В испарителе происходит процесс перехода хладагента из жидкого фазового состояния в газообразное с одним и тем же давлением, давление внутри испарителя везде одинаковое. В процессе перехода вещества из жидкого в газообразное (его выкипание) в испарителе – испаритель поглощает тепло в отличие от конденсатора, который выделяет тепло в окружающую среду. т.о. посредством двух теплообменников происходит процесс теплообмена между двумя веществами: охлаждаемым веществом, которое находится вокруг испарителя и наружным воздухом, который находится вокруг конденсатора.
Схема движения жидкого фреона
Соленоидный клапан – перекрывает или открывает подачу хладагента в испаритель, всегда либо полностью открыт либо полностью закрыт (может и отсутствовать в системе)
Терморегулирующий вентиль (ТРВ) – это точный прибор, регулирующий подачу хладагента в испаритель в зависимости от интенсивности кипения хладагента в испарителе. Он препятствует попаданию жидкого хладагента в компрессор.
Жидкий фреон поступает на ТРВ, через мембрану в ТРВ происходит дросселирование хладагента (фреон распыляется) и начинает кипеть из-за перепада давления, постепенно капли превращаются в газ, на всем участке трубопровода испарителя. Начиная с дросселирующего устройства ТРВ, давление остаётся постоянным. Фреон продолжает кипеть и на определенном участке испарителя полностью превращается в газ и дальше, проходя по испарителю газ, начинает нагреваться воздухом, который находится в камере.
Если, например, температура кипения фреона -10 °С, температура в камере +2 °С, фреон превратившись в газ в испарителе начинает нагреваться и на выходе из испарителя его температура должна быть равной -3, -4 °С, таким образом Δt (разница между температурой кипения хладагента и температурой газа на выходе испарителя) должна быть = 7-8, это режим нормальной работы системы. При данной Δt мы будем знать, что на выходе из испарителя не будет частиц не выкипевшего фреона (их не должно быть), если кипение будет происходить в трубе, то значит не вся мощность используется для охлаждения вещества. Труба теплоизолируется, чтобы фреон не нагревался до температуры окружающей среды, т.к. газом хладагента охлаждается статор компрессора. Если все же происходит попадание жидкого фреона в трубу, то значит, доза подачи его в систему слишком большая, либо испаритель поставлен слабый (короткий).
Если Δt меньше 7, то испаритель заливается фреоном, он не успевает выкипеть и система работает неправильно, компрессор также заливается жидким фреоном и выходит из строя. В большую сторону перегрев не так опасен, чем перегрев в меньшую сторону, при Δt ˃ 7 может произойти перегрев статора компрессора, но небольшой избыток перегрева может никак не почувствоваться компрессором и при работе он предпочтительней.
С помощью вентиляторов, которые находятся в воздухоохладителе, происходит съем холода с испарителя. Если бы этого не происходило, то трубки покрывались льдом и при этом хладагент достигал бы температуры своего насыщения, при которой он перестаёт кипеть, и далее даже независимо от перепада давления в испаритель бы попадал фреон жидкий не испаряясь, заливая компрессор.
→ Монтаж холодильных установок
Монтаж основных аппаратов и вспомогательного оборудования
К основным аппаратам холодильной установки относят аппараты, непосредственно участвующие в массо- и теплообменных процессах: конденсаторы, испарители, переохладители, воздухоохладители и т. п. Ресиверы, маслоотделители, грязеуловители воздухоотделители, насосы, вентиляторы и другое оборудование, входящее в состав холодильной установки, относят к вспомогательному оборудованию.
Технология монтажа определяется степенью заводской готовности и особенностями конструкции аппаратов, их массой и проектом установки. Вначале устанавливают основные аппараты, что позволяет приступить к прокладке трубопроводов. Чтобы предотвратить увлажнение теплоизоляции на опорную поверхность аппаратов, работающих при низких температурах, наносят слой гидроизоляции, укладывают теплоизоляционный слой, а затем вновь слой гидроизоляции. Для создания условий, исключающих образование тепловых мостиков, все металлические детали (пояса крепления) накладывают на аппараты через деревянные антисептированные бруски или прокладки толщиной 100-250 мм.
Теплообменные аппараты. Большинство теплообменных аппаратов заводы поставляют в готовом к монтажу виде. Так, кожухотрубные конденсаторы, испарители, переохладители поставляют в собранном виде, элементные, оросительные, испарительные конденсаторы и панельные, погружные испарители - сборочными единицами. Ребристотрубные испарители, батареи непосредственного охлаждения и рассольные могут быть изготовлены монтажной организацией на месте из секций оребрен-ных труб.
Кожухотрубные аппараты (так же как и емкостное оборудование) монтируют поточно-совмещенным способом. При укладке сварных аппаратов на опоры следят за тем, чтобы все сварные швы были доступны для осмотра, обстукивания молотком при освидетельствовании, а также для ремонта.
Горизонтальность и вертикальность аппаратов проверяют по уровню и отвесу или с помощью геодезических инструментов. Допускаемые отклонения аппаратов от вертикали составляют 0,2 мм, по горизонтали - 0,5 мм на 1 м. При наличии у аппарата сборника или отстойника допустим уклон только в их сторону. Особо тщательно выверяют вертикальность кожухо-трубных вертикальных конденсаторов, так как необходимо обеспечить пленочное стекание воды по стенкам труб.
Элементные конденсаторы (из-за большой металлоемкости их применяют в редких случаях в промышленных установках) устанавливают на металлическом каркасе, над ресивером по элементам снизу вверх, выверяя горизонтальность элементов, одноплоскостность фланцев штуцеров и вертикальность каждой секции.
Монтаж оросительных и испарительных конденсаторов заключается в последовательном монтаже поддона, теплообменных труб или змеевиков, вентиляторов, маслоотделителя, насоса и арматуры.
Аппараты с воздушным охлаждением, используемые в качестве конденсаторов холодильных установок, монтируют на постаменте. Для центровки осевого вентилятора относительно направляющего аппарата служат прорези в плите, которые позволяют перемещать плиту редуктора в двух направлениях. Электродвигатель вентилятора прицентровывают к редуктору.
Панельные рассольные испарители размещают на изоляционном слое, на бетонной подушке. Металлический бак испарителя устанавливают на деревянные брусья, монтируют мешалку и рассольные задвижки, подключают сливную трубу и испытывают бак на плотность наливом воды. Уровень воды не должен падать в течение суток. Затем сливают воду, убирают брусья и опускают бак на основание. Панельные секции перед монтажом испытывают воздухом на давление 1,2 МПа. Затем поочередно монтируют секции в баке, устанавливают коллекторы, арматуру, отделитель жидкости, бак заливают водой и испаритель в сборе вновь испытывают воздухом на давление 1,2 МПа.
Рис. 1. Монтаж горизонтальных конденсаторов и ресиверов поточно-совмещенным методом:
а, б - в строящемся здании; в - на опоры; г - на эстакады; I - положение конденсатора перед строповкой; II, III - положения при перемещении стрелы крана; IV - установка на опорные конструкции
Рис. 2. Монтаж конденсаторов:
0 - элементного: 1 - опорные металлоконструкции; 2 - ресивер; 3 - элемент конденсатора; 4 - отвес для выверки вертикальности секции; 5 - уровень для проверки горизонтальности элемента; 6 - линейка для проверки расположения фланцев в одной плоскости; б - оросительного: 1 - слив воды; 2 - поддон; 3 - ресивер; 4 - секции змеевиков; 5 - опорные металлоконструкции; 6 - водораспределительные лотки; 7 - подача воды; 8 - переливная воронка; в - испарительного: 1 - водосборник; 2 - ресивер; 3, 4 - указатель уровня; 5 - форсунки; 6 - каплеотбойник; 7 - маслоотделитель; 8 - предохранительные клапаны; 9 - вентиляторы; 10 - форконденсатор; 11 - поплавковый регулятор уровня воды; 12 - переливная воронка; 13 - насос; г - воздушного: 1 - опорные металлоконструкции; 2 - рама привода; 3 - направляющий аппарат; 4 - секция оребренных теплообменных труб; 5 - фланцы подсоединения секций к коллекторам
Погружные испарители монтируют подобным образом и испытывают давлением инертного газа 1,0 МПа для систем с R12 и 1,6 МПа для систем с R22.
Рис. 2. Монтаж панельного рассольного испарителя:
а - испытание бака водой; б - испытание панельных секций воздухом; в - монтаж панельных секций; г - испытание испарителя водой и воздухом в сборе; 1 - деревянные брусья; 2 - бак; 3 - мешалка; 4 - панельная секция; 5 - козлы; 6 - рампа подачи воздуха на испытания; 7 - слив воды; 8 - маслосборник; 9-отделитель жидкости; 10 - теплоизоляция
Емкостное оборудование и вспомогательные аппараты. Линейные аммиачные ресиверы монтируют на стороне высокого давления ниже конденсатора (иногда под ним) на одном фундаменте, и паровые зоны аппаратов соединяют уравнительной линией, что создает условия для слива жидкости из конденсатора самотеком. При монтаже выдерживают разность высотных отметок от уровня жидкости в конденсаторе (уровня выходного патрубка из вертикального конденсатора) до уровня жидкостной трубы из переливного стакана маслоотделителя И не менее 1500 мм (рис. 25). В зависимости от марок маслоотделителя и линейного ресивера выдерживают разности высотных отметок конденсатора, ресивера и маслоотделителя Яр, Яр, Нм и Ни, задаваемые в справочной литературе.
На стороне низкого давления устанавливают дренажные ресиверы для слива аммиака из охлаждающих приборов при оттаивании снеговой шубы горячими парами аммиака и защитные ресиверы в безнасосных схемах для приема жидкости в случае выброса ее из батарей при повышении тепловой нагрузки, а также циркуляционные ресиверы. Горизонтальные циркуляционные ресиверы монтируют вместе с отделителями жидкости, размещаемыми над ними. В вертикальных циркуляционных ресиверах пар от жидкости отделяется в ресивере.
Рис. 3. Схема монтажа конденсатора, линейного ресивера, маслоотделителя и воздухоохладителя в аммиачной холодильной установке: КД - конденсатор; ЛР - линейный ресивер; ВОТ - воздухоотделитель; СП - переливной стакан; МО - маслоотделитель
В хладоновых агрегатированных установках линейные ресиверы устанавливают выше конденсатора (без уравнительной линии), и хладон поступает в ресивер пульсирующим потоком по мере заполнения конденсатора.
Все ресиверы оснащают предохранительными клапанами, манометрами, указателями уровня и запорной арматурой.
Промежуточные сосуды устанавливают на опорные конструкции на деревянных брусьях с учетом толщины тепловой изоляции.
Охлаждающие батареи. Хладоновые батареи непосредственного охлаждения заводы-изготовители поставляют в готовом к монтажу виде. Рассольные и аммиачные батареи изготовляют на месте монтажа. Рассольные батареи делают из стальных электросварных труб. Для изготовления аммиачных батарей применяют стальные бесшовные горячекатаные трубы (обычно диаметром 38X3 мм) из стали 20 для работы при температуре до -40 °С и из стали 10Г2 для работы при температуре до -70 °С.
Для поперечно-спирального оребрения труб батарей используют холоднокатаную стальную ленту из низкоуглеродистой стали. Трубы оребряют на полуавтоматической оснастке в условиях заготовительных мастерских с выборочной проверкой щупом плотности прилегания оребрения к трубе и заданного шага оребрения (обычно 20 или 30 мм). Готовые секции труб подвергают горячему цинкованию. При изготовлении батарей применяют полуавтоматическую сварку в среде диоксида углерода или ручную электродуговую. Оребренные трубы соединяют а батареи коллекторами или калачами. Коллекторные, стеллажные и змеевиковые батареи собирают из унифицированных секций.
После испытаний аммиачных батарей воздухом в течение 5 мин на прочность (1,6 МПа) и в течение 15 мин на плотность (1 МПа) места сварных соединений подвергают цинкованию электрометаллизационным пистолетом.
Рассольные батареи испытывают водой после монтажа на давление, равное 1,25 рабочего.
Батареи крепят к закладным деталям или металлоконструкциям на перекрытиях (потолочные батареи) или на стенах (пристенные батареи). Потолочные батареи крепят на расстоянии 200-300 мм от оси труб до потолка, пристенные - на расстоянии 130-150 мм от оси труб до стены и не менее 250 мм от пола до низа трубы. При монтаже аммиачных батарей выдерживают допуски: по высоте ±10 мм, отклонение от вертикальности пристенных батарей - не более 1 мм на 1 м высоты. При установке батарей допускается уклон не более 0,002, причем в сторону, противоположную движению пара хладагента. Пристенные батареи монтируют кранами до монтажа плит перекрытия или с помощью погрузчиков со стрелой. Потолочные батареи монтируют с помощью лебедок через блоки, прикрепленные к перекрытиям.
Воздухоохладители. Их устанавливают на постаменте (по-стаментные воздухоохладители) или крепят к закладным деталям на перекрытиях (навесные воздухоохладители).
Постаментные воздухоохладители монтируют поточно-совме-щенным методом с помощью стрелового крана. Перед монтажом укладывают изоляцию на постамент и выполняют отверстие для подсоединения дренажного трубопровода, который прокладывают с уклоном не менее 0,01 в сторону слива в канализационную сеть. Навесные воздухоохладители монтируют так же, как и потолочные батареи.
Рис. 4. Монтаж батареи:
а - батареи электропогрузчиком; б - потолочной батареи лебедками; 1 - перекрытие; 2- закладные детали; 3 - блок; 4 - стропы; 5 - батарея; 6 - лебедка; 7 - электропогрузчик
Охлаждающие батареи и воздухоохладители из стеклянных труб. Для изготовления рассольных батарей змеевикового типа применяют стеклянные трубы. Трубы прикрепляют к стойкам только на прямых участках (калачи не закрепляют). Опорные металлоконструкции батарей крепят к стенам или подвешивают к перекрытиям. Расстояние между стойками не должно превышать 2500 мм. Пристенные батареи на высоту 1,5 м защищают сетчатыми ограждениями. Аналогичным способом монтируют и стеклянные трубы воздухоохладителей.
Для изготовления батарей и воздухоохладителей берут трубы с гладкими концами, соединяя их фланцами. После окончания монтажа батареи испытывают водой на давление, равное 1,25 рабочего.
Насосы. Для перекачки аммиака и других жидких хладагентов, хладоносителей и охлажденной воды, конденсата, а также для освобождения дренажных колодцев и циркуляции охлаждающей воды используют центробежные насосы. Для подачи жидких хладагентов применяют только герметичные бессальниковые насосы типа ХГ со встроенным в корпус насоса электродвигателем. Статор электродвигателя герметизирован, а ротор насажен на один вал с рабочими колесами. Подшипники вала охлаждаются и смазываются жидким хладагентом, отбираемым от нагнетательного патрубка и перепускаемым затем на сторону всасывания. Герметичные насосы устанавливают ниже точки забора жидкости при температуре жидкости ниже -20 °С (во избежание срыва работы насоса подпор на всасывании составляет 3,5 м).
Рис. 5. Монтаж и выверка насосов и вентиляторов:
а - монтаж центробежного насоса по лагам с помощью лебедки; б - монтаж вентилятора лебедкой с использованием оттяжек
Перед монтажом сальниковых насосов проверяют их комплектность и при необходимости проводят ревизию.
Центробежные насосы устанавливают на фундамент краном, талью либо по лагам на катках или листе металла с помощью лебедки или рычагов. При установке насоса на фундамент с глухими болтами, заделанными в его массив, около болтов укладывают деревянные брусья, чтобы не замять резьбу (рис. 5, а). Проверяют высотную отметку, горизонтальность, центровку, наличие масла в системе, плавность вращения ротора и набивку сальникового уплотнения (сальника). Сальник
Жен быть тщательно набит и равномерно без перекоса загнут Чрезмерная затяжка сальника ведет к его перегреву и увеличению расхода электроэнергии. При монтаже насоса выше приемного резервуара на всасывающем патрубке ставят обратный клапан.
Вентиляторы. Большинство вентиляторов поставляют в виде агрегата, готового к монтажу. После установки вентилятора краном или лебедкой с оттяжками тросами (рис. 5,б) на фундамент, постамент или металлоконструкции (через виброизолирующие элементы) выверяют высотную отметку и горизонтальность установки (рис. 5, в). Затем снимают стопорящее ротор устройство, осматривают ротор и корпус, убеждаются в отсутствии вмятин и других повреждений, проверяют вручную плавность вращения ротора и надежность крепления всех деталей. Проверяют зазор между наружной поверхностью ротора и корпусом (не более 0,01 диаметра колеса). Измеряют радиальное и осевое биение ротора. В зависимости от размеров вентилятора (его номера) предельное радиальное биение составляет 1,5-3 мм, осевое 2-5 мм. Если замер показывает превышение допуска, проводят статическую балансировку. Измеряют также зазоры между вращающимися и неподвижными частями вентилятора, которые должны находиться в пределах 1 мм (рис. 5, г).
При пробном пуске в пределах 10 мин проверяют уровень шума и вибрации, а после останова надежность крепления всех соединений, нагрев подшипников и состояние маслосистемы. Продолжительность испытаний под нагрузкой - 4 ч, при этом проверяют устойчивость работы вентилятора при рабочих режимах.
Монтаж градирен. Небольшие градирни пленочного типа (I ПВ) поставляют на монтаж с высокой степенью заводской готовности. Выверяют горизонтальность установки градирни, подключают к системе трубопроводов и после заполнения системы водооборотного цикла умягченной водой регулируют равномерность орошения насадки из мипластовых или полихлорвиниловых пластин, изменяя положение водораспылитель-ных форсунок.
При монтаже более крупных градирен после сооружения бассейна и строительных конструкций устанавливают вентилятор, выверяют его соосность с диффузором градирни, регулируют положение водораспределительных желобов или коллекторов и форсунок для равномерного распределения воды по поверхности орошения.
Рис. 6. Выверка соосности рабочего колеса осевого вентилятора градирни с направляющим аппаратом:
а - перемещением рамы относительно опорных металлоконструкций; б - натяжением тросов: 1 - ступица рабочего колеса; 2 - лопасти; 3 - направляющий аппарат; 4 - обшивка градирни; 5 - опорные металлоконструкции; 6 - редуктор; 7 - электродвигатель; 8 - центрирующий тросы
Соосность регулируют перемещением рамы и электродвигателя в пазах для болтов крепления (рис. 6, а), а в наиболее крупных вентиляторах соосность достигается путем регулирования натяжения тросов, прикрепленных к направляющему аппарату и несущим металлоконструкциям (рис. 6,б). Затем проверяют направление вращения электродвигателя, плавность хода, биение и уровень вибрации на рабочих скоростях вращения вала.
Одним из самых важных элементов для парокомпрессионной машины является . Он выполняет главный процесс холодильного цикла – отбор от охлаждаемой среды. Другие элементы холодильного контура, такие как конденсатор, расширительное устройство, компрессор и пр., только обеспечивают надежную работу испарителя, поэтому именно выбору последнего необходимо уделять должное внимание.
Из этого следует, что, подбирая оборудование для холодильной установки, необходимо начинать именно с испарителя. Многие начинающие ремонтники часто допускают типичную ошибку и начинают комплектацию установки с компрессора.
На рис. 1 представлена схема самой обычной парокомпрессионной холодильной машины. Ее цикл, заданный в координатах: давление Р и i . На рис. 1б точки 1-7 холодильного цикла, является показателем состояния холодильного агента (давления, температуры, удельного объема) и совпадает с аналогичным на рис. 1а (функции параметров состояния).
Рис. 1 – Схема и в координатах обычной парокомпрессионной машины: РУ расширительное устройство, Рk – давление конденсации, Ро – давление кипения.
Графическое изображение рис. 1б отображает состояние и функции холодильного агента, которые изменяются в зависимости от давления и энтальпии. Отрезок АВ на кривой рис. 1б характеризует хладагент в состоянии насыщенного пара. Его температура соответствует температуре начала кипения. Доля пара хладагента в составляет 100%, а перегрев близок к нулю. В правой части от кривой АВ хладагент имеет состояние (температура хладагента больше температуры кипения).
Точка В является критической для данного хладагента, поскольку отвечает той температуре, при которой вещество не может перейти в жидкое состояние, не зависимо от того, на сколько высоким будет давление. На отрезке ВС хладагент имеет состояние насыщенной жидкости, а в левой стороне – переохлажденной жидкости (температура хладагента меньше температуры кипения).
Внутри кривой АВС хладагент находится в состоянии парожидкостной смеси (доля пара в единице объема изменчива). Процесс, происходящий в испарителе (рис. 1б), отвечает отрезку 6-1 . Хладагент поступает в испаритель (точка 6) в состоянии кипящей парожидкостной смеси. При этом доля пара зависит от определенного холодильного цикла и составляет 10-30%.
На выходе из испарителя процесс кипения может не завершиться и точка 1 может не совпадать с точкой 7 . Если температура хладагента на выходе из испарителя больше температуры кипения, то получаем испаритель с перегревом. Его величина ΔТперегрев представляет собой разность температуры хладагента на выходе из испарителя (точка 1) и его температуры на линии насыщения АВ (точка 7):
ΔТперегрев=Т1 – Т7
Если точка 1 и 7 совпадают, то температура хладагента равна температуре кипения, а перегрев ΔТперегрев будет равен нулю. Таким образом, получим затопленный испаритель. Поэтому, при выборе испарителя вначале необходимо совершить выбор между затопленным испарителем и испарителем с перегревом.
Отметим, что при равных условиях затопленный испаритель более выгоден по интенсивности процесса отбора теплоты, чем с перегревом. Но следует учитывать то, что на выходе затопленного испарителя хладагент находится в состоянии насыщенного пара, а подавать влажную среду в компрессор нельзя. В противном случае возникает высокая вероятность появления гидроударов, которые будут сопровождаться механическим разрушением деталей компрессора. Получается, что если выбрать затопленный испаритель, то необходимо предусматривать дополнительную защиту компрессора от попадания в него насыщенного пара.
Если отдать предпочтение испарителю с перегревом, то не нужно заботиться о защите компрессора и попадания в него насыщенного пара. Вероятность возникновения гидравлических ударов будет возникать только в случае отклонения от требуемого показателя величины перегрева. В нормальных условиях эксплуатации холодильной установки величина перегрева ΔТперегрев должна находиться в пределах 4-7 К.
При снижении показателя перегрева ΔТперегрев , интенсивность отбора теплоты окружающей среды повышается. Но при чрезмерно низких значениях ΔТперегрев (менее 3К) возникает вероятность попадания в компрессор влажного пара, что может стать причиной появления гидравлического удара и, следовательно, повреждения механических узлов компрессора.
В обратном случае, при высоком показании ΔТперегрев (больше 10 К), это говорит о том, что в испаритель поступает недостаточное количество хладагента. Резко снижается интенсивность отбора теплоты от охлаждаемой среды и ухудшается тепловой режим компрессора.
При выборе испарителя возникает и другой вопрос, связанный с величиной температуры кипения хладагента в испарителе. Чтобы его решить вначале необходимо определить какую температуру охлаждаемой среды следует обеспечить для нормальной работы холодильной установки. Если в качестве охлаждаемой среды используется воздух, то кроме температуры на выходе из испарителя требуется учесть и влажность на выходе из испарителя. Теперь рассмотрим поведения температур охлаждаемой среды вокруг испарителя во время работы обычной холодильной установки (рис. 1а).
Чтобы не углубляться в данную тему потерями давлений на испарителе будем пренебрегать. Также будем считать, что происходящий теплообмен между хладагентом и окружающей средой осуществляется по прямоточной схеме.
На практике такую схему используют не часто, поскольку по эффективности теплообмена она уступает противоточной схеме. Но если один из теплоносителей имеет постоянную температуру, а показания перегрева невелики, то прямоток и противоток будут равнозначными. Известно, что среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков. Рассмотрение прямоточной схемы предоставит нам более наглядное представление о теплообмене, который происходит между хладагентом и охлаждаемой средой.
Для начала введем виртуальную величину L , равную длине теплообменного устройства (конденсатора или испарителя). Ее значение можно определить из следующего выражения: L=W/S , где W – соответствует внутреннему объему теплообменного устройства, в котором происходит циркуляция хладагента, м3; S – площадь поверхности теплообмена м2.
Если речь идет о холодильной машине, то равнозначная длина испарителя практически равняется длине трубки, в которой происходит процесс 6-1 . Поэтому ее наружная поверхность омывается охлаждаемой средой.
Вначале обратим внимание на испаритель, который выполняет роль воздухоохладителя. В нем процесс отбора теплоты от воздуха происходит в результате естественной конвекции или же при помощи принудительного обдува испарителя. Отметим, что в современных холодильных установках первый способ практически не используют, поскольку охлаждение воздуха путем естественной конвекции является малоэффективным.
Таким образом, будем предполагать, что воздухоохладитель оборудован вентилятором, который обеспечивает принудительный обдув испарителя воздухом и являет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис. 2). Его схематическое изображение представлено на рис. 2б. рассмотрим основные величины, которые характеризуют процесс обдува.
Перепад температур
Перепад температур на испарителе рассчитывается следующим образом:ΔТ=Та1- Та2 ,
где ΔТа находится в пределах от 2 до 8 К (для трубчато-ребристых испарителей с принудительным обдувом).
Другими словами, при нормальной работе холодильной установки воздух проходящий через испаритель должен охлаждаться не ниже 2 К и не выше 8 К.
Рис. 2 – Схема и температурные параметры охлаждения воздуха на воздухоохладителе:
Та1 и Та2 – температура воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Максимальный температурный напор
Максимальный температурный напор воздуха на входе в испаритель определяется следующим образом:DTмакс=Та1 – То
Данный показатель применяется при подборе воздухоохладителей, поскольку зарубежные производители холодильной техники предоставляют значения холодопроизводительности испарителей Qисп в зависимости от величины DTмакс . Рассмотрим метод подбора воздухоохладителя холодильной установки и определим расчетные значения DTмакс . Для этого приведем в пример общепринятые рекомендации по подбору значения DTмакс :
- для морозильных камер DTмакс находится в пределах 4-6 К;
- для камер хранения неупакованной продукции – 7-9 К;
- для камер хранения герметично упакованной продукции – 10-14 К;
- для установок кондиционирования воздуха – 18-22 К.
Степень перегрева пара на выходе из испарителя
Для определения степени перегрева пара на выходе из испарителя используют следующую форму:F=ΔТперегр/DTмакс=(Т1-Т0)/(Та1-Т0) ,
где Т1 – температура пара хладагента на выходе из испарителя.
Данный показатель у нас практически не используют, но в зарубежных каталогах предусмотрено, что показания холодопроизводительности воздухоохладителей Qисп соответствует значению F=0,65.
Во время эксплуатации значение F принято принимать от 0 до 1. Предположим, что F=0 , тогда ΔТперегр=0 , а хладагент на выходе из испарителя будет иметь состояние насыщенного пара. Для данной модели воздухоохладителя фактическая холодопроизводительность будет на 10-15% больше показателя, приведенного в каталоге.
Если F>0,65 , то показатель холодопроизводительности для данной модели воздухоохладителя, должен быть меньше значения, приведенного в каталоге. Допустим, что F>0,8 , тогда фактическая производительность для данной модели будет на 25-30% больше значения, приведенного в каталоге.
Если F->1 , то холодопроизводительность испарителя Qисп->0 (рис.3).
Рис.3 – зависимость холодопроизводительности испарителя Qисп от перегрева F
Процесс, изображенный на рис.2б, характеризуют и другие параметры:
- среднеарифметический температурный напор DTср=Таср-Т0 ;
- средняя температура воздуха, которая проходит через испаритель Таср=(Та1+Та2)/2 ;
- минимальный температурный напор DTмин=Та2-То .
Рис. 4 – Схема и температурные параметры, отображающие процесс охлаждения воды на испарителе:
где Те1 и Те2 температура воды на входы и выходе испарителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Если перепад температур по воде ΔТе=Те1-Те2 , то для кожухотрубных испарителей ΔТе следует поддерживать в диапазоне 5±1 К, а для пластинчатых испарителей показатель ΔТе будет находиться в пределах 5±1,5 К.
В отличие от воздухоохладителей в охладителях жидкости необходимо поддерживать не максимальный, а минимальный температурный напор DTмин=Те2-То – разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе.
Для кожухотрубных испарителей минимальный температурный напор DTмин=Те2-То следует поддерживать в пределах 4-6 К, а для пластинчатых испарителей – 3-5 К.
Заданный диапазон (разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе) необходимо поддерживать по следующим причинам: при увеличении разности интенсивность охлаждения начинает снижаться, а при снижении повышается риск замерзания охлаждаемой жидкости в испарителе, что может стать причиной его механического разрушения.
Конструктивные решения испарителей
Независимо от способа применения различных и хладагентов, теплообменные процессы, происходящие в испарителе, подчиняются основному технологическому циклу холодопотребляющего производства, согласно которому создаются холодильные установки и теплообменные аппараты. Таким образом, чтобы решить задачу по оптимизации теплообменного процесса необходимо учитывать условия рациональной организации технологического цилка холодопотребляющего производства.Как известно, охлаждение определенной среды возможно при помощи теплообменника. Его конструктивное решение следует выбирать согласно технологическим требованиям, которые предъявляются к данным устройствам. Особо важным моментом является соответствие устройства технологическому процессу термической обработки среды, что возможно при следующих условиях:
- поддержание заданной температуры рабочего процесса и контроль (регулирование) над температурным режимом;
- выбор материала устройства, согласно химическим свойствам среды;
- контроль над продолжительностью пребывания среды в устройстве;
- соответствие рабочих скоростей и давления.
- обеспечение необходимой скорости рабочих сред для осуществления турбулентного режима;
- создание наиболее подходящих условий для удаления конденсата, накипи, инея и пр.;
- создание благоприятных условий для движения рабочих сред;
- предотвращение возможных загрязнений устройства.
На удобство эксплуатации и надежность устройства влияют такие факторы как прочность и герметичность разъемных соединений, компенсация температурных деформаций, удобства для обслуживания и ремонта устройства. Данные требования заложены в основу конструирования и выбора теплообменного агрегата. Главную роль в этом занимает обеспечение требуемого технологического процесса в холодопотребляющем производстве.
Для того, что выбрать правильное конструктивное решение испарителя необходимо руководствоваться следующими правилами. 1) охлаждение жидкостей лучше всего осуществлять при помощи трубчатого теплообменника жесткой конструкции или компактного пластинчатого теплообменника; 2) применение трубчато-ребристых устройств обусловлено следующими условиями: теплоотдача между рабочими средами и стенкой по обе стороны поверхности нагрева значительно отличаются. При этом оребрение необходимо устанавливать со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.
Для увеличения интенсивности теплообмена в теплообменниках необходимо придерживаться таких правил:
- обеспечение надлежащих условий по отводу конденсата в воздухоохладителях;
- снижение толщины гидродинамического пограничного слоя путем повышения скорости движения рабочих тел (установка межтрубных перегородок и разбивка пучка трубок на ходы);
- улучшение обтекания рабочими телами поверхности теплообмена (вся поверхность должна активно участвовать в процессе теплообмена);
- соблюдение основных показателей температур, термических сопротивлений и пр.
Улучшение теплообменных процессов является одним из основных процессов по совершенствованию теплообменного оборудования холодильных машин. В этом отношении проводятся исследования в области энергетики и химической техники. Это изучение режимных характеристик течения, турбулизация потока путем создания искусственных шероховатостей. Кроме того, ведется разработка новых поверхностей теплообмена, благодаря чему теплообменники станут более компактными.
Выбираем рациональный подход для расчета испарителя
При проектировании испарителя следует произвести конструктивный, гидравлический, прочностной, тепловой и технико-экономический расчет. Их выполняют в нескольких вариантах, выбор которых зависит от показателей эффективности: технико-экономического показателя, КПД и пр.Чтобы произвести тепловой расчет поверхностного теплообменника необходимо решить уравнение и теплового баланса, с учетом определенных условий работы устройства (конструктивные размеры теплопередающих поверхностей, пределов изменения температур и схем, относительно движения охлаждающей и охлаждаемой среды). Чтобы найти решение этой задачу нужно применять правила, которые позволят получить результаты из исходных данных. Но из-за многочисленных факторов, найти общее решение для различных теплообменников невозможно. Вместе с этим существует много методов приближенного расчета, которые легко произвести в ручном или машинном варианте.
Современные технологии позволяют подобрать испаритель при помощи специальных программ. В основном они предоставляются производителями теплообменной аппаратуры и позволяют быстро подобрать необходимую модель. При использовании таких программ необходимо учитывать то, что они предполагают работу испарителя при стандартных условиях. Если фактические условия отличаются от стандартных, то производительность испарителя будет иной. Таким образом, желательно всегда проводить проверочные расчеты выбранной вами конструкции испарителя, относительно фактических условий его работы.
В случае, когда потребление паровой фазы сжиженного газа превосходит скорость естественного испарения в емкости, необходимо применение испарителей, которые за счет электроподогрева ускоряют процесс парообразования жидкой фазы в паровую и гарантируют подачу газа к потребителю в расчетном объеме.
Предназначение испарителя СУГ - это преобразование жидкой фазы сжиженных углеводородных газов (СУГ) в парообразную, происходящее за счет использования испарителей с электроподогревом. Испарительные установки могут быть оборудованы одним, двумя, тремя и более электрическими испарителями.
Монтаж испарителей позволяет осуществлять работу как одному испарителю, так и нескольким параллельно. Таким образом, производительность установки может изменяться в зависимости от количества одновременно работающих испарителей.
Принцип работы испарительной установки:
При включении испарительной установки автоматика нагревает испарительную установку до 55С. Электромагнитный клапан на входе жидкой фазы в испарительную установку будет закрыт до тех пор, пока температура не достигнет этих параметров. Датчик контроля уровня в отсекателе (в случае наличия уровнемера в отсекателе) контролирует уровень и при переполнении закрывает клапан на входе.
Испаритель начинает нагреваться. При достижении 55°C будет открыт магнитный клапан на входе. Сжижженный газ попадает в разогретый трубный регистр и испаряется. В это время испаритель продолжает нагреваться, и при достижении температуры ядра 70-75°C спираль нагрева будет отключена.
Процесс испарения продолжается. Ядро испарителя постепенно остывает, и при падении температуры до 65°C спираль нагрева будет снова включена. Цикл повторяется.
Комплектация испарительной установки:
Испарительная установка может быть укомплектована одной или двумя регуляторными группами, для дублирования системы редуцирования, а также обводной линии паровой фазы, минуя испарительную установку для использования паровой фазы естественного испарения в газгольдерах.
Регуляторы давления используются для установки заданного давления на выходе из испарительной установки к потребителю.
- 1-я ступень — регулировка среднего давления (от 16 до 1,5 бар).
- 2-я ступень — регулировка низкого давления от 1,5 бар до давления, необходимого при подаче к потребителю (например, в газовый котел или газопоршневую электростанцию).
Преимущества испарительных установок PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия)
1. Компактная конструкция, небольшой вес;
2. Экономичность и безопасность эксплуатации;
3. Большая тепловая мощность;
4. Длительный срок эксплуатации;
5. Стабильная работа при низких температурах;
6. Дублированная система контроля выхода жидкой фазы из испарителя (механическая и электронная);
7. Защита от обледенения фильтра и электромагнитного клапана (только у компании PP- TEC)
В комплект поставки входят:
Двойной термостат контроля температуры газа,
- сенсоры контроля уровня жидкости,
- электромагнитные клапаны на входе жидкой фазы
- комплект предохранительной арматуры,
- термометры,
- шаровые краны для опорожнения и деаэрации,
- встроенный отсекатель жидкой фазы газа,
- входные/выходные штуцеры,
- клеммные коробки для подключения электропитания,
- щит электроуправления.
Преимущества испарителей PP-TEC
При проектировании испарительной установки всегда необходимо учитывать три составляющих:
1. Обеспечить заданную производительность,
2. Создать необходимую защиту от переохлаждения и перегрева ядра испарителя.
3. Правильно рассчитать геометрию расположения теплоносителя к проводнику газа в испарителе
Производительность испарителя зависит не только от количества потребляемого напряжения питания из сети. Немаловажным фактором является геометрия расположения.
Правильно рассчитанное расположение обеспечивает эффективное использования зеркала теплоотдачи и как следствие повышение коэффициента полезного действия испарителя.
В испарителях “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия), путем правильных расчётов, инженеры компании добились увеличения данного коэффициента до 98%.
Испарительные установки компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) теряют только два процента тепла. Остальное количество используется для испарения газа.
Практически все европейские и американские производители испарительной техники совершенно ошибочно трактуют понятие «редундантная защита» (условие для реализации обеспечения дублирования функций защиты от перегрева и переохлаждения).
Понятие «редундантная защита» подразумевает под собой реализацию «подстраховки» отдельных рабочих узлов и блоков или всего оборудования полностью, путем использования дублированных элементов разных производителей и с разными принципами действия. Только в таком случае можно минимизировать возможность выхода оборудования из строя.
Многие производители пытаются реализовать данную функцию (при защите от переохлаждения и попадания жидкой фракции СУГ к потребителю), устанавливая на входную линию подачи два магнитных клапана, включенных последовательно, одного производителя. Или используют два последовательно включенных в сеть температурных датчика включения/открытия клапанов.
Представьте себе ситуацию. Один магнитный клапан завис в открытом состоянии. Как Вы сможете определить, что клапан вышел из строя? НИКАК! Установка будет работать дальше, потеряв возможность вовремя обеспечить безопасность срабатывания при переохлаждении в случае выхода из строя второго клапана.
В испарителях PP-TEC данная функция была реализована совершенно другим путём.
В испарительных установках компания “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) использует алгоритм совокупной работы трёх элементов защиты от переохлаждения:
1. Электронный прибор
2. Магнитный клапан
3. Механический запорный клапан в отсекателе.
Все три элемента имеют абсолютно разный принцип действия, что позволяет с уверенностью говорить о невозможности возникновения ситуации, при которой не испарённый газ в жидком виде попадёт в трубопровод потребителя.
В испарительных установках компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) было реализовано то же самое при реализации защиты испарителя от перегрева. В элементах задействована как электроника, так и механика.
Компанией “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) впервые в мире была реализована функция интегрирования отсекателя жидкости в полость самого испарителя с возможностью константного подогрева отсекателя.
Ни один производитель испарительной техники не использует данную собственно разработанную функцию. Используя подогреваемый отсекатель, испарительные установки “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия), получили возможность испарения тяжелых составляющих СУГ.
Многие производители, копируя друг у друга, устанавливают отсекатель на выходе перед регуляторами. Содержащиеся в газе меркаптаны, серы и тяжелые газы, имеющие очень высокую плотность, попадая в холодный трубопровод, конденсируются и откладываются на стенках труб, отсекателя и регуляторов, что существенно сокращает срок службы оборудования.
В испарителях “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) тяжелые осадки в расплавленном состоянии держатся в отсекателе до удаления их через сбросной шаровой клапан в испарительной установке.
Отсекая меркаптаны, компания “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) смогла добиться увеличения срока службы установок и регуляторных групп в разы. А значит, бережно отнестись к эксплуатационным расходам, не требующим постоянной замены мембран регуляторов, либо их полной дорогостоящей замены, ведущей к простою испарительной установки.
А реализованная функция подогрева электромагнитного клапана и фильтра на входе в испарительную установку не дает возможности скапливается в них воде и при замерзании в электромагнитных клапанах выводить из строя при срабатывании. Либо ограничивать вход жидкой фазы в испарительную установку.
Испарительные установки Немецкой компании “PP-TEC «Innovative Fluessiggas Technik” (Германия) - это надежная и стабильная работа в течение долгих лет эксплуатации.
В целях повышения безопасности эксплуатации холодильной установки рекомендуется конденсаторы, линейные ресиверы и маслоотделители (аппараты высокого давления) с большим количеством хладагента размещать снаружи машинного отделения.
Это оборудование, как и ресиверы для хранения запаса хладагента, должны быть ограждены металлическим барьером с запирающимся входом. Ресиверы должны быть защищены навесом от солнечных лучей и осадков. Аппараты и сосуды, устанавливаемые в помещении, могут размещаться в компрессорном цехе или специальном помещении аппаратной, если оно имеет отдельный выход наружу. Проход между гладкой стеной и аппаратом должен быть не менее 0,8 м, но допускается установка аппаратов у стен без проходов. Расстояние между выступающими частями аппаратов должно быть не менее 1,0 м, а если этот проход является основным - 1,5 м.
При монтаже сосудов и аппаратов на кронштейнах или консольных балках последние должны быть заделаны в капитальную стену на глубину не менее 250 мм.
Допускается установка аппаратов на колоннах с помощью хомутов. Запрещается пробивать отверстия в колоннах для крепления оборудования.
Для монтажа аппаратов и дальнейшего обслуживания конденсаторов и циркуляционных ресиверов устраиваются металлические площадки с ограждением и лестницей. При длине площадки более 6 м лестниц должно быть две.
Площадки и лестницы должны иметь поручни и закраины. Высота поручней 1 м, закраин - не менее 0,15 м. Расстояние между стойками поручней не более 2 м.
Испытания аппаратов, сосудов и систем трубопроводов на прочность и плотность производятся по окончании монтажных работ и в сроки, предусмотренные «Правилами устройства и безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установок».
Горизонтальные цилиндрические аппараты.
Кожухотрубные испарители, горизонтальные кожухотрубные конденсаторы и горизонтальные ресиверы устанавливают на бетонных фундаментах в виде отдельных тумб строго горизонтально с допустимым уклоном 0,5 мм на 1 м погонной длины в сторону маслоотстойника.
Аппараты опираются на деревянные антисептированные брусья шириной не менее 200 мм с углублением по форме корпуса (рис. 10 и 11) и прикрепляются к фундаменту стальными поясами с резиновыми прокладками.
Низкотемпературные аппараты устанавливают на брусья толщиной не менее толщины теплоизоляции, а под
поясами размещают деревянные бруски длиной 50-100 мм и высотой, равной толщине изоляции, на расстоянии 250- 300 мм друг от друга по окружности (рис. 11).
Для очистки труб конденсаторов и испарителей от загрязнений расстояние между их торцовыми крышками и стенами должно составлять 0,8 м с одной стороны и 1,5-2,0 м с другой. При установке аппаратов в помещении для замены труб конденсаторов и испарителей устраивается «ложное окно» (в стене напротив крышки аппарата). Для этого в кладке здания оставляют проем, который заполняют теплоизоляционным материалом, зашивают досками и штукатурят. При ремонте аппаратов «ложное окно» вскрывают, а по окончании ремонта восстанавливают. По окончании работ по размещению аппаратов на них монтируют приборы автоматики и контроля, запорную арматуру, предохранительные клапаны.
Полость аппарата для хладагента продувают сжатым воздухом, испытание на прочность и плотность производят со снятыми крышками. При монтаже конденсаторно-ресиверного узла горизонтальный кожухотрубный конденсатор устанавливают на площадке над линейным ресивером. Размер площадки должен обеспечивать круговое обслуживание аппарата.
Вертикальные кожухотрубные конденсаторы. Аппараты устанавливают вне помещения на массивном фундаменте с приямком для слива воды. При изготовлении фундамента в бетон закладывают болты крепления нижнего фланца аппарата. Конденсатор устанавливают подъемным краном на пакеты подкладок и клиньев. Подбивкой клиньев аппарат выставляют строго вертикально с помощью отвесов, расположенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для того чтобы исключить раскачивание отвесов ветром, их грузы опускают в емкость с водой или маслом. Вертикальное расположение аппарата вызвано винтообразным стеканием воды по его трубкам. Даже при незначительном наклоне аппарата вода не будет нормально омывать поверхность труб. По окончании выверки аппарата подкладки и клинья сваривают в пакеты и делают подливку фундамента.
Испарительные конденсаторы.
Поставляются на монтаж в сборе и устанавливаются на площадке, размеры которой позволяют проводить круговое обслуживание этих аппаратов. ‘Высота площадки принимается с учетом размещения под ней линейных ресиверов. Для удобства обслуживания площадку оборудуют лестницей, а при верхнем расположении вентиляторов она устанавливается дополнительно между площадкой и верхней плоскостью аппарата.
После установки испарительного конденсатора к нему подключают циркуляционный насос и трубопроводы.
Наибольшее распространение находят испарительные конденсаторы типа TVKA и «Эвако» производства ВНР. Капле-отбойный слой этих аппаратов изготовлен из пластмассы, поэтому в районе установки аппаратов должны быть запрещены сварочные и другие работы с открытым пламенем. Электродвигатели вентиляторов заземляют. При установке аппарата на возвышении (например, на крыше здания) необходимо применение молниезащиты.
Панельные испарители. Поставляются в виде отдельных узлов, и их сборка производится в ходе монтажных работ.
Бак испарителя испытывается на герметичность наливом воды и устанавливается на бетонную плиту толщиной 300-400 мм (рис. 12), высота подземной части которой составляет 100-150 мм. Между фундаментом и баком укладывают деревянные антисептированные брусья либо железнодорожные шпалы и теплоизоляцию. Панельные секции устанавливают в баке строго горизонтально, по уровню. Боковые поверхности бака изолируют и штукатурят, налаживают работу мешалки.
Камерные приборы. Пристенные и потолочные батареи собирают из унифицированных секций (рис. 13) на месте монтажа.
Для аммиачных батарей используют секции из труб диаметром 38X2,5 мм, для хладоносителя - диаметром 38X3 мм. Трубы оребрены спирально навитыми ребрами из стальной ленты 1X45 мм с шагом ребер 20 и 30 мм. Характеристики секций представлены в табл. 6.
Суммарная длина шлангов батарей в насосных схемах не должна превышать 100-200 м. Установка батареи в камере производится с помощью закладных деталей, закрепленных в перекрытии при сооружении здания (рис. 14).
Шланги батарей размещают строго горизонтально по уровню.
Потолочные воздухоохладители поставляются для монтажа в сборе. Несущие конструкции аппаратов (швеллеры) соединяются со швеллерами закладных деталей. Горизонтальность установки аппаратов проверяют по гидростатическому уровню.
К месту монтажа аппаратов батареи и воздухоохладители поднимаются погрузчиками или другими грузоподъемными устройствами. Допустимый уклон шлангов не должен превышать 0,5 мм на 1 м погонной длины.
Для удаления талой воды во время оттаивания устанавливаются сливные трубы, на которых закрепляют нагревательные элементы типа ЭНГЛ-180. Нагревательный элемент представляет собой ленту из стеклонити, в основе которой находятся металлические нагревательные жилы из сплава с высоким удельным сопротивлением. Нагревательные элементы навивают на трубопровод спирально или прокладывают линейно, закрепляя на трубопроводе стеклолентой (например, лента ЛЭС-0,2Х20). На вертикальном участке сливного трубопровода нагреватели устанавливаются только спирально. При линейной прокладке нагреватели закрепляют на трубопроводе стеклолентой с шагом не более 0,5 м. После закрепления нагревателей трубопровод изолируют негорючей изоляцией и обшивают защитной металлической оболочкой. В местах значительных изгибов нагревателя (например, на фланцах) под него нужно подложить алюминиевую ленту толщиной 0,2-1,0 мм и шириной 40-80 мм во избежание местных перегревов.
По окончании установки все аппараты испытывают на прочность и плотность.
