубные Кд), либо внутри труб ( воздушные, оросительные и исполнительные Кд). Условия стекания и отвода конденсатора при этом различны и учитываются в расчетных зависимостях коэффициента теплоотдачи. В аппаратах ХМ происходит, в основном, пленочная конденсация, жидкой пленки и от режима течения конденсатов пленки. Режим стекания пленки по поверхности охлаждения зависит от ее толщины, длины течения и может быть ламинарным и турбулентным. Большое влияние на теплоотдачу при конденсации оказывает скорость пара. Сила трения между движущимися паром и пленкой может как подмораживать, так и ускорять движения каждой пленки в зависимости от взаимного направления движения пара и конденсата.

Тема 3.1 ТО при конденсации на трубах.

3.1.1 Одиночная горизонтальная труба

В кожухатрубных Кд, когда конденсация протекает в трубном пространстве на наружной поверхности труб скорость пара можно не учитывать и тогда

(*)

- темп. Напор (3-6) - невелик, все физические свойства в данной формуле определяются по температуре конденсации и приводятся в справочной литературе.

3.1.2 Пучок горизонтальных труб

Большая часть Кд ХМ выполняется в виде пучка горизонтальных труб, расположенных либо в шахматном, либо в коридорном порядке. В этом случае условия ТО не размерных по высоте рядах труб будут неодинаковы вследствие натекания конденсата с верхних рядов на нижние и влияние скорости пара. Как показали исследования, стекание конденсатов с трубки на трубку происходит в виде отдельных капель или струек, которые, попадая на нежеланную трубу, с одной стороны утолщают пленку в момент падения, а затем растекаются по поверхности. В этом случае определяется так:

- определяются по выше написанной формуле.

- число труб в пучке по вертикали.

Вторым существенным фактором, оказывающим влияние на ТО является скорость пара, тогда при конденсации фреона определяется так:

3.1.3 Конденсация на оребренных горизонтальных трубах.

Во фреоновых Кд, охлажденных водой, применяют оребренные трубы, т.к. конденсирующегося фреона оказывается меньше, чем у воды, тогда отнесенный к полной оребренной поверхности пир конденсации на одноточных оребнных трубах будет определяться по выражению

, где - коэффициент, учитывающий различие условий конденсации на поверхности вертикальных участков ребер и поверхности участков горизонтальной трубы не занятых ребрами:

Где - вертикальная поверхность ребер;

- горизонтальная поверхность торцов ребер и межреберных участков;

полная оребренная поверхность;

Где ;

;

;

толщина ребра у основания и на торце;

шаг ребер;

D – диаметр ребра;

Do – наружный диаметр трубы;

Е – коэффициент эффективности ребра

-приведенная высота ребра;

При конденсации фреонов на пучке оребренных труб:

А с учетом скорости пара:

,

Где

3.1.4 Конденсация на вертикальной стенке и трубе.

В этом случае коэффициент теплоотдачи определяется по формулам:

Где Н – высота трубы.

3.2 ТО при конденсации пара внутри труб.

3.2.1 Горизонтальная труба.

В ТОА конденсат собирается на дне трубы, занимает определенную часть (примерно 1/3 трубы), отчего средний коэффициент теплоотдачи отнесенный по всей поверхности будет уменьшаться и тогда для фреонов:

Для аммиака

Где - тепловой поток, отнесенный к внутренней поверхности трубы.

3.2.2 Конденсация в плотном змеевике.

При конденсации фреонов внутри змеевика, составленного из горизонтальных труб соединенный между собой палочками, коэффициент теплоотдачи имеют меньшее значение, чем для конденсации в единичной трубе со свободным стоком жидкости и определяются по формуле

Где ,

Где -тепловой поток, отнесенный к внутренней поверхности.

3.2.3 Влияние неконденсирующихся газов на процесс ТО.

Наличие неконденсирующихся примесей существенно уменьшает коэффициент ТО при конденсации пара. Наличие 2,5% воздуха, например в NH3 уменьшает по сравнению с чистым аммиаком приблизительно в 4 раза: для аргона это в 3 раза.

Тщательная очистка ХА при их производстве от неконденсирующихся газов и удаление воздуха из Кд в период эксплуатации ХУ имеет первостепенное значение для повышения тепловой эффективности конденсаторов, потому в схеме ХУ предусматривается спец. Устройство – воздухоотделитель – с помощью которого периодически из системы удаляется воздух.

Тема 4. ТО при кипении жидкости.

Кипение – процесс парообразования в жидкости, температурой выше , характеризуемый возникновением новых свободных поверхностей раздела жидкой и паровой фаз. Для возникновения кипения необходим подогрев жидкости относительно и наличие центров парообразования: центр парообразования – места возникновения зародышей паровой фазы на поверхности нагрева или в объеме жидкости. Зародыш – область, занимаемая паровой фазой в момент ее возникновения внутри впускной фазы. В настоящее время существует два основных режима кипения – пузырьковое и пленочное.

При пузырьковом кипении пар образуется на поверхности нагрева в виде отдельных пузырьков, периодически возникающих, увеличивающихся в объеме и уходящих через массу жидкости в паровое пространство над ней.

В этом случае основная часть поверхности нагрева омывается жидкостью, а перенос теплоты происходит в прилегающем к поверхности пара слое, который интенсивней перемешивается и разрушается первыми пузырьками.

При пленочном кипении на поверхности нагрева образуется паровой слой (пленка пара), отделяющим его от массы жидкости. От этого слоя со стороны, обращенной к жидкости время от времени отрываются крупные поровые объемы, которые всплывают жидкости. В этом случае подвод теплоты от греющей поверхности к жидкости происходит через паровой слой в основном путем тепла проводимости, а поскольку теплопроводность пара в 20-40 раз меньше, чем у жидкости, то интенсивность ТО при устойчивом пленочном кипении в десятки раз меньше, чем при пузырьковым.

Тема 4.1 ТО при кипении в большом объеме.

Свойства ХА и , особенно, фреонов, определяющие интенсивность теплоотдачи при кипения существенно отличается от свойств воды.

Теплопроводность для фреонов – в 7 раз меньше, чем у воды.

Удельная теплоемкость и кинематическая вязкость в 5 раз меньше, чем у воды.

Теплота парообразования – в 13 раз меньше чем у воды.

Аммиак по своим свойствам ближе к воде и по величину ТО зажимает промежуточное значение между водой и фреоном. Качественный характер зависимости от теплового потока плотно изобразить графически.

При небольших тепловых потоках (участок а-в) кипение либо совсем отсутствует, либо развито слабо в виде единичных центров парообразования на отдельных участках поверхности нагрева. В этом случае пар образуется, в основном за счет испарения жидкости у горизонтальной поверхности раздела фаз с увеличением плотности теплового потока кипение захватывает все большую и большую площадь. Интенсивность ТО увеличивается и наступает режим развитого кипения (d-e). Участок (в-d) – переходная зона между двумя видами кипения, тогда в области свободного кипения (а-в) может быть определен по выражениям:

(*) – для фреонов:

(**) – для аммиака:

Где индекс Н означает, что определяющей является , а определяющим размером диаметр трубы.

В размерном виде:

(*) ;

(**) ;

Где Асв – приводятся в справочной литературе.

При развитом пузырьковом кипении коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств в жидкости теплового потока, давления насыщения и может быть определен по следующему выражению

Где «*» - развитое пузырьковое движение (кипение), Р – давление насыщения

В размерном виде

В переходной зоне коэффициент ТО может быть определен:

- для NH3

- для фреонов:

Где ;

Где Ркр и Ткр – критические давление и температура;

М – молекулярный вес ХА;

Rz – шероховатость поверхности;

Rzo – шероховатость эталонной поверхности.

В испарителях фреоновых, поршневых ХМ рабочим телом является фреоно-масляная смесь. Условия кипения которой отличаются от кипения чистого ХА. Добавка масла во фреон двояко влияет на процесс кипения:

- увеличивается вязкость и поверхностное натяжение в пограничном слое кипящей жидкости, что ухудшает условия ТО.

- происходит пенообразование в кипящей жидкости, что улучшает ТО;

Для кипения внутри трубок промышленного изготовления с учетом коэффициента Cq коэффициент теплоотдачи может быть определен:

- для фреонов:

- для аммиака:

4.2 ТО при кипении на пучке гладких труб.

В настоящее время для расчета используют различные электрические формулы, полученные для конкретных условий работы ХУ. Это объясняется тем, что при температурных напорах, с которыми работают испарители, процесс парообразования происходит, в основном в переходной зоне, а это проявляется в усилении свободной конвенции и возрастанием процесса парообразования на верхних рядах пучка труб.

Таблица

Хол. Аг.	Формулы	Р, Па		Материал		q; кВт/м2	S/d	Число рядов пучка
R12		1.2-1.4	-25--10	Сталь 1х18Н9Т	17.7	1-9	1.36
R12		0.81-4.4	-35-+11	Медь	16.1	10-35	1.44
R22		1.88-9.1	-27-+20	Сталь 1х18Н9Т	17.7	0,7-8	1.36
R22		1.64-6.81	-30-+10	Медь		1,6-5	1.15-1.75
R22		0.82-5	-45-0	Медь	16.1	10-34	1.44
NH3		1.2-4.38	-30-0	Сталь 1х18Н9Т	17.7	1,1-11	1.36
NH3		0.84-4.3	-37-0	Медь	16.1	15-38	1.44
NH3		1.9-6.2	-20-10	Сталь СТ3		0,5-12	1.36

Анализ этих формул показывает что для расчета среднего коэффициента теплоотдачи в многорядных пучках труб можно использовать следующие формулы:

- для фреонов:

- для аммиака:

Где для R12;

для R22;

B – в справочниках для R717.

При кипении фреона масленой смеси коэффициент находится так:

Где -коэффициент, учитывающий влияние пучка труб;

-коэффициент, учитывающий влияния масла находятся в справочниках;

-коэффициент, определяющийся по одной из выше приведенных формул.

4.3 ТО см. при кипении на оребренных трубах.

Экспериментальные исследования теплоотдачи при кипении фреонов на оребренных трубах показали, что оребрение увеличивает теплоотдачу по сравнении с гладкой трубой при температурах кипения и удельных тепловых потоках, характерных для работы испарителей ХМ. В этом случае условия зарождения и роста паровых пузырьков оказывается были благоприятными по сравнению с парообразованием на гладкой поверхности, благодаря чему возрастает число центров парообразования. В этом случае находится так:

- R12

- R22

Где - средний коэффициент теплоотдачи эталонного пучке труб;

- удельный тепловой поток, отнесенный к полной оребренной поверхности труб.

- температурный напор.

4.4 ТОбмен при кипении внутри труб.

При кипении внутри труб пар движения вместе с жидкость, образуя парожидкостную смесь, паросодержение которой по длине трубы непрерывно возрастает. В этом случае интенсивность теплообмена определяется не только процессом парообразования, но и гидравлической структурой потока. В результате будет зависеть от свойств жидкости, диаметра и длины трубы, и при кипении движущейся внутри горизонтальной трубы жидкости изменяется паросодежание, паросодержание зависит от расхода ХА, теплового потока и может быть определен для горизонтальных труб:

• При и

для R12

для R22

• При

для фреонов

где - коэффициент, зависящий от физических свойств жидкости и температуры кипения (справочник)

- удельный тепловой поток, отнесенный к внутренней поверхности трубы;

- весовой расход фреона;

Для вертикальных труб:

• При