6. Турбокомпрессоры
Для холодильных машин большой холодопроизводительности весьма компактными и экономичными для сжатия пара являются высокооборотные турбокомпрессоры, которые отличаются рядом преимуществ по сравнению с компрессорами объемного сжатия (поршневыми, винтовыми, ротационными):
отсутствием клапанов;
динамической уравновешенностью;
высокооборотностью;
малыми габаритами;
отсутствие смазки в проточной части - рабочее тело не загрязняется маслом;
отсутствие знакопеременных сил инерции и трущихся поверхностей, вследствие чего турбокомпрессоры более надежны и долговечны.
Турбокомпрессор обычно строят с несколькими рабочими колесами. Поэтому он является многоступенчатой машиной, с помощью которой в холодильном цикле проще выполняется промежуточный отбор пара.
По принципу работы турбокомпрессоры разделяют на осевые и центробежные. Осевые компрессоры применяют для очень больших холодопроизводительностей. Центробежные компрессоры с экономической точки зрения выгодно использовать в холодильных машинах холодопроизводительностью от 500 до нескольких тысяч кВт.
Центробежные турбокомпрессоры применяют в газовых и крупных паровых холодильных машинах. Осевые турбокомпрессоры используются при сжатии больших количеств рабочего тела в газовых холодильных машинах.
Центробежные компрессоры
Центробежный компрессор, называемый в холодильной технике турбокомпрессором, изображен на рис. 38. В нем установлен вал 1 в подшипниках скольжения 2. На валу напрессованы колеса 3, оснащенные по окружности лопатками 4. При вращении колес центробежная сила выбрасывает массу газа или паров из межлопаточных каналов, сжимает их и перемещает из всасывающего патрубка 5 в нагнетательный патрубок 6. Этот компрессор трехступенчатого сжатия. Для предотвращения выхода сжатой среды в атмосферу установлено уплотнение вала 7.
Рис. 38. Центробежный компрессор
Лекция 5 Теплообменники холодильных машин
1. Конденсаторы.
2. Испарители.
3. Охлаждающие приборы.
1. Конденсаторы
Требования, предъявляемые к конденсаторам. Высокая эффективность работы конденсатора является непременным условием экономичности холодильной машины. Так, понижение температуры конденсации на один градус (с 30 до 29°С) для холодильной машины с поршневым компрессором, работающей при средних температурах кипения, приводит к уменьшению удельного расхода энергии примерно на 1,5%. Такой же энергетический эффект достигается при охлаждении жидкого холодильного агента на 1°С ниже температуры конденсации. Из этого видно, что требование высокой интенсивности процесса теплопередачи является для конденсатора особенно важным. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы конструкция конденсатора обеспечивала:
быстрое удаление конденсата с поверхности теплопередачи;
2. выпуск воздуха и других неконденсирующихся газов;
3. удаление масла в аммиачных аппаратах;
4. удаление загрязнений со стороны охлаждающей среды; водяного камня и других отложений в аппаратах водяного охлаждения; пыли, копоти, ржавчины в конденсаторах воздушного охлаждения.
Практика показывает, что выполнить в полной мере все требования (многообразные и в ряде случаев противоречивые) невозможно. Максимально полное их выполнение и составляет основы разработки рациональных конструкций теплообменных аппаратов.
Конденсаторы водяного охлаждения. Для конденсаторов с водяным охлаждением применяют две системы водоснабжения: прямоточную и оборотную. При прямоточной системе вода забирается из водоема или водопроводной сети и после использования в конденсаторе возвращается в водоем или сливается в канализацию. Такой способ, имеет ряд недостатков, основными из которых являются: высокая стоимость водопроводной воды; повышенная затрата энергии при значительном удалении источника воды от потребителя; необходимость в сложных устройствах для забора и фильтрации воды; возможное загрязнение естественных водоемов.
Широкое и все более возрастающее применение находит система оборотного водоснабжения.
Один из основных компонентов холодильной машины – это конденсатор, служащий для переноса тепловой энергии от хладагента в окружающую среду. Чаще всего тепло передается воде или воздуху.
Тепло, которое выделяется в конденсаторе, примерно на 30% превышает холодопроизводительность холодильной машины. Например, если холодопроизводительность машины равна 20 кВт, то конденсатор выделяет 25-27 кВт тепла.
Конденсаторы с воздушным охлаждением Конденсатор с воздушным охлаждением состоит из вентиляторного блока с электродвигателем и теплообменника. По трубкам протекает хладагент, а вентилятор обдувает трубки потоком воздуха. Обычно скорость потока составляет 1 - 3.5 м/с.
Чаще всего теплообменник состоит из оребренных медных трубок диаметром 6 - 20 мм с расстоянием между ребрами 1-3 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.
Выбор диаметра трубок зависит от многих факторов: потерь давления, легкости обработки материала и т.д.
Тип оребрения может быть различным и значительно влияет на тепловые и гидравлические параметры теплообменника в целом. Например, сложный профиль оребрения с многочисленными выступами и просечками создает турбулентность (завихрения) воздуха, омывающего теплообменник. В результате эффективность теплопередачи от хладагента к воздуху увеличивается, и повышается холодопроизводительность холодильной машины.
Применяют два типа соединения трубок с ребрами:
Отверстия в ребрах, куда непосредственно вставляют трубки теплообменника. Этот способ более прост, но уменьшает теплопередачу из-за неплотности контакта. К тому же, в загрязненной среде по контуру прилегания может появиться коррозия, дополнительно снижающая производительность теплообмена.
Воротнички (буртики) в местах подсоединения трубок теплообменника. Этот способ дороже и сложнее, зато обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.
Дополнительно теплоотдачу хладагента повышают путем рифления внутренней поверхности трубок теплообменника. Это создает турбулентность течения хладагента.
Обычно в конденсаторе имеется от одного до четырех рядов трубок, расположенных по направлению потока хладагента. Часто трубки располагают в шахматном порядке для повышения эффективности теплопередачи.
Интенсивность теплообмена неодинакова на протяжении движения хладагента по трубкам. Горячий хладагент поступает в теплобменник сверху и перемещается вниз.
На начальном этапе (5% поверхности) охлаждение наиболее интенсивно, поскольку максимальна разница температур между хладагентом и охлаждающим воздухом и высока скорость движения хладагента.
Основной участок теплообменника составляет около 85% поверхности. На этом участке хладагент конденсируется при постоянной температуре.
Остальные 10% поверхности теплообменника служат для дополнительного охлаждения жидкого хладагента.
Температура конденсации хладагента (фреона) выше температуры окружающего воздуха на 10 - 20 градусов, и составляет обычно 42-55С. Выходящий из теплообменника нагретый воздух всего на 3-5 градусов холоднее температуры конденсации.
Рис. 39. Конденсатор с воздушным охлаждением: 1 медные трубки 2 ребра охлаждения |
Конденсаторы с воздушным охлаждением наиболее распространены. Конденсатор с воздушным охлаждением (рис. 39) состоит из вентиляторного блока с электродвигателем и теплообменника. По трубкам протекает хладагент, а вентилятор обдувает трубки потоком воздуха. Обычно скорость потока составляет 1 – 3,5 м/с. Чаще всего теплообменник состоит из оребренных медных трубок диаметром 6 - 20 мм с расстоянием между ребрами 1-3 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия. Выбор диаметра трубок зависит от многих факторов: потерь давления, легкости обработки материала и т.д. Тип оребрения может быть различным и значительно влияет на тепловые и гидравлические параметры теплообменника в целом. Например, сложный профиль оребрения с многочисленными выступами и просечками создает турбулентность (завихрения) воздуха, омывающего теплообменник. В результате эффективность теплопередачи от хладагента к воздуху увеличивается, и повышается холодопроизводительность холодильной машины. |
Применяют два типа соединения трубок с ребрами:
Отверстия в ребрах, куда непосредственно вставляют трубки теплообменника. Этот способ более прост, но уменьшает теплопередачу из-за неплотности контакта. К тому же, в загрязненной среде по контуру прилегания может появиться коррозия, дополнительно снижающая производительность теплообмена.
Воротнички (буртики) в местах подсоединения трубок теплообменника. Этот способ дороже и сложнее, зато обеспечивает увеличение поверхности теплообмена.
Дополнительно теплоотдачу хладагента повышают путем рифления внутренней поверхности трубок теплообменника. Это создает турбулентность течения хладагента. Обычно в конденсаторе имеется от одного до четырех рядов трубок, расположенных по направлению потока хладагента. Часто трубки располагают в шахматном порядке для повышения эффективности теплопередачи.
Интенсивность теплообмена неодинакова на протяжении движения хладагента по трубкам. Горячий хладагент поступает в обменник сверху и перемещается вниз. На начальном этапе (5% поверхности) охлаждение наиболее интенсивно, поскольку максимальна разница температур между хладагентом и охлаждающим воздухом и высока скорость движения хладагента.
Основной участок теплообменника составляет около 85% поверхности. На этом участке хладагент конденсируется при постоянной температуре. Остальные 10% поверхности теплообменника служат для дополнительного охлаждения жидкого хладагента.