3.6. Теплообмінні апарати

До основних теплообмінних апаратів холодильних машин належать конденсатори, випарники для охолодження рідин і камерні прилади охолодження (камерні батареї і повітроохолоджувачі). До теплообмінних апаратів висуваються такі вимоги: висока інтенсив­ність теплопередачі, невелика витрата металу на одиницю теплового потоку, простота і компактність конструкції, безпека і зручність експлуатації, легкість очищення апарата від забруднення, зручність перевезення і монтажу, низька вартість.

3.6.1. Конденсатори

Конденсатор  це теплообмінний апарат, у якому пара холо­дильного агента охолоджується і конденсується при відведенні теплоти. Пара охолоджується середовищем (повітрям або водою).

За видом охолоджувального середовища розрізняють конденса­тори з повітряним охолодженням (ребристо-змійовикові і листотрубні з примусовою і природною циркуляцією повітря), водяним охолоджен­ням (горизонтальні й вертикальні кожухотрубні, кожухозмійовикові) і водоповітряним охолодженням (зрошувальні і випарні).

Конденсатори з водяним охолодженням мають інтенсивну теп­лопередачу і компактну конструкцію. Однак повітряне охолодження конденсатора є більш доцільним (простота монтажу, експлуатації, економія води).

У конденсаторах теплота від холодильного агента передається охолоджувальному середовищу через розподільну стінку. Кількість теплоти, що передається (за одиницю часу), тобто тепловий потік у конденсаторі, визначають за формулою

_m, (3.42)

де Q  тепловий потік, Bт;

k  коефіцієнт теплопередачі, дорівнює кількості теплоти, що переходить від холодильного агента до охолоджувального середовища через стінку з поверхнею 1 м² за одиницю часу при різниці температур середовищ 1 К, Вт/(м²К);

F  площа поверхні теплопередачі, м²;

_m  середній температурний напір між холодильним агентoм і охолоджувальним середовищем.

Коефіцієнт теплопередачі в конденсаторах залежить від інтенсивності тепловіддачі холодильного агента й охолоджувального середовища, води чи повітря, а також від теплового опору стінки апарата. Коефіцієнт теплопередачі можна визначити з рівняння

, (3.43)

де ₁ і ₂  коефіцієнти тепловіддачі холодильного агента та охолоджувального середовища. Вони дорівнюють кількості теплоти, що переходить відповідно від холодильного агента до стінки з поверхнею 1 м² чи від поверхні стінки до охолоджувального середовища за одиницю часу при різниці між температурами середовища і поверхні стінки 1 К, Вт/(м²К);

_n  товщина окремих шарів стінки, м;

_n – коефіцієнт теплопровідності окремих шарів стінки дорівнює кількості теплоти, що проходить крізь стінку однорідного матеріалу товщиною 1 м, площею поверхні 1 м² за одиницю часу при різниці температур на поверхнях стінки 1 К, Вт/(мК).

Зворотну коефіцієнтові теплопередачі величину м²К/Вт називають загальним тепловим опором і визначають за формулою

, (3.44)

де і  тепловий опір тепловіддачі, м²К/Вт;

 сума теплових опорів теплопровідності всіх шарів стінки, м²К/Вт.

Стінку конденсатора виготовляють з теплопровідних матеріалів (сталі, міді, алюмінію). Тепловий опір стінки значно збільшується при забрудненні, що з’являється в процесі експлуатації холодильної уста­новки. Поверхня апарата, що стикається з холодильним агентом, який не розчиняє мастило, забруднюється мастилом, яке потрапляє разом з парами з компресора (у конденсаторах для R134а забруднення поверхні мастилом не спостерігається). На поверхні конденсатора, що стикається з охолодженою водою, відкладається водяний камінь. Відкрита поверхня забруднюється пилом. Крім забруднень, деякі покриття (наприклад, фарба на поверхні апарата) також значно збільшують тепловий опір. Значення коефіцієнтів теплопровідності деяких металів, а також осадів, забруднень і нальотів наведені в табл. 3.9.

Таблиця 3.9

Метал	Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК)	Осади і покриття	Коефіцієнт теплопро­відності, Вт/(мК)
Алюміній	204	Мастило	0,14
Бронза	58	Лід	2,21
Цинк	111	Снігова шуба	0,46
Латунь	86	Водяний камінь	1,75
Мідь технічна	301	Сіль NaCl	3,6
Сталь нікелева	26	СільCaCl2	0,7
Сталь вуглеводиста	45	Забарвлення	0,23

При експлуатації холодильної установки поверхню конденсато­ра необхідно регулярно очищувати.

Тепловіддача охолоджувального середовища – це процес теплообміну між водою чи повітрям і поверхнею стінки при їхньому безпосередньому зіткненні. Тепловіддача здійснюється шляхом конвекції і теплопровідності.

На інтенсивність тепловіддачі, що характеризується коефіці­єнтом тепловіддачі , впливає багато факторів; переважно це фізичні властивості середовища, характер і швидкість її руху (швидкість руху води в конденсаторі складає 1– 2 м/с, повітря  3– 6 м/с).

Приблизні значення коефіцієнтів тепловіддачі охолоджувально­го середовища в конденсаторах становлять для води =35004600 Вт/(м²К), для повітря при вільному русі =1,612 Вт/(м²К) і змушеному русі =2060 Вт/(м²К).

Інтенсивність тепловіддачі холодильного агента при конденсації залежить від характеру утворення конденсату і швидкості видалення його з поверхні, що передає тепло. За характером утворення рідини на стінці розрізняють плівкову, краплинну і змішану конденсації. В апаратах холодильної установки спостерігається плівкова конденсація холодильного агента. Плівка рідини на поверхні апарата збільшує тепловий опір тепловіддачі, тому її необхідно видаляти з поверхні.

При конденсації коефіцієнт тепловіддачі значно зменшується, якщо в парі міститься повітря. У цьому випадку біля холодної поверхні стінки утворюється повітряно-паровий шар з меншим вмістом пари, ніж в основному потоці. Це пояснюється тим, що з цих шарів пар випадає у вигляді конденсату на холодну поверхню апарата. Повітряно-паровий шар перешкоджає рухові пари до поверхні конденсації і переходу теплоти, що викликає підвищення температури конденсації і тиску в конденсаторі.

Приблизні значення коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації такі: для води =45001750 Вт/(м²К), при щільності теплового потоку qF=5800-т-17500Вт/(м²К), для R134а =1200  2300 Вт/(м²К).

Коли коефіцієнт тепловіддачі з одного боку стінки малий порів­няно з коефіцієнтом тепловіддачі з іншого боку стінки, коефіцієнт теплопередачі за величиною буде наближатися до меншого значення коефіцієнта тепловіддачі. У цьому випадку інтенсивність теплопередачі можна підвищити шляхом збільшення поверхні (оребрінням) на стороні, що має менший коефіцієнт тепловіддачі. Наприклад, у конденсаторі з повітряним охолодженням з одного боку знаходиться конденсуючий R134а [1 = 12002300 Вт/(м²К)], а з іншого боку  повітря [2 = 2060 Вт/(м²К)]. У цьому випадку з боку повітря встановлюють ребра. Якщо R134а в конденсаторі охолоджують не повітрям, а водою, то 2 буде більше, ніж 1, тому що коефіцієнт тепловіддачі з боку води буде 2=35004600 Вт/(м²К)]. У цьому випадку ребра застосовують з боку R134а.

Ребра можуть складати одне ціле зі стінкою, або їх можна виготовляти окремо, а потім щільно з’єднувати з поверхнею труби. При насадці ребер повинен бути щільний контакт між стінкою і ребром, інакше в місці переходу теплоти від стінки до ребра буде великий тепловий опір.

Ефективність теплопередачі конденсатора характеризується не тільки коефіцієнтом теплопередачі k, але й щільністю теплового потоку

_m,

Середній температурний напір _m графічно можна представити (рис.3.14) як висоту прямокутника, площа якого дорівнює площі, що знаходиться між лініями зміни температур холодильного агента й охолоджувального середовища вздовж поверхні F при рівних основах. Температуру холодильного агента приймають постійною,

р

Рис.3.14. Середній температурний напір:

t_к температура конденсації холодильного агента; і  темпе­ратура води на початку і в кінці теплообміну; і  температурний напір на початку і в кінці теплообміну;  середній температурний напір

івною температурі конден­сації, тому що випадіння кон­денсату спостерігається по всій поверхні апарата. Температура охолоджувального середовища змінюється криволінійно у про­цесі теплообміну, тому варто визначати середній логариф­мічний температурний напір

, (3.45)