Процессы в теплообменных аппаратах судовых холодильных установок, их тепловые расчеты
Косновным теплообменным аппаратам парокомпрессионных холодильных машин относятся конденсаторы и испарительные аппараты (испарители для охлаждения жидких хладоносителей, воздухоохладители и батареи непосредственного охлаждения), а также рассольные (водяные) воздухоохладители и рассольные батареи. Дополнительными теплообменными аппаратами являются регенеративные теплообменники, переохладители, промежуточные охладители и промежуточные сосуды.
Тепловые расчеты теплообменных аппаратов проводятся с целью определения необходимой площади их теплопередающей поверхности, по которой можно подбирать аппараты из числа серийно выпускаемых промышленностью.
При тепловом расчете любого из аппаратов используются уравнения теплового баланса и теплопередачи.
Уравнение теплового баланса теплообменного аппарата
Q= mт.с(iт1 –iт2) = mх.с(iх2 – iх1),(3.1)
где Q — тепловой поток воспринимаемый теплообменным аппаратом, Вт или кВт; mт.с и mх.с — массовые расходы теплой и холодной среды в аппарате, кг/с; iт1 и iх1 — удельные энтальпии теплой и холодной среды на входе в аппарат, Дж/кг или кДж/кг; iт2 и iх2 — удельные энтальпии теплой и холодной среды на выходе из аппарата, Дж/кг или кДж/кг.
Если через теплообменный аппарат проходят однофазные среды, то уравнение теплового баланса можно представить в виде
Q = mт.с∆tт.с = mх.с∆tх.с, (3.2)
где ст.с и cх.с — удельные теплоемкости, соответственно теплой и холодной среды, Дж/(кг*К) или кДж/(кг*К); ∆tт.с = tт1 — tт2— разность температур теплой среды на входе и выходе из аппарата, °С; ∆tх.с = tх2 – tх1— разность температур холодной среды на выходе и входе в аппарат, °С.
Уравнение теплопередачи в аппарате:
Q = kFθ = qFF (3.3)
где k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К) или кВт/(м2-К); F — площадь теплопередающей поверхности, м2; θ — средний логарифмический температурный напор, К; qF — плотность теплового потока, Вт/м2 или кВт/м2.
Для прямоточных и противоточных аппаратов величину θ определяют так:
θ = , (3. 4)
где θб и θм — больший и меньший температурные напоры на концах аппарата в местах входа и выхода теплообменивающихся сред, К.
При θб/θM ≤ 1,7 вместо среднего логарифмического можно использовать средний арифметический температурный напор:
Θ = (θб + θм)/2. (3.5)
В аппаратах с перекрестным движением сред средний температурный напор, подсчитанный по формуле (2.24) или (2.25) для противотока, умножается на поправочный коэффициент εθ, значение которого зависит от температурных параметров: pТ = ∆tх.с/(tТ1 –tх1) и R = ∆tт.с/∆tх.с. Значения εθ лежат в пределах от 0,7 до 1,0. Для конденсаторов и испарителей εθ = 1.
Коэффициент теплопередачи аппарата k может быть определен так:
k = 1/R = 1/(Rн + Rст + Rвн), (3.6)
где R — общее тепловое сопротивление аппарата (м2-К)/Вт или (м2-К)/кВт; Rн,Rсти Rвн — тепловые сопротивления соответственно наружное, стенки и внутреннее, (м2-К)/Вт или (м2-К)/кВт.
Интенсификация теплообмена в аппаратах достигается оребрением теплопередающей поверхности со стороны наибольшего теплового сопротивления с целью создания турбулентности движения (для конденсаторов и испарителей — со стороны хладагента, для воздухоохладителей и охлаждающих батарей— со стороны воздуха). Оребрение теплопередающей поверхности аппаратов позволяет уменьшить их массу и габариты в 1,5— 2 раза.
Интенсифицировать теплообмен в кожухотрубных и кожухозмеевиковых конденсаторах можно также за счет использования специальных проволочных интенсификаторов, разрушающих и стягивающих на себя пленку конденсата, а в кожухотрубных и кожухозмеевиковых затопленных испарителях с кипением хладагента в межтрубном пространстве — путем нанесения на наружную поверхность труб пористых металлизационных покрытий с особой микроструктурой, благоприятствующей парообразованию.
Расчеты показывают, что при равных среднелогарифмических температурных напорах между хладагентом и хладоносителем применение труб с пористым металлизационным покрытием эффективнее, чем оребренных: примерно в 1,5 раза уменьшаются габаритные размеры и масса аппаратов, так как трубы с покрытием в 1,4— 1,8 раза легче, чем оребренные.
Теплообмен в кожухотрубных и кожухозмеевиковых испарителях с внутритрубным кипением хладагента увеличивают применением трубок с внутренним продольным оребрением. Оребрение выполняется заодно с трубкой или в виде вставной звездочки. Интенсифицировать теплообмен в таких испарителях можно, кроме того, за счет рециркуляции хладагента, осуществляемой струйным насосом, который в этом случае заменяет обычное дроссельное устройство (ТРВ).
Рециркуляция в испарителе хладагента струйным насосом позволяет по сравнению с традиционной схемой с дросселем сократить на 20—25% габаритные размеры испарителя. При этом на 1—2% повышается экономичность холодильной машины, а также надежность всей установки (в результате исключения из схемы дросселя).
Эффективными являются также пластинчатые и пластинчато-ребристые теплообменные аппараты. Они превосходят традиционные кожухотрубные аппараты по массо-габаритным и энергетическим показателям. Так, для хладоновых холодильных машин пластинчатые конденсаторы по сравнению с кожухотрубными могут иметь приведенные массу M/Q и объем V/Q меньше соответственно в 1,7 и 4 раза.
Основные показатели, характеризующие процессы теплообмена в некоторых наиболее распространенных теплообменных аппаратах парокомпрессионных холодильных машин, приведены в •табл.3.1.
Таблица 3.1. Основные показатели, характеризующие процессы теплообмена в аппаратах парокомпрессионных холодильных машин
Аппараты | Плотность теплового потока с учетом оребренной поверхности трубок, qF кВт/м2 | коэффициент теплопередачи с учетом оребренной поверхности трубок, k, кВт/(м2 К) | средний логарифмический температурный напор θ, К | скорость жидкости внутри трубок, Wвн, м/с | скорость среды между трубками Wнар, м/с | коэффициент оребрения β = Fор/Fнар |
Конденсаторы кожухотрубные и кожухозмеевиковые хладоновые с ребристыми (накатными) трубками | 3,5 – 5,5 | 0,6 – 1,1 | 4 - 6 | 0,5 – 2,5 | - | 2,9 – 4,0 |
Испарители кожухотрубные хладоновые, затопленные с ребристыми (накатными) трубками | 1,0 – 2,5 | 0,2 - -0,4 | 4 - 6 | 0,7 – 2,5 | - | 2,8 - 4,0 |
Испарители кожухотрубные и кожухозмеевиковые хладоновые с кипением в трубках с внутренним оребрением | 1,0 – 5,0 | 0,3 – 0,7 | 8 - 10 | - | 0,2 – 0,7 | - |
Воздухоохладители непосредственного охлаждения с ребристыми трубками | 0,12 – 0,4 | 0,015 – 0,037 | 7 - 12 | 0,1 – 1,3 | 2 - 8 | 6 - 24 |
Батареи непосредственного охлаждения и рассольные ребристые | 0,023 – 0,090 | 0,0035 – 0,008 | 7 - 15 | 0,1 – 1,0 | - | 8 - 19 |
Теплообменники регенеративные кожухозмеевиковые хладоновые гладкотрубные | 2,5 – 6,0 | 0,12 – 0,18 | 20 – 30 | 0,8 – 1,2 | - |
Расчетный тепловой поток в рассольных (водяных) испарителях принимается обычно равным наибольшей рабочей холодопроизводительности установки QH=;Q0, а в конденсаторах он складывается из холодопроизводительности и индикаторной мощности установленного компрессора QK=Q0 + Ni, т. е. принимается с небольшим запасом (без учета потерь теплоты компрессором и нагнетательным трубопроводом в окружающую среду). Для установок с винтовыми компрессорами тепловой поток конденсатора уменьшается на тепловой поток маслоохладителя.
Тепловой поток в воздухоохладителях
QB=Qоп/i (3 7)
где Qоп — тепловой поток, отводимый от охлаждаемого помещения;
i — число воздухоохладителей, обслуживающих помещение.
Тепловой поток в охлаждающих батареях при непосредственном и рассольном охлаждении Qб = Qоп.
Тепловые потоки в регенеративных теплообменниках, переохладителях, промежуточных охладителях и промежуточных сосудах определяются путем расчета холодильных циклов.
Площадь теплопередающей поверхности конденсаторов и испарителей, определенную по уравнению (3.3), увеличивают примерно на 10% с учетом того, что в процессе эксплуатации часть поврежденных трубок может быть заглушена.
Необходимая объемная подача циркуляционного насоса (рассольного) Vр (м3/с) и забортной воды, охлаждающей конденсатор, Vw (м3/с) определяется так:
Vp=Q0/𝜌pcP(tр1—tp2); (3 8)
V= Q/𝜌wcwХ(tw2 – tw1) (3 9)
где 𝜌р и ср — соответственно плотность, кг/м3, и удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) рассола, определяемые по таблицам теплофизических свойств рассола;
(tp1—tp2) —разность температур рассола на входе и выходе из испарителя, К,
𝜌w и cw — плотность и удельная теплоемкость охлаждающей воды (для морской воды 𝜌w=1025 кг/м3, cw=3,98 кДж/(кг-К);
(tw2—tw1) —разность температур охлаждающей воды на выходе и входе в конденсатор, К.
Объемная подача вентиляторов воздухоохладителя, отнесенная к стандартным параметрам воздуха Vв (м3/с), определяется по формуле
Vв=vстQи/(i1—i2) (3 10)
где vct — удельный объем воздуха при стандартных параметрах (v = 0,84 м3/кг); i и i2 — удельные энтальпии влажного воздуха, кДж/кг, определяемые по d, i-диаграмме влажного воздуха в зависимости от его температуры и относительной влажности на входе в воздухоохладитель (tв1,φ) и выходе из него (tВ2, φ2).
Необходимое давление р на стороне нагнетания насосов и вентиляторов определяется гидравлическим расчетом теплообменных аппаратов, всасывающего и нагнетательного трубопроводов системы. Для рассольного насоса обычно рр = 0,25 -- 0,30 МПа, для насоса забортной охлаждающей воды pw = 0,15—0,25 МПа, для вентиляторов трюмных воздухоохладителей рв=0,4 - 1,0 кПа. Насосы и вентиляторы подбирают по каталогам.
В тех случаях, когда компрессор обеспечивает работу нескольких испарительных аппаратов с различными температурами кипения хладагента (например, в холодильных установках провизионных кладовых), рекомендуется проводить проверку соответствия холодопроизводительности выбранных испарительных аппаратов и холодопроизводительности компрессора. Эта проверка проводится с помощью графика совмещенных характеристик компрессора и испарительных аппаратов.
На характеристику компрессора Q0—f(t0) при постоянных частоте вращения (n=const) и температуре конденсации (tк=const) в том же масштабе наносятся характеристики испарительных аппаратов Qоп = f(t0); которые при непосредственном охлаждении строятся так:
(3 11)
где Qои — холодопроизводительность (тепловой поток) испарительного аппарата, кВт; k — коэффициент теплопередачи испарительного аппарата, кВт/(м2-К); Fи.факт — фактическая площадь теплопередающей поверхности испарительного аппарата, м2; с — коэффициент, учитывающий влияние снеговой шубы (с = 1,1- 1,2); tоп — температура в охлаждаемом помещении (камеры), К; t0— температура кипения хладагента в испарительном аппарате, К.
Общий вид графика совмещенных характеристик компрессора Q0 = f(t0) и трех испарительных аппаратов показан на рис. 3.7 .
Рис.3.7 . График совмещенных характеристик компрессора и испарительных аппаратов
Характеристики испарительных аппаратов (1, 2 и 3) представляют собой наклонные прямые, выходящие из точек на оси абсцисс, соответствующих температурам воздуха в охлаждаемых помещениях (tоп1, tоп2и tоп3). Характеристика испарительного аппарата 3 имеет наклонную и горизонтальную части, так как на линии отвода хладагента из этого аппарата установлен пропорциональный регулятор давления «до себя», с помощью которого поддерживается постоянной температура кипения хладагента в аппарате t'03, соответствующие абсциссе точки излома характеристики А'3.
Регуляторы давления «до себя» устанавливаются на линиях отвода хладагента из тех аппаратов, в которых необходимо поддерживать более высокие температуры кипения.
Точки пересечения характеристик испарительных аппаратов с характеристикой компрессора (А1, А2 и Аз) являются рабочими точками, абсциссы которых определяют температуру кипения хладагента в аппаратах (t01, t02 и t03), а ординаты — холодопроизводительности компрессора (Q01, Q02 и Q03) при работе на данный испарительный аппарат.
Суммарная характеристика испарительных аппаратов (1 + 2 + 3) находится графическим сложением их ординат. Точка пересечения суммарной характеристики аппаратов с характеристикой компрессора (точка Б) определяет температуру кипения хладагента t0, соответствующую давлению на всасывании, и холодопроизводительность компрессора при работе на все испарительные аппараты Q0. При этом холодопроизводительности и температурные напоры аппаратов 1 и 2 уменьшаются. Например, холодопроизводительность аппарата 1 уменьшается с Q01 до Q'01 а температурный напор аппарата ∆t1 = tоп1 — t01 уменьшается до ∆t1'.
График совмещенных характеристик компрессора и испарительных аппаратов может быть использован не только для проверки соответствия холодопроизводительности компрессора и испарительных аппаратов при проектировании, но и для анализа работы холодильной установки в эксплуатационных условиях.
В процессе эксплуатации графики совмещенных характеристик можно строить по показаниям штатных контрольно-измерительных приборов.
Дата добавления: 2016-06-29; просмотров: 3139;