IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Воздушные конденсаторы с естественной конвекцией применяют в малых компрессионных холодильных машинах, широко используемых на предприятиях торговли, общественного питания и в быту. Конденсаторы с вынужденной конвекцией применяются в малых компрессионных холодильных машинах средней холодопроизводительности предприятий пищевой промышленности, систем кондиционирования воздуха, на автомобильном и железнодорожном транспорте. Применяемые воздушные конденсаторы достаточно металлоемки и велики по размерам.

Совершенствованию конструкций конденсаторов с воздушным охлаждением теплообменной поверхности, а также интенсификации теплообменных процессов, сопровождающих их работу, до настоящего времени уделялось недостаточно внимания, в результате чего масса и объем воздушного конденсатора составляет основную часть массы и объема всей холодильной машины. Большое значение приобретает усовершенствование конструкций уже существующих воздушных конденсаторов. Оно предусматривает разработки в направлении интенсификации теплообменных процессов, происходящих в теплообменниках. Поэтому главная цель улучшение характеристик агрегатов холодильных машин - повышения эффективности теплообмена воздушных конденсаторов.

На интенсивность теплообмена в конденсаторе холодильной машины влияют следующие факторы:

- скорость удаления жидкостной пленки с теплообменной поверхности, создающей дополнительное термическое сопротивление;

- скорость движение пара;

- примеси неконденсирующихся газов;

- наличие отложений на теплообменной поверхности: со стороны холодильного агента - масло; со стороны воды - водный камень, ржавчина; со стороны воздуха - слой пыли, краска;

- скорость движения теплоносителя.

Циркуляция воздуха зависит от величины тяги, создаваемой конденсатором. Воздух, омывающий компрессор, нагревается и за счет естественной конвекции поднимается вверх по "трубе", образованной поверхностью конденсатора и задней стенкой шкафа. Чем интенсивнее тяга в этой "трубе", тем больше расход воздуха и тем лучше происходит охлаждение. Наиболее сильную тягу создает щитовой с боковыми стенками конденсатор без просечек в задней стенке, поскольку канал для прохода воздуха замкнут со всех четырех сторон. В зависимости от температуры воздушного потока скорость его в диапазоне температур 32 ... 60°С изменяется от 0,4 до 1,3 м/с.

При хорошей тяге горячий воздух, поступающий от компрессора, подогревает стенки "трубы", повышает температуру конденсации и увеличивает теплоприток в шкаф через заднюю стенку. В результате коэффициент полезного действия холодильной установки падает. Чтобы устранить этот нежелательный эффект в щите делают жалюзи, через которые все время подсасывается более холодный окружающий воздух, или убирают боковые стенки, или устанавливают конденсатор другого типа.

Эффективность конденсатора определяется степенью интенсивности теплообмена и площадью распространения фазового перехода [1, 2, 3].Однако в настоящее время точность расчета этих процессов невелика, что обусловлено следующими особенностями:

- изменением свойств среды в зависимости от степени фазового перехода по длине канала (рисунок 1);

- наличием различных режимов течения в трубках теплообменного аппарата;

- изменением скорости, числа Рейнольдса и коэффициента теплоотдачи по длине фазового перехода.

Рисунок 1 - Картина течения с фазовым переходом в конденсаторе.

Охлаждение пара в системах может осуществляться двумя способами:

1) непосредственно смешением паров с холодной водой

2) через стенку теплообменника (I - конденсаторы смешения, II – поверхностные конденсаторы).

В зависимости от направления движения воды и пара конденсаторы смешивания и поверхностные конденсаторы могут быть прямоточными и противоточными. В конденсатор поступает не чистый пар, а смесь содержащая воздух (и возможны другие газы), которые подсасываются из атмосферы и растворены в паре.

Давление в конденсаторе складывается из парциальных давлений пара и воздуха и определяется по зависимости

где Рn - парциальное давление; Р - давление паровоздушной смеси; Ɛ- относительное содержание воздуха в паре.

Концентрация воздуха в конденсаторе увеличивается вследствие конденсации пара, например при использовании эжектора, на входе доля воздуха в смеси может составлять 50 … 60%.

Увеличение присосов воздуха в конденсатор не только увеличивает давление в нём, но и способствует переохлаждению конденсата, под которым понимают разность температуры конденсата t_н, соответствующей давлению Р₂ в горловине конденсатора. Так как t_н определяется не давлением смеси Р, а парциальным давлением пара Р_п, которое меньше давления смеси, то и температура t_к меньше.

Вследствие переохлаждения температура конденсата в конденсатосборнике t_к < t_н, деаэрация конденсата идёт вяло и кислород, захваченный падающими каплями, остаётся в конденсате, вызывая коррозию металла трубопроводов от конденсатора до деаэратора.

При пленочной конденсации жидкость осаждается на холодной стенке, трубы в виде сплошной пленки, при капельной - в виде отдельных капель. Последнее наблюдается, когда конденсат не смачивает поверхность охлаждения или когда она загрязнена маслом или различными отложениями. Кроме того, снижение температуры конденсата означает уменьшение энтальпии рабочего тела, поступающего в регенеративную систему, а это приводит к дополнительным затратам для получения номинальных параметров свежего пара.

Характеристика эжектора (рисунок 2), который используется для смешения, представляет собой семейство линий, выражающих зависимость между давлением в патрубке отсоса паровоздушной смеси Р₂ и количеством отсасываемого воздуха G_в при определённой температуре отсасываемой смеси t_см. Пологий участок характеристики называется рабочим, а крутой - перегрузочным.

Рисунок 2 - Характеристика эжектора

Процессы в конденсаторе происходят в три стадии: снятие перегрева (D-E), собственно конденсация (Е-А) и переохлаждение жидкости (А-А`) (рисунок 3).

Рисунок 3 - Теоретический цикл

В конце цикла сжатия (точка D) горячий пар поступает в конденсатор, где начинается его конденсация и переход из состояния горячего пара в состояние горячей жидкости. Этот переход в новое состояние происходит при неизменных давлении и температуре. Температура смеси остается практически неизменной, но теплосодержание уменьшается за счет отвода теплоты от конденсатора и превращения пара в жидкость, поэтому на диаграмме – это прямая, параллельная горизонтальной оси.

Первая фаза, происходящая в конденсаторе – снятие перегрева (D-E), температура охлаждаемого пара снижается до температуры насыщения или конденсации. На этом этапе происходит лишь отъем излишнего количества теплоты, примерно 10 … 20% общего теплосъема в конденсаторе, и не происходит изменение агрегатного состояния хладагента.

При конденсации охлаждаемого пара с образованием насыщенной жидкости (процесс Е-А, при постоянной температуре) сохраняется постоянной на протяжении всей этой фазы снимается 60 … 80% теплоты.

При переохлаждении жидкости (процесс А-А`) температура хладагента понижается без изменения агрегатного состояния. При нормальном функционировании понижение температуры хладагента на один градус соответствует повышению мощности холодильной машины примерно на 1% при том же уровне энергопотребления.

Участок D-A` соответствует изменению теплосодержания хладагента в конденсаторе и характеризует количество теплоты, выделяемого в конденсаторе. Переохлажденная жидкость с параметрами в точке А` поступает на регулятор потока (капиллярную трубку или терморегулирующий расширительный клапан), где происходит резкое снижение давления. Если давление за регулятором потока становится достаточно низким, то кипение хладагента может происходить непосредственно за регулятором, достигая параметров точки В.

Большинство теплообменников работает со смешанной конденсацией, когда в одной части аппарата возникает капельная конденсация, а в другой пленочная. Образующийся жидкий хладагент необходимо быстро удалять с теплопередающей поверхности. От состояния внутренней поверхности зависит толщина пленки конденсата. Она увеличивается при шероховатой поверхности и это сопровождается снижением коэффициента теплоотдачи.

Резко зависит этот коэффициент от наличия отложений на внутренней и внешней стороне труб (масло, накипь, ржавчина, пыль, краска). Присутствие воздуха в парах хладагента заметно снижает коэффициент теплоотдачи.

Список используемых источников

1.Большаков С.А. Холодильная техника и технология продуктов питания: учебник для студентов высших учебныхзаведений / Сергей Алексеевич Большаков. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 34с.

2.Румянцев Ю.Д., Калюнов В.С. Холодильная техника: учебник для вузов. - СПб. Издательство «Профессия», 2005 - 215с.

3.Цуранов О.А., Крысин А.Г. Холодильная техника и технология: учебник для студентов высших учебных заведений / Под ред. проф, В. А. Гуляева - СПб. Лидер, 2004. - 200с.

Код для цитирования: Скопировать