4) Испарители

Испаритель — теплообменный аппарат, в котором осуществляется процесс фазового перехода жидкого теплоносителя в парообразное и газообразное состояние за счёт подвода от более горячего теплоносителя. Таким горячим теплоносителем обычно являются вода, воздух, рассол или газообразные, жидкие или твердые технологические продукты. Когда процесс фазового перехода происходит на поверхности жидкости, то это называется испарением. Если процесс происходит на всей глубине жидкости с образованием паровых пузырьков, то это называется кипением. Фазовый переход может происходить как с однородной жидкостью, так и со смесью жидких компонентов. Испарители различаются по характеру происходящих в них процессов, а также по их назначению, и они при этом обычно имеют свои названия.

Аппарат, в котором происходит только испарение, это роторный испаритель для удаления жидкости отгонкой при пониженном давлении.

Испарители холодильных машин

В испарителях, используемых в холодильных машинах, жидкий холодильный агент под давлением после регулирующего вентиля (дросселя) кипит с понижением температуры, и пар, образующийся в испарителе, отсасывается компрессором.

По характеру охлаждаемой среды испарители, используемые в холодильных машинах, можно разделить на следующие группы:

испарители для охлаждения жидких хладоносителей и технологических продуктов,

испарители для охлаждения воздуха и различных газообразных продуктов,

испарители для охлаждения твердых продуктов,

испарители-конденсаторы.

В зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости различают испарители с закрытой системой циркуляции, прокачиваемой насосом: кожухотрубные и кожухозмеевиковые; и с открытом уровнем охлаждаемой жидкости, циркуляция которой создается мешалкой: испарители вертикально-трубные и панельные. По характеру заполнения холодильным агентом существуют испарители затопленный и незатопленные. К последним относятся оросительные, кожухотрубные с кипением в трубах и змеевиковые с верхней подачей жидкости.

в зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости:

с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости (кожухотрубные и кожухозмеевиковые);

с открытым уровнем охлаждаемой жидкости (вертикально-трубные, панельные).

по характеру заполнения рабочим веществом:

затопленные;

незатопленные (оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, змеевиковый с верхней подачей жидкости).

Испарители могут подразделяться и на другие группы (в зависимости от того, на какой поверхности происходит кипение рабочего вещества; по характеру движения рабочего вещества и др.). В качестве промежуточного жидкого теплоносителя в испарителях применяются рассолы (водные растворы солей NaCl, СаС12), вода, спирт, водный раствор этиленгликоля и др.

С возрастанием концентрации рассола температура начала затвердевания (кристаллизации) сначала падает, затем становится равной температуре криогидратной точки и далее повышается. Заканчивается процесс кристаллизации вне зависимости от концентрации при криогидратной температуре. По мере выпадения кристаллов льда или соли, с понижением температуры рассола оставшаяся жидкая фаза будет либо увеличивать свою концентрацию (левая кривая), либо уменьшать (правая кривая) до состояния эвтектического раствора, соответствующего концентрации криогидратной точки. Для раствора NaCl криогидратная температура равна —21,2°С, а концентрация 28,9%; для раствора СаС12 — соответственно —55°С и 42,5%.

Один из основных компонентов холодильной машины - это испаритель, служащий для охлаждения рабочей среды. В качестве рабочей среды холодильной машины используется либо воздух, либо вода или жидкости, содержащие антифриз.

Для охлаждения разных видов рабочих сред предназначены различные типы испарителей:

Кожухотрубные

Пластинчатые

Испарители для охлаждения воздуха

Кожухотрубные испарители

Кожухотрубный испаритель представляет собой стальной цилиндр, с обоих концов цилиндра установлены стальные решетки, к которым крепятся головки с патрубками для подключения к системе водяного охлаждения. В эти решетки запрессованы медные трубки, по которым протекает вода. Трубки чаще всего делаются из меди и имеют диаметр 20 мм и 25 мм. Снаружи они оребрены для повышения теплообмена.

Хладагент циркулирует по трубкам, поступая из нижней части испарителя и постепенно поднимаясь по трубкам вверх. С внешней стороны трубки омываются водой, которая охлаждается в процессе теплообмена с холодным хладагентом.

Вода в кожухотрубном испарителе циркулирует перпендикулярно трубкам и имеет скорость от 0.5 до 3 м/с благодаря разделительным перегородкам, расположенным внутри кожуха испарителя.

Кожухотрубные испарители подходят для работы с различными хладагентами. Мощность этих испарителей варьируется от 7 до 200-250 кВт.

Пластинчатые испарители

Пластинчатые испарители состоят из рядов стальных пластин, расположенных "елочкой". Внутри теплообменника хладагент и вода движутся навстречу друг другу по независимым контурам циркуляции.

Преимущества:

очень высокая эффективность теплообмена.

компактность и небольшая массу.

более устойчивы к замораживанию в случае поломки, чем другие типы испарителей.

Испарители для охлаждения воздуха

Воздушные испарители - это теплообменники с одним или несколькими (4-6) рядами трубок. Внутри трубок протекает хладагент, а между ребрами испарителя (вне трубок) - охлаждаемый воздух.

Чаще всего испаритель для охлаждения воздуха состоит из оребренных медных трубок диаметром 8 - 13 мм (5/16", 3/8" и 1/2") с расстоянием между ребрами 1.4 - 1.8 мм. Медь используется потому, что ее легко обрабатывать, она не окисляется и имеет высокую теплопроводность. Оребрение обычно выполняется из алюминия.

Если мощность холодильной машины достаточно велика, то воздушные испарители делаются с двумя или несколькими контурами охлаждения. Каждый контур имеет независимый подвод хладагента с помощью распределителя, соединенного с ним тонкими трубками. Все контуры заполняются равными количествами хладагента.

Поток воздуха равномерно распределяется по теплообменнику, исключая обледенение отдельных участков испарителя.

Чтобы достичь наилучшего качества и стабильности работы испарителя холодильной машины, мощность должна составлять 3-7 кВт на каждый контур теплообмена (при использовании наиболее распространенного хладагента R-22).

От объема охлаждаемого воздуха зависит размер испарителя. Объем воздуха составляет около 195 куб.м./час на каждый кВт холодопроизводительности установки. Общая холодопроизводительность испарителя определяется температурой испарения хладагента (постоянной, заданной при проектировании холодильной машины), и температурой поступающего воздуха (зависит от условий работы).

Скорость потока воздуха, поступающего в испаритель, обычно 2-3 м/с. Если скорость будет выше, то капли конденсата могут проскакивать на выходе теплообменника.

В испарителе, как и в других элементах холодильной машины, возникают потери давления. Они зависят от диаметра трубок испарителя, конфигурации ребер, скорости воздушного потока и количества конденсата на оребрении.

Коэффициент просачивания (Bypass)

В процессе теплообмена участвует не весь воздух, подаваемый в испаритель, поскольку его часть проходит по периферии мимо теплообменника. Часть воздуха (в процентах), которая проходит мимо испарителя и сохраняет свои параметры, называют коэффициентом просачивания. Следует стремиться к понижению коэффициента просачивания воздуха.

Преимущества низкого коэффициента просачивания:

Увеличивается температура испарения и производительность холодильной машины

Можно уменьшить размеры компрессора

Можно ограничиться меньшей площадью поверхности теплообменника. Понадобится меньше трубок теплообменника.