Теплообменные аппараты х.а

     Лекция

Теплообменные аппараты холодильных агрегатов.

Конструкция, основы расчета.

К теплообменным аппаратам, применяемым в бытовой холодильной технике относятся: испарители, конденсаторы, регенеративные теплообменники.

1. Испарители бытовых холодильников.

Испаритель - теплообменный аппарат, в котором происходит процесс кипения хладагента при низкой температуре за счет тепла поглощаемого из окружающей среды. По конструкции различают листотрубные и ребристотрубные испарители. Листотрубные – выпускаются с одноканальным и двухканальным входом. Технология изготовления листотрубных испарителей следующая: соединяемые поверхности двух алюминиевых листов тщательно очищают от оксидной пленки. На один из них по трафарету специальным раствором, препятствующим сварке, наносят рисунок каналов. Затем наложенные друг на друга листы прокатывают между валками. Большое удельное давление обеспечивает контактную сварку листов по всей поверхности соприкосновения, за исключением мест, на которые нанесен состав. После сварки каналы раздуваются в оправках жидкостью под давлением около 100 атмосфер. Прокатно-сварной способ изготовления обеспечивает достаточно высокое качество при большой производительности. Затем в каналы испарителей вручную посредством аргонно-дуговой сварки ввариваются алюминиевые трубы, а уже с ними сваркой трением соединяются медные трубы. Испарители с двухканальным входом имеют отдельные входы для капиллярной и всасывающей трубок. Так как поверхность испарителей имеет низкую температуру, то на ней конденсируется и намерзает влага из окружающей среды в виде так называемой снеговой шубы, которую необходимо периодически очищать. Для защиты испарителей от коррозии применяют гальванические и лаковые покрытия.

Листотрубные испарители используют в однокамерных и двухкамерных холодильниках с естественной циркуляцией охлаждаемого воздуха. В холодильниках с принудительной циркуляцией воздуха применяют ребристо-трубные испарители. Конструктивно такой испаритель представляет собой медную или алюминиевую трубку диаметром 8 мм, изогнутую в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях с насаженными на нее перпендикулярно продольной оси пластинчатыми ребрами. Испаритель устанавливается в специальной нише отделенной от низкотемпературной и холодильной камер. Охлажденный воздух с помощью вентилятора по специальным каналам подается в охлаждаемые объемы. Количество холодного воздуха, а значит и температура в камерах, регулируется путем открытия – закрытия заслонок. Большое число пластинчатых ребер, установленных с определенным шагом, увеличивает поверхность теплообмена и интенсивность теплоотдачи.

Расчет испарителей производится по тепловым нагрузкам.

Расчет теплоотдающей поверхности испарителя.

1. Площадь поверхности испарителя:

, где

- теплота, поглощаемая поверхностью испарителя;

- коэффициент теплопередачи испарителя;

- средняя разность температур.

2. Средняя температура в холодильнике:

, где

объемы низкотемпературной и холодильной камер;

общий объем холодильника;

температуры в низкотемпературной и холодильной камерах.

3. Коэффициент теплоотдачи испарителя:

, где

внутренний и наружный диаметры трубки испарителя, внутри которой циркулирует хладагент;

коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен испаритель;

коэффициент теплоотдачи поверхности испарителя.

3. Коэффициент теплоотдачи испарителя:

, где

с, n – константы, зависящие от свойств хладагента;

среднее удельное количество теплоты, подводимое к испарителю;

средний удельный объем холодильного агента, проходящего через испаритель.

3. Удельное количество теплоты, подводимое к испарителю:

6. Средний удельный объем холодильного агента в испарителе:

7. Средняя скорость хладагента, проходящего через испаритель:

, где

массовый расход хладагента.

2. Конденсаторы бытовых холодильников.

Конденсатор предназначен для конденсации паров хладагента, т.е. для превращения пара в жидкость за счет теплообмена с окружающей средой. Количество тепла переданного конденсатором окружающей среде эквивалентно количеству тепла поглощенного в испарителе и компрессоре.

В бытовых холодильниках применяются только воздушные конденсаторы. Интенсивность теплопередачи в конденсаторе зависит от их конструкции, скоростей циркуляции хладагента и воздуха, применяемого хладагента. Скорость отвода теплоты от конденсатора определяется работой компрессора. Циркуляция воздуха – естественная и принудительная.

По конструкции конденсаторы делятся на: листотрубные, проволочнотрубные, кожухотрубные и ребристотрубные.

Листотрубные конденсаторы выполнены в виде трубы диаметром 4,75 или 0,6 мм. изогнутой в одной плоскости и закрепленной на листе прямоугольной формы. Длина стальной трубы колеблется в пределах 8-10 метров. Площадь теплообмена листа обычно в 2-3 раза превышает площадь трубы.

Наибольшее распространение получили проволочно-трубные конденсаторы. К стальному, плоскому змеевику, колена которого располагаются в горизонтальной или вертикальной плоскости, с обеих сторон, методом точечной сварки, прикреплены проволочки – ребра перпендикулярно оси труб. Диаметр проволочек 0,75-1,0 мм, количество 100-120 штук.

Конденсаторы в зависимости от конструкции холодильника устанавливаются:

1. На его задней стенке под углом 5 градусов на расстоянии 50-70 мм от стенки (напольные холодильники).

2. Над верхней плоскостью холодильника, параллельно ей (настенные холодильники).

3. Под днищем холодильника, параллельно ему.

Кожухотрубные конденсаторы изготавливались по технологии описанной в параграфе – испарители. Их эксплуатационная надежность низка, поэтому они сняты с производства.

Ребристотрубные конденсаторы применяются в компрессорно-конденсаторных холодильных агрегатах, устанавливаемых на холодильниках с большим внутренним объемом (более 400 дм³). Конструкция данного конденсатора аналогична конструкции ребристого испарителя. Конденсатор и компрессор монтируются на одной платформе в машинном отделении холодильника. Между ними устанавливается вентилятор, значительно интенсифицирующий процесс теплообмена.

Расчет теплопередающей поверхности конденсатора.

1. Количество теплоты, отводимой от конденсатора:

, где

Q_ха – холодопроизводительность холодильного агрегата;

N_эд – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора.

2. Холодопроизводительность холодильного агрегата:

, где

Q_шк – суммарные теплопритоки в шкаф;

m – коэффициент рабочего времени.

3. Площадь поверхности конденсатора:

4. Средняя разность температур между конденсирующимся хладагентом и окружающей средой:

5. Коэффициент теплопередачи конденсатора:

, где

d_вн, d_н – внутренний и наружный диаметры трубки конденсатора, внутри которой циркулирует хладагент;

λ – коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен конденсатор;

α_кд – коэффициент теплоотдачи поверхности конденсатора.

6. При вертикальном расположении конденсатора:

,

7. При горизонтальном расположении конденсатора:

,где

g – ускорение свободного падения;

λ’_ха – коэффициент теплопроводности жидкого хладагента при температуре конденсации;

t_ст – температура наружной поверхности трубы конденсатора;

Н – высота конденсатора;

ν’_ха – коэффициент кинематической вязкости жидкого хладагента при температуре конденсации;

d_н – наружный диаметр трубопровода конденсатора.

3. Регенеративные теплообменники бытовых холодильников.

Регенеративные теплообменники предназначены для повышения эффективности цикла холодильного агрегата путем переохлаждения жидкого хладагента, поступающего по капиллярной трубке в испаритель за счет перегрева всасываемых паров.

конструктивно регенеративный теплообменник представляет собой противоточный теплообменный аппарат, состоящий из всасывающего трубопровода и капиллярной трубки. В бытовых холодильниках нашли применение три конструктивных исполнения регенеративных теплообменников.

1. Капиллярная трубка припаяна к всасывающей (всасывающая трубка медная, обычно двухканальный испаритель).

2. Капиллярная трубка проходит внутри всасывающей (всасывающая трубка алюминиевая, одноканальный испаритель).

3. Капиллярная трубка огибает всасывающую по спирали с определенным шагом (всасывающая трубка медная, короткая – в холодильниках No frost).

Расчет регенеративного теплообменника.

1. Длина регенеративного теплообменника:

, где

Q_5-6 – количество теплоты, передаваемой от капиллярной трубки всасывающему трубопроводу;

δ₃ – параметр, характеризующий линейный размер поверхности контакта между капиллярной трубкой и всасывающим трубопроводом.

2. Количество теплоты, передаваемой от капиллярной трубки всасывающему трубопроводу:

, где

с_5-6 – средняя удельная теплоемкость хладагента;

Δt_3-4 – среднеарифметическая разность температур хладагента в капиллярной трубке.

3. Среднеарифметическая разность температур хладагента в капиллярной трубке:

;

4. Коэффициент теплоотдачи:

, где

δ₁, δ₂ – толщина стенок капиллярной и всасывающей трубки;

λ – теплопроводность материалов, из которых изготовлены трубопроводы.

5. Средние значения коэффициентов теплоотдачи в капиллярной трубке и всасывающем трубопроводе:

;

;

6. Коэффициент теплоотдачи от капиллярной трубки в точке 3:

, где

D₁ – диаметр капиллярной трубки.

7. Число Нуссельта:

, где

Pr_3ст – выбирается из таблиц по значению t_3ст.

.

8. Число Рейнольдса:

, где

ν₃ – кинематическая вязкость при температуре окружающей среды.

9. Скорость потока жидкого хладагента в капиллярной трубке (на основании уравнения неразрывности струи):

, где

F₁ – площадь поперечного сечения потока в капиллярной трубке.

10. Число Прандтля.

, где

а₃ – выбирается из таблиц по t_ос.

11. Коэффициент теплоотдачи от капиллярной трубки в точке 4:

;

12. Коэффициент теплоотдачи от всасывающего трубопровода в точке 5.

, где

D₂ – диаметр всасывающего трубопровода.

13. Коэффициент теплоотдачи от всасывающего трубопровода в точке 6:

.