Теплообменное оборудование

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

ОХЛАЖДЕНИЕ ДО ОБЫКНОВЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Охлаждение -- процесс понижения температуры материалов путем отвода от них теплоты.

Для охлаждения газов, паров и жидкостей до 15...20^оС в пищевой технологии используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до низких температур используют низкотемпературные хладагенты -- холодильные рассолы, хладоны (фреоны), аммиак, диоксид углерода и др.

Охлаждение водой осуществляется в теплообменниках, в которых теплоносители разделены стенкой либо обмениваются теплотой при смешивании. Например, газы охлаждают разбрызгиванием в них воды.

Для охлаждения применяется обычная вода температурной 15...25°С либо артезианская температурой 8...12^оС целью зкономии свежей воды часто для охлаждении используют оборотную воду, охлажденную за счет ее испарения в градирнях. Оборотная вода имеет температуру, достигающую летом 30 °С.

Охлаждение воздухом проводят естественным и искусственным способами. При естественном охлаждении горячий продукт охлаждается за счет потерь теплоты в окружающее пространство. Наиболее эффективно естественное охлаждение в зимнее время при низкой температуре воздуха.

Искусственное охлаждение воздухом применяют для охлаждения воды в градирнях, в которых охлаждаемая вода стекает сверху вниз навстречу подаваемому снизу воздуху. При этом охлаждение происходит не только за счет теплообмена, но в значительной степени за счет испарения части жидкости.

ОХЛАЖДЕНИЕ ДО ТЕМПЕРАТУР НИЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при температурах ниже температуры окружающей среды (от +4 до -40 С) используют холодильники. Охлаждение в холодильниках осуществляется холодильными машинами.

Для получения холода в холодильных машинах применяют обратный круговой термодинамический цикл, состоящий из процессов сжатия газа, конденсации и испарения.

Согласно второму закону термодинамики охлаждение до температур ниже температуры окружающей среды, которое связано с переносом теплоты с низшего температурного уровня на высший, возможно только при затрате энергии. Такой перенос теплоты осуществляется по обратному циклу Карно

Энергетический баланс прямого цикла Карно выражается уравнением

Q=l+O_о,

согласно которому при переходе теплоты с более высокого температурного уровня Т на более низкий температурный уровень Т_о совершается работа L и на низком температурном уровне сохраняется теплота Q_о.

Для искусственного охлаждения газов применяют следующие холодильные машины: паро- и газокомпрессионные, абсорбционные, пароводяные, эжекторные и термоэлектрические.

В холодильных машинах продукты могут охлаждаться непосредственно хладагентом либо с помощью промежуточных хладоносителей, которые отводят теплоту от объектов охлаждения, находящихся вне холодильной машины, и отдают ее хладагенту.

При использовании хладоносителей испаритель холодильной машины размещают в емкости, заполненной хладоносителем-рассолом. В результате испарения хладагента рассол охлаждается до заданной температуры и насосом подается в общий трубопровод, из которого насосом распределяется по охлаждающим объектам холодильника. Отработанный рассол cобирается в общий трубопровод и вновь поступает на охлаждение в емкость.

Для охлаждения до температур не ниже -15^оС используется раствор хлорида натрия.

Компрессионная холодильная машина -- это совокупность технических устройств, необходимых для осуществления холодильного цикла, с целью понижения температуры охлаждаемого объема и поддержания этой температуры в течение заданного времени.

В основу работы компрессионной холодильной машины положено свойство рабочего вещества кипеть при низкой температуре, поглощая тепло из окружающей среды (охлаждаемого объема). Герметичная система компрессионной холодильной машины: заполнена рабочим веществом (холодильным агентом), которое при осуществлении холодильного цикла не расходуется, а подвергается фазовым переходам «жидкость--пар--жидкость».

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

В холодильных машинах совершаются термодинамические, холодильные (обратные) циклы, представляющие собой определенную последовательность процессов кипения, сжатия, конденсации и дросселирования. Компрессионная холодильная машина (рис.1) состоит из основных и вспомогательных частей. К основным элементам относятся: (1) --компрессор; (2) -- кривошипшо-шатунный механизм; (3) -- конденсатор; (4) --испаритель; (5) -- регулирующий вентиль.

Испаритель -- это теплообменный аппарат, в котором кипит жидкий холодильный агент при низкой температуре, поглощая тепло из окружающей среды. Температура в охлаждаемом объеме понижается. Жидкий холодильный агент переходит в парообразное состояние.

Компрессор -- это холодильная машина, которая отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их до давления конденсации и нагнетает в конденсатор.

Конденсатор -- это теплообменный аппарат, в котором сжатые пары охлаждаются, отдавая тепло в окружающую среду, и конденсируются, т. е. переходят в жидкое состояние.

Регулирующий вентиль монтируют на жидкостной линии перед испарителем. Регулирующий вентиль служит для регулирования подачи жидкого холодильного агента из конденсатора в испаритель, при этом происходит дросселирование жидкого холодильного агента, т. е, понижение его температуры и давления.

Принцип действия. Жидкий холодильный агент кипит в испарителе, отбирая тепло от охлаждаемой среды, превращаясь в парообразное состояние. Пары отсасываются компрессором, сжимаются до давления конденсации и нагнетаются в конденсатор. В конденсаторе тепло, воспринятое в испарителе и компрессоре, отводится в окружающую среду, сжатые пары конденсируются, т. е. переходят в жидкое состояние. Далее жидкий холодильный агент через регулирующий вентиль вновь подается в испаритель. Холодильный цикл повторяется.

Рис. 1 Схема компрессионной холодильной машины

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РАБОЧИЙ. ПРОЦЕСС КОМПРЕССОРА

Компрессор -- основная часть холодильной машины. Для поддержания заданной температуры кипения хладона в испарителе необходимо, чтобы давление в нем соответствовало этой температуре, а для этого компрессор должен отсасывать все пары, образующиеся в испарителе при кипении.

Теоретический рабочий процесс компрессора изображен диаграммой с координатами V--Р (объем -- давление). На диаграмме (рис. 2) прямая а-1 характеризует процесс всасывания паров холодильного агента, который происходит при постоянном давлении, соответствующем давлению в испарителе.

Кривая 1-2 характеризует процесс сжатия пара от давления в испарителе до давления паров в конденсаторе. Прямая 2-Ь характеризует процесс нагнетания при постоянном давлении нагнетания. Таким образом, теоретический процесс характеризуется тем₇ что объем пара, отсасываемого компрессором, соответствует объему, описываемому поршнем.

Действительный же процесс компрессора отличается от теоретического на величину потерь, а именно: объемных и теоретических. Объемные потери вызваны наличием мертвого пространства; подогревом паров при всасывании; сопротивлением протеканию пара при всасывании и нагнетании; внутренними утечками пара через неплотности в компрессоре. Объемные потери снижают производительность компрессора, энергетические -- увеличивают затраты энергии.

Рис. 2 Теоретический процесс компрессора

При работе компрессора его поршень и шатун нагреваются и, естественно, удлиняются. Чтобы не происходило удара поршня о клапанную доску, предусматривается пространство, называемое линейным мертвым пространством. Наличие мертвого пространства приводит к уменьшению объема пара, засасываемого компрессором.

Подогрев пара при всасывании происходит вследствие теплообмена между стенками цилиндра и поступающими в него парами холодильного агента; пары подогреваются, увеличиваются в объеме, в результате чего объем пара, засасываемого компрессором, уменьшается по сравнению с теоретическим объемом.

Внутренние утечки возникают в результате неплотностей в компрессоре и зависят от степени его изношенности.

Объемные потери действительно рабочего процесса компрессора, вызывающие уменьшение холодопроизводительности, учитываются коэффициентом подачи; его рассматривают как отношение объема пара действительно засасываемого компрессором, к часовому объему, описываемому поршнем:

где -- коэффициент подачи компрессора;

V_д -- объем паров, действительно засасываемых компрессором, м³;

V_T -- часовой объем (теоретический), описываемый поршнем, м³.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО СЖАТИЯ

С понижением температуры кипения холодильного агента снижается холодопроизводительность компрессионных холодильных машин, увеличиваются тепловые потери. Кроме того, работа холодильной машины при низких температурах менее надежна из-за чрезмерного нагрева паров в цилиндре компрессора, а это влечет ухудшение смазки поверхности цилиндров и поршней.

Для получения низких температур кипения холодильного агента используют двухступенчатые холодильные машины (рис. 3) с полным промежуточным охлаждением и одноступенчатым дросселированием.

Принцип работы. В испарителе (1) жидкий холодильный агент кипит, отбирая тепло от охлаждаемой среды. Образующиеся пары отсасываются компрессором низкого давления (2), сжимаются до промежуточного давления и нагнетаются в промежуточный сосуд (3), где охлаждаются. Промежуточный сосуд заполнен жидким холодильным агентом, поступающим из конденсатора (5) через регулирующий вентиль (6), в котором жидкий холодильный агент дросселируется до давления конденсации в промежуточном сосуде. Из промежуточного сосуда пары холодильного агента отсасываются компрессором высокого давления (4), сжимаются до давления конденсации и нагнетаются в конденсатор (5). Жидкий холодильный агент из конденсатора (5) поступает в змеевик (7) промежуточного сосуда, переохлаждается в нем и через регулирующий вентиль (8), где происходит дросселирование до давления испарения в испарителе (1), подается в испаритель. Затем холодильный цикл двухступенчатого сжатия повторяется.

Рис. 3 Принципиальная схема холодильной машины двухступенчатого сжатия: 1 -- испаритель; 2 -- компрессор низкого давления; 3 -- промежуточный сосуд; 4 -- компрессор высокого давления; 5 -- конденсатор; 6 -- регулирующий вентиль; 7 - змеевик промежуточного сосуда; 8 -- регулирующий вентиль

В газокомпрессионных холодильных машинах хладагентом служит воздух. В рабочем цикле машины (рис. 4) воздух не конденсируется и не испаряется. Воздух засасывается турбокомпрессором и сжимается по адиабате 1--2. Затем охлаждается водой в холодильнике от температуры Т₂ до Т₃ по изобаре 2--3, охлажденный воздух расширяется адиабатически в детандере, при этом его температура снижается до Г₄, Из детандера воздух поступает в теплообменник, в котором отнимает на низшем температурном уровне теплоту при постоянном давлении по изобаре 4--1. Эти машины характеризуются повышенным расходом энергии и применяются только для создания температур ниже --100 °С.

В абсорбционных холодильных машинах (рис. 5) хладагентом служит водоаммиачный раствор. Эти машины применяют для охлаждения до --60 °С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Рабочий цикл газокомпрессионной холодильной машины

Машина состоит из кипятильника 1, который обогревается водяным паром, конденсатора 2, охлаждаемого водой, дросселирующего вентиля 3, испарителя 4, абсорбера 5, теплообменника 7 и насоса 6 (см. рис. 14.9). В кипятильнике из водоаммичного раствора при нагревании выделяется большая часть газообразного аммиака, который под избыточным давлением поступает в конденсатор, где охлаждается водой и конденсируется при высокой температуре Т. При конденсации аммиак отдает теплоту Q охлаждающей воде. Сжиженный аммиак дросселируется в дросселирующем вентиле 3 (при этом его давление снижается) и испаряется в испарителе 4, отнимая теплоту от охлаждаемой среды на низком уровне Г_о. После испарителя газообразный аммиак поступает в абсорбер, охлаждается и абсорбируется водой. Полученный высококонцентрированный раствор подается насосом в теплообменник, где нагревается, и затем в кипятильник. Не испарившаяся часть аммиака в количестве 20 % подается в теплообменник и затем через дроссельный вентиль поступает на орошение в абсорбер. В результате абсорбции газообразного аммиака, поступающего из испарителя, вновь получают концентрированный водоаммиачный раствор, поступающий в кипятильник, и процесс повторяется. В абсорбционной холодильной машине функции компрессора выполняет термокомпрессор, который состоит из кипятильника, абсорбера и теплообменника.

В пароводяных эжекторных холодильных машинах хладагент сжимается в паровом эжекторе, а пар конденсируется в конденсаторах смешения с водой или в поверхностных конденсаторах. Хладоносителем здесь служит рассол или чистая вода. С помощью рассолов достигается охлаждение до --15 °С, а с помощью воды -- до +5°С.

Рис. 6. Схема пароводяной эжекторной холодильной машины: / -- испаритель; 2 -- эжектор; 3 -- конденсатор смешения; 4, 5 -- насосы

Схема пароводяной эжекторной холодильной машины приведена на рис. 6. Водяной пар высокого давления, поступающий в эжектор 2, отсасывает пар из испарителя 1. В результате этого давление в испарителе снижается до 250...500 Па и циркулирующий рассол охлаждается до --10...+ 15 °С. Охлажденный рассол откачивается насосом 5 и направляется на охлаждение объектов. Водяной пар из эжектора поступает в конденсатор смешения 3, где конденсируется и отводится в виде конденсатора мокровоздушным насосом 4.

Пароводяные эжекторные холодильные машины, работающие на воде, имеют высокий холодильный коэффициент благодаря небольшой разности температурных уровней. Такие машины просты, надежны, компактны и удобны в эксплуатации.

УСТРОЙСТВО ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ

Теплоиспользующие аппараты, применяемые для проведения теплообменных процессов, называют теплообменниками. Теплообменники характеризуются разнообразием конструкций, которое объясняется различным назначением аппаратов и условиями проведения процессов.

По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные (градирни, скрубберы, конденсаторы смешения).

В рекуперативных теплообменниках теплоносители разделены стенкой и теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

Рекуперативные теплообменники в зависимости от конструкции разделяются на кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», змеевиковые, пластинчатые, спиральные, оросительные и аппараты с рубашками. Особую группу составляют трубные выпарные аппараты.

Кожухотрубные теплообменники наиболее широко распространены в пищевых производствах.

Кожухотрубный вертикальный одноходовой теплообменник с неподвижными трубными решетками (рис. 7) состоит из цилиндрического корпуса, который с двух сторон ограничен приваренными к нему трубными решетками с закрепленными в них греющими трубами. Пучок труб делит весь объем корпуса теплообменника на трубное пространство, заключенное внутри греющих труб, и межтрубное. К корпусу прикреплены с помощью болтового соединения два днища. Для ввода и вывода теплоносителей корпус и днища имеют патрубки. Один поток теплоносителя, например жидкость, направляется в трубное пространство, проходит по трубкам и выходит из теплообменника через патрубок в верхнем днище. Другой поток теплоносителя, например пар, вводится в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи греющие трубы и выводится из корпуса теплообменника через патрубок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Схема вертикального одноходового кожухотрубного теплообменника с неподвижными трубными решетками и размещение труб в трубной решетке: / -- корпус; 2 -- трубная решетка; 3 -- греющая труба; 4 -- патрубок; 5 -- днища; 6 -- опорная лапа; 7-- болт; 8 -- прокладка; 9 -- обечайка

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки труб. Греющие трубы соединены с трубной решеткой сваркой либо развальцованы в ней (см. узел Б на рис.7). Греющие трубы изготовляют из стали, меди или латуни.

Размещают греющие трубы в трубных решетках несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (в шахматном порядке), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное) и по концентрическим окружностям. Такие способы размещения обеспечивают создание компактной конструкции теплообменника. Шаг размещения труб зависит от внешнего диаметра трубы. При развальцовке труб в трубной решетке шаг определяют по формуле t=(l,3..A,5)d_H.

Диаметр корпуса теплообменника

D=1,3..1,5)(b-l)d_H+4d_H,

где b -- число труб, расположенных по диагонали наибольшего шестиугольника; b =2а-1 (здесь а -- количество труб, расположенных по стороне наибольшего шестиугольника); d_H -- наружный диаметр трубы.

Общее количество труб в теплообменнике

и = За(а-1) + 1.

Длину труб при известном диаметре вычисляют в зависимости от площади поверхности теплообмена

l=F/(рd_cpn).

С целью интенсификации теплообмена в кожухотрубных теплообменниках пучок труб секционируют, т. е. разделяют на несколько секций (ходов), по которым теплоноситель проходит последовательно. Разбивка труб на ряд ходов достигается с помощью перегородок в верхнем и нижнем днищах.

На рис. 8 показан такой многоходовой теплообменник, в котором теплоноситель проходит трубное пространство за четыре хода. Этим достигается повышение скорости теплоносителя, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве. Целесообразно увеличивать скорость того из теплоносителей, который имеет большее термическое сопротивление.

Секционировать можно и межтрубное пространство за счет установки направляющих перегородок (рис. 9).

Рис. 9 Схема многоходового теплообменника (по межтрубному пространству): / -- корпус; 2 -- перегородки; 3 -- греющая труба; 4 -- днище

Приведенные на рис. 8, 9 кожухотрубные теплообменники надежно работают при разностях температур между корпусом и трубами 25...30°С. При более высоких разностях температур между корпусом и трубами возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Простейшее устройство для компенсации температурных удлинений -- линзовый компенсатор (рис. 10,а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-o бразными греющими трубами (рис 10,б) имеют одну трубную решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Рис. 10 Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений: а -- с линзовым компенсатором: / -- корпус; 2 -- греющая труба; 3 --- линзовый компенсатор; б -- с U-образными греющими трубами: / -- крышка; 2 -- корпус; 3 -- U-образные греющие трубы

Кожухотрубные теплообменники используют для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью. Жидкость пропускается по трубам, а пар -- в межтрубном пространстве.

Преимущества кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, легкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменника с U-образными трубами).

Недостатки этих теплообменников: сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например из чугуна и ферросилида.

Теплообменники типа «труба в трубе» состоят из ряда наружных труб большего диаметра и расположенных внутри их труб меньшего диаметра (рис. 11). Внутренние и внешние трубы элементов соединены друг с другом последовательно с помощью колен и патрубков. Один из теплоносителей движется по внутренней трубе, а другой по кольцевому каналу, образованному внутренней и внешней трубами. Теплообмен осуществляется через стенку внутренней трубы. В этих теплообменниках достигаются высокие скорости теплоносителей как в трубах, так и в межтрубном пространстве. При необходимости создания больших площадей поверхностей теплопередачи теплообменник составляют из нескольких секций, получая батарею.

Преимущества теплообменников типа «труба в трубе»: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки этих теплообменников заключаются в громоздкости, высокой металлоемкости, трудности очистки межтрубного пространства.

Рис. 11 Теплообменник типа «труба в трубе»: / -- наружная труба; 2 -- внутренняя труба; 3-- колено; 4 --патрубок; /, // -- теплоносители

Теплообменники типа «труба в трубе» применяют при небольших расходах теплоносителей для теплообмена между двумя жидкостями и между жидкостью и конденсирующимся паром.

Погружные змеевиковые теплообменники представляют собой трубу, согнутую в виде змеевика и погруженную в аппарат с жидкой средой (рис. 12). Теплоноситель движется внутри змеевика. Змеевиковые теплообменники изготовляют с плоским змеевиком или со змеевиком, согнутым по винтовой линии.

Рис. 12 Погружной змеевиковый Рис.13 Оросительный теплообменник: теплообменник: 1 - змеевик, 2 - корпус 1 - распределительный желоб, 2 - труба, 3 - колено, 4 - стойка, 5 - сборный желоб

Преимущество змеевиковых теплообменников -- простота изготовления. В то же время такие теплообменники громоздки и трудно поддаются очистке. Погружные теплообменники применяют для охлаждения и нагрева конденсата, а также для конденсации паров.

Оросительные теплообменники используют для охлаждения жидкостей, газов и конденсации паров. Состоят они (рис. 13) из нескольких расположенных одна над другой труб, соединенных коленами. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель. Охлаждающая вода поступает в распределительный желоб с зубчатыми краями, из которого равномерно перетекает в верхнюю трубу теплообменника и на расположенные ниже трубы. Оросительные теплообменники просты по устройству, но металлоемки. Обычно их устанавливают на открытом воздухе. Часть охлаждающей воды испаряется с поверхности труб. Под нижней трубой находится желоб для сбора воды. Коэффициент теплопередачи в таких теплообменниках невелик.

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис. 14). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов предусмотрены патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Такие теплообменники используют для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому их применяют для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах.

Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостаток спиральных теплообменников -- сложность изготовления, ремонта и очистки.

Рис. 14 Спиральный теплообменник: / -- крышка; 2 -- перегородка; 3,4 -- металлические листы

Пластинчатые теплообменники (рис. 15,а) монтируют на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рис. 15,б. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Разновидность описанного пластинчатого теплообменника -- коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенный в коробчатый паросборник (рис. 16).

Пакет пластин лежит на боку, а верхние кромки чередующихся пластин не имеют прокладок, чтобы обеспечить вход пара, который конденсируется охладителем, протекающим по «слоистой» системе закрытых каналов.

Пластинчатые теплообменники используют в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации (например, молока) и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.15 Пластинчатый теплообменник (а) и принцип его действия (б): 1- верхний несущий брус; 2- неподвижная плита; 3- пластина; 4- подвижная плита; 5- нижний несущий брус; 6- направляющая стяжная шпилька; 7- стойка

Рис. 16 Принцип действия коробчатого конденсатора

Значительная эффективность обусловлена большой величиной отношения площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника. Это достигается благодаря высоким скоростям теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкому термическому сопротивлению стенок пластин.

Эти теплообменники изготовляют в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.

К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.

Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.

Рис. 17 Секция калорифера: / -- коробка; 2 -- ребро; 3 -- труба

Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника может служить калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим водяным паром. На рис. 17 показана секция парового калорифера. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара к стенке трубы б₁=12 000 Вт/ (м²?К), а от стенки к воздуху а₂=12...5О Вт/(м²?К). Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество теплоты, переданной от пара к воздуху.

В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем. На рис. 18 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата. В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривают змеевик. На рис. 19 показаны варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков.

Рис. 18 Аппарат с рубашкой: / -- корпус; 2 -- рубашка

Рис. 19 Варианты приварных змеевиков

Регенеративные теплообменники

В регенеративных теплообменниках одна и та же теплообменная поверхность омывается попеременно горячим и холодным теплоносителями. При омывании горячим теплоносителем поверхность нагревается за счет его теплоты, при омывании поверхности холодным теплоносителем она охлаждается, отдавая теплоту. Таким образом, теплообменная поверхность аккумулирует теплоту горячего теплоносителя, а затем отдает ее холодному теплоносителю.

Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой -- от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рис. 20), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим. Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху вниз сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника.

Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер -- сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.

Рис. 20 Установка с циркулирующим зернистым материалом: 1,2 -- теплообменники; 3 -- шлюзовой затвор; 4 -- газодувка; 5 -- пневмотранспортная линия; 6 -- распределитель газа; 7-- сепаратор

Рис. 21 Прямоточный конденсатор: 1 -- корпус; 2 -- крышка; 3 -- распиливающее сопло; 4 -- мокровоздушный насос; 5 -- штуцер

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном взаимодействии теплоносителей.

Смесительные теплообменники бывают мокрого и сухого типов. Теплота в них передается от одного теплоносителя к другому при их смешении.

Мокрый прямоточный конденсатор (рис. 21) предназначен для конденсации пара водой. Охлаждающая вода вводится в конденсатор через сопла. Распыление воды значительно увеличивает площадь поверхности теплообмена между паром и водой.

При взаимодействии капелек воды с паром пар конденсируется. Конденсат, вода и несконденсировавшиеся газы откачиваются из конденсатора мокровоздушным насосом.

В противоточном сухом конденсаторе смешения (барометрический конденсатор) (рис. 22) взаимодействие пара и охлаждающей воды происходит в противотоке. Охлаждающая вода поступает на верхнюю перфорированную тарелку конденсатора, а пар -- под нижнюю тарелку. Вода протекает с тарелки на тарелку в виде тонких струй через отверстия и борта. Взаимодействие пара с жидкостью происходит в межтарельчатом объеме конденсатора. Образовавшийся в результате конденсации пара конденсат вместе с водой выводится через барометрическую трубу, конец которой опущен в колодец, а воздух отсасывается через ловушку вакуум-насосом. В связи с этим такие конденсаторы иногда называют барометрическими.

Процесс конденсации в барометрических конденсаторах протекает под вакуумом. Обычно абсолютное давление в них составляет 0,01...0,02 МПа.

Рис. 22 Барометрический конденсатор: / -- корпус; 2 -- тарелка; 3 -- барометрическая труба; 4 -- колодец; 5 -- ловушка

Для уравновешивания разности давлений в барометрическом конденсаторе и атмосферного служит столб жидкости, находящейся в барометрической трубе.

Размеры барометрического конденсатора зависят от диаметра барометрической трубы и определяются по соответствующим справочным материалам.

Для выбора вакуум-насоса необходимо знать количество воздуха, содержащегося в паре и воде, количество воздуха, подсасываемого в конденсатор и коммуникации через неплотности уплотнений.

ПРИНЦИП ПОДБОРА ТЕПЛООБМЕННИКОВ

При выборе конструкции теплообменного аппарата следует исходить из следующего: аппарат должен соответствовать технологическому процессу, быть высокоэффективным (производительным), экономичным и надежным в работе, иметь низкую металлоемкость; материал теплообменника должен быть коррозиестойким в рабочих средах.

Высокие значения коэффициентов теплопередачи достигаются, когда теплоносители движутся через теплообменник с большими скоростями. Для достижения высокого коэффициента теплопередачи поверхность теплообмена должна быть чистой. При увеличении скорости одного из теплоносителей коэффициент теплопередачи заметно повышается лишь в том случае, если коэффициент теплоотдачи со стороны другого теплоносителя достаточно высок, а термические сопротивления стенки и загрязнений невелики. Так, если коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве значительно ниже, чем в трубах, то возрастание скорости теплоносителя в трубах почти не влияет на величину коэффициента теплопередачи; в этом случае следует увеличить коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве, например путем установки в нем перегородок.

При решении вопроса о том, какой из теплоносителей пропускать по трубам, какой -- с наружной стороны труб, надо придерживаться следующих правил:

для достижения большего коэффициента теплопередачи теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи следует пропускать по трубам;

теплоноситель, оказывающий коррозионное действие на аппаратуру, целесообразно пропускать по трубам, так как в этом случае применение антикоррозийного материала необходимо только для труб, решеток и камер, кожух не может быть сделан из обычного материала;

для уменьшения потерь теплоты теплоноситель с высокой температурой целесообразно пропускать по трубам;

теплоноситель, из которого выделяются осадки, рекомендуется пропускать с той стороны поверхности теплообмена, которую легче очищать;

теплоноситель с высоким давлением следует направлять в трубное пространство, чтобы корпус теплообменника не находился под давлением.

Конструкцию теплообменника выбирают на основании технико-экономического, расчета. При этом сопоставляют капитальные затраты на изготовление и годовые эксплуатационные расходы. В ряде случаев идут на увеличение капитальных затрат, если они быстро окупаются за счет экономии эксплуатационных затрат.

Когда проектируют теплообменник для технологического процесса, задача расчета заключается в определении площади его теплообменной поверхности и габаритных размеров аппарата.

Расчет начинают с составления теплового баланса теплообменника, из которого определяют количество переданной теплоты.

Для выяснения пригодности имеющегося теплообменника для определенного технологического процесса проводят проверочный расчет. Исходными данными для него являются известная площадь поверхности теплообмена F, габаритные размеры, заданная по технологическим условиям тепловая нагрузка Q, температурные условия, скорости движения и физические параметры теплоносителей.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ И ХЛАДОНОСИТЕЛИ

Рабочие вещества, циркулирующие в холодильной машине, называются холодильными агентами. К холодильным агентам предъявляются четыре основные группы требований: термодинамические, физико-химические, физиологические и экономические.

Термодинамические требования.

Объемная холодопроизводительность должна быть большой, так как это снижает массу компрессора вследствие малых объемов циркулирующего рабочего вещества.

Давление паров холодильного агента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как высокое давление приводит к усложнению конструкции компрессора, увеличению его массы, а это небезопасно.

Давление кипения холодильного агента должно быть выше атмосферного, в противном случае в герметичную систему может подсасываться воздух, а вместе с ним и влага. Наличие воздуха в системе нарушает работу компрессионной холодильной машины; вода вызывает коррозию и образование ледяных пробок, что нарушает циркуляцию холодильного агента.

Теплота парообразования должна быть большой, а удельный объем холодильного агента должен быть как можно меньше. Это сокращает количество циркулирующего в системе холодильного агента и, как следствие, уменьшает габариты холодильной машины.

Холодильный агент должен обладать низкой вязкостью.

Теплота парообразования должна быть большой. Чем больше теплота парообразования, тем меньше холодильного агента циркулирует в герметичной системе, но достигается заданная холодопроизводительность.

Физико-химические требования

Холодильный агент должен растворяться в воде во избежание образования ледяных пробок в дросселе и нарушения работы компрессионной холодильной машины. Кроме того, свободная вода способствует коррозии металла.

Холодильный агент должен растворяться в масле. Отсутствие масляных пленок улучшает теплопередачу.

Холодильный агент должен быть нейтральным к металлам и прокладочным материалам, обладать специфическим запахом и другими свойствами, позволяющими обнаружить утечку; не должен быть горючим, взрывоопасным, разлагаться при высоких температурах.

Физиологические требования

Холодильный агент не должен быть ядовитым, вызывать удушья, раздражения слизистых оболочек глаз, дыхательных путей человека.

Экономические требования -- это низкая стоимость холодильного агента и его доступность.

Характеристика холодильных агентов

Для обозначения холодильных агентов Международная организация по стандартизации разработала систему, состоящую из наименования и цифр.

Наименование -- это буква R, обозначающая Refrigerant (хладагент). Цифры расшифровываются в зависимости от химической формулы. Вначале указывается цифра, обозначающая:

1 -- метановый ряд;

11 -- этановый ряд;

21 -- пропановый ряд;

31 -- бутановый ряд;

затем цифра, равная числу фтора. К числу атомов водорода, если они есть, прибавляют к числу атомов первой (у производных метана) или ко второй (у производных других рядов).

Холодильным агентам неорганического происхождения присваиваются номера, равные их молекулярной массе плюс 700.

Аммиак (R717) -- бесцветный газ с резким запахом. Температура кипения аммиака при атмосферном давлении - 33,4°С. Аммиак обладает большой объемной холодопроизводительностыо. Пары аммиака легче воздуха. Аммиак оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз, верхних дыхательных путей. Допустимая его концентрация в воздухе производственных помещений не должна превышать 0,02 мг/м³. Аммиак пожаро- и взрывоопасен. Если в воздухе содержится более 11% аммиака, то начинается его горение при наличии открытого пламени. В соединении с воздухом при концентрации от 15 до 28% по объему аммиак взрывоопасен. Взрыв наибольшей силы дает смесь воздуха с содержанием аммиака 22%.

Хладон-11 (R11) -- газ в 4,74 раза тяжелее воздуха, безвреден для организма человека; не растворяется в воде, но неограниченно растворяется в минеральном масле; инертен ко всем металлам; не взрывоопасен. Температура кипения +23,7 °С; объемная холодопроизводительность 203 кДж/м³.

Хладон-12 (R12) -- бесцветный газ со слабым специфическим запахом. Температура кипения R12 --29,8 °С; его объемная холодопроизводительность составляет 1275 кДж/м³. R12 плохо растворяется в воде, поэтому при наличии влаги образуются ледяные пробки, но хорошо растворяется в масле. RI2 не электропроводен; при отсутствии влаги нейтрален ко всем металлам; не горюч; совершенно не взрывоопасен, но при температуре более 400 °С разлагается с образованием хлористого водорода, фтористого водорода и следов отравляющего вещества фосгена, поэтому курить и работать с открытым пламенем в помещениях, где имеются холодильные установки, запрещается.

При содержании R12 в воздухе производственного помещения более 30% по объему наступает удушье из-за недостатка кислорода.

Хладон-22 (R22) -- бесцветный газ, без запаха, более ядовит, чем хладон-12, взрывоопасен, но горюч. При низких температурах имеет ограниченную растворимость в масле, а при высоких температурах растворяется неограниченно. Хладон-22 нейтрален к металлам. Температура кипения хладона-22 - 40,8°С; объемная холодопроизводительность составляет 2060 кДж/м³.

Азеотропные смеси -- это смеси хладагентов; смесь R22 (48,8%) и R115 (51,2%) называют хладоном-502 (R502). Азеотропные смеси не меняют своего состава при кипении и конденсации.

R502 не взрывоопасен, малотоксичен, химически нейтрален к металлам. Температура кипения -45,6°С; объемная холодопроизводительность 1530 кДж/м³.

Азеотропная смесь R500 -- это смесь R152 (26,2%) и R12 (73,8%). Температура кипения 33°С; объемная холодопроизводительность 1530 кДж/м³.

Физические свойства холодильных агентов приведены в табл.

Хладоносители

Хладоносители -- это вещества, с помощью которых теплота отводится от охлаждаемых объектов и передается хладагенту. Хладоносители подразделяются на жидкие -- растворы солей (рассолы) и твердые -- эвтектический лед, смесь льда и соли.

Основные требования, предъявляемые к хладоносителям:

-- низкая температура замерзания;

-- высокая теплоемкость;

-- не должны взаимодействовать с металлами, т. е. быть коррозийностойкими.

Наиболее доступным хладоносителем является вода, но вследствие высокой температуры замерзания (t= 0°С имеет ограниченное применение, поэтому используется в кондиционерах.

Для температур ниже 0°С в качестве хладоносителей применяют водные растворы солей хлористого натрия, NaCl; хлористого кальция СаС1₂, хлористого магния, МgСl₂. Физические свойства рассолов зависят от концентрации в них соли (см. табл.).

При использовании в качестве хладоносителей растворов солей учитывают их температуру замерзания (затвердевания), которая должна быть на 8... 10 °С ниже температуры кипения хладагента.

Самая низкая температура замерзания составляет для солей:

NaCl t3 = -21,2 °С при концентрации 23,1%;

CaCl2 t3 = -55 °С при концентрации 29,9%.

При увеличении концентрации рассола увеличивается его плотность, что приводит к увеличению расхода электроэнергии на работу насоса.

Концентрация рассола не должна быть низкой для предотвращения замерзания его в испарителе.

Рассолы вызывают коррозию труб и металлических поверхностей деталей аппаратов. Для уменьшения корродирующего действия рассолов в них добавляют силикат натрия, хромовую смесь, фосфорные кислоты.

Рассольные системы выполняют закрытыми, что исключает взаимодействие рассола с воздухом и, естественно, снижает корродирующее действие.

Этиленгликоль. В качестве промежуточного хладоносителя используют этиленгликоль -- бесцветная жидкость, не обладающая запахом. Температура кипения при атмосферном давлении составляет 197,2°С. В зависимости от концентрации этиленгликоля в воде можно подобрать хладоноситель с температурой замерзания от О °С до 67,2 °С при концентрации по объему этиленгликоля 70%.

КОМПРЕССОРЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Классификация компрессоров

Компрессор -- это основная часть компрессионных холодильных машин, служащая для отсасывания паров холодильного агента из испарителя, сжатия их до давления конденсации и нагнетания в конденсатор.

Классифицируют компрессоры по нескольким признакам, а именно:

1. По холодильному агенту:

А -- аммиачные; Ф -- хладоновые,

2. По холодопроизводительности:

малые -- до 14 кВт;

средние -- до 105 кВт;

крупные -- свыше 105 кВт.

3. По числу цилиндров -- одно- и многопоршневые.

4. По направлению движения холодильного агента в цилиндре компрессора:

-- прямоточные -- в них холодильный агент не меняет направление движения при всасывании и нагнетании паров;

-- непрямоточные -- холодильный агент меняет направление движения.

5. По степени герметичности:

-- открытые компрессоры, или сальниковые;

-- БС -- бессальниковые или закрытые;

-- Г -- герметичные.

ОТКРЫТЫЙ КОМПРЕССОР ФВ-6

Компрессор ФВ-6 (рис. 23) -- это хладоновый, вертикальный, двухцилиндровый компрессор, холодопроизводительностью 7 тыс. Вт (6 тыс. ст. ккал/ч).

Все узлы компрессора крепятся на картере -- базовой детали, изготовленной из чугуна с мелкозернистой структурой, обеспечивающей непроницаемость стенок.

В верхней части картера (1) предусмотрен фланец для крепления блока цилиндров (5). Картер в процессе работы заполняют хладоновым маслом для смазки трущихся частей. Контроль за уровнем масла осуществляется через смотровое стекло. Для заполнения маслом на картере имеется отверстие для заливки масла; для слива масла -- сливное отверстие. Отверстия закрываются пробками. Внутри картера через боковой проем устанавливается коленчатый вал (2), выступающий конец которого уплотнен сальником. На выступающем конце коленчатого вала закреплен маховик (12), посредством которого через клиноременную передачу коленвалу сообщается вращательное движение.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 23 Схема компрессора ФВ-6: I -- картер; 2 -- коленчатый вал; 3 -- шатун; 4 -- поршень; 5 -- цилиндр; 6 -- всасывающий клапан; 7 -- клапанная крышка с перегородкой; 8 -- нагнетательный клапан; 9 -- клапанная доска; 10 --кольца; 11 -- поршневые пальцы; 12 -- маховик

Блок цилиндров состоит из двух цилиндров (5), в которых движутся поршни (4). Коленчатый вал посредством шатунов (3), соединенных с поршнем поршневыми пальцами (11), преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное.

Блок цилиндров по наружной поверхности оребрен для увеличения поверхности охлаждения. В верхней части блока цилиндров крепится клапанная доска (9). Основной деталью клапанной доски служит стальная плита с отверстиями для прохода всасываемых и нагнетаемых паров холодильного агента. Каждый цилиндр компрессора имеет один всасывающий (6) и два нагнетательных клапана (8). Клапаны служат для попеременного соединения внутренней полости цилиндра 50 с всасывающим и нагнетательным трубопроводами холодильной машины. Клапаны -- это пластины, изготовленные из тонколистовой стали, но имеют различную форму.

Всасывающие клапаны обоих цилиндров снабжены съемными седлами (2), каждое из которых имеет по две щели (3), закрываемые стальными пружинящими пластинами (4), которые могут перемещаться в продольной выемке (5) с отверстиями (6). При всасывании паров из испарителя пластина (4) прогибается вниз, открывая доступ парам хладона в цилиндр. По окончании процесса всасывания пластина под давлением паров хладона в цилиндре компрессора садится на седло (2), т. е. всасывающий клапан закрывается.

Нагнетательный клапан имеет форму круглой пластины (10) (рис. 24), седлом которой является кольцевой выступ (2). Пластина прижимается к седлу

Рис. 24 Клапанная доска компрессора ФВ-6: а -- всасывающий клапан; б -- нагнетательный клапан; 1-- плита; 2 -- кольцевой выступ (седло); 3 -- Щель;4 -- вертикальная прорезь нагнетательного клапана; 5 -- выемка; 6 -- планка, 7 -- буферные пружины; 8 -- втулка; 9 -- розетка; 10 -- пластина; 11 -- пружина нагнетательного клапана

пружиной (5) и направляется при работе розеткой (9), имеющей вертикальные прорези (4). Подъем пластин ограничен втулкой (8). Над пластиной нагнетательных клапанов расположена планка (6), которая посредством буферной пружины (7) прижимает втулку (8) и розетку (9) к плите.

В процессе нагнетания паров хладона под действием поршня, разности давлений в цилиндре и нагнетательной полости клапанной крышки пружина (11) сжимается, открывая отверстия (3) нагнетательного клапана, пары холодильного агента выталкиваются в нагнетательную полость и далее по трубопроводу в конденсатор. По окончании процесса нагнетания пластина (10) под усилием пружины (11) садится на седло (2).

Клапанная крышка (7) (см. рис. 23) с перегородкой закрывает клапанную доску (9), деля внутренний объем на две полости: всасывающую и нагнетательную. Всасывающая полость трубопроводом соединена с испарителем, а нагнетательная -- с конденсатором.

Принцип работы компрессора.

При вращении коленчатого вала посредством шатунов поршни (4) получают прямолинейное возвратно-поступательное движение (см. рис23). При движении поршня от верхнего крайнего положения вниз объем над поршнем увеличивается, а давление падает и становится несколько ниже, чем во всасывающем объеме клапанной крышки. За счет разности этих давлений пластина всасывающего клапана (6) прогибается, открывая доступ парам хладона в цилиндр. Процесс заполнения парами хладона цилиндра происходит до тех пор, пока поршень не достигнет нижнего крайнего положения. При движении поршня от нижнего крайнего положения вверх объем над поршнем уменьшается, давление паров холодильного агента растет. Под действием избыточного давления всасывающий клапан закроется, а нагнетательный клапан (8) откроется и будет удерживаться в открытом состоянии потоком нагнетаемых паров холодильного агента в конденсатор. Как только поршень достигнет верхнего крайнего положения, процесс нагнетания закончится и поршень начнет опускаться вниз. Процесс повторяется.

...