Основы теплообмена в испарителях и конденсаторах

Теплообмен осуществляется тремя способами - теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплообмен, в котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретом теле осуществляется молекулами и элементарными частицами, называется теплопроводностью. Теплота может передаваться в любых телах - в твердых, жидких и газообразных. Если теплота передается путем перемещения самого вещества, то такой способ передачи теплоты называется конвекцией. Если движение газа или жидкости происходит под действием разности плотностей охлажденных и подогретых объемов вещества, конвекция называется свободной (естественной). Процесс можно усилить, если перемещать вещество искусственно, например, с помощью вентилятора, насоса или какого-либо другого устройства. В этом случае конвекция будет вынужденной (принудительной). Передача теплоты излучением происходит в результате превращения теплоты в лучистую энергию, которая, попадая на непрозрачные тела, частично отражается, а частично поглощается.

В аппаратах холодильной установки теплообмен в основном совершается путем теплопроводности и конвекции; передача теплоты лучеиспусканием играет заметную роль только в камерных охлаждающих батареях с гладкими трубами или панельного типа.

Теплообмен между стенками и жидкостью или газом (паром) называется теплоотдачей. Теплоотдача может включать в себя все три способа передачи теплоты. При соприкосновении жидкости или газа твердой поверхностью количество переданной теплоты зависит от разности температур между участвующими в теплообмене телами, a также от физических свойств теплоносителя, условий его движения формы и размера стенки. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи определяется как количество тепловой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади при разности температур 1 К. Единица коэффициента теплоотдачи – ватт на квадратный метр-кельвин (Вт/м²К), возможна единица температуры градус Цельсия,

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости движения теплоносителя. При свободной конвекции теплоноситель движется относительно стенки медленно, поэтому коэффициент теплоотдачи будет невелик. Так, коэффициент теплоотдачи между воздухом трюма и трубчатой поверхностью охлаждающих 6aтарей при свободном движении воздуха 6-10 Вт/(м²*°С). Вынужденное движение теплоносителя увеличивает интенсивность теплообмена.

Приближенные значения коэффициента теплоотдачи в зависимости от скорости движения воздуха следующие.

Скорость воздуха, м/с .... 1 3 5 7

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*°С) ... 8,7 21 31,4 41

Коэффициент теплоотдачи воды или рассола при свободной циркуляции равен примерно 230 Вт/(м²*°С), при возрастании скорости воды или рассола коэффициент теплоотдачи также увеличивается.

Количество теплоты, которое проходит через тело путем теплопроводности, зависит от способности материала пропускать теплоту, от разности температур на поверхностях тела и его размеров и формы.

Способность материала пропускать теплоту путем теплопроводности можно оценить по тепловому потоку, который пройдет через единицу площади теплопередающей поверхности при толщине 1 м и разности температур на поверхностях 1 К. Единица теплопроводности - ватт на квадратный метр-кельвин (Вт/м²*К).

Большое влияние на способность проводить теплоту оказывает влажность материала. Влажный материал пропускает теплоту лучше, чем сухой материал или вода. Например, теплопроводность сухого кирпича - 0,35, воды - 0,58, а влажного кирпича- 1,1 Вт/(м*°С).

Количество теплоты, Дж,

Q=λ/δ(t₁-t₂)F

где λ- теплопроводность материала, Вт/(м*°С);

δ- толщина материала, м;

t₁-t₂- разность температур на поверхностях, °С

F- размер теплопередающей поверхности, м².

Процесс, проходящий в холодильных аппаратах (конденсаторах, испарителях, охлаждающих батареях) и связанный с передачей теплоты от одних веществ (воздух, вода, рассол, хладагент) к другим, имеющим меньшую температуру, называется теплопередачей. Теплообмен, как правило, происходит через перегородку, разделяющую жидкость. Теплопередача включает рассмотренные выше способы теплообмена. В этом процессе тепловой поток последовательно преодолевает сопротивление, связанное с переходом теплоты от жидкости (или газа) к твердой стенке, сопротивление стенки и сопротивление, обусловленное переходом теплоты от поверхности стенки к жидкости (или газу).

Например, на рис. 3.1 показано изменение температуры с учетом указанных сопротивлений: t₁ - температура среды (воздуха, воды и т. д.), имеющей более высокий потенциал; t_c1- температура стенки слева: она ниже t₁, так как имеется сопротивление теплопроводности 1/α₁, которое характеризуется коэффициентом теплопроводности α₁; t_C2 - температура стенки справа, она ниже t_c1, так как имеется сопротивление теплопроводности стенки δ/α, которое характеризуется толщиной стенки δ и теплопроводностью материала стенки λ; t₂ - температура среды справа; она ниже, чем t_C2, так как имеется сопротивление теплоотдаче от стенки к среде справа - 1/α₂, которое характеризуется коэффициентом теплоотдачи α₂. Общее сопротивление теплопередач равно сумме этих частных сопротивлений.

Теплота q, передаваемая от жидкости к стенке площадью 1 м²,

q=α₁(t₁-t_c1)

Между жидкостью слева и стенкой имеется разность температур t₁-t_c1 (см. рис. 3.1), благодаря которой теплота от жидкости передается стенке.

Так как справа от стенки температура жидкости ниже, чем температура жидкости слева, то теплота будет передаваться через стенку. Количество этой теплоты будет равно количеству переданной стенке теплоты слева от жидкости. В результате получим

q=λ/δ(t_c1-t_c2)

Это же количество теплоты будет передано жидкости справа от стенки, т. е.

q=α₂(t_c2-t₂)

Если иметь значение величин α₁, α₂, и λ, то может вычислить температуры t_1c и t_c2.

Предшествующие уравнение можно записать в следующем виде:

t₁-t_c1 =q(1/α₂); t_1c-t_c2=q(δ/λ)

t_c2-t₂=q(1/α₂)

Сложив, правые и левые части приведенных выражений, получим:

(t₁-t_c1)+ (t_c1-t_c2)+ (t_c2-t₂)=q(1/α₁+δ/λ+1/α₂),

Или t₁-t₂=q(1/α₁+δ/λ+1/α₂),

Тогда q= (t₁-t₂)/(1/α₁+δ/λ+1/α₂),

Т.е. количество переданной теплоты через стенку зависит от перепада температур между жидкостями слева и справа, коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂, а также от толщины стенки δ и характеристики материала стенки λ.

Введем обозначение коэффициента теплопередачи k, Вт/(м²*°С) и определим

k=1/(1/α₁+δ/λ+1/α₂),

тогда уравнение можно записать в виде

q=k(t₁-t₂).

Зная коэффициент теплопередачи, легко подсчитать, сколько теплоты пройдет через конструкцию или разделяющую перегородку аппарата:

Q=kF(t₁-t₂).

Если перегородка однородная, то коэффициент теплопередачи вычисляют по предшествующей формуле. Если перегородка многослойная, то коэффициент теплопередачи

k=1/(1/α₁+ δ₁/λ₁+ δ₂+λ₂+ δ_n+λ_n+1/α₂)

Пример. Определить коэффициент теплопередачи конденсатора аммиачной холодильной машины (поверхность теплопереда принимаем как плоскую стенку), если коэффициент теплоотдачи при конденсации α₁= 5930 Вт/(м²*°С), коэффициент теплоотдачи от стенки воде α₂==2750 Вт/(м²*°С) толщина стенки трубы δ_ст= 0,003 м, λ_ст= 40 Вт/(м*°С), толщина слоя масла δ_м= 5*10^{-5 м}, λ_м= 0,12 Вт/(м*°С). Вычислив каждое сопротивление теплопередаче, получим:

R₁=1/α₁=1/5930=0,000169

R₂=1/α₂=0,000363

R_ст= δ_ст/λ_ст=0,003/40=0,000075

R_м=δ_м/λ_м=5*10⁵/0,12=0,000416

Принимая сопротивление водяного каь ия и слоя ржавчины R₃ = 0,0003, определи коэффициент теплопередачи

k=1/(0,000169+0,000075+0,000416+0,000363+0,0003)=756 Вт/(м²*°С)

Основным сопротивлением теплопередачи в конденсаторе являетется сопротивление слоя масла и загрязнений — 60%; сопротивление металлической стенки незначительно, и им можно пренебречь. Своевременная чистка конденсатора и предотвращение попадания масла — залог хорошей их работы. Целесообразна также увеличивать скорость воздуха с целью увеличения коэффициента теплоотдачи или уменьшения сопротивления теплоотдаче. Кроме того, можно также развивать поверхность теплообмена с той стороны стенки, с которой больше всего сопротивление теплообмену. Примером этого может служить применение оребренных трубок для охлаждающих батарей и воздухоохладителей.

Конденсаторы

Конденсатор - это теплообменный аппарат, в котором рабочее вещество (хладагент) отдает теплоту, воспринятую в испарителе и компрессоре, окружающей среде (воде или воздуху). В процессе отвода теплоты происходит конденсация, т. е. переход газообразного рабочего вещества в жидкое состояние.

Охлаждающей средой большей частью является забортная вода, воздух в судовых условиях используется только для малых холодильных машин, установленных для охлаждения шкафов и бытовых холодильников.

Несмотря на большое разнообразие конструкций конденсаторов, применяемых на береговых холодильных установках, на рефрижераторных судах в основном устанавливают горизонтальные кожухотрубные конденсаторы (рис. 3.2). К кожуху конденсатора из листовой стали, приварены трубные решетки, в которые вставлены цельнотянутые стальные трубки 4 и развальцованы для создания полной герметичности (рис. 3.2, а). Трубные решетки закрыты крышками 1 и 7 с внутренними перегородками, благодаря которым обеспечивается последовательное движение воды по трубам и достигается ее оптимальная скорость

1,0-1,5 м/с. Крышки могут быть литые чугунные или стальные сварные. Между крышкой и трубной решеткой устанавливают резиновые прокладки по форме перегородок внутри крышек. Крышки закрепляют к трубным решеткам при помощи шпилек или болтов. Задняя крышка 7 снабжена патрубками для входа и выхода охлаждающей воды.

На каждой крышке имеются вентили: наверху для впуска и выпуска воздуха, внизу - для слива воды. В нижней части конденсатора имеется маслосборник 9 с указателем уровня 8.

Пары хладагента направляются в межтрубное пространство сверху, конденсат сливается снизу в линейный ресивер. В верхней части кожуха 10 также имеется штуцер с угловым вентилем для выпуска воздуха, штуцер для включения предохранительных клапанов 5, манометр 6 и штуцер 2 уравнительной трубы 3.

Для защиты от коррозии при охлаждении морской водой крышки конденсаторов снабжают цинковыми протекторами 2 (рис. 3.2, б). Во фреоновом конденсаторе вода перемещается по трубам 1, выполненным из меди.

В нижней части конденсатора расположен сборник жидкого фреона 3, в котором он частично переохлаждается, так как проток охлаждающей воды осуществляется через трубку, вставленную в сборник. Слив воды из конденсатора осуществляется через сливную пробку 4. В остальном фреоновый конденсатор не отличается от аммиачного. Нередко трубы фреонового конденсатора делают с накаткой на наружной поверхности для увеличения коэффициента теплопередачи.