Испарители для охлаждения жидких хладоносителей

Испарители для охлаждения жидкого хладоносителя применяют в установках холодопроизводительностью свыше 14 кВт.

В зависимости от характера заполнения хладоносителем различают испарители закрытого и открытого типов.

В испарителях закрытого типа хладоноситель (рассол) с воздухом не соприкасается. В испаритель рассол подается насосом, а из испарителя охлажденный рассол поступает в охлаждающие приборы, расположенные в холодильных камерах. К этому типу относят кожухотрубные, кожухозмеевиковые и змеевиковые испарители.

В испарителях открытого типа поверхность рассола соприкасается с воздухом. Рассол из испарителя открытого типа забирается насосом и под напором подается в охлаждающие батареи камер (или воздухоохладители), откуда сливается обратно в испаритель. К такому типу испарителей относят панельный.

Хладоносителями называют обычно жидкие тела, которые используют для переноса теплоты от охлаждаемой среды к холодильному агенту в испарителе. Принципиальная схема охлаждения с помощью жидкого хладоносителя показана на рис. 29. Охлажденный в испарителе жидкий хладоноситель насосом нагнетается в батарею, установленную в охлаждаемом помещении, где он воспринимает теплоту, а затем возвращается в испаритель и отдает эту теплоту кипящему холодильному агенту.

Рис. 29. Принципиальная схема охлаждения жидким хладоносителем

Хладоносители должны отвечать следующим требованиям: иметь низкую температуру замерзания, обладать высокой теплоемкостью, быть безвредными, безопасными и химически нейтральными по отношению к металлам, из которых изготовляют аппараты и трубопроводы, иметь низкую стоимость.

Самый дешевый и доступный хладоноситель – вода. Она имеет большую теплоемкость, но недостатком ее является высокая температура замерзания, поэтому ее применяют только при температуре охлаждаемой среды выше 0 °С (например, в установках кондиционирования воздуха).

Для температур ниже 0 °С в качестве хладоносителей используют водные растворы солей (рассолы). Наиболее распространены растворы хлористого натрия (поваренная соль) NaCl и хлористого кальция СаС1₂.

Свойства рассолов зависят от концентрации соли в растворе. С увеличением концентрации соли температура замерзания рассола понижается до определенного значения, называемого криогидратной точкой. Криогидратной точке соответствуют определенная концентрация для каждой соли и самая низкая температура замерзания раствора. Дальнейшее увеличение концентрации, наоборот, влечет за собой повышение температуры замерзания. Если концентрация рассола не соответствует криогидратной точке, то при температуре замерзания раствор полностью не замерзает.

При замерзании рассола с концентрацией меньше криогидратной выделяется лед. Если охлаждать рассол СаСl₂ концентрацией 18 % соли в растворе, то концентрация его будет постоянной до температуры -14 °С, а при дальнейшем охлаждении будет выделяться лед. Концентрация оставшегося жидкого раствора будет увеличиваться, а температура затвердевания понижаться до температуры, соответствующей криогидратной, при которой весь рассол замерзнет. Замерзшая масса представит собой смесь кристаллов льда и твердого раствора эвтектической концентрации.

При охлаждении рассола СаСl₂, концентрация которого больше, чем в криогидратной точке (например, 33 %), концентрация раствора остается постоянной до температуры, соответствующей точке, при которой начнется выделение кристаллов соли. При дальнейшем охлаждении концентрация оставшегося жидкого раствора будет уменьшаться до криогидратной, температура замерзания соответственно снизится. Этот процесс характеризуется точками, лежащими на кривой, которую называют кривой выделения соли. При температуре, соответствующей криогидратной точке, весь раствор замерзнет, В состав замерзшей массы будут входить кристаллы соли и твердого раствора эвтектической концентрации. При охлаждении рассола концентрацией, соответствующей криогидратной точке, ни лед, ни соль не выпадут из раствора, а при достижении температуры, соответствующей криогидратной точке, рассол замерзнет в виде однородной массы – эвтектики.

Криогидратную точку для раствора NaCl в воде характеризуют температура замерзания -21,2 °С и содержание соли в растворе 23, 1%, а для раствора СаСl₂ – температура – -55 °C и содержание соли 29,9 %.

Концентрация рассола должна соответствовать режиму работы холодильной установки; но не превышать концентрации криогидратной точки. При увеличении концентрации рассола повышается плотность и уменьшается теплоемкость, и, следовательно, увеличивается расход энергии на перекачку рассола. Однако при недостаточной концентрации возможно замерзание рассола в испарителе (в случае колебания температур кипения холодильного агента). Поэтому температуру затвердевания рассола рекомендуется поддерживать на 5-8 °С ниже температуры кипения холодильного агента. В связи с этим рассол NaCl можно применять только при температурах кипения агента выше -15 °С, а рассол СаС1₂ – при более низких температурах (до -45÷-48 °С).

Недостаток всех рассолов — воздействие их на металл. В присутствии кислорода воздуха рассолы вызывают сильную коррозию.

Попадание кислорода в рассол можно сократить путем уменьшения поверхности соприкосновения рассола с воздухом (например, применяя закрытую рассольную систему). Коррозию также можно ослабить добавлением к рассолу пассиваторов, т. е. веществ, замедляющих коррозию металлов, - хромат натрия NaCrO₄ с едким натром NaOH.

Чтобы получить температуры ниже -50° С, в качестве хладоносителей используют органические вещества: водный раствор этиленглнколя с температурой замерзания около -72 °С, фреон-30 (CH₃Cl) с температурой в эвтектической точке -96,7°. Эти вещества также гораздо меньше воздействуют на металлы.

Кожухотрубные рассольные испарители. Их устройство аналогично устройству кожухотрубных горизонтальных конденсаторов (рис. 30). В межтрубном пространстве кипит холодильный агент, а по трубам циркулирует рассол, совершая несколько ходов.

рис. 30. Кожухотрубный аммиачный испаритель.

Преимущества многоходовых кожухотрубных испарителей - простота и компактность конструкции, эффективность теплопередачи, возможность устройства закрытой системы циркуляции рассола.

Недостаток – разрыв труб в случае замерзания в них рассола. Это может произойти при недостаточном содержании соли в рассоле, а также при случайной остановке насоса для рассола. Аммиачные горизонтальные кожухотрубные испарители выпускаются с площадью поверхности до 300 м².

Кожухотрубные многоходовые испарители широко применяют и в холодильных машинах, работающих на хладонах и фреонах. От аммиачных они отличаются медными толстостенными трубами, оребренными со стороны хладона. В испарителях, работающих в режиме кондиционирования воздуха на R22, можно применять гладкие трубы.

Кожухозмеевиковые испарители. В таких испарителях исключена опасность разрыва трубок при замерзании воды. Для повышения интенсивности теплоотдачи со стороны хладона, а значит, и коэффициента теплопередачи в этих аппаратах применяют трубы с внутренним оребрением. В последнее время в кожухозмеевиковых испарителях применяют биметаллические трубы, в которых дорогостоящая медь частично заменена алюминием.

К достоинствам кожухозмеевиковых испарителей с внутритрубным кипением относят уменьшенное количество холодильного агента в системе (в 2—3 раза) по сравнению с кожухотрубными аппаратами затопленного типа, что имеет особенно большое значение ввиду высокой стоимости хладонов и фреонов.

Расчет и подбор испарителей.

При расчете испарителя определяют площадь теплопередающей поверхности для заданной холодопроизводительности машины и расход циркулирующего рассола.

Площадь теплопередающей поверхности испарителя F_и (в м²) определяют по формуле

,

где Q₀ – теплота, подведенная в единицу времени к испарителю, т. е. холодопроизводительность машины, Вт;

k_и – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м²·К);

Θ – средний арифметический температурный напор между рассолом и кипящим холодильным агентом, °С,

,

где t_p1 и t_p2 – температуры рассола, входящего в испаритель и выходящего из него, °С.

Температурный напор Θ обычно составляет 4-6 °С в аммиачных аппаратах, 6-8 °С в кожухотрубных аппаратах затопленного типа для хладона и 8-10 °С в кожухозмеевиковых аппаратах с кипением хладона в трубах.

В испарителе рассол охлаждается на 2-3 °С. В испарителях открытого типа (панельных) температура рассола в баке примерно равна температуре выходящего рассола t_Р2, так как вместимость бака большая и отепленный рассол не влияет существенно на температуру рассола в баке. По величине площади теплопередающей поверхности F подбирают испаритель в справочниках или каталогах.

Объемный расход циркулирующего рассола определяют по формуле

,

где V_p – объемный расход циркулирующего рассола, м³/с;

G_р – массовый расход циркулирующего рассола, кг/с;

ρ_р – плотность рассола, кг/м³;

с_р – удельная теплоемкость рассола, Дж/(кг·К).

Теплоемкость с_р и плотность рассола ρ_Р определяют по температуре замерзания рассола и рабочей температуре рассола, т. е. температуре, при которой он циркулирует. Температура замерзания должна быть ниже температуры кипения агента в испарителе на 5—8° С.

Воздухоохладители.

Влажный воздух состоит из смеси газов (азота, кислорода, неона, гелия, аргона и др.) и водяных паров. Содержание водяных паров в воздухе различно. Влажность воздуха характеризуют влагосодержанием d или абсолютной влажностью е.

Влагосодержанием называют массовое количество водяных паров, отнесенное к 1 кг сухого воздуха (d кг влаги на 1 кг сухого воздуха).

Абсолютная влажность воздуха - массовое количество водяного пара, находящегося в 1 м³ влажного воздуха (е кг влаги на 1 м³ влажного воздуха).

Давление атмосферного воздуха В равно сумме парциальных давлений сухого воздуха р_в и водяных паров р_п. Чем больше влагосодержание воздуха, тем выше парциальное давление водяных паров. Предельное количество паров воды в воздухе зависит от его температуры и давления. При повышении температуры атмосферного воздуха предел насыщения парами увеличивается.

Относительная влажность воздуха φ, т. е. степень то насыщения водяными парами численно равна отношению парциального давления водяных паров в воздухе р_п при определенной температуре к давлению водяных паров в насыщенном воздухе р"_п при той же температуре. Для температур ниже 15 °С относительную влажность воздуха φ можно приблизительно приравнять к отношению влагосодержания воздуха d к влагосодержанию насыщенного воздуха d" при той же температуре

.

У насыщенного воздуха φ =1.

Температуру, при которой воздух с данным влагосодержанием становится насыщенным, называют точкой росы. При охлаждении воздуха ниже точки росы влага выпадает в виде росы или инея. При добавлении влаги в насыщенный воздух она будет находиться и капельном состоянии. Примером может служить туман, состоящий из насыщенного воздуха и мельчайших капелек воды, которые находятся во взвешенном состоянии.

Параметры влажного воздуха определяют по i-d диаграмме и таблицам для влажного воздуха.

Схема d, i-диаграммы показана на рис. 31. Для удобства изображения ее строят в коcоугольной системе координат с углом между осями 135°. По наклонной оси абсцисс откладывают влагосодержание d воздуха, а по вертикальной оси ординат – энтальпию i. Линии постоянных энтальпий i=const проведены наклонно, т. е. параллельно оси абсцисс. Начало отсчета энтальпий соответствует температуре 0°С и влагосодержанию d=0.

Рис. 31. Построение диаграммы влажного воздуха влагосодержание – энтальпии (d, i).

В действительных диаграммах наклонную ось абсцисс d не наносят. Вместо нее проводят вспомогательную горизонтальную ось, на которой указывают влагосодержание. На диаграмму наносят также линии постоянных температур, относительных влажностей, плотностей воздуха и парциальных давлений водяного пара.

Линия φ=1 (φ =100%) делит i-d диаграмму на область влажного ненасыщенного воздуха и область тумана, где лишняя влага находится в капельном состоянии. Линия φ =1 также характеризует максимально возможное насыщение воздуха влагой при данной температуре.

Состояние воздуха в точке А определяют любыми двумя параметрами из нанесенных на диаграмме. При охлаждении воздуха без добавления или отвода влаги (d=const) до состояния насыщения (линия φ=1) получают точку росы (t_росы). Температуру мокрого термометра (t_м._т), соответствующую температуре предела охлаждения воды в воздухе с начальным состоянием, характеризующимся точкой А, для температур воздуха ниже 30 °С с достаточной точностью можно находить на пересечении линий i= const и φ=1.

Процессы изменения состояния воздуха нередко сопровождаются изменением энтальпии Δi и влагосодержания Δd, Отношение этих величин называют тепловлажностным отношением. Эта величина определяет угол наклона процесса в i-d диаграмме. Часто протекают процессы взаимодействия воздуха с водой, сопровождающиеся переносом теплоты и влаги от одной среды к другой. При переносе теплоты среды охлаждаются или нагреваются, а при переносе влаги происходит испарение или конденсация ее на поверхности раздела, что приводит к осушению или увлажнению воздуха.

На поверхности соприкосновения воздух и вода находятся в состоянии равновесия, т. е. воздух имеет одинаковую с водой температуру и 100%-ную относительную влажность. Такое состояние воздуха характеризуется точками на кривой насыщения (φ=1).

Температура и влагосодержание воздуха, удалённого от поверхности воды, иные. Парциальное давление водяного пара в насыщенном воздухе непосредственно у поверхности воды р"_п отличается от давления водяного пара р_п в слоях воздуха, удаленного от поверхности воды (исключение составляет случай, когда температура воды равна точке росы воздуха). В результате разности между парциальными давлениями водяного пара в воздухе происходит влагообмен между водой и воздухом, а также теплообмен, так как вместе с паром в воздух переносится и теплота, затраченная на его образование. Кроме того, имеет место конвективный теплообмен вследствие разности между температурами воздуха и воды. Если температура поверхности воды выше точки росы воздуха ( ), то вода испаряется. Влага и теплота испарения переносятся от воды к воздуху, в результате чего воздух увлажняется. Если температура воды ниже точки росы ( ). то происходит конденсация водяного пара из воздуха на поверхность воды, т. е. перенос теплоты и влаги к воде, вследствие чего воздух осушается.

Конденсация влаги из воздуха, а значит, и осушение воздуха происходят при соприкосновении не только с холодной водой, но и с любой поверхностью (например, поверхность трубчатого воздухоохладителя), температура которой ниже точки росы воздуха.

В теплообменных аппаратах при соприкосновении воздуха с водой могут протекать различные процессы (рис. 32, а).

рис. 32. Процессы в i-d диаграмме:

а – взаимодействие воздуха с водой;

б – смешения воздуха двух состояний.

В процессе А—1 воздух охлаждается и осушается. Этот процесс протекает при условии, что температура поверхности соприкосновения (воды или трубчатой поверхности воздухоохладителя) ниже точки росы воздуха А, вступающего в процесс (t_w<t_росы). Предельно процесс А—1 изображается касательной к кривой насыщения (φ=1). Процесс А—1 характерен для большинства воздухоохладителей. В процессе А—2 воздух охлаждается без конденсации влаги воздуха, т.е. при d=const. В этом процессе . Процесс А-2 встречается в воздухоохладителях.

В процессе А—3 воздух увлажняется и охлаждается, так как часть теплоты, отдаваемой воздухом воде, расходуется на испарение воды. В этом процессе температура поверхности воды выше точки росы, но ниже температуры мокрого термометра (t_м._т>t_w>t_росы).

В процессе А-4 воздух увлажняется без подвода и отвода теплоты. Теплота, отдаваемая воздухом воде, расходуется на испарение воды и переходит вместе с испаренной влагой обратно в воздух (энтальпия воздуха остается постоянной i=const). Температура воды соответствует температуре мокрого термометра (t_w = t_м.т). Этот процесс имеет место в так называемых камерах адиабатического увлажнения, в которых воздух увлажняется одной и той же водой, рециркулирующей с помощью насоса, без подвода и отвода к ней теплоты.

В процессе А—5 температура воды выше температуры мокрого термометра, но ниже температуры начального состояния воздуха (t>t_w>t_м.т). В этом процессе воздух охлаждается и увлажняется с увеличением его энтальпии, так как количество теплоты, переходящее к воздуху с испаряющейся влагой, оказывается больше количества теплоты, которое воздух отдает воде при сравнительно небольшой разности между температурами. При этом вода охлаждается. Пределом охлаждения воды является температура мокрого термометра. Такой процесс осуществляется в градирнях при охлаждении воды, выходящей из конденсатора холодильной машины, а также в увлажнительных камерах. В последнем случае для поддержания постоянной температуры воду подогревают или добавляют свежую более теплую воду.

Процесс А-6 протекает при равенстве температур воздуха и воды (t=t_w). Для него характерно отсутствие конвективного теплообмена между воздухом и водой. При этом воздух увлажняется, а вода испаряется за счет тепла постороннего источника.

В процессе А—7 температура воды выше температуры воздуха (t_w>t). В результате испарения и конвективного теплообмена между водой и воздухом воздух увлажняется и нагревается, а вода охлаждается. Предельно этот процесс изображается касательной к линии насыщения φ=100%. Процесс А—7 осуществляется в градирнях для охлаждения воды.

Таким образом, при t_w<t_росы воздух осушается, при t_w>t_росы увлажняется, при t_w<t охлаждается, при t_w>t нагревается. Процесс смешения двух потоков воздуха состояний А и В (рис. 32, б) на i-d диаграмме протекает по прямой, соединяющей точки А и В. Эти точки характеризуют начальные состояния воздуха. Состояние смеси обозначается точкой С, лежащей на этой прямой. Отрезки, определяющие положение точки С на линии смешения, обратно пропорциональны количествам М_А и М_В смешиваемого воздуха .

В воздухоохладителях теплота от воздуха передается холодильному агенту или хладоносителю (воде либо рассолу), Применение воздухоохладителей обусловливает создание принудительного движения воздуха в охлаждаемом объекте. Из холодильной камеры воздух прогоняется вентилятором через воздухоохладитель, где охлаждается, и вновь возвращается в камеру.

Различают воздухоохладители поверхностные или трубчатые (сухие) и контактные (мокрые).

В поверхностных (сухих) воздухоохладителях теплообмен между воздухом и охладителем происходит через стенку трубы. Такие воздухоохладители выполняют в виде пучка гладких или ребристых труб, заключенных в кожух. По трубам протекает кипящий холодильный агент (в этом случае воздухоохладители являются испарителями холодильной машины) или хладоноситель (рассольные или водяные сухие воздухоохладители). Снаружи трубы омываются воздухом.

В контактных (мокрых) воздухоохладителях (оросительных или форсуночных) теплообмен происходит при непосредственном контакте воздуха с холодным рассолом или водой.

Воздухоохладители размещают в охлаждаемом помещении или вне его, но тогда кожух изолируют.