разное

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Все многообразие теплообменных аппаратов холодильных машин и тепловых насосов можно описать классификацией, представ­ленной на рис.9.1.

По функциональному назначению теплообменные аппараты делятся на две группы:

• основные (блок 1) - конденсатор и испаритель (генератор в теплоиспользующих машинах анализируется как испаритель высокого давления);

• вспомогательные (блок 2) - регенеративный теплообменник, переохладитель, перегреватель, экономайзер, промежуточный сосуд.

Рабочее вещество холодильной машины (теплового насоса) в теплообменном аппарате может осуществлять процесс теплообмена:

• с отводом тепла от рабочего вещества к источникам тепла (блок 3) - конденсатор, переохладитель;

• с подводом тепла к рабочему веществу от источников тепла (блок 4) - испаритель, генератор, перегреватель;

• путем внутренней регенерации тепла между двумя потоками рабочего вещества (блок 5) - регенеративный теплообменник, промежуточный сосуд, экономайзер.

Тепловой контакт между потоком рабочего вещества и внеш­ним источником бывает двух типов:

• непосредственный (блок 6) - воздушный конденсатор, кон­тактный испаритель;

• с помощью промежуточных тепло - и хладоносителей (блок 7)

- водяной конденсатор, испаритель с хладоносителем, водяные охладители любого назначения.

В процессе теплообмена фазовое состояние рабочего веще­ства может изменяться (блок 8 - конденсатор, испаритель, эконо­майзер) или оставаться неизменным (блок 9 - регенеративный теп­лообменник, переохладитель жидкости, пароперегреватель).

На рис.9.2. представлены основные конструктивные схемы теплообменных аппаратов.

Кожухотрубная конструкция нашла широкое применение для теплообменного аппарата любого назначения. Кожухотрубный теплообменный аппарат (рис.9.2а, б) является «классической» конст­рукцией* и зачастую используется как «базовый вариант» для прове­дения сравнительного анализа. Кожухозмеевиковый теплообменный аппарат (рис.9.2в) представляет частный случай кожухотрубного.

Конструкция, изображенная на рис.9.2г носит название «теплообменный аппарат со спиральным змеевиком». Примером яв­ляется сложный аппарат «регенеративный теплообменник - филыр-

Изображение кожухотрубных теплообменных аппаратов зачастую используют в схемах холодильных машин (тепловых насосов), имея в виду абстрактный теплообменный аппарат.

Осушитель», применяемый в малых холодильных машинах и тепло­вых насосах при использование рабочих веществ HFC - и HCFC-типа.

Рис.9.2д представляет конструкцию теплообменного аппа­рата, в котором один из потоков движется в виде пленки, омывая теплообменную поверхность.

Теплообменный аппарат «труба в трубе» (рис.9.2е) является наиболее металлоемкой конструкцией, поэтому существуют тенден­ции отказа от нее, однако при создании многопоточных теплооб­менников (например, РТО) эта конструкция рассматривается как одна из основных.

На рис.9.2ж представлена схема спирального теплообмен­ника. Высокая стоимость изготовления такого теплообменного аппа­рата, связанная с технологической сложностью выполнения и эксплуатации (например, процедура очистки), привели к тому, что
этот тип теплообмениого аппарата нашел применение только для специальных условий теплопередачи, так как в нем имеет место принципиальное отличие в определения типа тока.

На рис.9.2з и 9.2и представлены схемы сравнительно новых типов теплообменных аппаратов, но уже нашедших широкое применение. Несмотря на высокую стоимость матричных и пластин­чатых теплообменников, отмечается устойчивый рост их произ­водства и использования практически без исключения для всех отраслей промышленности.

Основным уравнением, описывающим условие функциони­рования любого теплообмениого аппарата, является уравнение теплопередачи

Q = k F At или Q-k - F вт

M

Где Q - тепловой поток, передаваемый в теплообменном аппарате; к - коэффициент теплопередачи; F - площадь теплопередающей поверхности теплообмениого аппарата; At (вт) - среднеарифме­тическая (среднелогарифмическая) разница температур между горячим и холодным потоками[29].

Среднеарифметическая величина At используется для расчета теплообменных аппаратов с малыми температурными напорами (At < 5 град). В случаях, когда At > 5 град вводят понятие средне - логарифмической разности температур

(9.2)

Где et - разность температур на «холодном» или «горячем» концах теплообменников, при этом всегда выбирают

В соответствии с термодинамическим циклом, изображенным на рис.9.3, температуры кипения (Т0) и конденсации (Тк) рабочего вещества в машине приняты постоянными. Идеальным случаем явля­ется равенство Т^ = Твых для тепло - и хладоносителя. Сохранить его можно только за счет бесконечно большой циркуляции тепло - и хла-

Рис.9.3. Теоретические процессы кипения {4-1) и конденсации (2-5) при использовании промежу­точных тепло - и хладоносителя

3 рабочее вещество 2

Рабочее вещество

4 1

Длине испарителя

Б)

Рис.9.4. Прямоток и противоток в теоретическом испарителе (а) и конденсаторе (б)

Доносителя, что в реальных условиях неосуществимо. В связи с этим всегда Т^Твых* Таким образом возникает задача рационального выбора типа тока в теплообменном аппарате.

Проанализируем величины 6т, используя координаты Т-1 для изображения графика распределения температур (7) по длине тепло - обменного аппарата (/ - условная длина теплопередающей поверх­ности теплообменного аппарата) - рис.9.4.

Видно, что в теоретическом теплообменном аппарате, когда один из потоков имеет постоянную температуру, прямоток полностью эквивалентен противотоку.

Для проведения термодинамического анализа теплообменного аппарата ось I заменяют осью Q, при этом общее изображение процессов (рис.9.4) не изменяется. Такая замена необходима для опи­сания необратимостей в процессе теплопередачи. При использовании координат T-Q площадь, ограниченная линией изменения темпера­туры рабочего вещества и линией изменения температуры тепло - или хладоносителя есть необратимость, связанная с наличием разности температур в любом теплообменном аппарате. С точки зрения
эксергетического анализа, указанная площадь эквивалентна величине деструкции эксергии в теплообменном аппарате (п. 5.5.2).