Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год)

3. Конструкция и монтаж

зультате при малых нагрузках поток будет неустойчивым,

Положение патрубков. Двухходовая схема дает возможность

что, в свою очередь, приведет к проблемам в управлении.

расположить патрубки на одной линии с трубами для теплоноси"

телей. Может оказаться, что доступное пространство в чиллере

Поэтому конденсатор должен быть спроектирован так, что"

позволяет лишь определенное расположение патрубков и т.п.

бы поток в последнем ходе был направлен вниз, по крайней

мере, если конденсатор должен работать при очень низкой

Меры борьбы с замерзанием или загрязнением. Если из"

нагрузке по сравнению с расчетной.

менить схему ППТО с одноходовой на двухходовую по воде (т.е.

заменить аппарат), то расход воды в каналах удвоится. Число

♦ Испаритель не может работать нормально при нагрузке

ходов на стороне хладагента оставим без изменения. Такое

намного ниже номинальной из"за затопления каналов и за"

изменение имеет три следствия.

держки масла. Следовательно, нисходящий поток мог бы ис"

править этот недостаток. Однако возникает другая опас"

♦ Температура стенок испарителя на стороне воды возрастет

ность, заключающаяся в разделении фаз при низкой скоро"

(подробнее об этом в главе 7, «Замерзание»), т.е. уменьшит"

сти потока - жидкость будет проходить через первые кана"

ся опасность замерзания.

лы, а пар - через последний.

(Температура стенок возрастет и в случае одновременного

Чтобы уменьшить эту опасность, в первом ходе, где поток

увеличения числа ходов на стороне хладагента, так как теп"

имеет самую низкую скорость, он должен двигаться вверх.

лоотдача хладагента слабее зависит от скорости потока, чем

теплоотдача воды.)

Такая схема теплообменников очень хорошо подходит для ре"

версивных чиллеров. Поток хладагента меняет свое направле"

Однако могут возникнуть проблемы с равномерностью распре"

ние при реверсировании, когда кондиционер превращается в

деления испаряющегося хладагента. Подробнее см. рис. 9Б3.

испаритель, и вышеупомянутое требование выполняется в обо"

♦ Возрастают касательные напряжения. В результате частич"

их случаях.

кам грязи труднее оседать на поверхности теплообмена, и

теплообменник остается чистым.

3.2.2. Свойства многоходовых теплообменников

Перепад давлений возрастает приблизительно в семь раз.

Обратимся к рис. 8А. Здесь представлен теплообменник, двух"

(Путь жидкости и скорость в канале удваиваются.)

ходовой по воде и одноходовой по хладагенту. Такая многохо"

Обеспечение режимов с большой термической длиной.

довая схема имеет следующие основные свойства (см. также

По"видимому, это основная причина. На следующем примере

рис.10):

видно, почему и как применяются двухходовые ППТО в этих

♦ Допускается только один входной и один выходной патрубки.

случаях. Сравним два режима:

♦ Стороны независимы. Можно иметь разное число ходов на

1. Вода 3 кг/с 50 → 40 °С

или

1 кг/с

60 → 30 °С

каждой стороне, но не все варианты являются разумными.

Вода 3 кг/с 40 ← 30 °С или

1 кг/с

50 ← 20 °С

Подробнее вернемся к этому ниже.

Оба режима имеют одинаковую тепловую мощность, одинако"

♦ Общее количество водных каналов на один больше, чем ка"

вый перепад температур и одинаковые жидкости. Значит, пло"

налов хладагента, т.е. каждый канал хладагента окружен вод"

щади поверхностей теплопередачи должны быть тоже одина"

ными каналами.

ковыми.

♦ В исключительных случаях - обычно, при малом перепаде

Предположим, что мы выбираем теплообменник для первого

температур между средами - каждый ход отделяется от со"

режима. Аппарат СВ26"60Н с площадью 1,45 м² и перепад дав"

седних пустым холодильным каналом. В этом случае вод"

лений 0,80 бар вполне подходит для такой нагрузки. Но если

ных каналов больше, чем холодильных, на число ходов.

мы попытаемся использовать этот теплообменник для второго

режима, появятся проблемы.

♦ В случае несимметричной группировки каналов - неравно"

го числа ходов на сторонах теплообменника - в одних груп"

Расходы жидкостей в три раза меньше, следовательно, мень"

пах каналов теплоносители будут двигаться в противотоке,

ше полный коэффициент теплопередачи, значит, потребуется

в других группах в прямотоке, независимо от расположения

увеличить площадь поверхности теплопередачи.

входных патрубков.

Это можно сделать единственным способом, добавляя новые

♦ В случае симметричной группировки каналов - равного чис"

пластины. Конечно, это приведет к дальнейшему снижению

ла ходов на сторонах теплообменника - в каждом ходе бу"

скорости в каналах, уменьшению коэффициента теплопереда"

дет пластина с противотоком в соседних каналах. Это мо"

чи, и мы станем гоняться за собственным хвостом. Конечным

жет создать проблемы, если на ход приходится малое коли"

результатом будут два теплообменника СВ26"120Н с площа"

чество каналов при условии малого перепада температур.

дью 2 × 2,95 м².

♦ Соединение соседних ходов имеет либо форму буквы U,

Есть ли какая"нибудь возможность уменьшить площадь? Есть

либо перевернутой буквы U.Это означает, что при останове

два способа.

системы в нижней части U"образных секций может остать"

♦ Мы можем применить СВ52. Он имеет такую же ширину, как

ся жидкость, а при пуске в верхней части перевернутых U"

и СВ26, но длина его в два раза больше. Следовательно, мы

образных секций может остаться газ.

можем уменьшить число пластин, что вполне уместно при

Чтобы полностью выпустить газ или слить жидкость из тако"

пониженном расходе жидкости. Потребуется теплообмен"

го ППТО, необходимы дополнительные выпускные отвер"

ник СВ52"50 с площадью 2,4 м².

стия. Возможные варианты их расположения приведены на

♦ Можно применить двухходовой теплообменник СВ26. В нем

рис. 7. Поскольку теплообменники с более чем тремя хода"

две группы пластин соединяются последовательно, и ре"

ми практически не применяются в холодильной технике, то

зультат будет таким же, как в случае СВ50. При таком реше"

проблем с выпуском газа и сливом жидкости не возникает.

нии потребуется СВ26"90, в котором пластины сгруппиро"

В нормальном режиме работы для предотвращения обра"

ваны как 23 + 22/2 × 22, т.е. две группы из 22 параллельных

зования газовых пузырей необходимо, чтобы перепад дав"

каналов площадью по 2,2 м² соединены последовательно.

лений в каждом ходе был не меньше гидростатического дав"

Оба способа дают близкие результаты, как можно было пред"

ления, определяемого перепадом высот.

положить. Что произойдет, если мы попробуем применить СВ50

или двухходовой СВ26 для первого режима?

3.2.3. Применения

Нам придется увеличить число пластин, чтобы снизить перепад

Применение многоходовых ППТО обусловлено, в основном,

давлений до приемлемого значения. В конце концов мы придем

следующими причинами.

либо к двум СВ26"69 с площадью 2 × 1,675 м², соединенных по

3. Конструкция и монтаж

Если на обеих сторонах протекают жид"

кости, могут возникнуть определен"

ные трудности с температурным

режимом. В режиме, представ"

ленном на рис. А2, темпера"

турный перепад исчезает

в точке между первым

и вторым ходами

жидкости.

Рис. 8А. Одноходовой / двухходовой теплообменник

Теплообменник имеет один ход на стороне хладагента и два

хода на стороне воды. Это превосходная компоновка для ох"

лаждения воды от высоких температур до температур, близ"

Ситуация может ухудшиться (или улучшиться) при изменении

ких к 0 °С, в СПТО с питанием жидким хладагентом. Скорость

направления потока одной из сред, как показано на рис. А3.

воды высокая, и, следовательно, высоким будет и коэффи"

Если температурный перепад увеличить, то разность темпе"

циент теплопередачи К. Это приведет к повышению темпе"

ратур жидкостей по всей длине каналов будет больше нуля,

ратуры стенки.

см. рис. А4. Обратите внимание, что направление потока при

Температурный режим такого теплообменника показан на

этом существенно.

рис. А1. Температура хладагента почти постоянна, поэтому

Б. Два контура хладагента и один водный контур это обычная

никаких особых проблем не возникает.

Рис. 8 В С. Два контура / один контур

схема двухконтурного испарителя, но у нее есть некоторые

большого перегрева (R_C/C), разность температур велика, и

недостатки. Подробнее этот вопрос обсуждается в парагра"

наоборот. В зависимости от типа хладагента и особенностей

фе 3.3.3. Компоновка является симметричной, т.е. номиналь"

температурного режима, можно увеличить кпд на 5"10 %.

ная тепловая мощность обоих контуров одинакова.

Если выходящий пар представляет собой смесь сильно и сла"

Такой аппарат можно также применять в качестве двухконтур"

бо перегретого пара, понадобится эффективное перемеши"

ного конденсатора.

вание. Пример такой системы показан в главе 4, «Испарите"

ли и сепараторы», рис. 21. Относительно перегрева"переох"

В. В одном контуре (R_C/C) конденсат переохлаждается испа"

лаждения см. также главу 1, «Применения», рис. 05.

ряющимся хладагентом, который сильно перегревается из"за

большой разности температур.

Г. Это широко распространенная схема для охладителей пе"

регретого пара и конденсаторов. Перегретый хладагент ох"

Переохлажденный конденсат затем расширяется, испаряет"

лаждается в первой секции, нагревая водопроводную воду,

ся и охлаждает воду в другой секции (R_L/L).

затем теплота конденсации отводится охлажденной водой.

Общий перегрев регулируется на выходе из испарителя. Из"

Недостаток двухходовых схем (8 А - Г) - большой перепад дав"

за большого перегрева в секции (R_C/C) перегрев в (R_L/L) не"

ления. По сравнению с одноходовой секцией с тем же числом

велик. Это означает очень эффективное испарение. Таким об"

пластин падение давления возрастает приблизительно в семь

разом, в секции, где коэффициент теплопередачи мал из"за

раз.

3. Конструкция и монтаж

схеме 2 × 17/2 × 17, либо к СВ50"70 с площадью 3,4 м², в котором

♦ Если же температура одной из сред изменяется мало (рис.

пластины соединены по схеме 35/34. В обоих вариантах тепло"

8А1), то симметрия теплообменника имеет меньшее значе"

вая мощность теплообменников будет избыточной, приблизи"

ние. Например, для испаряющейся или конденсирующейся

тельно на 20 %. В вышеприведенном примере с обеих сторон

жидкости несимметричная схема может оказаться предпоч"

текла вода, но результат будет аналогичным, если на одной или

тительной.

же на обеих сторонах теплообменника будет хладагент, конден"

На рис. 9Б показаны несколько возможных способов распо"

сирующийся или испаряющийся.

ложения каналов. Обратите внимание, что совершенно нео"

Соединяя ППТО по двухходовой схеме мы получаем ТО вдвое

бязательно иметь одинаковое число пластин в каждом ходе.

более длинный, чем одноходовой ТО.

♦ Схема, многоходовая по теплоносителю и одноходовая по

Более полное использование доступного перепада давле

хладагенту, используется редко, см. рис. 9 Б3.

ний - это другой способ выразить содержание предыдущего

♦ Неравное число ходов следует применять лишь для двух"

параграфа.

фазных потоков, чтобы согласовать аппарат с изменением

доли паров. Неравное число каналов на стороне теплоно"

сителя, как правило, экономически не оправдано.

3.2.4. Зависимость перепада температур от перепа

да давлений в конденсаторе или испарителе

Сравнение противотока и прямотока. Эффективная тепло"

Переход от одноходовой схемы к двухходовой приводит к сле"

передача требует применения противотока. Из этого правила

дующим результатам.

имеется два исключения.

♦ Расход жидкости через канал возрастает. Это означает бо"

♦ Затопленный испаритель, см. п. 3.1.1.

лее интенсивную теплопередачу и более чистые а нагрева"

♦ В случае очень большого падения давления на стороне ис"

ющие поверхности.

паряющегося хладагента прямоток может обеспечить более

♦ Число каналов на один ход уменьшается. Это обстоятель"

высокую разность температур, см. рис. 9 В.

ство вместе с возросшим расходом через канал снижает

Практические выводы из вышесказанного следующие:

опасность неравномерного распределения хладагента.

♦ Равное количество ходов на обеих сторонах.

♦ Внимание. В испарителе может произойти разделение фаз,

что нарушит распределения хладагента по каналам второго

♦ Один ход на стороне теплоносителя и ходы с разным чис"

хода. Перед монтажом многоходового испарителя обяза"

лом каналов на стороне хладагента.

тельно нужно провести его испытания, тем более что в спра"

♦ В редких случаях, например, в теплообменнике хладагент"

вочной литературе очень мало практических рекомендаций

хладагент, возможно неравное число каналов на один ход

по применению таких испарителей.

на обеих сторонах или же один ход на стороне хладагента и

♦ Перепад давлений возрастает. К сожалению, это заставля"

несколько ходов на стороне воды (опасность замерзания).

ет повышать входную температуру жидкого хладагента, если

температура испарения поддерживается постоянной. Раз"

ность температур теплоносителей при этом уменьшается.

3.3. Многоконтурные ППТО

♦ В конденсаторе выходная температура хладагента умень"

шается, что опять же приводит к снижению разности темпе"

3.3.1. Применения

ратур теплоносителей.

Во многих приложениях возникает необходимость в двух неза"

висимых контурах на одной из сторон, либо на стороне воды,

Проектирование сводится к поиску оптимального компромис"

либо на стороне хладагента. В основном это происходит в сле"

са между увеличением коэффициента теплопередачи и умень"

дующих двух случаях:

шением разности температур. К сожалению, невозможно дать

общее правило поиска этого оптимума. Необходимо провести

а) Среда должна быть нагрета или охлаждена в два этапа, при"

точный расчет.

чем на каждом этапе на второй стороне используются раз"

ные среды.

Одним из примеров такого применения может быть пере"

3.2.5. Схемы расположения каналов

охладитель/перегреватель пара и испаритель. В гл. 1, «При"

Симметричная схема, когда на обеих сторонах находится оди"

менения», на рис.5 представлен пример, в котором двухкон"

наковое число ходов, встречается, по"видимому, наиболее ча"

турный теплообменник, как на рис. 8 Г, может заменить два

сто. Поскольку эта схема применяется в случае очень малых

отдельных теплообменника. Хладагент испаряется в испа"

расходов сред с близкими температурами (высокая степень

рительной секции, затем поступает в секцию перегревате"

утилизации теплоты), то практически всегда подразумевает"

ля пара/переохладителя.

ся, что среды в этой схеме движутся в противотоке.

Другой пример - это охладитель перегретого пара / конден"

Следует различать кажущийся противоток и истинный проти"

сатор. В секции охладителя перегретый пар отдает в контур

воток, подробнее см. рис. 9А.

водопроводной воды явную теплоту, а в секции конденса"

Несимметричная схема редко используется в случае значи"

ции пар конденсируется с помощью охлаждающей воды. См.

тельных изменений температуры обеих сред. Поскольку в та"

гл. 1, «Применения», рис. 10 или же рис. 8 Г в этой главе.

ких схемах всегда есть каналы с одинаковым направлением

б) В целях регулирования тепловой мощности, особенно в

потоков, то эффективная разность температур быстро снижа"

случае испарителя, контур хладагента разделяется на два

ется по мере сближения температур обеих сред.

номинально одинаковых контура. При полной нагрузке ра"

♦ На рис. 8А представлен температурный режим для двух хо"

ботают оба контура, при низкой нагрузке один контур от"

дов на охлаждаемой стороне и одного хода на охлаждаю"

ключен.

щей стороне. Температурные режимы А2 и А3 не могут быть

реализованы, так как температура охлаждающей стороны

приближается или даже превосходит температуру охлажда"

3.3.2. Типы теплообменников

емой стороны. В таком случае потребовался бы бесконечно

Возможно несколько конструкций ПТО с двухконтурной схемой

большой теплообменник. Однако эти режимы вполне допу"

одной из сторон: три для ПТО любого типа, одна для ПТО спе"

стимы, если на обеих сторонах имеется одинаковое число

циального типа.

ходов.

1) Обычный одноходовой. На рис. 8Б показан ППТО с двумя

контурами хладагента и одноходовым водным контуром.

3. Конструкция и монтаж

Рис. 9А. Противоток

1. Истинный противоток. В каждом ходе потоки направлены

2. Кажущийся противоток. В каждом ходе потоки направле"

навстречу, и сами ходы соединены по схеме противотока. Ис"

ны навстречу, но сами ходы соединены по прямоточной схе"

ключениями являются пластины, разделяющие соседние

ме. В такой схеме эффективная разность температур мень"

ходы. Потоки в каналах по обе стороны такой пластины име"

ше, чем в схеме 1.

ют одинаковое направление.

Рис. 9Б. Многоходовые схемы.

1. В этих конденсаторах число каналов, приходящихся на один

В конденсаторе необходимо изменить направление потока

ход, уменьшается от первого хода к последнему в соответ"

хладагента.

ствии с уменьшением расхода пара, тем самым минимизи"

3. Теплообмен хладагента с водой происходит в трех ходах,

руется падение давления. Обратите внимание, что в после"

где она имеет разную температуру. Это может привести к

дней секции поток хладагента направлен вниз. В испарителе

неравномерному испарению и к проблемам с управлением.

необходимо изменить направление потока хладагента.

Такую схему следует применять только в том случае, когда

2. В среднем ходе данного испарителя, где потоки имеют оди"

необходимо обеспечить как можно более высокую темпе"

наковые направления, мало каналов, что увеличивает полную

ратуру стенки. Желательно предварительно провести испы"

разность температур. В первом ходе поток направлен вверх.

тания.

Рис. 9Г. Сравнение противотока и прямотока

1. Как правило, схема противотока является лучшим выбором,

2. В случае большого падения давления на стороне хладаген"

особенно в случае малого падения давления в контуре хла"

та прямоточная схема может быть предпочтительнее.

дагента.

3. Конструкция и монтаж

2) Обычный двухходовой. На рис.10 показан ППТО с двумя кон"

ходит через активный контур, независимо от того, какой из них

турами хладагента и двухходовым водным контуром. Подоб"

открыт. Это очень важно, поскольку снижает опасность замер"

ная схема приведена на рис. 8Г, только среды поменялись

зания.

сторонами.

Теплообменник такой конструкции работает хорошо, однако у

3) ППТО со сдвоенными контурами. На рис.11 показан новый

него есть один очень серьезный недостаток. Падение давле"

тип ПТО.

ния на водной стороне обычно очень велико, поэтому только

несколько моделей таких ППТО находят применение.

3.3.3. Обычный ПТО с одноходовым контуром

Это обычный ППТО, в котором соединительные патрубки од"

3.3.5. ППТО со сдвоенными контурами

ной из сторон расположены как на передней, так и на задней

В конструкции, изображенной на рис. 11, устранены пробле"

плитах. Перекрыв проходные отверстия хотя бы на одной из

мы с замерзанием и высоким уровнем перепада давлений, ха"

пластин, разделим эту сторону на два независимых контура.

рактерные для предыдущих конструкций.

Для такого разделения можно использовать любую пластину,

♦ Каналы с номерами 1, 3, 5, 7, 9, 11 являются водными кана"

но чаще всего встречаются разбиения 50/50 и 33/67. Другая

лами.

сторона остается одноходовой, часть среды на этой стороне

контактирует с первым из контуров противоположной сторо"

Каналы с номерами 2, 6, 10, … принадлежат первому конту"

ны, а другая часть - со вторым контуром. Эта схема изображе"

ру хладагента.

на на рис. 8В.

Каналы с номерами 4, 8, 12, …. принадлежат второму конту"

В случае испарителя с двумя контурами хладагента такая кон"

ру хладагента.

струкция чревата опасностью замерзания воды. Когда один

♦ Первый и последний каналы являются водными каналами.

контур отключен, вода проходит через эту секцию, не охлаж"

даясь. Вода на выходе из теплообменника представляет собой

♦ По схеме взаимодействия потоки являются диагональными,

смесь охлажденной и неохлажденной воды. Если температура

как для пары вода"хладагент, так и для пары хладагент"хла"

такой водной смеси используется потом для управления, на"

дагент.

пример, регулирующим клапаном, низкотемпературным реле

♦ Многоходовой может быть только водная сторона.

и т.п., это может привести к тому, что температура охлажден"

ной воды опустится ниже нуля, т.е. ниже точки замерзания, хотя

♦ Оба контура хладагента имеют одинаковые характеристики.

температура смеси будет выше нуля.

♦ Такой теплообменник может быть использован в качестве

Отсюда следует, что такие методы управления тепловой мощ"

испарителя или конденсатора полной конденсации, но не

ностью допустимы только в системах, где одновременно рабо"

парциального конденсатора или охладителя перегретого

тают все контуры. Одним из примеров является термосифон"

пара.

ный испаритель, в котором хладагент проходит по одноконтур"

Вода всегда находится в контакте с активным контуром.

ной стороне и охлаждает два жидкостных контура. Даже если

один из жидкостных контуров будет отключен, то оставшийся

3.3.6. Комбинированная конструкция

контур будет работать без проблем.

В этой конструкции каналы соединены по той же схеме, кото"

рая описана в п. 3.3.3 «Обычный ПТО с одноходовым контуром»,

3.3.4. Обычный ПТО с двухходовым контуром

но количество каналов в двух контурах сильно отличается, см.

Эта конструкция, см. рис. 10, широко используется в обоих

рис. 8В. Один контур, обычно больший, служит для охлажде"

применениях, указанных в п.3.3.1. Как и в предыдущем случае,

ния воды, а другой - для охлаждения конденсата.

соединительные патрубки одной из сторон расположены и на

передней, и на задней плитах. Установив хотя бы одну пласти"

Все каналы с испаряющимся хладагентом соединены парал"

ну без проходных отверстий на этой стороне, можно создать

лельно, как в нормальном испарителе.

два контура. Каналы на другой стороне соединены по двуххо"

В дальней от входа испаряющегося хладагента секции охлаж"

довой схеме, так что каждый ход соответствует одному конту"

дается конденсат. Разность температур в этой секции обычно

ру противоположной стороны.

очень велика, и, несмотря на низкий коэффициент теплопере"

♦ В аппарате может быть не более двух независимых контуров.

дачи, перегрев может быть большим. Эти самые дальние кана"

лы часто получают непропорционально большую долю хлада"

♦ Два контура/хода необязательно должны иметь одинаковое

гента, и большая разность температур позволяет полностью

число каналов.

испарить его.

♦ Каждый из двух контуров должен быть одноходовым, с од"

После переохлаждения хладагент расширяется и входит в теп"

ним входом и одним выходом.

лообменник со стороны испарения, где охлаждает воду в бли"

♦ Стороны не зависят друг от друга.

жайшей к входу секции.

Тепловые характеристики для теплообменника типа а) опре"

Пар из этих двух секций должен быть тщательно перемешан

деляются просто. В сущности, это два теплообменника, таких,

перед измерением перегрева. Один из способов, которым это

что выход одного теплообменника непосредственно соединен

можно сделать, представлен на рис. 21 в главе 4, «Испарители

с входом второго. Поэтому такой теплообменник рассчитыва"

и сепараторы».

ется как два отдельных теплообменника (одной модели).

Поэтому перегрев в секции, охлаждающей воду, ниже измеря"

Применение теплообменника типа п.3.3.1. б) нуждается в не"

емого, а в секции, охлаждающей конденсат, соответственно,

которых пояснениях. Такой теплообменник используется, в ос"

выше. Низкий перегрев означает высокий коэффициент теп"

новном, как испаритель, в котором управление тепловой мощ"

лопередачи, что является преимуществом, поскольку разность

ностью производится отключением одного или другого конту"

температур в этой секции обычно мала.

ра хладагента. На водной стороне имеется два хода, а каждый

С точки зрения термодинамики это обычный испаритель с пе"

контур хладагента является одноходовым.

реохладителем. Преимущества данной конструкции в том, что

Такая конфигурация означает, что вода движется в противото"

в секцию с низким коэффициентом теплопередачи подаются

ке с одним из контуров и в прямотоке с другим, см. рис. 10.

среды с высокой разностью температур, и наоборот. О пере"

Следовательно, тепловые мощности контуров не равны друг

охлаждении см. рис. 5 в главе 1, «Применения».

другу. Это необязательно является недостатком, поскольку та"

Эффективность такого аппарата зависит от разности темпера"

кая схема вместо двух дает три уровня тепловой мощности (от"

тур конденсации и испарения. Если эта разность велика, то при"

крыт контур 1, открыт контур 2, открыты оба контура).

менение данного типа теплообменника может оправдаться, если

Вся вода, в отличие от предыдущей конструкции, всегда про"

мала, то целесообразность применения сомнительна.

3. Конструкция и монтаж

9 C

7 C

Контур 2

Контур 1

49 кВт

33 кВт

Контур 2

12 C

7 C

tисп

2 C

В этом испарителе на

стороне воды имеются две

последовательно соединенные

группы из 2 и 3 каналов (итого, 5),

причем в каждой группе каналы соеди"

нены параллельно. Кроме того, в испари"

теле имеются два контура хладагента, в каж"

дом из них два канала.

Рис.10. Два контура хладагента / один

Контур 1

двухходовой водный контур

Независи"

Испарители

мо от того, име"

На рисунке изображен испаритель с двумя независимыми

ется ли в ПТО один

контурами хладагента и одним водным контуром. Водный кон"

или два контура хлада"

тур составлен из двух групп каналов, соединенных последо"

гента, справедливы следу"

вательно. Обратите внимание на отличия от схемы, представ"

ющие утверждения (см. также

ленной на рис. 11.

рис. 8А и Б):

Здесь, в двухходовом контуре, вода движется в противотоке

Èñïàðèòåëü íåïîñðåäñòâåííîãî ðàñøèðåíèÿ

с хладагентом в контуре 1 и в прямотоке с хладагентом в кон"

Если каналы на стороне воды образуют перевернутую букву U,

туре 2.

как показано на данном рисунке, то выходящий перегретый пар

в обеих секциях контактирует с водой при одной и той же тем"

Тепловая мощность разделена здесь на неравные части в 33 и

пературе, в нашем примере - это 9 °С. Это приводит к вырав"

49 кВт. Отличие от схемы, представленной на рис. 11, заключа"

ниванию перегрева в обеих секциях. Таким образом,

ется в том, что поток воды проходит последовательно через

оба контура хладагента, и при закрытии одного из контуров хла"

Вода вход/выход: T2/S2

Хладагент вход/выход: S3/S4

дагента не происходит смешивания охлажденной воды и нео"

Èñïàðèòåëü ñ ïèòàíèåì ÷èñòîé æèäêîñòüþ

хлажденной воды. Следовательно, исключается ошибочная ре"

Если каналы на стороне воды образуют букву U, то входящий

акция управляющего устройства на температуру воды.

переохлажденный жидкий хладагент в обеих секциях контак"

Обратите внимание, что бессмысленно устанавливать термо"

тирует с водой при одной и той же температуре. Это приводит

метр в какой"либо из дополнительных патрубков, поскольку

к выравниванию условий пузырькового кипения, и кипение в

он измерял бы либо промежуточную, либо входную, либо вы"

обоих секциях начинается одновременно. Таким образом,

ходную температуру в зависимости от того, какой контур хла"

Вода вход/выход: S1/T1

Хладагент вход: S3(T3)

дагента отключен.

Êîíäåíñàòîðû

При частичной нагрузке имеется выбор между режимами 33 кВт,

Теплообменник такой конструкции может быть так же исполь"

9 →7 °С и 49 кВт, 12 → 9 °С. Предполагается, что входная темпе"

зован в качестве конденсатора, но требуется изменить на об"

ратура воды не меняется, а характеристики компрессоров со"

ратное направление потоков хладагента. На водной стороне

гласованы с этими нагрузками.

могут использоваться либо патрубки S1 и T1, либо S2 и T2. Это

Каждый из двух контуров должен быть оснащен собственным

зависит от того, какой вариант дает лучшую разность темпера"

терморегулирующим вентилем и клапаном, регулирующим

тур. Такое применение данного теплообменника встречается

давление.

не часто.

3. Конструкция и монтаж

Не устанавливайте

Петля вверху

Выпуск

ПТО с малым ∆р на

может устра"

воздуха

различной высоте.

нить разницу

Это неизбежно приве"

в гидростати"

дет к неравномерному

ческом дав"

распределению воды.

лении.

Воздушная

пробка

К открытому выпуску

С помощью кла"

∆р_потока

пана или повыша"

ющей ∆р диаф"

рагмы можно

сбалансировать

hперв.

расходы.

hпоследн.

Рис. 12 А. Баланс расходов через

параллельные ППТО

Обычный ручной клапан или петля на верхнем отрезке трубы

помогают правильно распределять воду между параллельно

соединенными ПТО, имеющими разные Dр или расположен"

ными на разной высоте. Внимание! В замкнутом контуре для

распределения воды важен ∆р, а не перепад высот.

Рис. 12 В. Воздушные пробки

Если гидростатическое давление, обусловленное разностью вы"

сот в каналах, больше перепада динамического давления ∆р, то

возникает опасность образования устойчивой воздушной проб"

1. Воздуховы"

2. Петля

ки, т.е.:

пускной байпас

или клапан

hперв.

∆р_потока= h_{последн.}

Другими словами, сопротивление потоку воды настолько мало,

что вода сразу же выливается через первые каналы, а последние

каналы остаются незаполненными. Такое обычно происходит при

очень малых перепадах давлений.

Увеличение перепада давлений привело бы к уменьшению

hпоследн. до уровня, меньшего, чем давление на выходе из кана"

ла. В этом случае воздух начнет выходить из конденсатора.

4. Свободный

Воздушная пробка может быть удалена с помощью воздуховыпус"

3. Дренажный байпас

выход

кного клапана. После выхода воздуха из клапана в него поступает

вода, поплавок поднимается и закрывает выпускное отверстие.

Для облегчения заполнения воздуховыпускного клапана водой на

выходе теплообменника должно быть сужение, обозначенное на

Рис. 12 Б. Верхняя петля с байпасом

рисунке символом клапана.

1) Небольшая трубка в качестве байпаса для выпуска воздуха из ППТО.

2) Петля обеспечивает постоянное заполнение ППТО водой.

Если вода сливается из теплообменника самотеком, то после вы"

3) Небольшая трубка в качестве байпаса для слива воды из ППТО

хода воды из воздуховыпускного клапана он откроется для возду"

после отключения.

ха, что способствует сливу воды.

4) После отключения вода сливается из ППТО самотеком.

Если вода не заполняет каналы, как показано на рис. 12 В, то

4. Баланс расхода и слив воды,

может оказаться полезным установка петли, как на рис. 12 Б2.

выпуск воздуха.

Но в этом случае из ППТО не будет самотеком сливаться вода

при отключении системы. Небольшой байпас, соединяющий

Теоретически два и более однотипных ПТО, установленных па"

выходной патрубок с трубой за пределами петли, позволит сли"

раллельно, должны получать одинаковое количество охлажда"

вать воду из аппарата самотеком. Это может быть постоянно

ющей воды. Однако вероятность неравномерного распреде"

открытый байпас, но его диаметр должен быть небольшим.

ления воды между аппаратами весьма велика, особенно при

малых перепадах давлений. Аппараты по"разному загрязняют"

На входе в теплообменник может образоваться воздушная

ся; они могут быть смонтированы с разным количество сгибов

пробка, которую необходимо удалить. Обычно воздух выходит

труб и фитингов; неравномерное распределение расходов на

вместе с водой, но в случае очень малых расходов воздух мо"

охлаждаемой стороне может привести к неоднородному рас"

жет накапливаться вблизи верхнего входного отверстия. Отсю"

пределению на охлаждающей стороне и наоборот.

да воздух можно выпустить одним из следующих способов:

Дисбаланс усиливается, если это аппараты разных размеров

♦ Воздуховыпускной клапан в патрубке Т1 (см. рис. 12 В). Для

или типов, если ПТО расположены на различных уровнях или

его срабатывания необходимо определенное превышение

соединены трубами разной длины и диаметров.

давления в ПТО над атмосферным давлением.

Баланс расхода воды в теплообменниках, питающихся от об"

♦ Небольшой байпас, проходящий от Т1 к верхней точке пет"

щего источника, это задача, которую необходимо решать для

ли. Байпас, на самом деле, не выпускает воздух со стороны

теплообменников любого типа. Методы такого баланса изуча"

воды, он просто отводит воздух из теплообменника дальше

ются специальной инженерной дисциплиной и в этой книге не

в контур. Но его преимущество в том, что байпас работает

рассматриваются. Отметим, однако, что установка перед каж"

независимо от разности давления в ПТО и атмосферного

дым теплообменником клапана или даже диафрагмы, увели"

давления. Воздух может быть выпущен из контура в более

чивающей перепад давлений, может улучшить распределение

подходящей точке, или же просто покидает систему вместе

воды между параллельно соединенными аппаратами со слиш"

с водой.

ком низким перепадом давлений, см. рис. 12 А и Б2.

После выпуска воздуха из ПТО вода по байпасу проходит мимо

Из любого теплообменника при пуске системы нужно выпустить

каналов непосредственно в петлю, но этот расход можно сде"

воздух, а при отключении на длительное время - слить воду.

лать незначительным, см. рис. 12 Б1.

3. Конструкция и монтаж

Рассол

Хладагент 4

Хладагент 1

Хладагент 2

Хладагент 1

Хладагент 2

А. Базовая конструкция ППТО со сдвоенными контурами.

Б. Два контура воды и четыре контура хладагента.

Все каналы с рассолом (за исключением первого и последне"

Здесь также каналы с рассолом всегда контактируют с актив"

го) всегда контактируют с активным контуром хладагента.

ным контуром хладагента.

Рассол

Хладагент 1

Хладагент 2

Торцевая 2

Торцевая 1

В. Расположение пластин.

В этом ППТО имеется два основных типа пластин (с углом между

Хладагент проходит пару пластин 1б/2б через два отверстия без

гофрами, направленным вверх, 1, или вниз, 2), каждый с двумя ва"

буртика, пространство между которыми открыто, поэтому хлада"

риантами расположения отверстий, а и б, итого, четыре типа плас"

гент проникает в канал между этой парой пластин.

тин. Эти пластины образуют каналы с диагональным потоком хла"

Затем хладагент проходит пару пластин 2а/1б, канал между кото"

дагента. Это важно, так как ППТО со сдвоенными контурами имеют

рыми для него закрыт, хотя отверстие и не имеет буртика. Данный

сравнительно большую ширину. В этом случае диагональные пото"

канал открыт для рассола.

ки допускают меньшую разность температур, чем параллельные.

Данный эффект сильнее проявляется в коротких широких аппара"

Следующая пара 1а/2а. Как и в случае пластин типа б, пластины

тах и слабее - в высоких узких аппаратах.

имеют два отверстия с буртиком, но на другой диагонали. Хлада"

гент проходит через эту пару отверстий, но не может проникнуть в

Чтобы разобраться в расположении каналов, проследим за пото"

канал между пластинами. Этот канал открыт для хладагента 1.

ком хладагента 2. Первая пара пластин, 1/2, через которые прохо"

дит данный хладагент, это 2б/торцевая 1. Канал между этими плас"

Остальные пластины и каналы расположены аналогично. Отвер"

тинами закрыт для хладагента во всех четырех отверстиях, но от"

стия в другом контуре хладагента расположены в альтернативном

крыт для рассола. Таким образом, хладагент проходит пластины

порядке, открывая каждый второй канал хладагента.

2б/торцевая 1, не попадая в канал.

Как бы ни были расположены отверстия с буртиками, каналы рас"

Пластины 2 и 3 относятся к типу 1б и 2б. Все пластины типов 1 и 2

сола всегда закрыты для хладагента и наоборот. Поэтому нет

имеют по четыре диагональных отверстия: два с буртиком и два

опасности смешивания рассола и хладагентов.

без буртика. У пластин а и б отверстия без буртиков расположены

на разных диагоналях.

Рис. 11. ППТО со сдвоенными контурами.

но измерять «истинную» температуру хладагента.

5. Измерительные приборы

Манометры. Эти приборы чувствительны к турбулентности.

Термометры. Их можно установить в дополнительные патрубки

Манометры должны, по возможности, размещаться в конце

на стороне воды. Недостаток такой установки заключается в

прямолинейного отрезка трубы длиной не менее 15"20 диамет"

том, что измеренная температура зависит от глубины погру"

ров. Такое размещение может быть затруднительным в конту"

жения термометры. Это связано с тем, что вода, выходящая из

ре хладагента, в этом случае могут возникнуть ошибки при из"

разных каналов, может иметь различную температуру.

мерении давления и температуры (см. выше). Важно учитывать

Такое размещение термометра является допустимым для це"

это обстоятельство при определении характеристик конден"

лей управления, когда ошибки в показаниях учитываются с по"

сатора или испарителя.

мощью калибровки системы. Но таким способом нельзя про"

Если возможно, измеряйте перепад давлений с помощью диф"

водить точные измерения характеристик установки. Для этого

ференциального манометра. Иначе малая разность измерен"

необходимо размещать термометр на некотором удалении от

ных абсолютных давлений может привести к большим ошиб"

ППТО, в изолированных трубках.

кам в определении перепада. Другой способ заключается в

Температура хладагента часто измеряется по его давлению.

перестановке манометров и проведении после этого повтор"

Однако хладагент может быть переохлажден или перегрет, и

ного измерения.

если нужно определить рабочие характеристики системы, нуж"

3. Конструкция и монтаж

для обслуживания, см. рис 13.

6. Монтаж

♦ Не забывайте об опасности гидравлического удара. Имей"

те в виду, что закрывающиеся против потока клапаны менее

6.1. Ориентация

опасны в этом отношении, чем более широко применяющи"

Как правило, ППТО должны устанавливаться в вертикальном

еся клапаны, закрывающиеся по потоку.

положении, как показано на рис. 13. Если необходимо устано"

вить теплообменник в горизонтальном положении, следует

Сторона хладагента. Как правило, эти соединения выполня"

учесть следующее (рис. 14):

ются пайкой. В некоторых случаях, чаще всего, для присоеди"

♦ Прежде чем устанавливать теплообменник в горизонталь"

нения никелевых паяных ПТО, может потребоваться сварка. См.

ном положении, необходимо провести тщательные испыта"

рис. 15В.

ния и расчеты, так как тепловые и гидравлические характе"

♦ Соблюдайте правила эксплуатации сосудов, работающих

ристики наклонного теплообменника изучены значительно

под давлением, а также правила техники безопасности и

хуже и могут изменяться в широких пределах.

стандарты по холодильной технике.

♦ Нельзя устанавливать ПТО так, чтобы его задняя плита на"

♦ Перед пайкой тщательно очистите и обезжирьте соединяе"

ходилась внизу, а пластины располагались горизонтально

мые поверхности с помощью растворителей. В противном

(рис. 14 А).

случае припой может не покрыть всю поверхность пайки.

♦ Горизонтальное положение, изображенное на рис. 14 Б,

Желательно применять фирменные растворители, к кото"

предпочтительнее предыдущего. Для испарителя можно

рым прилагается инструкция.

ожидать потери тепловой мощности около 25 %, для кон"

♦ При сварке, как правило, не требуется обезжиривание, за

денсатора, по"видимому, меньше.

исключением случаев, когда оборудование эксплуатирует"

♦ Небольшой наклон блока, в пределах 5"10°, как показано на

ся в агрессивной атмосфере или работает с агрессивными

рис. 14В"Г, значительно снижает потери.

средами. Обезжиривание предотвращает повышение со"

♦ Конденсатор обязательно устанавливать так, чтобы патруб"

держания углерода в нержавеющей стали. При сварке угле"

ки для хладагента находились в нижней части ППТО (рис.

род может образовать карбид с содержащимся в стали хро"

14В). В противном случае конденсат закроет нагревающие

мом. Обычно это соединение образуется в определенных

поверхности. При таком расположении невозможен дренаж

зонах с обеих сторон от свариваемой поверхности. Сталь с

водной стороны.

обедненным содержанием хрома уже больше не является

♦ Патрубки для хладагента в испарителе могут располагаться

нержавеющей и может подвергаться коррозии.

в верхней части блока. В этом случае возможен слив воды

♦ При пайке или сварке продувайте через присоединяемую

из каналов водной стороны (также рис. 14В, но соединения

трубу азот, чтобы охладить агрегат и не допустить окисления.

меняются местами).

♦ Пропускайте воду по водной стороне. Включать подачу воды

следует до начала пайки или сварки, а отключать после за"

6.2. Монтаж

вершения сборки.

♦ При пайке водяное охлаждение не обязательно, но оно эф"

Обратимся к рис. 13. Необходимо исключить воздействие на

фективнее и дешевле, чем охлаждение азотом.

ППТО вибрации и теплового расширения труб. Добиться этого

♦ В зависимости от применяемого метода, при сварке может

можно следующим образом:

выделяться значительно больше теплоты, чем при пайке.

♦ Между опорной поверхностью и ППТО помещаются листы

Сварка TIG обычно не требует никакой дополнительной за"

резины или Armaflex.

щиты помимо водяного охлаждения. Если требуется отвести

♦ Компрессор оборудуется поглотителями вибрации.

большее количество теплоты, то основания патрубков мож"

♦ В случае длинных прямых труб применяют сильфонные

но обернуть влажной ветошью или поливать детали водой.

вставки или другие компенсаторы расширения труб.

♦ Легче отцентрировать соединяемые детали, если ППТО рас"

положен горизонтально. Пайка и сварка в этом положении

6.3. Изоляция

также проходят быстрее.

Площадь наружной поверхности ППТО мала, поэтому тепло"

♦ Применяйте припой, содержащий не менее 45 % Ag. Тем"

обменник можно устанавливать без изоляции. Если изоляция

пература пайки не должна превышать 650 °С. Ни в коем слу"

все же потребуется, для этого достаточно слоя Armaflex или

чае деталь не должна нагреваться до 800 °С

аналогичного материала толщиной 5"15 мм. Для большинства

♦ Сварка TIG и сварка в среде защитного газа сопровождают"

моделей ППТО можно приобрести уже раскроенные листы

ся наименьшим выделением теплоты, поэтому, по возмож"

Armaflex.

ности, следует применять именно эти методы.

Если аппараты, как конденсаторы, так и испарители, устанав"

ливаются вне помещений, где температура окружающего воз"

7. Гарантии работоспособности

духа опускается ниже нуля, то применение изоляции необхо"

димо, см. главу 7, «Замерзание».

теплообменников

Изоляция на СПТО должна быть съемной, чтобы не осложнять

Alfa Laval не принимает на себя обязательств доказывать, что

осмотр и профилактику пластин и уплотнителей.

производительность теплообменника соответствует номиналь"

ным характеристикам, если не предоставлена возможность

6.4. Соединительные патрубки

надлежащего измерения температуры, давления, расхода и т.д.

Водная сторона. Как правило, это резьбовые соединения, см.

Следовательно, при предъявлении претензий не Alfa Laval дол"

рис.15 А.

жна подтверждать, что теплообменник имеет заявленную про"

♦ Не допускайте загрязнения резьбы.

изводительность, а потребитель должен доказывать, что теп"

♦ Не затягивайте соединения слишком сильно. Рекомендо"

лообменник не соответствует номинальным параметрам.

ванные значения момента затяжки указаны в каталоге про"

Причина этого проста. Если доказательства обязан предста"

дукции.

вить разработчик установки, то он оснастит ее необходимой

♦ Уплотняющая прокладка должна находится между торцом

измерительной аппаратурой. Это обходится не дорого, если

патрубка и буртиком трубы, а не на резьбе.

предусматривается на этапе разработки.

♦ Для защиты и смазки резьбы применяйте Teflon, Molycote

или аналогичные материалы.

Оснащение измерительными приборами уже действующей

♦ Резьбовые соединения приемлемы, если патрубки легко

установки может быть крайне дорогой процедурой. Возмож"

доступны снаружи. Если же ПТО установлен внутри агрега"

но, придется останавливать установку, опорожнять резервуа"

та и, возможно, теплоизолирован, ПТО рекомендуется при"

ры, удалять изоляцию, разрезать сварочные швы и т.д. Поэто"

соединить к наружному трубопроводу через промежуточные

му в интересах разработчиков, пользователей и поставщиков

трубы, которые привариваются к патрубкам ПТО и соединя"

с самого начала оснастить установку необходимыми измери"

ются резьбой с внешним трубопроводом в месте, удобном

тельными приборами.

3. Конструкция и монтаж

Яркая полоса, проведенная по

диагонали через пакет пластин,

поможет обнаружить неправиль"

но смонтированную пластину.

Гибкий со"

единитель"

ный эле"

мент

А. Конденсатор Б. Испаритель непосредственного расширения В. Теплоутилизатор

Г. Опоры и основание

Рис. 13. Монтаж ППТО

А. Аппарат крепится к стене с помощью скоб (или арматуры).

В. Аппараты меньших размеров могут монтироваться на со"

Патрубки для воды выведены наружу для непосредственного

единительных трубах, если эти трубы прочно прикреплены к

присоединения водяных труб. Конденсат свободно сливает"

колонне или подобной опоре.

ся в жидкостный ресивер.

Г. Аппарат стоит на полу, на полке и т.п. Не устанавливайте

Б. Если ППТО оснащен стяжными болтами, используйте их для

аппарат непосредственно на полу, так как в этом случае его

крепления аппарата к колонне, стене и т.д. Выходная водяная

могли бы повредить вода и грязь. Используйте бетонный фун"

труба имеет верхнюю петлю для обеспечения надежного за"

дамент или что"нибудь подобное.

полнения теплообменника водой. Это особенно важно в слу"

чае низкого перепада давления.

5 - 10

Рис. 14. Недопустимые и нежелательные положения ПТО при монтаже

А. Не допускается установка аппарата с пластинами в гори"

В. Небольшой наклонен аппарата при подаче хладагента че"

зонтальном положении.

рез патрубки на нижней стороне приводит к следующему:

Б. Горизонтальное положение аппарата с пластинами в вер"

• Испаритель. Умеренное снижение тепловой мощности

тикальной плоскости лучше предыдущего. Хладагент пода"

(15"25 %).

ется через патрубки на нижней стороне. Сливать воду при

• Конденсатор. Тепловая мощность не уменьшается; лучшие

этом невозможно.

возможности для слива.

• Испаритель. Можно ожидать снижения тепловой мощнос"

Г. Не допускается наклонять аппарат, как показано на рисун"

ти не менее чем на 40-50 %.

ке. Тепловая мощность конденсаторов и, вероятно, испари"

• Конденсатор. Тепловая мощность не уменьшается, но зат"

телей значительно уменьшается.

руднен слив жидкости, что для конденсаторов очень важно.

Рис.15. Присоединение к патрубкам

А. Уплотнение в резьбовом соединении должно быть сдела"

В. Защищайте блок не только с помощью азота, но также при"

но с помощью прокладки, нельзя наносить уплотнение на

меняя водяное охлаждение на водной стороне. Дополнитель"

резьбу.

но можно обмотать нижнюю часть патрубка мокрой ветошью

или поливать водой.

Б. Желательно выполнять пайку, расположив блок горизон"

тально. Азот препятствует коррозии и обеспечивает охлаж"

Рекомендуется сварка TIG.

дение.

4. Испарители и сепараторы

Вначале эффект значителен, но со временем, как правило, ха"

1. Процесс испарения

рактеристики ухудшаются, вероятно, по причине загрязнения,

которое деактивирует центры парообразования. Изменения с

1.1. Что такое кипение?

течением времени характеристик испарителей в некоторых

♦ Кипение " это фазовый переход из жидкого в газообразное

случаях объясняется изменением качества поверхности. Тон"

состояние, в ходе которого теплота передается жидкости

кая пленка масла может сделать поверхность гладкой и тем

при температуре, равной или превышающей температуру

самым уменьшить коэффициент теплоотдачи (одновременно

кипения этой жидкости при данном давлении. Можно выде"

увеличив загрязнение).

лить два основных типа процессов кипения, имеющих раз"

личные механизмы:

Отложение частиц, образующихся при механическом износе

системы, может увеличить количество центров парообразова"

êèïåíèå â áîëüøîì îáúåìå,

ния и этим улучшить коэффициент теплоотдачи.

êèïåíèå â ïîòîêå èëè êîíâåêòèâíîå êèïåíèå.

Масло, растворенное в хладагенте, может увеличить коэффи"

♦ Фазовый переход, который происходит при понижении

циент теплопередачи. С увеличением концентрации масла в

давления насыщенной жидкости, теплоизолированной от

хладагенте коэффициент теплоотдачи сначала увеличивает"

окружающей среды, не считается кипением, хотя имеет

ся (до концентрации масла 3"5 %), затем начинает уменьшать"

много общего с истинным процессом кипения. Таким об"

ся. Улучшение теплоотдачи можно объяснить уменьшением

разом, испарение, которое происходит в терморегулиру"

поверхностного натяжения раствора, что способствует акти"

ющем вентиле, не является процессом кипения.

визацию большего количества центров парообразования. При

более высоких концентрациях масла преобладает другой эф"

фект - снижение коэффициент теплоотдачи из"за увеличения

1.2. Типы кипения

вязкости.

Кипение в большом объеме. Процессы кипения протекают

по этому типу, если поверхность теплопередачи погружена в

К сожалению, очень трудно предсказать изменение коэффи"

относительно большой объем неподвижной жидкости. Пере"

циента теплоотдачи по изменению условий пузырькового ки"

мешивание жидкости происходит лишь за счет естественной

пения. Даже для самых лучших корреляций ошибки могут

конвекции и движения пузырьков. Примером может служить

достигать нескольких сотен процентов. Более того, очень

кипение воды в обычной кастрюле или кипение на поверхнос"

трудно точно определить состояние поверхности. Неболь"

ти погруженной в жидкость горячей проволоки, такое устрой"

шие отклонения в обработке материалов, из которых выпол"

ство часто используется для изучения процесса кипения в боль"

нены поверхности нагрева, могут несколько видоизменить

шом объеме.

структуру поверхностей, вызвать разную степень окисления;

хранение при разных условиях может повлиять на степень

На рис. 1А показано изменение теплового потока от горячей

коррозии и т.д.

проволоки по мере увеличения разности температур между

проволокой и жидкостью. Из этого графика следует, что тепло"

К счастью - с точки зрения конструктора - данный механизм

обменник следует конструировать так, чтобы температура ки"

кипения обычно редко используется в промышленности, осо"

пения была близка к точке 4, т.е. к точке максимального тепло"

бенно в испарителях холодильных установок.

вого потока. Эту точку обычно называют кризисом кипения.

Основным механизмом теплоотдачи в данной зоне является

Кипение в потоке. При протекании двухфазной смеси жидко"

пузырьковое кипение.

сти и пара по каналу возможны различные режимы потока. Раз"

Образование пузырьков начинается не в жидкости, а в актив"

ные исследователи предлагают различные классификации этих

ных центрах парообразования на поверхности теплоотдачи. Это

режимов. На рис. 1 Б показано несколько моделей потока в

объясняется тем, что для поддержания пузырька против дей"

прямых каналах (в зависимости от содержания пара). Доля пу"

ствия сил поверхностного натяжения, которые стремятся его

зырькового кипения в общем теплопереносе обычно мала, но

уничтожить, требуется значительно больший перегрев в слу"

играет важную роль на начальном этапе испарения в термоси"

чае свободного пузырька, чем в случае пузырька, прикреплен"

фонном испарителе.

ного к центру парообразования. Поверхностное натяжение уве"

личивает давление в свободном пузырьке, в результате пар

Главная роль в этом механизме теплоотдачи принадлежит двух"

конденсируется и пузырек захлопывается.

фазной конвекции. Этот процесс аналогичен обычному турбу"

лентному теплообмену между жидкостью и стенкой с той раз"

Центрами парообразования могут быть высокоэнергетические

ницей, что число Рейнольдса в данном случае значительно

группы молекул, полости, образованные инородными приме"

больше, т.е. холодные частицы жидкости нагреваются у стенки

сями, загрязнения, местные деформации и напряжения и т.д.

и затем перемещаются в более холодную жидкость, где отда"

Вероятно, наилучшим центром парообразования может слу"

ют теплоту.

жить коническое углубление на поверхности.

Количество центров парообразования, а также интенсивность

Этот тип теплоотдачи не зависит от состояния поверхности

образования на них пузырьков является функцией свойств по"

теплообмена, и поэтому в данном случае можно легче добить"

верхности, теплового потока, давления и физических свойств

ся корреляции, чем для коэффициентов теплоотдачи при пу"

жидкости. Вообще говоря, грубая поверхность, например, кор"

зырьковом кипении. К счастью, именно этот механизм тепло"

родированная сталь, дает более высокий коэффициент тепло"

передачи обычно используется в испарителях холодильных

отдачи, чем гладкая поверхность, например, стекло или, тем

установок.

более, тефлон. Исследовались различные методы обработки

поверхности для увеличения количества центров парообразо"

вания и, соответственно, коэффициента теплоотдачи. Это мо"

жет быть пескоструйная обработка пластин из нержавеющей

стали или напыление расплавленной меди либо других метал"

лов на поверхность нержавеющей стали.

4. Испарители и сепараторы

Рис. 01 А. Теплоотдача при кипении в большом объеме на нагретой проволоке

1 2. Свободная конвекция. В этой зоне пузырьки не обра"

5. Частичное пленочное кипение. Тепловой поток дос"

зуются.

таточно велик, чтобы часть поверхности была покрыта паром.

Однако это ведет к снижению коэффициента теплоотдачи

3. Кипение в фазе переохлаждения. На поверхности

вследствие теплоизолирующих свойств газа.

проволоки образуются пузырьки, но с перемещением в бо"

лее холодный слой жидкости они захлопываются. Коэффи"

5 6. Устойчивое пленочное кипение. Вся поверхность по"

циент теплопередачи быстро растет на этом этапе, так как к

крыта пленкой пара. В этой зоне коэффициент теплоотдачи

естественной конвекции, обеспечивающей сравнительно низ"

минимальный.

кую теплоотдачу, добавляется пузырьковое кипение.

6 7. Устойчивое пленочное кипение с тепловым излуче

3 4. Пузырьковое кипение в фазе насыщения. На прово"

нием. Разность температур достаточно велика, чтобы тепло"

локе происходит образование пара. Коэффициент теплоот"

вое излучение составляло все более важную часть общего

дачи в этой зоне имеет максимальное значение (кризис ки"

теплового потока.

пения).

Рис. 01 Б. Различные режимы для вертикального восходящего двухфазного потока в круглом

канале.

1. Кипение в фазе переохлаждения. Пузырьки захлопыва"

5. Кольцевой поток. Пар движется с достаточной скорос"

ются с перемещением в более холодный слой жидкости.

тью, чтобы поднимать с собой кольцо жидкости. Коэффици"

ент теплоотдачи очень велик и поток стабилен.

2. Пузырьковый поток. Происходит образование чистого

пара.

6. Эмульсионный поток. Двухфазный поток представляет

собой капли жидкости в паре, а не пузырьки в жидкости. Ко"

3. Пробковый поток. Пузырьки сливаются в газовые проб"

эффициент теплоотдачи низкий, характерный для газа.

ки, занимающие большую часть сечения канала.

4. Встряхивающийся поток. В этом режиме жидкость течет

вдоль стенок, но скорость пара недостаточно велика, чтобы

поток был стабильным.

4. Испарители и сепараторы

1.3. Поток в каналах между гофрированными

2.3. Испарители холодильных установок

пластинами

На выходе из конденсатора хладагент является немного пе"

Потоки в плоских каналах изучены значительно хуже, чем в пря"

реохлажденной жидкостью с весьма высокими температурой

мых трубах. Испытания, проведенные фирмой Альфа Лаваль,

и давлением. Перед подачей в испаритель хладагент нужно

показали, что такой поток, как можно было ожидать, представ"

привести в состояние, при котором он будет иметь темпера"

ляет собой более однородную смесь пара и жидкости, чем

туру и давление испарения. Это достигается расширения хла"

представленный на рис. 01 Б.

дагента, при котором он частично испаряется. Энергия, ко"

торую отдает охлаждаемое тело, поглощается испаряющим"

Гофрированная поверхность вызывает энергичное смешивание

ся хладагентом.

потоков из двух половин канала. Можно сказать, что одна по"

ловина канала принадлежит одной пластине, а вторая " проти"

Испарители классифицируются в соответствии с тем, как осу"

воположной пластине.

ществляется расширение.

Частица потока, двигающаяся вдоль канавки канала, очень бы"

Рециркуляционный испаритель может быть термосифон"

стро перемещается на другую половину канала. Здесь она из"

ным, насосным или эжекторным (рис. 02 Б " Г).

меняет направление, какое"то время двигается вдоль другой

Двухфазная смесь на выходе регулирующего вентиля раз"

пластины, а затем вновь возвращается к первой. Таким обра"

деляется на пар и жидкость в сепараторе. Эта жидкость сме"

зом, она двигается по траектории, напоминающей винтовую

шивается с жидкостью, выходящей из испарителя, и вновь

линию. Это обеспечивает очень эффективное перемешивание

подается на вход испарителя. Пар смешивается с паром из

потока.

испарителя и возвращается в компрессор.

Этот тип испарителя всегда работает с коэффициентом ис"

парения менее 100 %. Таким образом, поверхность нагре"

ва всегда смочена хладагентом. Коэффициент теплоотда"

2. Классификация испарителей

чи высокий, поэтому достаточно небольшой площади по"

верхности теплообмена, но такая конструкция требует се"

2.1 Аппараты кипения в большом объеме

паратора.

Поверхность теплоотдачи, т.е. ряд труб с протекающей внутри

нагревающей средой, погружена в испаряемую жидкость. Жид"

Для затопленного испарителя необходима специальная си"

кость неподвижна. Теплоотдача происходит в основном за счет

стема регенерации масла, т.к. в испаритель поступает жид"

пузырькового кипения. Пар отделяется от жидкости над пуч"

кий хладагент вместе с маслом, а выходит из него только

ком труб внутри кожуха. Иногда сразу над испарителем уста"

пар хладагента.

навливается сепаратор. Такой тип аппаратов используется, в

В случае аммиачного испарителя масло (нерастворимое,

основном, в больших промышленных холодильных установках.

более тяжелое, чем аммиак) отводится из нижней точки

Его преимуществом является стабильная работа при различ"

контура сепаратор"испаритель (глава 1, «Приложения»,

ных рабочих условиях.

рис. 10). Если масло растворяется в хладагенте, требует"

Поскольку пластинчатые теплообменники не являются аппара"

ся испаритель возврата масла (глава 1, «Приложения»,

тами кипения в большом объеме, данный тип аппаратов не рас"

рис. 19).

сматривается в настоящей книге.

Испаритель непосредственного расширения. Двухфаз"

ная смесь из регулирующего вентиля поступает непосред"

ственно в испаритель. Здесь эта смесь полностью испаря"

2.2. Аппараты кипения в потоке

ется, и пар выходит из испарителя несколько перегретым.

Значение перегрева используется для управления регули"

♦ Ïðÿìîòî÷íûå èñïàðèòåëè. Испаряемая жидкость посту"

рующим вентилем (рис. 2 А).

пает в теплообменник и полностью или частично испаряет"

ся. После испарителя жидкость и пар разделяются и исполь"

На заключительном этапе испарения, когда содержание

зуются в дальнейших процессах.

пара приближается к 100 %, теплоотдача мала, поскольку

происходит путем конвекции в газовой фазе. Поэтому та"

Испарители этого типа характеризуются коротким време"

кой испаритель требует большей площади поверхности

нем пребывания жидкости в испарителе. Это означает быс"

теплообмена сравнительно с рециркуляционным испари"

трый отклик на изменение рабочих условий.

телем, но в этом случае не требуется специальный сепа"

♦ Ðåöèðêóëÿöèîííûå èñïàðèòåëè. После испарения пар и

ратор.

жидкость разделяются, и эта неиспарившаяся жидкость

Масло вместе с хладагентом возвращается в компрессор.

смешивается с новой поступающей жидкостью и возвраща"

ется на вход испарителя. Рециркуляция осуществляется

посредством насоса, естественной конвекции - по принци"

пу термосифона - или с помощью эжектора. Время отклика

меньше, чем в случае прямоточных аппаратов.

♦ Àïïàðàòû ïðîìåæóòî÷íîãî òèïà. В испарителях с пада"

ющей пленкой испарение происходит в потоке, но тепло"

отдача осуществляется в основном за счет пузырькового

кипения. Этот тип испарителей редко применяется в хо"

лодильных установках, хотя использовался в технологиях,

использующих цикл Ренкина на органическом рабочем

теле. Преимуществом аппаратов данного типа является

возможность испарения при почти постоянной температу"

ре, что позволяет применять их при очень малых перепа"

дах температур.

4. Испарители и сепараторы

Пар хладагента

к компрессору

Регулирующий

Перегретый пар хладагента

вентиль управля"

ется по уровню

к компрессору

хладагента

Хладагент из

конденсатора

Терморегулиру"

ющий вентиль

Циркулирующий

хладагент

Охлажденная

Жидкий хладагент

Электромагнитный

Частично испарившийся

вода или рассол

из конденсатора

запорный клапан

хладагент

Рис. 02 А. Испаритель непосредственного

Рис. 02 Б. Термосифонный испаритель

охлаждения

Жидкий хладагент испаряется в регулирующем вентиле, ус"

Хладагент поступает в терморегулирующий вентиль, в кото"

тановленном перед отделителем жидкости. Жидкий хлада"

ром он частично испаряется и, соответственно, охлаждает"

гент стекает из отделителя жидкости в испаритель и в нем

ся. ТРВ управляется перегревом на выходе испарителя. Двух"

частично испаряется. Парожидкостная смесь из испарителя

фазный хладагент поступает в испаритель, где полностью

разделяется в отделителе жидкости. Пар из отделителя жид"

испаряется и перегревается.

кости поступает в компрессор, а жидкость вновь возвраща"

ется в испаритель.

Масло остается в жидкой фазе, как правило, в виде тумана

или мелких капель, и уносится с паром к компрессору.

Данная система применима для аммиачных и фреоновых ис"

парителей, которые различаются только системой регене"

рации масла (на рисунке не показана).

Пар хладагента

к компрессору

Хладагент из конденсатора

Регулирующий вентиль

управляется по уровню

хладагента

Циркулирующий

Частично испарив"

хладагент

шийся хладагент

Циркулирующий

хладагент

Эжектор

Частично испарившийся хлада"

Насос размещается в приямке.

гент из регулирующего вентиля

Это позволяет увеличить абсолют"

ное давление и, соответственно,

Рис. 02 Г. Инжекторный рециркуляционный испаритель

температуру кипения, что снижает

Это комбинация термосифонного испарителя и испарителя не"

опасность кавитации.

посредственного расширения. Расширяющийся хладагент вы"

полняет роль эжекторного насоса, который поддерживает цир"

Рис. 02 В. Насосный рециркуляционный

куляцию.

испаритель

Эта система сложна в управлении. Необходим очень точный рас"

чет эжектора, причем эжектор должен работать постоянно, ина"

По конструкции он мало отличается от термосифонного ис"

че направление потока может измениться. Кроме того, на входе

парителя, но циркуляция хладагента в этом случае поддер"

испарителя требуется распределитель парожидкостной смеси.

живается насосом.

Эта конструкция применима только с растворимым маслом. Не"

Такая схема предоставляет больше свободы в выборе места

растворимое масло распыляется в эжекторе и частично попада"

установки отделителя жидкости. Можно увеличить перепад

ет в каналы, так как не успевает осесть. В каналах оно загрязняет

высот, количество клапанов или изгибов в трубопроводе.

нагревающую поверхность и тем самым ухудшает теплообмен.

4. Испарители и сепараторы

По определению термосифон подразумевает циркуляцию под

3. Затопленный или

действием различия плотности хладагента в двух ветвях кон"

рециркуляционный испаритель

тура испаритель " сепаратор, горячей и холодной. Предполо"

жим, что агрегат, представленный на рис. 03, не работает, но

3.1. Общие принципы

заполнен хладагентом. Оба клапана открыты. Уровень хлада"

На рисунке 03 представлен общий принцип рециркуляционно"

гента в отделителе жидкости такой же, как в испарителе.

го испарителя. Испаритель соединен с отделителем жидкости

двумя трубами, нижняя из которых служит для питания испа"

Когда в испаритель с другой стороны подается охлаждаемая

рителя жидкостью, а верхняя для возврата не испарившейся

среда, хладагент разогревается, постепенно начинается кипе"

части жидкости в сепаратор.

ние и каналы частично заполняются поднимающимися вверх

пузырьками. Таким образом, средняя плотность в ветви, пред"

В сепараторе постоянно поддерживается определенный уро"

ставленной испарителем, оказывается значительно меньшей,

вень жидкости, обычно значительно выше верхней точки испа"

чем в ветви, образованной отделителем жидкости и нисходя"

рителя. Поэтому такой испаритель постоянно заполнен жид"

щей трубой.

костью и называется затопленным испарителем.

Следовательно, эти две ветви не сбалансированы и хладагент

В зависимости от движущей силы циркуляции затопленные

постепенно начинает поступать в испаритель из отделителя

испарители подразделяются на термосифонные, в которых

жидкости по нисходящей трубе. В верхней части испарителя

движущей силой является разница в плотности хладагента в

двухфазная смесь выдавливается в отделитель жидкости, в

двух ветвях контура отделитель жидкости "испаритель, и ис

котором жидкость и пар разделяются. В нижней части испари"

парители с принудительной циркуляцией, в которых дви"

теля поступающий хладагент разогревается и затем начинает

жущая сила создается насосом или эжектором.

кипеть. Таким образом, двухфазная смесь постоянно находит"

ся в каналах теплообменника.

Коэффициент циркуляции " отношение общего количества хла"

дагента, поступающего в испаритель, к количеству испаривше"

По мере увеличения скорости циркуляции увеличивается пе"

гося вещества " может варьировать от 5 до 10 для кожухотруб"

репад давлений в трубах и аппаратах контура, и, наконец, этот

ных теплообменников и составляет около 1,2 для ПТО, как пая"

перепад давлений уравновешивает движущую силу (см. рис.

ных, так и полусварных. Чем меньше коэффициент циркуляции,

03). Система приходит в стационарное состояние, расход хла"

тем меньше объем трубопровода и сепаратора и, следователь"

дагента через испаритель и доля испаренного хладагента по"

но, меньше общее содержание хладагента в установке.

стоянны.

В данном испарителе поверхность нагрева постоянно смачи"

В отделитель жидкости поступает насыщенная парожидкост"

вается хладагентом. Это существенно, т.к. теплоотдача в дан"

ная смесь. Здесь жидкость отделяется, и хладагент вновь по"

ном случае идет по двухфазному конвективному типу (пар в

ступает в испаритель, но теперь уже не в насыщенном состоя"

жидкости), т.е. коэффициент теплопередачи выше, чем в ис"

нии. Температура здесь такая же, как в отделителе жидкости,

парителях непосредственного расширения. В последних теп"

но давление выше на величину гидростатического напора меж"

лоотдача на этапе окончания испарения и перегрева пара осу"

ду уровнем жидкости в сепараторе и входом в испаритель, т.е.

ществляется в газовой среде, т.е. с низким коэффициентом.

хладагент переохлажден.

Это означает, что в первой части теплообменника происходит

лишь повышение температуры, но не кипение. Однако по мере

3.2. Область применения

продвижения хладагента вверх давление снижается, что вызы"

Небольшой размер затопленного испарителя сравнительно

вает уменьшение переохлаждения.

с испарителем непосредственного расширения делает этот

тип предпочтительным для установок большой производи"

Эти два эффекта (повышение температуры и снижение давле"

тельности. В таких установках стоимость испарителя играет

ния) приводят к тому, что через некоторое время хладагент

более важную роль, чем дополнительная стоимость отдели"

достигает точки кипения и закипает, хотя и при более высокой

теля жидкости.

температуре, чем на выходе. Давление продолжает падать из"

за изменения высоты и гидравлического сопротивления, и хла"

Небольшие ППТО редко используются как затопленные испа"

дагент, теперь в насыщенном состоянии, продолжает подни"

рители. Иногда их применяют в качестве дополнительных ох"

маться при уменьшении температуры и вновь поступает в от"

ладителей масла, воды или хладагента в больших установках.

делитель жидкости.

Более крупные ППТО могут использоваться в качестве затоп"

ленных испарителей для различных хладагентов, кроме ам"

На рис. 03 Б показано изменение температуры от входа до вы"

миака.

хода испарителя. Обратите внимание на небольшое падение

температуры хладагента, которое объясняется падением дав"

По причинам, приведенным ниже, для аммиака предпочтитель"

ления в выходном трубопроводе. Это падение температуры не

ны затопленные испарители, и недавно разработанные нике"

связано с переносом теплоты, а обусловлено адиабатическим

левые паяные ПТО могут применяться в качестве аммиачных

(т.е. без теплообмена с окружающей средой) расширением

затопленных ПТО.

двухфазного хладагента. По причине этого падения темпера"

туры температура на выходе теплообменника несколько выше,

чем на входе.

3.3. Термосифоны

В аммиачных системах в нижней точке данного контура проис"

Это наиболее экономичное решение для затопленных испари"

ходит слив масла. Подробнее об этом в главе 8. «Масла и хла

телей, поскольку исключает затраты на насос и его эксплуата"

дагенты».

цию. Однако коэффициент циркуляции в большой степени за"

висит от теплопереноса и падения давления в различных час"

тях этой системы, которые, в свою очередь, зависят от цирку"

ляции, т.е. наблюдается взаимодействие и взаимозависимость

между падением давления, скоростью циркуляции и теплопе"

редачей в системе циркуляции.

4. Испарители и сепараторы

Сопротивление

Двухфазная смесь

к отделителю жидкости

гидростатический напор

двухфазной смеси

Смотровое стекло

гидравлическое

для освещения и ви"

сопротивление

зуального контроля

при конвекции

двухфазной смеси

Запорный клапан

Отделитель

жидкости

Жидкость

Смотровое

стекло для

освещения

и визуально"

го контроля

Кольцевой поток

Встряхивающийся

поток

Пробковый

поток

Движущая сила =

гидростатический

Пузырьковый

напор жидкого

поток

хладагента

Пузырьковое

кипение

Кипение в фазе

переохлаждения

Регулирующий или

запорный клапан

Подогрев

˚C

Жидкость

Профили температур

по высоте канала

Пластинчатый

Хладагент посту"

теплообменник

пает в испаритель

Возврат масла в компрессор

Рис. 03. Использование пластинчатого теплообменника в качестве термосифонного испарителя

Вода поступает снизу, т.е. прямотоком. Такое устройство

противление. На рисунке также показан дренаж масла для

объясняется тем, что при прямотоке первоначальная раз"

систем с нерастворимым маслом, более плотным, чем хла"

ность температур (крайне важная для начала кипения) боль"

дагент. На практике это означает аммиачные системы (с по"

ше, чем при противотоке. Выходная труба должна быть как

лусварными или никелевые паяными ПТО).

можно более короткой и по возможности без изгибов. Если

есть необходимость в запорном клапане, он должен быть

такого типа и размера, чтобы иметь как можно меньшее со"

4. Испарители и сепараторы

3.4. Определяющие моменты при

3.4.6. Доля пара на выходе

конструировании термосифонов

ППТО работают при более низких коэффициентах циркуляции,

чем КТТО. Как правило, доля пара на выходе составляет от 70

3.4.1. Падение давления

до 90 %, т.е. коэффициент циркуляции равен 1,4 " 1,1.

♦ Предположим, что в системе имеются какое"то оборудова"

ние - испаритель, трубы, клапаны, колена трубопровода, -

3.4.7. Слив масла

перепад давлений в котором выше нормального для конту"

Основной принцип слива нерастворимого масла с более вы"

ра циркуляции. Тогда возникает соблазн увеличить напор,

сокой чем у хладагента плотностью состоит в следующем.

поместив отделитель жидкости как можно выше над испа"

рителем (Рис. 02 В и 04 А2), увеличивая тем самым движу"

Нужно так организовать систему, чтобы после расширения

щую силу. Но при этом могут возникнуть следующие про"

хладагента масло осело как можно быстрее, до того как оно

блемы.

попадет в каналы.

♦ Большой гидростатический напор увеличивает переохлаж"

Слив нужно производить из нижней точки контура.

дение хладагента на входе в испаритель по сравнению с

См. рис. 6 " 8 в этой главе и главу 8, «Масло и хладагенты».

«нормальной» установкой (рисунки 02 Б и 04 А1).

Учитывая эти требования, использование эжектора для цирку"

♦ Зона подогрева удлиняется. Поскольку в данной зоне коэф"

ляции хладагента (см. рис. 2Г) представляется сомнительным

фициент теплопередачи низкий, это может потребовать ус"

решением. Масло попадает из регулирующего вентиля в эжек"

тановки более мощного испарителя.

тор полностью диспергированным в хладагенте и проникает

♦ Из"за большего переохлаждения хладагент нагревается до

в каналы. Значительная часть его здесь и остается.

более высокой температуры перед достижением точки ки"

пения, т.е. уменьшается эффективная разность температур

(см. рис. 04 А2). В итоге может произойти пересечение тем"

3.5. Нарушения работы термосифонов

пературных кривых, т.е. ситуация, при которой работа испа"

рителя невозможна.

3.5.1. Неустойчивость

Термосифонный испаритель, являясь частью контура со

сравнительно сложной системой управления, может рабо"

3.4.2. Температура испарения

тать нестабильно. Это бывает связано с неверной настрой"

При уменьшении температуры испарения переохлаждение уве"

кой системы управления, несогласованностью различных

личивается. Пример:

компонентов системы и т.д. Однако есть два вида неустой"

♦ Аммиак при 0 °С переохлажден на 3 К, если давление на 0,5

чивости, которые непосредственно связаны с контуром цир"

бар больше давления насыщения.

куляции и поэтому специфичны для термосифонных испа"

рителей.

♦ Аммиак при "30 °С переохлажден на 7 К, если давление на

0,5 бар больше давления насыщения.

♦ Íåóñòîé÷èâîñòü 1. Предположим, что гидростатический

напор является основной причиной падения давления в ис"

Конечный результат будет тот же, как в § 3.4.1, т.е. это пониже"

парителе, а падение давления вследствие трения двухфаз"

ние коэффициента теплопередачи и СРТ. При очень низких тем"

ного хладагента пренебрежимо мало. Обычно это означа"

пературах хладагент R22 следует заменить хладагентом с бо"

ет небольшое среднее содержание пара. Небольшое уве"

лее крутой кривой давление"температура.

личение разности температур вызывает уменьшение плот"

ности двухфазной смеси и уменьшение гидростатическо"

го напора, что ведет к усилению циркуляции. Падение дав"

3.4.3. Распределение потока и двойные выходы

ления, обусловленное силами трения, слишком мало и не

При большом количестве пластин возможно неравномерное

влияет на скорость циркуляции. Усиление циркуляции улуч"

распределение хладагента по каналам. В этом случае рекомен"

шает теплопередачу, что ведет к дальнейшему увеличению

дуется использовать двойные выходы на стороне хладагента.

испарения, уменьшению статического напора, усилению

Заметьте, что расположение труб с двух сторон должно быть

циркуляции и т.д.

как можно более симметричным. Это действительно и для си"

стем, где два испарителя подсоединены к одному отделителю

Таким образом, незначительное увеличение разности тем"

жидкости (см. рис. 05).

ператур вызывает большое усиление циркуляции со все"

ми вытекающими из этого проблемами управления.

3.4.4. Минимальная разность температур

Поскольку содержание пара в пластинчатом теплообмен"

Минимальная разность между температурой стенки и темпе"

нике обычно велико и потому велико падение давления,

ратурой насыщения входящего хладагента, необходимая для

обусловленное трением двухфазной смеси, для пластин"

кипения, составляет 2"3 К. Эта величина сильно зависит от типа

чатых теплообменников эта проблема не характерна.

хладагента и состояния поверхности пластины.

♦ Íåóñòîé÷èâîñòü 2. Второй тип нестабильности возмо"

жен при интенсивном образовании пара и большой раз"

3.4.5. Прямоток или противоток?

ности температур. Если падение давления на выходе ис"

Обычно при противотоке разность температур больше, что по"

парителя превышает норму (слишком узкие или длин"

зволяет использовать меньший испаритель.

ные трубы, много изгибов, клапаны с большим сопро"

тивлением и т.д.), доступный напор недостаточен для

Однако если разность температур мала (< 10 °С), прямоток

того, чтобы преодолеть это сопротивление. Происходит

может оказаться предпочтительнее, т.к. при этом достигается

запирание потока. Хладагент выталкивается из входа в

самая высокая температура стенки в месте входа хладагента.

испаритель.

Высокая температура стенки очень существенна для начала

кипения (см. рис. 02, 1 и 2).

Åñëè îòíîøåíèå ðàçíîñòåé òåìïåðàòóð íà âõîäå è íà âû-

õîäå îêàçûâàåòñÿ ñëèøêîì áîëüøèì (больше двух), проти"

воток может оказаться предпочтительнее, поскольку делает

систему более устойчивой (см. § 3.5).

4. Испарители и сепараторы

Температура

Начальная раз"

Температура

ность температур

испарения

при прямотоке

Температура в отделителе жидкости

Начальная разность тем"

ператур при противотоке

Длина канала

Рис. 04. Температурная программа для термосифонного испарителя

1. Хладагент, нормальный рабочий режим.

При прямотоке температурные кривые двух сред могут смыкать"

ся, эта зона отмечена на рисунке галочкой. При работе с разре"

2. Среды подаются в противотоке. Разность температур на вхо"

жением уровень жидкости в сепараторе должен быть как можно

де хладагента мала, поэтому кипение начинается поздно, сле"

ниже, чтобы уменьшить зону предварительного нагрева.

довательно, требуется теплообменник с большой площадью.

5. Если падение давления в испарителе велико, то и гидроста"

3. Среды подаются в прямотоке. Разность температур на вхо"

тический напор должен быть большим, т.е. отделитель жидко"

де хладагента велика, поэтому кипение начинается быстро.

сти должен быть размещен достаточно высоко над выходом

Однако при очень большой разности температур прямоток

испарителя или же необходимо применить насос (рис. 02 В).

может привести к неустойчивости системы (см. § 3.5.1). В

Это приведет к значительному падению давления и суще"

этом случае попробуйте применить противоток, если разность

ственной разности температур между выходом испарителя и

температур на входе достаточна для начала кипения.

отделителем жидкости.

4. Работа в условиях разрежения. Изменение температуры

Температура испарения (измеренная на выходе испарителя) в

при определенном изменении давления насыщения тем боль"

этом случае оказывается выше, чем температура сепаратора.

ше, чем меньше давление насыщения. Приходится сильно на"

гревать хладагент, чтобы начался процесс кипения, но тем"

Эта разность температур тем больше, чем меньше давление.

пература вновь начинает падать. Это означает большую зону

Данный эффект, в том числе по своим последствиям для схем с

подогрева и уменьшенную СРТ.

прямотоком и противотоком, аналогичен эффекту разрежения.

Шаровые или конусные краны

имеют наименьшее гидравли"

ческое сопротивление

Несимметричная схема

Наличие

здесь фланца

облегчает

разборку

СПТО

Рис. 05. Расположение трубопроводов для ПТО с двойными выходами

Выходные трубопроводы оказывают большое влияние на рас"

распределение, при условии, что выходные трубопроводы сим"

пределение хладагента в каналах. Наличие двух выходов умень"

метричны. Расположение входного трубопровода не столь важ"

шает скорость в выходных отверстиях и тем самым улучшает

но, потому что скорость потока здесь значительно меньше.

4. Испарители и сепараторы

Это вызывает уменьшение испарения и падение давления, и

m) Проверьте температуру хладагента на выходе. Соответству"

двухфазная смесь выходит из испарителя. Хладагент вновь

ет ли она давлению? Если пар перегревается, коэффици"

заполняет испаритель и цикл повторяется. Эта проблема бо"

ент теплопередачи резко падает.

лее серьезная, чем первая, т.к. она имеет колебательную при"

n) Эффективна ли регенерация масла в аммиачной машине?

роду. Кроме трудностей управления, снижается производи"

(См. главу 1, «Приложения», рис. 10.) В противном слу"

тельность испарителя, т.к. часть времени он не функциониру"

чае, масло может покрыть поверхность нагрева и уменьшить

ет. Эту проблему можно решить установкой клапана на входе

теплопередачу.

хладагента.

o) Имеется ли испаритель возврата масла в системе с раство"

Проблема усугубляется, если разность температур на входе

римым маслом? (См. главу 1, «Приложения», рис. 19.)

очень велика, а на выходе - мала. Такое возможно в случае пря"

Если нет, масло не покроет поверхность нагрева, как в пре"

мотока (см. рис. 04). В таком случае скорость испарения мо"

дыдущем случае, но физические свойства хладагента бу"

жет быть больше в начале канала, чем в конце, и пар стремится

дут ухудшены (повышенная вязкость) и теплопередача

выйти в обратном направлении. В таком случае лучше подхо"

уменьшится.

дит противоток. Обратный поток можно предотвратить уста"

новкой регулирующего клапана, как было описано выше.

p) Измерьте температуру (по возможности, истинную темпе"

ратуру и соответствующее давление) на выходе испарите"

ля и выходе отделителя жидкости, а также давление всасы"

3.5.2. Эффективность теплопереноса

вания. Слишком большая разница указывает на стеснение

a) Проверьте все значения расходов, температур, перепа"

потока.

дов давлений и т.д. Не указывают ли перепады давлений

q) Обратите особое внимание на возможность захвата хлада"

на нарушения в работе? На стеснение потока воды, из"

гента в петле, направленной вниз.

быток масла?

Имеется ли вода в аммиачной системе? Чем больше содер"

b) Переставьте термометры местами. Неточные термометры

жание воды в аммиаке, тем выше температура испарения

могут не зафиксировать незначительную разность темпе"

при данном давлении. Поскольку работа системы управле"

ратур.

ния основана главным образом на давлении, это может мас"

Пример. Измеренная разность температур (в схеме с пря"

кировать уменьшение разности температур.

мотоком) равна 4 К. Термометр на выходе охлаждаемой сре"

Проверьте, нет ли стеснения потока в контуре хладагента?

ды имеет погрешность +0,5 К, а термометр на выходе хла"

Не слишком ли много в нем клапанов? Нет ли клапанов со

дагента "0,5 К. При перестановке термометров местами по"

слишком большим DР, многочисленных изгибов и т.п.? Осо"

лучается разность температур в 2 К. Средняя от этих двух

бенно опасны стеснения потока на выходе пара. Как выг"

измерений, 3 К, ближе к истинному значению.

лядит вход пара в отделитель жидкости? Нет ли здесь стес"

c) Произведите повторную проверку коэффициента теплопе"

нения?

редачи, используя различные комбинации температур и рас"

Перегрев пара может означать следующее:

ходов.

♦ Вода в аммиаке (см. пункт [r] выше).

d) Проверьте, нет ли различий в температуре на наружной по"

верхности испарителя. Большие различия могут свидетель"

♦ Стеснение потока хладагента к испарителю (см. пункт [s]

ствовать о неправильном распределении на одной или на

выше) означает, что производительность испарителя ис"

другой стороне.

пользуется не полностью и пар перегревается.

e) Проверьте охлаждаемую среду. Если это гликоль или ана"

Заметьте, что перегрев пара означает неполное исполь

логичная жидкость, проверьте ее концентрацию и (или) вяз"

зование возможностей испарителя, т.е. если увеличить

кость. Слишком высокая концентрация ухудшает теплопе"

подачу хладагента, то увеличится испарение. Это аналогич"

редачу, а слишком низкая может привести к образованию

но слишком холодному конденсату на выходе из конденса"

льда.

тора. В обоих случаях эта проблема лежит вне пластинчато"

го теплообменника.

Проверьте, не образуется ли лед в испарителе. Лед ухуд"

шает теплопередачу, и выходная температура при этом мо"

жет вырасти.

3.6. Отделение масла

g) Проверьте испаритель: нет ли загрязнения на стороне воды

Ðàñòâîðèìîå ìàñëî, поступающее в контур испаритель"се"

и избытка масла со стороны хладагента.

паратор, постепенно концентрируется в хладагенте по мере

h) Соответствует ли производительность конденсатора и ком"

возвращения чистого пара хладагента из испарителя в комп"

прессора их техническим характеристикам? Если да, то и

рессор. Необходимо отвести из этого контура небольшую часть

производительность испарителя тоже должна им соответ"

хладагента, испарить хладагент и вернуть масло в линию вса"

ствовать. Если это не так, где"то есть неисправность.

сывания (см. § 16 в главе 1, «Приложения»).

Если в хладагентах (это касается только фреонов) содер"

Íåðàñòâîðèìîå ìàñëî, áîëåå ïëîòíîå ÷åì õëàäàãåíò (т.е.

жится вода, в регулирующем вентиле возможно образова"

аммиачные системы). Более или менее чистое масло собира"

ние льда, который будет стеснять поток.

ется в нижней части контура и может быть отведено оттуда. См.

рисунки 02 и 07 в данной главе и рисунок 10 и § 13 в главе 1,

Проверьте подачу хладагента в отделитель жидкости. В нем

«Приложения», где показана система регенерации масла.

не может испаряться больше хладагента, чем подается, по"

этому, если подача мала, производительность уменьшает"

Íåðàñòâîðèìîå ìàñëî, áîëåå ïëîòíîå ÷åì õëàäàãåíò - та"

ся. Смотрите замечания ниже.

кие системы встречаются редко и их следует избегать. Изме"

нение уровня жидкости в месте сбора масла сильно затрудня"

Является ли система устойчивой? Неустойчивость приводит

ет его отвод.

к снижению производительности.

Çàìåòüòå, что масло нужно отводить èç контура испаритель"

Проверьте контур охлаждения. Слишком большой перепад

сепаратор. Если отводить его ïåðåä контуром, масло, неиз"

высот между уровнем жидкости и входом испарителя мо"

бежно остающееся в хладагенте, в итоге сконцентрируется в

жет привести к смыканию температурных кривых (рис. 04

контуре испаритель"сепаратор. См. § 16 в главе 1, «Прило

А.2). Если перепад высот слишком мал, в верхней части ис"

жения».

парителя не будет жидкого хладагента.

4. Испарители и сепараторы

ля работы инжекторного рециркуляционного испарителя.

4. Парожидкостные сепараторы

♦ Патрубки для установки термометра и манометра.

4.1. Цель данного раздела

В этом разделе описаны функции отделителя жидкости в сис"

темах с затопленным рециркуляционным испарителем, как с

4.5. Отделители жидкости для КТТО и ПТО

насосной, так и с естественной циркуляцией. Это описание

В КТТО коэффициент циркуляции равен 4 " 5, что соответству"

относится:

ет доле фракции пара от 0,25 до 0,20. То есть, если в КТТО ис"

♦ к системам с нерастворимым маслом тяжелее хладагента,

паряется 1000 кг/ч хладагента, то в сепаратор поступает до

т.е. на практике к аммиачным системам;

4000 кг/ч жидкости вместе с 1000 кг/ч пара.

♦ ко всем системам с растворимым маслом.

ПТО, как правило, имеет более низкий коэффициент циркуля"

ции, 1,25 или меньше, что соответствует доле фракции пара

Основное внимание уделяется взаимодействию отделителей

0,8 или выше. В СПТО, где также испаряется 1000 кг/ч хлада"

жидкости с пластинчатыми теплообменниками. Описание не

гента, в сепаратор поступает 176 кг/ч жидкости и 1000 кг/ч пара

претендует на полный охват темы. Не затронуты вопросы, свя"

(доле фракции пара 0,85). Это не влияет на размер самого се"

занные с аппаратурой систем управления и защиты, механи"

паратора, т.к. он главным образом зависит от расхода пара, но

ческой конструкцией сосудов и т.д. Они решаются в соответ"

трубопроводы, особенно питающий трубопровод к ПТО и цир"

ствии с действующими на месте эксплуатации нормами и пра"

куляционным насосам, имеет значительно меньший диаметр.

вилами работы с холодильной техникой и с сосудами под дав"

лением, типом, размерами и размещением холодильной ус"

Побочным эффектом низкого коэффициента циркуляции яв"

тановки и т.п., и поэтому находятся за рамками данного спра"

ляется небольшой объем хладагента, удерживаемого в ПТО.

вочника.

Это позволяет уменьшить размер сепаратора, т.к. уменьшает

изменения общего объема хладагента, циркулирующего в

Обзор некоторых принципов конструирования сепараторов

системе.

приведен в Приложении II, «Конструкция парожидкостных

сепараторов».

4.6. Типы отделителей жидкости

Существует два основных типа сепараторов " горизонтальный

4.2. Функции отделителя жидкости

и вертикальный, а также гибридный тип.

Отделитель жидкости (или ресивер низкого давления) в си"

стеме с затопленным испарителем выполняет следующие

Ãîðèçîíòàëüíûé îòäåëèòåëü æèäêîñòè (рис. 2 В) имеет сле"

функции:

дующие особенности:

♦ отделение пара от жидкости;

♦ Поток направлен горизонтально. Если время пребывания

хладагента в сепараторе достаточно велико, капли отделя"

♦ аккумуляция хладагента на периоды останова системы;

ются независимо от скорости потока.

♦ выравнивание изменений объема хладагента в системе при

♦ Эффективность отделения определяется временем пребы"

изменениях нагрузки;

вания и высотой пространства для сепарации, а не скоро"

♦ при определенных условиях хладагент может вспенивать"

стью.

ся, и сепаратор предоставляет пространство для этой пены;

♦ При увеличении уровня жидкости поперечное сечение

♦ поддержание постоянного уровня жидкости, необходимого

уменьшается, скорость потока увеличивается и время пре"

для обеспечения движущей силы циркуляции или высоты

бывания уменьшается, т.е. сепарация ухудшается.

всасывания циркуляционного насоса;

♦ К такому отделителю жидкости легко соединить два или бо"

♦ этот же уровень жидкости используется для управления ре"

лее испарителей или испаритель с двойным выходом. Двой"

гулирующим вентилем: иногда это уровень в ресивере вы"

ные входы сепаратора уменьшают вдвое и скорость, и рас"

сокого давления, иногда - в ресивере низкого давления;

стояние сепарации, в результате эффективность остается

прежней.

♦ выполнение функций маслоотделителя.

Âåðòèêàëüíûé îòäåëèòåëü æèäêîñòè (рис. 2 Г) имеет следу"

ющие особенности:

4.3. Принцип действия

♦ Поток пара в основном направлен вверх. Если скорость по"

Разделение пара и жидкости осуществляется за счет гравита"

тока меньше скорости сепарации (см. ниже), капли отделя"

ционных сил, иногда с помощью центробежных сил, которые

ются. Изменение содержания жидкости вызывает значи"

позволяют осаждать относительно тяжелые капли жидкости.

тельное изменение уровня жидкости в сепараторе.

Капли, достаточно мелкие, чтобы удерживаться во взвешен"

♦ Уровень жидкости не влияет на скорость пара.

ном состоянии в результате движения молекул (броуновское

♦ Уровень жидкости легко колеблется, что приводит к изме"

движение), в таком сепараторе не отделяются. На практике не

нениям сигнала, управляющего регулирующим вентилем, и

отделяются даже капли крупнее броуновских, для их отделе"

затрудняет сепарацию масла.

ния применяются дополнительные методы.

♦ Отделитель жидкости этого типа занимает меньшую пло"

щадь, но больше места по высоте.

4.4. Оборудование отделителей жидкости

♦ Не следует путать вертикальный сепаратор с циклоном.

Циклон отделяет частицы или капли посредством подачи

Оборудование отделителя жидкости включает следующие ком"

в аппарат пара в тангенциальном направлении и с высо"

поненты (см. рис. 6"8).

кой скоростью, что создает большую

öåíòðîáåæíóþ

♦ Каплеуловитель (для спиральных и поршневых компрес"

ñèëó, под действием которой и происходит сепарация.

соров).

Сепарация очень эффективна, но падение давления тоже

очень велико.

♦ Смотровые стекла (одно для освещения, другое для визуаль"

ного контроля) на входе и выходе отделителя жидкости (из

♦ К такому отделителю жидкости трудно присоединить два или

испарителя/ в испаритель). Это особенно важно для контро"

больше испарителей или испаритель с двумя выходами.

Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год) - часть 4