Пз. 3.
Теплообменные аппараты, регулирующие устройства, фильтры-осушители
1. Теплообменные аппараты
Теплообменными аппаратами называют аппараты, в которых происходит передача тепла от одной среды к другой. Теплообменные аппараты являются обязательными элементами паровых холодильных машин; необходимость их применения обусловлена самим принципом работы машины. В теплообменных аппаратах могут происходить разные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация.
В холодильных устройствах применяются различные по назначению теплообменные аппараты: конденсаторы, испарители, абсорберы, генераторы, жидкостные и газовые теплообменники.
Теплообменные аппараты в значительной степени определяют массогабаритные и энергетические показатели холодильных машин. Значительна роль теплообменных аппаратов в величине энергии, потребляемой холодильной машиной. Это обусловлено необратимыми процессами, протекающими в них, а именно передачей теплоты при конечной разности температур между хладагентом и внешней средой. Возрастание указанной разности температур вызывает повышение температуры конденсации в конденсаторе и понижение температуры кипения в испарителе, что, в свою очередь, приводит к увеличению удельного расхода энергии, т. е. расхода энергии на единицу отводимой от охлаждаемого объекта теплоты.
Таким образом, теплообменные аппараты существенно влияют на первоначальную стоимость холодильного устройства и на расход энергии в процессе его эксплуатации.
Теплообменные аппараты должны иметь высокую интенсивность теплопередачи, малое гидродинамическое сопротивление, простоту конструкции, технологичность изготовления и дешевизну материалов, компактность и небольшую массу, удобство монтажа и ремонта, надежность.
Конденсаторы. Конденсатор холодильного агрегата — это теп-лообменный аппарат, который служит для отвода тепла от хладагента в окружающую среду. В общем случае перегретый пар хладагента охлаждается в конденсаторе до температуры насыщения, конденсируется и охлаждается на несколько градусов ниже температуры конденсации.
По виду охлаждающей среды конденсаторы холодильных машин можно разделить на две большие группы: с водяным и воздушным охлаждением.
В бытовых холодильниках и кондиционерах применяются исключительно конденсаторы с воздушным охлаждением — естественным (конвективным) или принудительным (с помощью вентилятора).
Конденсатор является продолжением нагнетательного трубопровода и представляет собой однорядный (для бытовых холодильников) или многорядный (для кондиционеров) змеевик с оребрением. В большинстве случаев ребра общие для всех труб змеевика, хотя встречается и индивидуальное оребрение каждой трубы.
Среди конденсаторов, располагаемых на задней стенке холодильного шкафа, широкое распространение получили два варианта: с проволочным оребрением и листотрубный (рис. 1).
Рис. 1. Конденсаторы холодильных агрегатов.
а – с проволочным оребрением; б – листотрубный; в – прокатно-сварной;
г – со спирально-навивными ребрами.
Конденсаторы с проволочным оребрением представляют собой плоский змеевик из трубы наружным диаметром 4,8... 6,5 мм, к которому с обеих сторон друг против друга приварены (точечной электросваркой) стальные проволоки диаметром 1,2...2,5 мм, играющие роль ребер. Шаг змеевика 40...60 мм.
Конденсаторы с проволочным оребрением изготовляют в двух вариантах: с горизонтальными трубами и вертикальными прово локами; с вертикальными трубами и горизонтальными проволоками. При горизонтальном положении плоскости конденсатора процесс теплообмена с окружающей средой происходит более интенсивно, чем при вертикальном, однако в этом случае имеет место перегрев трубок вблизи компрессора.
Конденсаторы с проволочным оребрением устанавливают на задних стенках холодильного шкафа под углом до 5° от вертикали, что частично устраняет омывание верхней части конденсатора воздухом, нагретым у нижней части. Расстояние от стенки шкафа меньше внизу и больше вверху.
В листотрубных конденсаторах змеевик укреплен на стальном (реже алюминиевом) листе, играющем роль оребрения. Крепление труб на листе производится пайкой, точечной электросваркой или с помощью скоб.
В листе между трубами делают просечки, отгибаемые в виде жалюзи для улучшения циркуляции воздуха. При этом несколько увеличивается теплопередающая поверхность за счет торцов просечек и жалюзи.
Разновидностью листотрубных конденсаторов являются прокатно-сварные конструкции из алюминиевого листа с раздутыми в нем каналами змеевика. Конденсатор, закрепленный сзади шкафа холодильника и имеющий жалюзи на щите, образует своеобразную трубу, которая способствует увеличению естественной циркуляции воздуха вокруг конденсатора. В настоящее время подобные модели конденсаторов не выпускаются ввиду высокой стоимости материалов и расходов на изготовление, а также сравнительно невысокой надежности.
В абсорбционных холодильных агрегатах применяют ребристо-трубные конденсаторы с пластинчатыми ребрами. Трубы конденсаторов размещают горизонтально, часто с общими ребрами или наклонно для стока жидкого хладагента и отдельным оребрением каждого витка.
Испарители. Испарителем называют теплообменный аппарат, в котором кипящий при низкой температуре хладагент охлаждает воздух в холодильной камере. Образовавшийся при кипении хладагента пар отсасывается из испарителя компрессором для совершения дальнейших процессов цикла холодильного агрегата.
В холодильных агрегатах бытовых холодильников используют испарители с естественным конвективным теплообменом, а также с принудительным движением воздуха за счет использования вентиляторов обдува. Первые чаще всего размещаются в верхней части или под потолком плюсовой камеры холодильника, вторые — в простенке между камерами двухкамерного холодильника или в контакте со стенкой камеры внутри теплоизоляции. В последнем варианте охлаждающим элементом становится гладкая стенка камеры. При этом упрощается гигиеническая уборка, не занимается полезное пространство камеры и исключается возможность случайного повреждения испарителя.
Для изготовления испарителей используются алюминий и нержавеющая сталь (значительно реже). Охлаждение холодильной камеры с алюминиевым испарителем происходит намного быстрее, так как коэффициент теплопроводности алюминия более чем в 15 раз выше, чем нержавеющей стали. Испарители бытовых холодильников, как и конденсаторы, подразделяют на листотрубные и ребристо-трубные. Алюминиевые листотрубные прокатно-сварные испарители устанавливаются в бытовых холодильниках компрессионного типа (рис. 2).
Рис. 2. Прокатно-сварные испарители холодильных агрегатов:
а – овалозамкнутый; б – П-образный с замкнутым овалом поверхности.
Для равномерного поглощения тепла из холодильной камеры каналы в испарителе располагаются по всей его поверхности.
В связи с тем, что при увеличении значений температуры окружающей среды хладагент может накапливаться в испарителе, на выходе из последнего должен быть паросборник достаточного объема. Изготовить цельный паросборник в прокатно-сварном алюминиевом испарителе невозможно, поэтому на выходе хладагента располагают частую сетку, выполненную из близко расположенных продольных и поперечных каналов.
Для защиты от коррозии алюминиевые испарители фосфатируют или анодируют и покрывают прочными водонепроницаемыми лаками.
В современных холодильниках начинает преобладать тенденция внедрения конструкций скрытых «запененных» самооттаивающихся испарителей холодильной камеры, гарантированных от случайных повреждений при эксплуатации.
В морозильниках и некоторых двухкамерных холодильниках используют листотрубные испарители, изготовленные из металлического (алюминиевого или стального) листа с закрепленным на нем с внутренней стороны змеевиком из алюминиевой или стальной оцинкованной трубки (рис. 3, а).
Ребристо-трубные испарители устанавливают в абсорбционных холодильниках, не имеющих морозильных отделений, в двухкамерных холодильниках для охлаждения высокотемпературной камеры и при устройстве в них принудительной циркуляции воздуха в камерах с помощью вентилятора.
Ребристо-трубные испарители абсорбционных холодильников изготовляют обычно в виде змеевика из стальной оребренной трубы с горизонтально расположенными витками. В компрессионных агрегатах ребристо-трубный испаритель (рис. 3, б) представляет собой змеевик из оребренной трубки (медной или алюминиевой).
Рис. 3. Виды испарителей:
а – листотрубный испаритель; б – ребристо-трубный испаритель.
Теплообменники. Помимо испарителей и конденсаторов в состав холодильных агрегатов входят аппараты, называемые теплообменниками. Они служат для решения следующих задач:
повышение термодинамической эффективности холодильного цикла;
переохлаждение хладагента перед дросселированием в целях повышения холодопроизводительности;
перегрев пара на всасывании в компрессор для испарения небольшого количества жидкого хладагента, уносимого из испарителя, что устраняет возможность гидравлического удара и тем самым повышает надежность компрессора;
повышение эффективности работы испарителя путем снижения сухости выходящего из него пара.
В компрессионных герметичных агрегатах применяются простые конструкции теплообменников, различающиеся между собой главным образом по конструктивным и технологическим соображениям (рис. 4).
Теплообменник представляет собой противоточный теплообменный аппарат, состоящий из участков всасывающего трубопровода и капиллярной трубки, спаянных между собой. Общая длина спаянного участка 900... 1500 мм.
Рис. 4. Различные исполнения теплообменников:
а - капиллярная трубка 1 припаяна вдоль всасывающей 2;
б — капиллярная трубка 1 навита на всасывающую 2;
в — капиллярная трубка 1 проходит внутри всасывающей 2.
Если всасывающий трубопровод имеет большую длину (как это имеет место в холодильниках средней и большой производительности), капиллярная трубка припаивается вдоль всасывающей или проходит внутри нее. При небольшой длине всасывающего трубопровода капиллярная трубка навивается спиралью вокруг него.
В абсорбционно-диффузионных агрегатах используются жидкостные и газовые теплообменники, конструктивно представляющие собой трубки разного диаметра, вставленные одна в другую.