Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год)

100

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

C) В системе кондиционирования воздуха в конденсаторе мо"

1. Конденсация

жет утилизироваться теплота, обычно теплота перегретого

Процесс охлаждения перегретых паров с теплообменнике

пара. Для этого устанавливается специальный охладитель

включает в себя следующие этапы (рис. 01):

перегретого пара (теплообменник с водяным охлаждением).

Может быть предусмотрена система управления для под"

♦ Îõëàæäåíèå ïåðåãðåòîãî ïàðà. Это обычное охлаждение

держания минимальной температуры хладагента, обеспе"

газа.

чивающей требуемую температуру воды.

♦ Êîíäåíñàöèÿ íà ñòåíêå. На самом деле требуется опре"

D) В тепловом насосе конденсация является основной зада"

деленное переохлаждение пара. Конденсация может на"

чей. Она может быть разделена на два процесса: в охлади"

чаться лишь в том случае, если существует подходящий

теле перегретого пара нагревается водопроводная вода, в

центр конденсации. Это может быть поверхность теплооб"

конденсаторе нагревается воздух. Можно предусмотреть

менника, пылевая частица и т.д. Заметьте сходство с про"

систему управления для поддержания заданной минималь"

цессом кипения.

ной температуры.

♦ Ïåðåîõëàæäåíèå êîíäåíñàòà.

Типы конденсации:

♦ Капельная конденсация происходит, когда жидкость не

3. Определяющие моменты при

смачивает поверхность. Конденсат образуется на поверх"

ности теплообменника в виде капелек жидкости. Увеличив"

конструировании

шись до достаточных размеров, они сливаются в более круп"

ные капли, которые стекают с поверхности.

3.1. Температурный профиль

Хладагент поступает в конденсатор перегретым с температу"

♦ Пленочная конденсация. Если жидкость смачивает повер"

рой в пределах от 60 до 120 °C. Температуры выше 120 °C, хотя

хность, образуется непрерывная стекающая вниз пленка. Те"

и допускаются, но встречаются редко, поскольку масло в ком"

чение пленки может быть ламинарным или турбулентным.

прессоре начинает разлагаться; соответственно, система про"

Коэффициент теплопередачи для ламинарной пленочной

ектируется для поддержания температуры нагнетания ниже

конденсации уменьшается с увеличением расхода образу"

указанного значения.

ющегося конденсата , пока не возникнет турбулентность,

после чего коэффициент теплопередачи начинает расти

Как и во всех теплообменниках, температура охлаждающей сто"

вновь.

роны может лишь приближаться к температуре охлаждаемой

стороны, но никогда ее не достигает. Когда выходная темпера"

Коэффициент теплопередачи капельной конденсации значи"

тура воды падает с уменьшением ее расхода, кривая темпера"

тельно выше, чем пленочной. К сожалению, постоянную капель"

туры воды приближается к кривой температуры паров (не в точ"

ную конденсацию очень трудно поддерживать, и, следователь"

ке выхода, а в точке, где пары начинают конденсироваться).

но, трудно спроектировать конденсатор с этим режимом кон"

денсации. В определенных случаях (например, при конденса"

Выходная температура воды еще далека от входной темпера"

ции на тефлоне) устойчивую капельную конденсацию получить

туры паров - см. рис. 1, где показаны процессы охлаждения

можно. Теоретически, капельную конденсацию можно было бы

пара и конденсации хладагента R22 (при расходе 1 кг/с) с вход"

получить при конденсации паров на маслянистой поверхнос"

ной температурой 87 °C, трой конденсации 45 °C и выходной

ти, которая не смачивается конденсатом, например, при кон"

температуре переохлажденного конденсата 40 °C. Воды пода"

денсации аммиака в холодильной установке с нерастворимым

ется с расходом 3,28 кг/с и нагревается от 25 до 40 °C.

маслом.

3.2. Утилизация теплоты

Общая теплопроизводительность процесса, показанного на

рис. 1, около 206 кВт. Было бы заманчиво утилизировать все

2. Конструкция конденсатора

это тепло, например, для подогрева водопроводной воды. К

сожалению, лишь часть общей тепловой нагрузки конденсато"

Выбор типа конденсатора, охлаждающей среды, температур"

ра доступна для нагрева воды до температур, близких к вход"

ного уровня, системы управления и т.д. в очень большой сте"

ной температуре пара.

пени зависит от назначения установки и выходит за пределы

настоящего руководства. Ниже приводятся лишь самые общие

При утилизации теплоты для нагрева водопроводной воды,

соображения.

выходная температура воды должна быть около 80 °C. В выше"

приведенном примере вода нагревается до 40 °C. Что получит"

A) Если конденсатор предназначен для установки кондицио"

ся, если мы попытаемся снизить расход воды для повышения

нирования воздуха или холодильной установки без утили"

ее выходной температуры?

зации теплоты, единственной задачей конденсатора явля"

ется сброс теплоты в соответствующую среду. В этом слу"

Из рис. 1 видно, что выходная температура ограничивается

чае тип конденсатора зависит от этой среды и конденсатор

точкой смыкания температурных кривых. Какова в таком слу"

должен иметь минимальные возможные при данных усло"

чае максимальная выходная температура? Справедливы сле"

виях размеры. В ПТО с водяным охлаждением для миними"

дующие соотношения:

зации поверхности и расхода охлаждающей воды можно

∆t_конд

qконд.

использовать методы, описанные в главе 2, «Оптимизация».

———= ———, где

B) Надлежащая температура конденсации или, лучше, давле"

∆t_общ

/Q_общ

ние в конденсаторе, описанном в пункте А), зависит от типа

∆t_конд

= 45 - 25 = 20 К (возрастание температуры на участке

испарителя:система непосредственного расширения

конденсации)

требует минимального давления, чтобы обеспечить боль"

= 167 кВт

(для идеального процесса)

конд

шую движущую силу для ТРВ, движущая сила в затоплен

= 206 кВт

(для идеального процесса)

Qобщ

ной системе менее критична, и давление конденсации мо"

жет изменяться с температурой хладагента, что позволяет

следовательно, ∆t_общ = 24,7 K и выходная температура 49,7 °C

сэкономить на энергии сжатия.

соответствует расходу 3,28*15/24,7 = 2,0 кг/с.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

101

˚C

Охлаждение перегретого пара

Рис. 01. Температурный профиль

конденсации

Переохлаждение

Смыкание температурных

кривых

А. «Нормальный» температурный режим. Температурные кри"

Конденсация

вые не должны быть ближе двух градусов.

В. Когда расход воды уменьшается, выходная температура

растет; но задолго до ее приближения к температуре испа"

А. Нормаль"

рения происходит смыкание температурных кривых в точке

ный режим

начала конденсации.

В. Предельная

температура, малый расход

Нагрузка, %

С. Ирония в том, что чем холоднее вода на входе, тем выше

ее температура на выходе.

С. Предельная температура, низкая входная температура

˚C

Охлаждение перегретого пара

Конденсация

39 кВт

167 кВт

Нагрузка, %

Охлаждение перегретого пара

25 ˚C

45 ˚C

Конденсация

87 ˚C

0.169 кг/с

80 ˚C

Нагрузка, %

~ 40 ˚C

Рис. 02. Охладитель перегретого пара и конденсатор

Один из способов получения высоких температур, необходи"

Охладитель перегретого пара и конденсатор, представляю"

мых, например, для нагрева водопроводной воды, заключа"

щие собой ПТО одного типа - паяные, сварные или полусвар"

ется в разделении процессов охлаждения перегретого пара

ные - могут быть интегрированы в единый аппарат, как пока"

и конденсации. Охладитель перегретого пара нагревает мень"

зано на рис. 10 в главе 1, «Применения», или на рис. 8D в гла"

шее количество воды приблизительно до 80 °C в ПТО, из него

ве 3, «Конструкция и монтаж».

насыщенный пар поступает в отдельный конденсатор.

На рисунке показан конденсатор воздушного охлаждения, од"

нако, можно было бы применить и ПТО, в зависимости от того,

как используется (и используется ли) скрытая теплота.

Заметьте, что это ограничение для бесконечно большого кон"

Обычно в ПТО перепад давлений достаточно велик, чтобы обес"

денсатора. И даже снижение расхода воды означало бы повы"

печить восходящий поток пара. Неизбежная конденсация оз"

шение ее температуры, что, очевидно, невозможно. Номиналь"

начает, что вверх поднимаются мелкие капли (жидкого хлада"

ный расход воды, 3,28 кг/с, дает температуру 37,5 °C в точке

гента и масла), что требует перепада давлений от 1 до 3 кПа на

смыкания кривых, что несколько ниже практического предела

1 м потока.

для теплообменника.

На практике уменьшение расхода воды означает, что конден"

3.3. Неконденсирующиеся газы

сатор не будет конденсировать весь пар. То есть точка изло"

Когда в конденсаторе конденсируется пар, содержащий инер"

ма на кривой сдвинется вправо и смыкание кривых прекра"

тный газ, происходит следующее, см. рис. 03:

тится. Этот феномен не зависит от размеров теплообменни"

ка. Чтобы нагреть воду до более высокой температуры, име"

a) По мере конденсации слой пара у стенки обогащается инер"

ется две возможности, которые могут применяться незави"

тным газом. Эта газовая пленка действует как барьер для

симо или совместно.

пара. Пар не имеет прямого доступа к холодной поверхнос"

ти конденсации; прежде он должен пройти через слой инер"

♦ Если необходим расход воды порядка 3,28 кг/с, конденса"

тного газа.

тор можно использовать для ее предварительного подогре"

ва. Зимой, когда температура воды приближается к нулю,

b) Парциальное давление пара уменьшается, и парогазовую

это означает существенную экономию энергии.

смесь приходится охлаждать сильнее, чтобы она оставалась

насыщенной и чтобы происходила конденсация.

♦ Устанавливается отдельный охладитель перегретого пара,

см. рис. 2. Для этой функции прекрасно подходит ППТО. В

c) Объемный расход парогазовой смеси и коэффициент теп"

нем небольшой поток воды нагревается до 80 °С, а остав"

лопередачи снижаются.

шаяся скрытая теплота отводится в водяном или воздуш"

ном конденсаторе.

102

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

d) Если инертный газ не отводится из аппарата, давление бу"

изменение переохлаждения может означать значительное

дет возрастать до тех пор, пока реле высокого давления не

изменение площади конденсации. Таким образом, простым

отключит компрессор.

регулированием уровня конденсата невозможно управлять

температурой без изменения производительности.

На практике это означает, что малые количества неконденси"

рующихся (инертных) газов могут значительно уменьшить ко"

♦ Можно поддерживать уровень постоянным, а температуру

эффициент теплопередачи и СРТ или даже полностью нару"

конденсата регулировать изменением расхода воды, но это

шить работу установки.

тоже повлияло бы на процесс конденсации.

Хотя неконденсирующиеся газы, как правило, не должны при"

♦ Невозможно управлять производительностью конденсато"

сутствовать в холодильном контуре, иногда они все же туда

ра изменением уровня конденсата или расхода воды, так

попадают. Возможные причины:

чтобы одновременно не изменилась температура, однако

это, как правило, менее существенно.

1) разложение хладагента, особенно, аммиака, или масла;

♦ Динамическая характеристика при понижении уровня кон"

2) неисправный вакуумный насос;

денсата более крутая, чем при его повышении. Понижение

3) некачественное вакуумирование установки при пуске;

уровня, т.е. слив, происходит почти мгновенно, в то время

как повышение - более медленно, поскольку для этого дол"

4) негерметичность испарителя, работающего при разреже"

жна сконденсироваться существенная часть хладагента. Это

нии;

может вызвать проблемы при управлении.

5) особые условия в установках без рециркуляции конденса"

♦ Уровень конденсата может отличаться в зимний и летний

та, см. следующий пример.

периоды, и избыток хладагента должен храниться в жидко"

Пример. Установка с СПТО, в котором конденсировался

стном ресивере. Это увеличивает общий объем хладагента

пропан, часто отключалась из"за срабатывания реле высо"

в системе, т.е. ее стоимость.

кого давления. Предположение, что причина в неконденси"

♦ Регулятор уровня конденсата должен располагаться после

рующихся газах, не подтвердилась, так как анализатор по"

конденсатора, но как можно ближе к нему. В противном слу"

казывал 100 % пропана.

чае общий объем хладагента увеличится на объем участка

Более детальное исследование показало, что эта система

трубы между конденсатором и клапаном, это увеличит еще

не была настоящей холодильной установкой. Источником

и время подъема уровня конденсата.

паров пропана были резервуары с жидким пропаном (на

♦ Íè â êîåì ñëó÷àå íåëüçÿ ïðîèçâîäèòü â êîíäåíñàòîðå

коммерческой резервуарной станции), из которых проис"

îõëàæäåíèå êîíäåíñàòà àììèàêà èëè âîäû. Большие ла"

ходило неизбежное испарение. Эти пары сжимались, ожи"

тентная теплота и удельная теплоемкость в сочетании с вы"

жались и возвращались в резервуары.

сокой теплопроводностью и малой вязкостью приводят к

После опустошения резервуара его заполняли инертным га"

очень высокой теплопередаче и быстрому изменению тем"

зом, как правило, азотом.

пературы, что может вызвать термическую усталость. Как

правило, конденсат аммиака или воды должен отводиться

Соответственно, пары пропана, подлежащие сжатию, со"

из аппарата насколько возможно быстро и полно. Обратите

держат азот.

внимание на сходство с охлаждением масла, глава 8, «Мас

Более того, анализатор был предназначен для определения

ла и хладагенты», §2, с. 138.

бутана, но показания пересчитывались на пропан по фор"

♦ Для снижения опасности термической усталости не допус"

муле X % бутана = Y % пропана. К сожалению, таким спосо"

кайте переохлаждения конденсата (не позволяйте конденса"

бом невозможно определить различия между 100 % и, ска"

ту скапливаться в конденсаторе), если разность входных тем"

жем, 99,9 % пропана. Анализатор азота подошел бы лучше,

ператур пара HC, HFC или HCFC и воды меньше 40…50 К.

на нем можно было бы определять очень существенную раз"

ницу между 0 % и 0,1 %.

Çàêëþ÷åíèå. Следует избегать управления температурой кон"

денсата в конденсаторе. Можно осуществлять управление про"

Проблема была решена установкой системы выпуска инер"

изводительностью, с учетом приведенных выше соображений

тного газа.

и ограничений, если сопутствующие этому изменения темпе"

Неконденсирующиеся газы могут очень существенно влиять на

ратуры конденсата допустимы.

производительность системы. особенно остро эта проблема

стоит для конденсаторов с регулируемым уровнем конденсата

3.5. Параллельное соединение конденсаторов

(см. ниже). Такие конденсаторы, фактически, являются ловуш"

На рис. 05 показаны четыре параллельно соединенных конден"

кой неконденсирующихся газов (см. рис. 04, с. 103).

сатора. Учтите, что номинально одинаковые конденсаторы на

практике могут сильно отличаться. По"разному распределяют"

3.4. Переохлаждение конденсата

ся пары, увлекаемое потоком пара масло с наибольшей веро"

Как правило, конденсат в конденсаторе переохлаждается на

ятностью попадает в первый конденсатор, охлаждающая вода

несколько градусов. Если требуется большее переохлаждение,

может содержать неодинаково распределяющиеся твердые

оно должно выполняться в отдельном переохладителе, а не в

включения, расход воды в первом конденсаторе может быть

конденсаторе, поскольку единственным способом охлаждения

больше, чем в последнем, и т.д. Это приводит к неодинаковым

конденсата существенно ниже температуры насыщения в са"

перепадам давления, которые должны компенсироваться сле"

мом конденсаторе является регулирование уровня конденса"

дующими способами.

та, см. рис. 04. В принципе, можно охлаждать конденсат и в

♦ Созданием столба жидкости на выходе, как показано на рис.

конденсаторе, особенно, в случае восходящего потока, как по"

05. Увеличенный перепад давлений в конденсаторе компен"

казано на рисунке, но:

сируется столбом жидкости на нисходящем участке.

♦ Неконденсирующиеся газы, нерастворимое легкое масло,

♦ С помощью клапанов, которые создают дополнительные

продукты распада могут скапливаться на поверхности раз"

перепады давлений в конденсаторах с малым гидравличес"

дела пар/жидкость. См. рис. 04.

ким сопротивлением. Однако трудно сбалансировать над"

♦ Температура конденсата зависит от его уровня, который

лежащим образом различные перепады давлений. Эффек"

может регулироваться клапаном на выходе, но одновремен"

тивная разность температур также должна быть уменьше"

но изменяется поверхность конденсации. Поскольку коэф"

на, что увеличит площадь поверхности теплообмена. Пре"

фициент теплопередачи конденсации существенно выше

имущество вышеописанной системы в том, что она само"

коэффициента теплопередачи переохлаждения, небольшое

регулирующаяся.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

103

Восходящая петля под"

держивает минимальный

уровень конденсата.

Чистый пар

Здесь могут улав"

См. в тексте замечания

ливаться некон"

Пар + неконденсирующие"

относительно конденса"

денсирующиеся

ся газы

ции воды и аммиака и о

газы (и легкое не"

разности температур бо"

растворимое

лее 40…50 К для HC, HFC

масло).

и HCFC.

Не следует устра"

ивать петлю в ам"

Управляющий

миачной сис"

клапан

теме, поскольку

в ней собирается

масло.

Рис. 03. Пар с неконденсирующимися газами

Рис. 04. Переохлаждение конденсата

Температура насыщения и коэффициент теплопередачи па"

Неконденсирующиеся газы и нерастворимые продукты рас"

рогазовой смеси быстро в ходе процесса конденсации.

пада собираются над поверхностью конденсата и легко улав"

ливаются в аппарате, что снижает значение коэффициента

теплопередачи).

Перепады давлений

между этими двумя

точками должны

От компрессора

быть равны между

собой, независимо

от пути потока

В каналах образу"

ется столб кон"

денсата

Увеличенный перепад давле"

ния в конденсаторе компенси"

Следует избегать длинных горизон"

К жидко"

руется более высоким столбом

тальных участков, трубы должны

стному ре"

жидкости на выходе

иметь уклон по направлению течения.

сиверу

Рис. 05. Параллельно соединенные конденсаторы

Четыре конденсатора имеют различные перепады давлений

ше пара. В конечном счете достигается новое равновесие,

(∆P). Однако общий ∆P должен быть одинаковым при любом

при котором более высокие Ps в А и С компенсируются вса"

пути потока от нагнетания компрессора до жидкостного ре"

сывающим действием со стороны столба конденсата.

сивера.

Если перепад высот между конденсатором и столбом жид"

При пуске пары естественным образом распределяются меж"

кости недостаточно велик, конденсат может блокировать

ду конденсаторами, и перепады давлений Ps уравниваются,

часть нагревающей поверхности, в результате чего упадет

т.е. часть паров из A и С перемещается в B. Если B справляет"

производительность. Именно это происходит в аппарате С.

ся с увеличившейся нагрузкой, равновесие достигнуто. Од"

Если линия конденсата слишком велика для поддержания ус"

нако возможно, что несконденсированный пар выйдет из кон"

тойчивого столба жидкости, столб образуется в каналах, см.

денсатора и попадет в ресивер. Повысившееся давление в

D. Это неустойчивая ситуация: столб образуется, внезапно

последнем блокирует поток от A и С, и в линиях конденсата

сливается, образуется вновь и т.д., и в любом случае проис"

образуются столбы жидкости. Последние способствуют от"

ходит потеря производительности, поскольку конденсат бло"

току жидкости из A и С, и в эти конденсаторы попадает боль"

кирует часть поверхности.

104

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

♦ Столбы жидкости могут возникать в каналах. Этого следует

подвержен термоударам, если используется теплый хлада"

избегать, поскольку уменьшается площадь конденсации, и,

гент ВД, а не хладагента НД.

по"видимому, такая система будет неустойчивой.

3.6. Ограничения перепадов давлений в ПТО

4.2. Линия уравнивания давления

Конденсация в ПТО часто ограничивается перепадом давле"

♦ Линия уравнивания давления (УД) используется для отвода

ния со стороны паров либо со стороны воды. Количество плас"

паров, образовавшихся в ЖР, обратно в конденсатор. Она

тин определяется лишь необходимостью поддерживать опре"

соединяет ЖР с входом конденсатора. На рис. 6 показаны

деленный перепад давления. Ограничение перепада давления

функции и способ монтажа линии УД. Указанная линия пре"

со стороны паров обычно имеет место для пара низкого дав"

дусматривается, как правило, только в больших системах с

ления. Со стороны воды указанные ограничения обычно дей"

затопленными испарителями; в малых системах и системах

ствуют для очень высокой СРТ. Таким образом, это не относит"

непосредственного расширения ее нет.

ся к обычному конденсатору холодильной машины.

♦ Перепад давления в конденсаторе 10 кПа (обычный для ПТО)

Пример. Вода нагревается от 50 до 90 °C насыщенным паром

соответствует высоте столба жидкости около 0,7 м для боль"

с температурой 150 °C. Чтобы получить нужный перепад дав"

шинства фторированных хладагентов и 1,5 м для аммиака.

ления на стороне воды, конденсатор требуется увеличить в

Следовательно, установка должна иметь соответствующие

размерах на 500 %. Поскольку теплообменник всегда работает

размеры для обеспечения нужной высоты столба.

с запасом 0 %, конденсатор саморегулируется одним из сле"

♦ Если ЖР обслуживает испаритель непосредственного рас"

дующих способов.

ширения, давление в ЖР должно поддерживаться не ниже

♦ Полное давление паров падает до достижения нужной низ"

минимума, необходимого для безотказной работы термо"

кой СРТ, это давление может быть отрицательным. В таком

регулирующего вентиля. Необходимый для этого управля"

случае слив и выпуск газов из конденсатора невозможны.

ющий клапан исключает одновременное использование

Когда в аппарате соберется достаточное количество конден"

линии УД, см. § 5.

сата или инертных газов, давление возрастет вновь, но ра"

бота может быть неустойчивой.

4.3. Работа

♦ СРТ понижается путем дросселирования воды, что ведет к

♦ Основная функция линии УД - это возврат паров в конден"

нежелательному кипению воды.

сатор, если хладагент в ресивере нагрет и испаряется. В

Вполне возможно использовать ПТО в качестве конденсатора

зимнее время может происходить противоположный про"

паров, однако необходим тщательный анализ рабочих условий.

цесс. Очень холодный конденсат охлаждает пары, которые

Относительно отвода конденсата см. также рис. 04 и с. 102.

перетекают с входа конденсатора в ресивер и нагревают его

содержимое. Поскольку теплый конденсат означает поте"

рю производительности, в этих условиях линия УД должна

4. Жидкостные ресиверы

быть закрыта.

♦ Если хладагент испаряется в проходном ресивере, пары

4.1. Типы и назначения

возвращаются в линию конденсата, поступают в каналы сни"

В больших системах конденсат, как правило, скапливается в

зу и конденсируются в нижней части конденсатора. Неболь"

резервуаре - жидкостном ресивере (ЖР), см. рис. 06. После"

шое количество паров аппарат может вместить, однако

дний иногда называют ресивером высокого давления (ВД), в

большие объемы паров могут создать конденсатную проб"

отличие от отделителя жидкости в затопленной системе, кото"

ку в нижней части каналов. Если конденсатор спроектиро"

рый называют, соответственно, ресивером низкого давления

ван правильно, т.е. пар из ЖР присоединяются к потоку от

(НД). Существуют два основных типа ЖР.

компрессора, конденсация идет нормально.

A. Буферный жидкостный ресивер. В обычных условиях кон"

Конденсатная пробка неустойчива, особенно при наличии

денсат идет в обвод ресивера. Ресивер компенсирует из"

неконденсирующихся газов (даже в малых количествах).

менения расхода при обычных изменениях нагрузки уста"

Пробки могут формироваться в отдельных каналах, затем

новки. Как правило, он подключен к входу конденсатора че"

внезапно сливаться, возникать в других каналах, вызывая

рез линию уравнивания давления (УД), см. ниже.

пульсации потока и потерю производительности. При такой

конструкции рекомендуется применение КТТО.

B. Проходной жидкостный ресивер. Конденсат постоянно

проходит через этот сосуд. Он удобен для сбора хладагента

♦ Условия, подобные вышеописанным, могут возникнуть, если

из других частей установки. Как правило, он не требует ли"

сильно переохлажденный хладагент вновь нагревается сре"

нии УД.

дой, например, паром или водой, движущейся прямотоком.

Тогда внутри каналов возникают области низкого давления,

Жидкостный ресивер выполняет следующие функции

и столбы конденсата «повисают» в каналах. Такая система

♦ Сбор или выпуск хладагента при вариациях нагрузки, по"

тоже неустойчива, хотя и не создает проблем с недостаточ"

скольку при этом меняется объем хладагента в различных

ной производительностью.

компонентах системы.

♦ Расположение проходного ЖР выше компрессора возмож"

♦ При отключении какого"либо компонента системы, напри"

но, но не желательно, поскольку может привести к неустой"

мер, для технического обслуживания, содержащийся в нем

чивому потоку и проблемам с управлением, особенно в слу"

хладагент может быть собран в ресивере.

чае параллельных конденсаторов. Необходимо принять

меры, чтобы давление в конденсаторе было выше, чем в ЖР.

♦ Подача хладагента под постоянным давлением к регулиру"

С таким ЖР интегрированы определенные терморегулиру"

ющему вентилю.

ющие вентили. Небольшой трубопровод соединяет паровое

♦ В затопленном испарителе регулирующий вентиль управ"

пространство ЖР с линией за дроссельным устройством.

ляется, как правило, по уровню жидкости в сепараторе. Мож"

Это создает необходимое пониженное давление и дает воз"

но использовать для той же цели жидкостный ресивер, по"

можность установки выше выхода конденсатора.

скольку у него более стабильная поверхность жидкости.

♦ Установка нисходящей U"образной петли между конденса"

Недостаток заключается в том, что можно управлять только

тором и проходным ЖР превращает его в гибридный ЖР. Из

одним регулирующим вентилем (испарителем).

такого сосуда нельзя выпускать газ, но его можно оборудо"

♦ Отделения жидкости от пара при охлаждении горячего ком"

вать линией УД, поскольку теперь возможно формирование

прессорного масла в небольшом ППТО. Последний менее

столба конденсата.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

105

Конденсатор

Пароохладитель

К ресиверу НД

выпускаемых

газов

Выпуск газа

Конденсатор

Линия урав"

нивания дав"

ления (УД)

Не следует при"

соединять линию

УД перед пароох"

Два смотровых стекла:

ладителем. Бо"

одно для наблюдения,

лее высокий

другое для подсветки.

столб жидкости

Следует избегать

может затопить

восходящих петель,

конденсатор

поскольку это ухуд"

шает выпуск газов и

ведет к затоплению.

Рис. 06. Жидкостный ресивер и линия уравнивания давления

А. Буферный жидкостный ресивер

В. Проходной жидкостный ресивер

1) Подача и отвод конденсата осуществляются снизу. По"

1) Конденсат подается сверху по «пустой» линии конденса"

скольку линия конденсата всегда заполнена жидкостью, в

та, т.е. в трубе конденсата не может создаваться и поддер"

трубе может создаваться столб жидкости.

живаться столб жидкости.

2) Неконденсирующиеся газы не проходят вместе с конден"

2) Неконденсирующиеся газы попадают с конденсатом в ре"

сатом в ресивер и не могут выпускаться оттуда. Для вы"

сивер и выпускаются из него.

пуска газов используйте точку, указанную на рисунке.

3) Ресивер можно устанавливать над конденсатором, по"

3) Ресивер нельзя устанавливать выше конденсатора (уро"

скольку конденсат не может перетечь обратно в конден"

вень жидкости должен быть ниже выхода конденсатора),

сатор. Однако такая компоновка нежелательна, так как зат"

поскольку обратный поток конденсатора будет затапливать

рудняет выпуск газов и создает опасность обратного по"

конденсатор.

тока. См. также текст.

Борьба с затоплением конденсатора это очень трудная за"

4) Линию уравнивания давления устанавливать не следует.

дача.

Повышенное давление на входе конденсатора должно ком"

пенсироваться столбом жидкости. Если такой столб не об"

4) В системе может быть установлена линия уравнивания дав"

разуется в линии конденсата, то он формируется в каналах,

ления. Она нужна для возврата паров, образующихся в ре"

где блокирует часть поверхности и снижает производитель"

сивере, на вход конденсатора для повторной конденсации.

ность. Более того, такой столб жидкости нестабилен.

Для преодоления повышенного давления на входе в кон"

денсатном трубопроводе формируется столб высотой h.

5) Такой ресивер не следует устанавливать в местах, где воз"

Это легко осуществляется, поскольку трубопровод всегда

можно испарение конденсата (см. рис. 06, п. А5), посколь"

заполнен жидкостью.

ку пары при этом могут возвращаться в линию конденса"

та, что не всегда допустимо. Хотя в ПТО небольшой обрат"

5) Возможные причины появления пара в ресивере

ный поток пара допускается.

Испарение в ресивере из"за внешнего притока тепло"

Заметьте, что эти рекомендации противоположны

ты. Поскольку этот ресивер, в отличие от проходного,

тем, которые действительны для КТТО.

постоянно заполнен хладагентом, приток внешней теп"

лоты в данном случае более опасен.

Заметьте также, что присутствие неконденсирующихся га"

зов препятствует созданию столба жидкости в каналах, по"

Испарение в маслоохладителе, который охлаждается

скольку конденсат переохлаждается без понижения дав"

конденсатом. Пары возвращаются в ЖР, а затем через

ления.

линию УД или непосредственно поступают на вход кон"

Если в проходном ресивере нужно установить маслоохла"

денсатора.

дитель, его следует питать с помощью насоса, или, воз"

6) Заметьте, что если ресивер нагрет, линия УД должна быть

можно, подавать жидкость из ресивера к маслоохладите"

открыта, независимо от того, производится нагрев специ"

лю за счет перепада высот и возвращать пар на вход кон"

ально или обусловлен внешними обстоятельствами.

денсатора, а не в жидкостный ресивер.

106

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

Заключение. Газовыпускное отверстие следует размещать

5. Выпуск газов

у нижнего выходного отверстия.

5.1. Параметры, влияющие на выпуск газов

Описание влияния неконденсирующихся газов на процесс кон"

денсации дано в §3.3. Выбор точек выпуска газов зависит, глав"

5.3. Методы выпуска газов

ным образом, от двух параметров.

На рис. 06 показан один метод выпуска газов из ЖР обоих ти"

пов. Этот метод, предназначенный для буферного ресивера,

a) Путь потока. Концентрация неконденсирующихся газов

может быть применен для проходного ресивера, íî íå â òîì

максимальна в самой холодной части конденсатора, как пра"

ñëó÷àå, если есть опасность закупорки выходной трубы кон"

вило, на последнем этапе процесса конденсации. Неконден"

денсатом.

сирующиеся газы движутся к выходу вместе с конденсиру"

ющимся паром. Здесь происходит, по крайней мере, час"

Как правило, выпуск газов осуществляется в окружающий воз"

тичное разделение конденсата и остающейся смеси паров

дух, но не непосредственно. Для уменьшения концентрации

с неконденсирующимися газами. Если фазы разделились,

паров смесь можно охлаждать хладагентом НД в конденсато"

их можно выпустить через различные выходы, если нет, жид"

ре выпускаемых газов, см. рис. 06B.

кую и газообразную фазы нужно будет разделить на следу"

Конструкция аппарата проста: это сосуд определенного объе"

ющих этапах.

ма, в который помещен змеевик, охлаждаемый дросселиро"

b) Разница плотностей. Если неконденсирующийся газ лег"

ванным хладагентом. Смесь пара и неконденсирующихся га"

че пара хладагента, он поднимается над паром и должен вы"

зов поступает в сосуд, хладагент конденсируется и стекает

пускаться из верхней точки сосуда. Если неконденсирую"

обратно в ЖР через трубопровод и клапан V3. Наконец, сосуд

щийся газ тяжелее хладагента, то точка выпуска газа долж"

целиком заполняется неконденсирующимся газом, и пар в него

на находиться как можно ниже.

более не поступает. Сток конденсата в ЖР прекращается, что

можно контролировать, например, по температуре. Нормаль"

но открытые клапаны V1 - V3 в этом случае закрываются, и нор"

мально закрытый клапан V4 открывается. Клапан V4 открывает

5.2. Размещение газовыпускного отверстия

данный конденсатор либо в атмосферу, либо, в аммиачной си"

Два вышеназванных условия определяют выбор для аммиака,

стеме, в ведро с холодной водой, где большая часть оставше"

но для других хладагентов выбор сложнее.

гося аммиака растворяется.

1) Аммиак. Существуют лишь три газа - водород, гелий и ме"

Другой метод показан на рис. 07. Трубка небольшого диамет"

тан, плотность которых меньше чем у аммиака (и воды). Их

ра соединяет верхнюю часть ЖР, заполненную паром и некон"

присутствие в рабочем веществе холодильной установки ма"

денсирующимся газом, со стороной низкого давления регули"

ловероятно. Если аммиак войдет в контакт с окружающим

рующего клапана; неконденсирующиеся газы выходят через эту

воздухом, он поднимется вверх и постепенно перемешает"

трубку. Газы при этом не удаляются из системы, но они, по край"

ся с воздухом. Эта смесь всегда легче, чем чистый воздух

ней мере, распределяются более равномерно.

при той же температуре. (Чтобы чистый аммиак стал тяже"

лее воздуха, он должен быть холоднее более чем на 100 К).

Выбор точки выпуска неконденсирующихся газов из амми"

ачной системы однозначно определяется и путем потока, и

6. Управление конденсаторами

плотностью газов, она должна находиться в самой нижней

точке, на выходе из ПТО.

6.1. Требования к системе управления

2) Другие хладагенты тяжелее воздуха, и большинство из них

конденсатором

тяжелее двуокиси углерода; и воздух и двуокись углерода

Система управления определяется типом установки

могут присутствовать в рабочем веществе холодильной ус"

a) Установка с затопленными испарителями, холодильная или

тановке. Хладагент при контакте с воздухом опускается и пе"

для кондиционирования воздуха. Управление конденсато"

ретекает в самую нижнюю точку, где и скапливается. В слу"

ром не требуется, за исключением экономии воды при низ"

чае преимущественно горизонтальной конденсации, как в

кой тепловой нагрузке.

КТТО, газовыпускное отверстие следует размещать в верх"

ней части аппарата на выходе. Большинство стандартных

b) Установка с испарителями непосредственного расширения.

конденсаторов для холодильной и химической промышлен"

Необходимо поддерживать минимальное давление конден"

ности, а также общего назначения, имеют газовыпускное

сации, обеспечивающее достаточную движущую силу для

отверстие в верхней части корпуса, как можно дальше от

ТРВ.

входа.

c) Установка с утилизации теплоты. Необходимо поддерживать

В ПТО проблема осложняется вертикальной конфигураци"

минимальное давление, обеспечивающее утилизацию теп"

ей с верхним входом и нижним выходом. На практике, наи"

лоты; но не в ущерб главной функции установки - охлажде"

большее значение имеет путь потока. Парогазовая смесь

нию. То есть, можно производить либо горячую воду опре"

проходит по каналам и выходит из аппарата снизу. Перепад

деленной температуры, либо большее количество воды с

давлений не дает смеси, плотность которой уменьшается

меньшей температурой, но маловероятно, что удастся со"

по мере конденсации, подняться в конденсатор.

вместить оба этих процесса.

После выключения установки более легкая смесь может под"

d) Тепловой насос. Главная задача - выработка тепла. Если

няться вверх, но поскольку гофрированный канал является

возможно, должны соблюдаться оба требования, указанные

хорошим перемешивающим устройством, то в результате,

в пункте с).

вероятно, получится довольно однородная смесь.

Во всех системах существуют дополнительные требования к

Даже если у верхнего входного отверстия образуется пузырь

управлению, обеспечивающие защиту оборудования.

неконденсирующегося газа, последний уйдет с конденси"

e) Давление конденсации не должно быть настолько высоким,

рующимися парами, когда они вновь поступят в аппарат.

чтобы создавать угрозу компрессору. Это относится к сис"

Постоянный воздушный пузырь может образоваться лишь в

теме управления компрессором и здесь не обсуждается.

случае, если перепад давлений, обусловленный разностью

высот, будет иметь один порядок с перепадом давлений

f) Вода не должна замерзать. Как правило, в конденсаторе эта

вследствие разницы плотностей, но такой малый перепад

проблема не возникает, но в реверсивных кондиционерах

давлений в работающем конденсаторе не встречается.

конденсатор периодически выполняет функцию испарите"

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

107

Линия выпуска газа со сто"

К верхней

˚C

роны ВД на сторону НД

части ЖР

Внимание! Риск смыкания

температурных кривых

Со стороны ниж"

Регулирующий вентиль управляется по

Нагрузка, %

ней части ЖР

уровню жидкости. Когда уровень и, со"

ответственно, поплавок, поднимаются,

вентиль открывается.

Рис. 07. Регулирующий вентиль с управлением

Рис. 08. Выбор расхода воды

по уровню жидкости и отводом газов из

A. Слишком малая СРТ означает неустойчивый отклик сис"

ресивера ВД

темы

На рисунке показана только принципиальная схема. Разные

B. Малое изменение большого расхода слабое влияет на СРТ

изготовители применяют различные конструкции устройств

и, следовательно, на производительность.

ручного и автоматического управления, выпуска газов и т.д.

Если перевернуть вентиль, то сосуд превратится в ресивер

C. Правильно подобранный расход. СРТ существенно меня"

НД, т.е. при повышении уровня вентиль будет закрываться.

ется при изменении расхода воды.

ля и наоборот, кроме того, замерзание грозит установлен"

d) Должна поддерживаться заданная температура, даже в

ным снаружи конденсаторам в зимнее время. Поскольку

ущерб холодопроизводительности.

защита от замерзания очень важна, этому вопросу посвя"

♦ Входная температура воды падает, СРТ растет, и произво"

щена целая глава, 7, «Замерзание», и часть главы 1, «При

дительность конденсатора опережает производительность

менения».

компрессора.

g) Температура воды не должна быть настолько высока, чтобы

a) Как правило, в управлении нет необходимости, или осу"

в ней образовывалась накипь. Это проблема не только уп"

ществляется управление расходом воды при изменении ее

равления, но и качества воды.

температуры - ручное, если изменения медленные, или ав"

h) Должен быть обеспечен устойчивый прямой поток хлада"

томатическое, если температура меняется часто.

гента. То есть нужно установить обратные клапаны, элект"

b"c) Как указано выше.

ромагнитные клапаны, регуляторы уровня и т.п. так, чтобы

не допустить попадания хладагента в неработающее обо"

d) Как правило, необходимо поддерживать определенную

рудование.

температуру воды. Снижение входной температуры озна"

чает повышение производительности. Значит, следует

Проектирование системы управления холодильной установки

уменьшить расход или увеличить давление конденсации.

не является темой данного руководства, но некоторые коммен"

тарии, касающиеся особенностей ПТО, приводятся ниже.

♦ Таким образом, в принципе существуют лишь несколько

методов управления:

◊

Изменение расхода воды в соответствии с давлением кон"

6.2. Изменение параметров конденсации

денсации или выходной температурой.

Система управления должна адекватно реагировать на изме"

◊

Поддержание определенного давления конденсации.

нение одного из параметров процесса конденсации, т.е. опре"

деленным образом изменять (или не изменять) другие пара"

◊

Изменение давления в соответствии с температурой воды.

метры. Ниже описаны некоторые изменения параметров и от"

клики системы на них.

♦ Производительность установки (и количество пара) умень"

6.3. Управляющее воздействие на стороне

шается, но конденсатор продолжает работать с прежней

воды

производительностью. Давление и температура начинают

Изменение расхода воды должно обеспечить адекватное, не

падать. В результате снижаются плотность пара и, следова"

слишком малое, но и не слишком большое, изменение СРТ, см.

тельно, массовая производительность компрессора, кото"

рис. 08.

рая, в конце концов, приходит в равновесие с пониженной

На рис. 09 показана типичная конструкция регулятора. Такой

вследствие уменьшения СРТ производительностью конден"

регулятор (пропорциональный) может поддерживать давление

сации.

только при одной заданной производительности, но это, как

a) Управление не требуется, или же вручную регулируется

правило, не является серьезной проблемой. Важно согласо"

расход воды для экономии воды и (или) энергии для ее по"

вать теплообменник и регулятор, так чтобы обеспечить адек"

дачи (в зимнее время).

ватный отклик системы.

b"c) Необходимо управление давлением. Это можно сделать

Если температура воды очень близка к температуре хладаген"

либо с помощью регулятора давления, либо изменяя рас"

та (см. рис. 8А), небольшое изменение расхода воды вызывает

ход воды, т.е. СРТ. Другой возможный метод заключается в

значительное изменение СРТ, и процесс становится неустой"

управлении производительностью компрессора, но, за ис"

чивым. Нагревать воду до таких температур вполне возможно,

ключением случая d), этот метод обычно оставляют для уп"

но это требует иного метода управления, например, можно

равления испарением.

регулировать выходную температуру воды.

108

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

Затопленный испаритель питается хладагентом не непосред"

ственно от ТРВ, а от ресивера НД. Понижение давление в ЖР

означает чуть меньший уровень жидкости, что слабо влияет на

производительность.

Давление можно не регулировать, либо им можно управлять

изменением расхода охлаждающей воды.

7. Охлаждение перегретого пара

Охлаждение перегретого пара может происходить в следую"

щем оборудовании:

♦ В основном конденсаторе, в таком случае оно рассматри"

вается как часть процесса конденсации.

♦ В специальном пароохладителе, который обычно служит для

утилизации энергии высокотемпературного источника.

Иногда хладагент конденсируется в пароохладителе, из ко"

торого приходится отводить конденсат. Пароохладитель

может быть либо отдельным теплообменником (рис. 11А, 13

и 14), либо составной частью основного конденсатора, как

Рис. 09. Регулятор расхода воды по

на рис. 11В.

давлению паров

♦ В трубопроводе или в сосуде, с целью снижения темпера"

туры на входе в конденсатор, чаще всего ПСПТО в аммиач"

Возросшее давление хладагента передается на регулятор

ной системе. Это делается для снижения термической на"

и, преодолевая действие пружины, смещает шток клапа"

грузки на уплотнительные кольца.

на. Расход воды увеличивается; разность температур воз"

растает, что приводит к более интенсивной конденсации

хладагента, в результате достигается новое равновесие.

При понижении давления идет противоположный процесс.

7.1. Отвод конденсата из пароохладителя

В идеале выход пароохладителя должен присоединяться к вхо"

ду основного конденсатора с помощью короткой прямой труб"

6.4. Управляющее воздействие на стороне

ки с уклоном к конденсатору (см. рис. 13В и 14). Если часть хла"

хладагента

дагента конденсируется в пароохладителе, то конденсат вме"

См. рисунки 10 А и В. Давление «саморегулируется», т.е. от"

сте с паром движется вниз к основному конденсатору.

крывает или закрывает клапан, что вызывает изменения рас"

Зачастую пароохладитель невозможно установить выше кон"

хода хладагента.

денсатора. основной конденсатор может быть аппаратом воз"

Заданное значение давления может устанавливаться измене"

душного охлаждения и размещаться на крыше, в то время как

нием усилия пружины, т.е. вручную, или автоматически по дру"

пароохладитель устанавливается в компрессорном зале в под"

гой переменной, например, по температуре или по давлению

вальном помещении.

в какой"либо иной точке, см. рис. 10А.

В случае конденсации небольшого количества хладагента, воз"

Управление конденсатором очень сильно зависит от того, ка"

можно, это не будет создавать проблем, особенно если паро"

кой тип испарителя применяется в системе.

охладителем служит ПТО. Конденсат выходит из ПТО, как пра"

вило, в виде мелких капель, которые переносятся паром.

Система с испарителем непосредственного расшире

ния и без утилизации тепла. Регулирование давления в ЖР,

Если же в пароохладителе конденсируется много хладагента,

от которого зависит работа терморегулирующего вентиля,

можно применить конструкцию, показанную на рис. 11А.

имеет большее значение, чем поддержание параметров кон"

денсации. Может быть использована конструкция как 10А,

так и 10В.

7.2. Охлаждение перегретого пара

Клапан 2 на рис. 10В должен находиться как можно ближе к

конденсатору, чтобы минимизировать объем хладагента и вре"

мя отклика. Если конденсатор установлен вне помещения, то

Если утилизировать теплоту не требуется, но температуру

клапан должен находиться там же.

пара необходимо снизить для предотвращения термических

напряжений на уплотнительных кольцах ПСПТО, достаточно

В таких случаях схема В предпочтительнее, поскольку все эле"

впрыскивать конденсат в линию пара перед конденсатором,

менты управления можно разместить в компрессорном зале.

см. рис. 12.

Система с испарителем непосредственного расширения

Заметьте, что общая производительность системы не снижа"

и с утилизацией тепла. Клапан 2 на рис. 10 А поддерживает

ется, поскольку используемый для охлаждения перегретого

заданное давление конденсации, а также давление в ЖР. Дав"

пара конденсат рециркулирует.

ление конденсации может быть задано достаточно высоким для

нагрева воды до нужной температуры либо в пароохладителе,

либо в конденсаторе.

Система на рис. 10В не регулирует давление конденсации и

поддерживает только давление в ЖР, что делает ее пригодной

для ТРВ, но не для утилизации тепла.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

109

Из компрессора

1. Регулятор давления в жид

2. Регулятор давления в кон

костном ресивере. Открывает"

денсаторе. Закрывается при па"

ся при падении выходного дав"

дении входного давления незави"

ления независимо от входного.

симо от выходного.

1. Регулятор давления в жид

2. Регулятор давления в конденса

костном ресивере. Открывает"

торе. Закрывается при падении входно"

ся при падении выходного дав"

го давления независимо от выходного.

ления независимо от входного.

Обратный клапан

К ТРВ

Рис. 10А. Управление давлением

Рис. 10В. Управление давлением

хладагента, способ I

хладагента, способ II

Клапан 2 закрывается при падении входного давления. Это

Оборудование подобно показанному на рис. А, но клапан 2

ведет к повышению уровня конденсата и уменьшению дос"

помещен перед конденсатором. Он закрывается при паде"

тупной поверхности нагрева. В результате конденсация

нии давления нагнетания, и тем самым способствует его под"

уменьшается, и давление стабилизируется на заданном уров"

держанию. Клапан 1 использует это давление для управле"

не. Клапан 1 открывается, когда давление в ЖР падает, и впус"

ния давлением в ЖР. Давление конденсатора не регулиру"

кает в ЖР горячий пар, в результате чего давление в этом со"

ется. Обратный клапан предотвращает обратный поток жид"

суде повышается и стабилизируется.

кости в конденсатор.

Данный регулятор дав"

Выпуск газов

Внутреннее соединение

ления поддерживает

секций охлаждения пара

давление в пароохлади"

и конденсации

теле и ЖР

Пароохладитель

Давление в воздуш"

ном конденсаторе

Из комп"

не регулируется

рессора

Столб жидкости уравно"

вешивает перепад дав"

лений в воздушном кон"

денсаторе и регуляторе

Водопро"

водная вода

Конденсат из па"

роохладителя сте"

Охлаждающая вода

кает в ЖР по этой

линии

К ТРВ

Проходной ЖР

Рис. 11А. Отвод конденсата

Рис. 11В. Конденсатор со встроенным

из пароохладителя

пароохладителем водонагревателем

Линия конденсата одновременно служит линией УД, она пе"

Пароохладитель и конденсатор интегрированы в один агре"

редает на ЖР давление пара перед регулятором. Это устра"

гат. Конденсирующийся пар обычно течет вниз - это есте"

няет необходимость в специальном регуляторе давления в ЖР.

ственное направление для двухфазного потока.

Заметьте, что необходим достаточный перепад высот для

Эта конструкция может применяться для всех типов пластин"

формирования столба жидкости, который будет уравновеши"

чатых теплообменников.

вать падение давления в регуляторе давления и воздушном

конденсаторе.

110

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

А. Если конденсат для охлаждения

ПСПТО в качестве

пара забирается намного ниже кон"

аммиачных паро"

денсатора, давление может быть дос"

охладителей

таточно большим, чтобы конденсат

можно было инжектировать в линию

пара.

Для хорошего смешивания необходим

существенный перепад высот.

Из компрессора

Выпуск

газов

Пар охлажда"

ется инжекци"

К регулирующему вентилю

ей конденсата

Проходной

В. Бустерный насос позволяет ис"

жидкостный

пользовать форсунки для эффектив"

ресивер

ного смешивания паров и жидкости.

Этот столб жидкости делает давле"

К регули"

ние в ЖР выше, чем на входе в паро"

Однако это дорогостоящее решение.

рующему

охладитель. Соответственно, пар

вентилю

течет на вход пароохладителя.

С. Струйный насос всасывает конден"

Из комп"

сат в линию пара. Он также обеспечи"

рессора

вает очень хорошее смешивание.

При барботировании конденсата пу"

Однако при частичной нагрузке его

зырьки пара охлаждаются, но одно"

эффективность резко падает.

временно нагревается конденсат.

Рис. 12А. Пузырьковый проходной

Рис. 12В. Струйный пароохладитель

пароохладитель

7.3. Управление утилизацией тепла

Системы можно проектировать под два давления конден"

сации; большее давление будет использоваться, когда не"

Теплоту можно утилизировать в цикле охлаждения двумя спо"

обходима утилизация теплоты. См. рис. 14.

собами: использовать всю теплоту конденсации для нагрева

воды (или воздуха) до относительно низкой температуры кон"

♦ С другой стороны, давление конденсации не должно опус"

денсации либо нагревать в специальном пароохладителе ма"

каться настолько, чтобы это мешало нормальной работе ре"

лое количество воды до температуры, близкой к фактической

гулирующего вентиля.

температуре хладагента (в ППТО разность< 3 К).

♦ Жидкостный ресивер (или, по крайней мере, линия от него)

Кроме того, утилизация теплоты может быть либо основной

никогда не должны быть пустыми.

задачей установки (тепловой насос), либо дополнительной (хо"

♦ Когда нагрев не нужен, система должна иметь достаточный

лодильная установка). С точки зрения управления, одноцеле"

запас производительности по охлаждению пара и конден"

вая установка - охлаждающая или нагревающая - проще. Двух"

сации.

целевая установка требует дополнительного рассмотрения, см.

также рис. 13 и 14.

Пример. Тепло утилизируется охлаждением пара хладаген"

та, который затем конденсируется в воздушном конденса"

торе. Когда нагрев воды не требуется, воздушный конден"

Óòèëèçàöèÿ òåïëîòû â õîëîäèëüíîé óñòàíîâêå. основной

сатор одновременно и охлаждает пар, и конденсирует его.

задачей установки является охлаждение, и утилизация тепла

♦ На периоды, когда охлаждение не требуется, следует пре"

не должна мешать ее решению. Чтобы функции охлаждения и

дусмотреть иной источник нагрева.

утилизации теплоты не мешали друг другу, необходимо учиты"

вать следующие моменты.

♦ Давление конденсации никогда не должно подниматься на"

столько, чтобы холодопроизводительность опускалась ниже

требуемой.

♦ Установка, выполняющая и утилизацию теплоты, и охлаж"

дение, для большей экономичности должна проектировать"

ся в расчете на более высокую температур конденсации, чем

установка, выполняющая только охлаждение.

Пример. Установка с потребностью в охлаждении 100 кВт

(tи = 2 °C, tк = 35 °C) вырабатывает всего 120 кВт энергии.

Однако энергия источника с температурой 35 °C почти бес"

полезна. Перегрев приблизительно до 60 °C, который со"

ставляет чуть больше 10 % от общего количества энергии,

слишком мал для нагрева водопроводной воды.

Повышение температуры конденсации увеличивает мощ"

ность компрессора с 20 до 34 кВт и общую выработку энер"

гии до 134 кВт, из которых 20 % составляет перегрев до 90

°C, что очень хорошо для нагрева воды в ППТО, а остальная

энергия может использоваться для обогрева помещений.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

111

Принудительное открытие

Клапан для хла"

Регулятор дав"

дагента

Управляю"

ления в ЖР

Регулятор давления

щий клапан

в конденсаторе

ППТО в

качестве

нагрева"

теля во"

допро"

Обрат"

водной

ный

воды

клапан

Конденсатор с воз"

душным охлаждени"

Клапан для водопро"

Обратный

ем (основной)

водной воды

клапан

Рис. 13А. Управление пароохладителями, способ I

Без утилизации тепла. Клапаны для хладагента и водопро"

С утилизацией тепла. Клапаны для хладагента и водопро"

водной воды закрыты, и регулятор давления в конденсаторе

водной воды открываются, а электромагнитный клапан зак"

полностью открыт в результате открытия электромагнитного

рывается, включая тем самым регулятор, который поддер"

клапана.

живает давление в конденсаторе на уровне, необходимом

для утилизации тепла.

То есть, когда утилизация теплоты не требуется, давление в

конденсаторе не регулируется, поскольку не необходимости

Часть хладагента отводится к ППТО и нагревает воду. Повы"

в поддержании определенной температуры. Необходимо по"

шение тепловой нагрузки в ППТО вызывает понижение дав"

заботится о том, чтобы зимой давление в ЖР не упало ниже

ления нагнетания, и регулятор давления в конденсаторе зак"

необходимого, например, устроить столб жидкости между

рывается, направляя больше хладагента к ППТО. Понижение

конденсатором и ЖР, эксплуатировать систему только в ре"

тепловой нагрузки увеличивает давление нагнетания, и ре"

гионах с теплым климатом или регулировать давление каким"

гулятор открывается, увеличивая расход хладагента через

то другим способом, например, с помощью вентиляторов.

воздушный конденсатор.

Электромагнитный клапан

Перепускная линия

Регулятор давления

в конденсаторе

ППТО в качестве

Управляющий клапанПерепускной

клапан

нагревателя во"

допроводной

воды

Oсновной трубопровод

Обратный клапан

Регулятор дав"

ления в ЖР

Конденсатор с воздуш"

ным охлаждением (ос"

новной)

Рис. 13В. Управление пароохладителями, способ II

Без утилизации тепла. Хладагент поступает и в перепуск"

С утилизацией тепла. Когда входная температуры воды по"

ную линию, и в ППТО. Давление поддерживается регулято"

нижается (или включается подача воды), в ППТО начинает

ром давления в конденсаторе, как на рис. 11А.

конденсироваться пар. Управляющий клапан реагирует на DR

в ППТО. Когда тепловая нагрузка возрастает, т.е. входная тем"

Таким образом, пар постоянно поступает в ППТО и нагревает

пература воды снижается, конденсируется большее количе"

воду, даже если нагрев не требуется. Система должна быть

ство пара. При этом DR падает, перепускной клапан закры"

спроектирована в расчете на такую работу. Ее можно обору"

вается, и в ППТО поступает больше пара.

довать клапанами в линиях воды и хладагента, как на рис. А

выше. Данная система больше всего подходит для установок,

Электромагнитный клапан применяется для открытия пере"

где есть постоянная потребность в горячей воде.

пускного клапана на продолжительный период, в течение ко"

торого нагрев не требуется.

112

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

в каком"либо конденсаторе будет блокирована поверхность

8. Поиск и устранение

теплообмена.

неисправностей

♦ Если в регуляторе давления в жидкостном ресивере имеет"

ся утечка, пар хладагента попадает в ресивер в обвод кон"

8.1. Недостаточная производительность

денсатора, и может создаться впечатление, что в конденса"

♦ Проверьте все значения расходов, температур, перепадов

торе конденсируется не весь хладагент.

давления и т.д. Не указывают ли перепады давлений на на"

рушения в работе? Проверьте, нет ли стеснения потока воды,

♦ Проверьте линию УД. Если она открыта и если ЖР проход"

затопления конденсатора из ЖР, необычных шумов и т.д.

ного типа, конденсат может блокировать каналы.

♦ Переставьте термометры местами. Неточные термометры

♦ Наоборот, если ЖР буферного типа, и он подвергается на"

могут не зафиксировать незначительную разность темпе"

греву (теплый компрессорный зал, охладитель масла и т.д.),

ратур.

а линия УД отсутствует, конденсат может подниматься в кон"

денсатор, затапливать каналы и препятствовать отводу не"

♦ Проверьте, нет ли перепадов температуры на наружной по"

конденсирующихся газов.

верхности конденсатора. Большие различия могут свиде"

тельствовать о газовых пробках или о стеснении потока воды

♦ Ïðîâåðüòå, ñîîòâåòñòâóåò ëè óñòàíîâêà ðåêîìåíäàöè-

или хладагента.

ÿì, èçëîæåííûì íà ðèñ. 05 è 06. îñíîâíûìè ïðè÷èíà-

ìè íåèñïðàâíîñòåé, íå ñ÷èòàÿ çàãðÿçíåíèé íà ñòîðîíå

♦ Установлен ли фильтр на входе воды? Если он частично за"

âîäû, ÿâëÿþòñÿ íåïðàâèëüíàÿ óñòàíîâêà è ýêñïëóàòà-

бит, это может вызвать неравномерное распределение воды

öèÿ ëèíèé ÓÄ è îòâîäà íåêîíäåíñèðóþùèõñÿ ãàçîâ

и снизить производительность.

♦ Перепроверьте коэффициент теплопередачи, используя

различные комбинации температур и потоков.

8.2. Неустойчивость

♦ Проверьте охлаждающую жидкость, если это не чистая вода.

Холодильная установка представляет собой систему взаимо"

Если это раствор гликоля или другого вещества, проверьте

действующих обратных связей, т.е. ей в принципе присуща

его концентрацию и (или) вязкость. Слишком высокая кон"

опасность самовозбуждающихся колебаний. О возникновения

центрация ухудшает теплопередачу.

самовозбуждающихся колебаний можно прочесть в главе «Ис"

парители и сепараторы».

♦ Проверьте, нет ли в конденсаторе накипи со стороны жид"

кости и масла со стороны хладагента.

♦ Проверьте разность температур. Если температура воды в

какой"либо точке слишком близка к температуре хладаген"

♦ В чем проявляется недостаточная производительность?

та, небольшое изменение расхода воды вызовет большое

Если конденсатор используется для утилизации теплоты и

изменение разности температур, что может привести к са"

выходная температура воды слишком низка, причина может

мовозбуждающимся колебаниям.

быть в смыкании температурных кривых, см. рис. 01.

♦ Тщательно выбирайте место установки регулятора давле"

♦ Согласованы ли испаритель и компрессор? Если да, то про"

ния, см. рис. 10А и 11. Большое расстояние между клапа"

изводительность конденсатора должна им соответствовать.

ном и конденсатором означает, что конденсат должен за"

В противном случае где"то имеется неисправность.

полнить трубопровод, прежде чем повысится его уровень в

♦ Проверьте компрессор. Обеспечивает ли он требуемую по"

конденсаторе, т.е. время подъема уровня конденсата уве"

дачу хладагента при номинальном давлении? В аппарате не

личивается, а время слива остается коротким.

может конденсироваться больше хладагента, чем в него по"

♦ Проверьте механическое функционирование различных кла"

дается. Возможно, компрессор изношен, имеет внутренние

панов. Клапаны некоторых типов, особенно регулирующие

утечки? Соответствуют ли производительности компрессо"

вентили, имеют очень малые проходные сечения. Обломки,

ра частота вращения и потребление электроэнергии?

например, металлические частицы, образующиеся при из"

♦ Устойчива ли система? Неустойчивость может снижать про"

нашивании оборудования, легко застревают в них, стесняя

изводительность.

поток и повреждая клапан.

♦ Малая производительность в сочетании с сильным пе"

Если расход уменьшится вследствие стеснения потока, со"

реохлаждением конденсата говорят о слишком высоком

ответственно уменьшится и производительность. Такие кла"

уровне конденсата, который блокирует поверхность теп"

паны можно выявить по нарушениям их регулирующих фун"

лообмена. Это может происходить вследствие избытка

кций и (или) по необычному шуму.

хладагента в системе или вследствие недостаточной

♦ Если конденсат блокирует каналы теплообменника, напри"

длины линии конденсата в системе с параллельными

мер, из"за слишком высокого давления в ЖР, см. рис. 6, он

конденсаторами, что вызывает затопление одного из ап"

может внезапно сливаться из каналов, что приводит к неус"

паратов.

тойчивой работе.

Помните, что, если выходная температура конденсата не ре"

гулируется, производительностью конденсатора можно уп"

равлять, изменяя в нем уровень конденсата.

8.3. Отключения компрессора по высокому

Температуру конденсата нельзя регулировать измене

давлению

нием его уровня в конденсаторе, поскольку это означало

Отключение компрессора вследствие срабатывания реле вы"

бы отказ от регулирования производительности по конден"

сокого давления может быть вызвано причинами.

сации, что, как правило, невозможно. То есть, слишком ма"

лая производительность может быть вызвана ошибочным

♦ Падение производительности конденсатора вследствие его

регулированием температуры конденсата.

блокирования конденсатом, вызванного недостаточной про"

изводительностью испарителя или регулирующего вентиля

Если регулирование уровня конденсата применяется в сис"

либо стеснением потока в линии конденсата.

теме с несколькими конденсаторами, следует помнить, что

во время холодного сезона требуется большее количество

♦ Падение производительности конденсатора вследствие заг"

хладагента, поскольку часть его используется для блокиро"

рязнения, слишком теплой охлаждающей воды или недоста"

вания поверхности теплообмена.

точного ее расхода.

Во время теплого сезона лишний хладагент сбрасывается в

♦ Наиболее коварная причина повышения давления - присут"

жидкостный ресивер. Если объем последнего недостаточен,

ствие неконденсирующихся газов, см. §3.3, с. 101, 102.

5. Конденсаторы и жидкостные ресиверы

113

Клапан

Электромагнитный клапан

для хла"

дагента

Регулятор

давления НТ

давления ВТ

Пароохла"

дитель (и

конденса"

тор)

Утилизация теп"

ла включена

ла отключена

Конденсатор с

воздушным охлаж"

Клапан для водопроводной воды

дением (основной)

Регулятор давления в

жидкостном ресивере

Рис. 14А. Управление пароохладителями, способ III

Без утилизации тепла. Клапаны для водопроводной воды и

ление определяется регулятором ВТ, т.е. устанавливается

хладагента закрыты, а электромагнитный клапан в линии НТ

температура, более подходящая для утилизации тепла. Часть

открыт. Регулятор давления НТ поддерживает низкое давле"

хладагента поступает в ППТО, где пар охлаждается и, воз"

ние нагнетания. Регулятор давления ВТ установлен на высо"

можно, частично конденсируется. остальной хладагент кон"

кое давление и потому закрыт. Если давление в ЖР упадет,

денсируется в основном конденсаторе или используется для

регулятор давления в ЖР откроется. Система работает, как

обогрева помещений.

на рис. 10В.

Если тепловая нагрузка в ППТО падает, давление нагнета"

С утилизацией тепла. Клапаны для водопроводной воды и

ния растет, регулятор ВТ открывается и увеличивает расход

хладагента открыты, электромагнитный клапан в линии НТ

хладагента через конденсатор. Если нагрузка возрастает,

закрыт. Теперь, когда регулятор давления НТ отключен, дав" давление нагнетания падает, регулятор ВТ закрывается и

увеличивает расход хладагента через ППТО.

Регулятор давле"

Регулятор дав"

ния для ВТ

ления для НТ

Утилизация теп" НT: включено ВT: включено

ла: выключено

Конденсатор с

воздушным охлаж"

Регулятор давления в жид"

дением (основной)

костном ресивере

Рис. 14В. Управление пароохладителями, способ IV

Без утилизации тепла. Оба клапана хладагента (и водяные

Утилизация тепла при НT. Когда возникает потребность в

клапаны) закрыты. Низкотемпературный регулятор открыт,

нагреве, регулятор НT открывается и часть хладагента по"

поддерживая экономичное давление. Высокотемпературный

ступает в ППТО НT. Регулятор НT открывается или закрыва"

регулятор автоматически закрывается, как только давление

ется в соответствии с изменением тепловой нагрузки. Об"

нагнетания опускается ниже заданного.

ратный клапан у HT ППТО препятствует попаданию хладаген"

та в этот аппарат со стороны выхода.

Регулятор давления в жидкостном ресивере поддерживает

давление на уровне, достаточном для работы терморегули"

Утилизация тепла при ВT. Когда включается ВT ППТО, ре"

рующего вентиля.

гулятор НT закрывается и давление нагнетания определя"

ется работой регулятора ВT. Таким образом, HT ППТО ра"

Система работает, как показано на рис. 10В.

ботает на более высоком температурном уровне, более эко"

номичном для утилизации тепла. Система работает, как на

рис. А выше.

114

6. Загрязнение и коррозия

Для хладагентов, не растворяющих масло, эта проблема стоит

1. Загрязнение со стороны

острее. Если хладагент растворяет масло, он смывает и его, и,

хладагента

как правило, продукты разложения.

Е. Износ. Твердые частицы, образующиеся при износе комп"

1.1. Источники загрязнения

рессора, могут попадать в теплообменники. В испарителях их

А. Введение. В холодильном контуре обычно не происходит

влияние не является целиком отрицательным, так как они ста"

существенного загрязнения со стороны хладагента, кроме заг"

новятся центрами парообразования и увеличивают коэффици"

рязнения маслом. Однако если это случается, последствия

ент пузырькового кипения.

бывают тяжелыми, особенно для регулирующего вентиля и ком"

Ж. осушители. Силикагель это наиболее широко употребля"

прессора.

ющийся осушитель хладагента. Он поставляется в виде крис"

Б. Масло. Масло переносится хладагентом в различные час"

таллов, упакованных в патрон фильтра. Если упаковка недоста"

ти холодильной установки либо в растворенном виде, либо в

точно плотная, а фильтр установлен неправильно, то кристал"

виде эмульсии. Хотя его количество в хладагенте можно по"

лы силикагеля будут двигаться и истираться, образуя мелкие

низить, полностью предотвратить загрязнение невозможно.

частицы, выходящие из фильтра.

Влияние загрязнения маслом зависит от его растворимости

З. Вода. Теоретически, концентрация воды в хладагенте не

в хладагенте.

должна превышать миллионных долей. На практике это может

Помимо того, что масло является загрязнителем, оно влияет

быть не так. Поршневые компрессоры очень чувствительны к

на коэффициент теплопередачи в конденсаторах и испарите"

присутствию даже малого количества воды в хладагенте. Вин"

лях и в силу других эффектов. См. главы, посвященные испа"

товые и турбокомпрессоры могут работать при большом со"

рению и конденсации.

держании воды.

В. Растворимое масло. Масло растворяется в хладагенте и

Вода, масло и продукты разложения могут образовать отложе"

поэтому не образует масляной пленки на поверхности. Это не

ния на поверхностях теплообмена, особенно в испарителях, как

относится к испарителям непосредственного расширения, где

наиболее холодных компонентах системы. Они также могут

хладагент полностью испаряется и масло присутствует в паре

вызывать вспенивание хладагента, что ухудшает теплообмен.

в виде капель. Они оседают на стенках, образуя изолирующую

Вода может попадать в систему с гигроскопичным синтетичес"

пленку.

ким маслом, поглощающим влагу из воздуха.

По счастью, коэффициент теплоотдачи в этой части испарите"

1.2. Очистка и предотвращение загрязнения

ля мал и влияние масляной пленки невелико. Главная задача

при этом - поддерживать достаточно высокую скорость пара,

А. Очистка. Обычная практика не предусматривает чистку теп"

чтобы капли масла не скапливались в испарителе и не снижа"

лообменников со стороны хладагента, если не требуется пол"

ли эффективность теплопередачи.

ный капитальный ремонт. Наиболее вероятные загрязнения

здесь это масло и продукты его разложения, которые можно

Г. Нерастворимое масло. Масло не растворяется в аммиаке

отмыть подходящими промышленными моющими средствами.

(при любых температурах) и R22 (если t < 0 °С). Оно по разному

влияет на работу конденсаторов и испарителей.

Б. Маслоотделители. Масло, особенно в низкотемператур"

ных установках, следует улавливать, отделять от хладагента и

♦ Конденсатор. Поскольку R22 растворяет масло при обыч"

возвращать в компрессор.

ных температурах конденсации, здесь никаких проблем не

возникает. В аммиачных системах нерастворимое масло

В. Фильтры и осушители. Фильтр и осушитель обычно пред"

сказывается на работе конденсатора меньше, чем на рабо"

ставляют собой единое устройство, которое устанавливается

те испарителя. Температура здесь выше, поэтому вязкость

на участке, где поток хладагента направлен вертикально вниз,

масла меньше, а сила тяжести и усилие сдвига под действи"

обычно между конденсатором и ТРВ. Это минимизирует опас"

ем потока аммиака направлены в одну сторону. Следова"

ность движения и износа кристаллов силикагеля. Имеются так"

тельно, в конденсаторе нет опасности накопления масла.

же специальные модели фильтров"осушителей для двунаправ"

ленного потока. Фильтр"осушитель улавливает продукты раз"

♦ Испаритель. Масло, диспергированное в хладагенте, об"

ложения, металлические частицы, воду и т.д.

разует пленку на нагревающей поверхности и в смоченной,

и в сухой части аппарата. Если скорость пара достаточно

Г. Проектирование. Для обеспечения эффективного уноса

велика, капли масла, в конечном счете, уносятся потоком.

масла из испарителя необходимо по возможности увеличить

скорость пара или, точнее говоря, усилие сдвига. Усилие сдвига

Д. Продукты разложения масла. Масло может нагреваться

пропорционально перепаду давления на каждый метр пути по"

в компрессоре выше температуры разложения. В результате

тока. Учтите, что перепад давлений может ограничиваться по

образуется целый ряд продуктов разложения масла: от угле"

другим соображениям, например, из"за разности температур.

рода до смолоподобных веществ. В конечном счете, эти про"

Обычный перепад давления составляет около 5 кПа/м.

дукты оказываются в теплообменниках.

Испаритель это самый холодный компонент системы, в нем

жидкости обладают наибольшей вязкостью, поэтому он боль"

ше подвержен загрязнению.

2. Загрязнение в замкнутых

Особенно опасны в этом отношении новые синтетические мас"

системах

ла. Зачастую они являются полярными соединениями, в кото"

рых неорганические вещества - образующиеся при пайке окис"

Обычно сторона охлаждаемой среды в испарителе является

лы, мельчайшие частицы металла из компрессора и т.д, - ра"

частью замкнутого контура, где циркулирует вода или водный

створяются лучше, чем в минеральных маслах. Кроме того,

раствор антифриза. Поскольку это замкнутая система, где жид"

некоторые масла " на основе простых эфиров в большей сте"

кость остается чистой, загрязнения не составляют проблемы.

пени, чем полиэфирные, гидролизуются в присутствии воды с

Обычно это масло или другая смазка. Раствор гликоля в высо"

образованием загрязняющих и коррозионных продуктов.

кой концентрации растворяет или, по крайней мере, диспер"

гирует масло. Соответственно, он обеспечивает самоочистку

системы.

6. Загрязнение и коррозия

115

Если возникает потребность в чистке, лучше всего использо"

глины до листьев и рыб. Микробиологическая активность (во"

вать промышленные моющие средства, желательно, с приме"

доросли, бактерии и грибки) может быть очень высокой, осо"

нением системы безразборной мойки. Эти системы могут быть

бенно в воде из сельскохозяйственных зон, где используются

и очень простыми -один бак для моющего раствора, насос и

удобрения. Такая вода обычно требует подготовки, особенно

шланги, и весьма сложными - с баками для различных мою"

для подавления биологической активности. По температуре

щих растворов, нагревателями, клапанами, соединительными

она, как правило, занимает среднее положение между артези"

трубами и шлангами, смонтированными на передвижной плат"

анской и оборотной. Повышение ее температуры более чем на

форме.

10 °С обычно не допускается по экологическим соображениям.

Трудно дать советы общего характера относительно загрязне"

Д. Муниципальные сточные воды. В некоторых районах для

ния на стороне охлаждаемой жидкости, если она представля"

крупных потребителей охлаждающей воды, таких как металлур"

ет собой какой"то рабочий раствор. Обычно пользователь хо"

гические, нефтеперерабатывающие или химические заводы,

лодильной установки знает свойства этой жидкости и возмож"

доступны только городские сточные воды, обычно обработан"

ные проблемы в связи с загрязнением.

ные. Такие воды могут быть весьма сильно загрязнены. Они

содержат большое количество натуральных удобрений, осо"

О загрязнении в системе с необработанной водой см. ниже.

бенно свободного аммиака. В некоторых случаях такую воду

Вода одинакового состава чаще создает проблемы в конден"

аэрируют для удаления аммиака.

саторе, чем в испарителе. В холодильных установках обычно

не образуются ни накипь, ни биологические обрастания.

Применимость такой воды для охлаждения ППТО"конденса"

торов сомнительна в связи с опасностью загрязнения и кор"

Обратите внимание, что некоторые растворы соли или гликоля

розии.

вызывают коррозию низкоуглеродистой стали или цинка, если

они не ингибированы надлежащим образом. Продукты корро"

Е. Солоноватая и морская вода не пригодна для применя"

зии могут загрязнять теплообменник.

ющихся в настоящее время ППТО"конденсаторов (из нержа"

веющей стали и меди) из"за коррозионного действия ионов

Некоторую сложность представляет охлаждение в испарителе

хлора.

растворов хлористого кальция. При слишком низком pH эти

растворы вызывают коррозию, при слишком высоком образу"

Внимание! Паяные никелем ППТО с пластинами из нержавею"

ют отложения.

щей стали Avesta 254 SMO можно использовать с солоноватой

водой.

Полусварные теплообменники с титановыми пластинами ус"

тойчивы к любой морской воде, даже весьма загрязненной.

3. Загрязнения в необработанной

воде

3.2. Типы загрязнения

3.1. Типы воды

Выделяют два основных типа загрязнений: приводящих к па"

Воду можно классифицировать по следующим типам.

дению давления и к загрязнению поверхности. Третий тип, от"

ложение твердых частиц, таких как пыль и песок, может одно"

А. Водопроводная вода. Обычно это вода отличного качества,

временно влиять и на гидравлическое сопротивление, и на теп"

но высокая цена позволяет применять ее только для охлажде"

лопередачу. Ниже приводится описание основных типов заг"

ния очень маленьких конденсаторов. Такую воду используют в

рязнения и способов очистки теплообменников, а также дают"

качестве подпиточной в градирнях.

ся рекомендации, как учесть фактор загрязнения при проекти"

Б. Артезианская вода. Уровень биологического загрязнения

ровании ППТО"конденсаторов.

обычно низок, но концентрация накипеобразующих и корро"

зионных солей (сульфатов и карбонатов кальция и магния) иног"

да очень высока. В ней также могут содержаться в большом

3.2.1. Загрязнение, вызывающее падение давления

количестве твердые частицы. В зависимости от качества воды

Присутствующие в воде частицы, волокна, а также листья и

может понадобиться ее подготовка - от простого фильтрова"

щепки, попадающие в градирню, застревают на входе в ПТО.

ния до сложных методов обработки.

Со временем падение давления увеличивается, но теплопро"

изводительность теплообменника не меняется, пока рост гид"

Поскольку артезианская вода обычно довольно холодная и до"

равлического сопротивления не отражается на расходе воды.

ступна в ограниченных количествах, ее нагревают сильнее чем

оборотную воду, на 10"15 °С, что позволяет соответственно

Обычные частицы, такие как песок, имеющие диаметр меньше

понизить расход.

1мм, проходят через каналы ППТО. Однако волокна задержи"

ваются внутри каналов независимо от их размеров, поэтому их

В. Оборотная вода из градирен. Эта вода циркулирует в от"

присутствие в охлаждающей воде недопустимо.

крытом контуре между конденсатором и градирней. Обычно она

на 15"20 °С теплее, чем артезианская вода в том же регионе.

3.2.2. Предотвращение загрязнения и очистка

Содержание солей в ней может быть на порядок выше, чем в

Есть два основных способа защиты от загрязнения, вызываю"

подпиточной воде - обычно водопроводной (очень чистой) или

щего падение давления.

артезианской. В сильно загрязненных зонах в оборотной воде

Обратная промывка - реверсирование потока охлаждающей

накапливаются пыль и коррозионные газы (см. ниже в разделе

воды. Если несколько конденсаторов соединены параллельно,

«Коррозия»).

то при промывке одного из них остальные желательно отклю"

В результате может образоваться довольно грязная и коррози"

чить, чтобы увеличить скорость противотока в промываемом

онная жижа, которую необходимо обработать, прежде чем по"

теплообменнике. Сильный обратный поток воды смывает сор

давать в чувствительные к загрязнению компоненты системы. К

с входа в аппарат. Этот метод применяется, если вода не со"

счастью, в циркуляционном контуре это несложно сделать.

держит большого количества мелких частиц, которые могут

откладываться внутри ППТО.

Градирни обычно рассчитаны на охлаждение воды приблизи"

тельно на 5 °С, что определяет возможное повышение темпе"

Сетчатый фильтр. Сетчатые фильтры с размером ячейки от

ратуры в конденсаторе.

0,5 мм до 1,5 мм устанавливаются в контуре охлаждающей

воды, предпочтительно перед насосами, которые тоже необ"

Г. Поверхностная вода рек и озер. Концентрация накипеоб"

ходимо защищать от загрязнений. Размер ячеи зависит от ка"

разующих солей обычно весьма низкая. Однако эта вода мо"

чества воды и необходимой степени защиты.

жет содержать большое количество твердых частиц, от песка и

Сетка с очень мелкими ячейками не обязательно является наи"

116

6. Загрязнение и коррозия

лучшим решением. Она лучше защищает теплообменник, но

Грибки. Действуют подобное бактериям, но обычно их труд"

проблема очистки просто переносится на фильтр, который не"

нее устранить. Главная проблема, которую создают грибки, это

обходимо часто открывать и очищать. С другой стороны, слиш"

не ухудшение теплообмена или повреждение технологическо"

ком крупная ячея сдвигает проблему чистки на теплообменник.

го оборудования, а разрушение деревянных частей градирни.

Соответственно, если фильтр легко доступен для очистки, а

Отложения песка и т.п. Песок, пылевые частицы и т.д. могут

конденсаторы обязательно нужно поддерживать в рабочем

задерживаться на входе ППТО, но только при очень низкой ско"

состоянии 24 часа в сутки, ставьте мелкую сетку. Если конден"

рости потока.

сатор можно надолго переводить в резерв, а очищать фильтр

трудно, используйте крупную сетку.

Колонии балянусов, мидий и т.п. обычно могут стать про"

блемой только в солоноватой или морской воде.

ППТО, которые невозможно разобрать, следует оборудовать

фильтрами с мелкими ячейками, а обычные ПТО нужно защи"

щать более грубыми фильтрами.

3.2.4. Предотвращение загрязнения и очистка

Обработка воды требует специальных знаний, особенно обра"

ботка для борьбы с биологическими обрастаниями. Некоторые

3.2.3. Загрязнение поверхности, накипь

вещества, используемые для этой цели, токсичны для людей и

Это случается, когда поверхность теплообмена покрывается

морских обитателей, применение других ограничивается го"

загрязняющим слоем. Производительность теплообменника

сударственными правилами, поэтому при таких процедурах

ухудшается, но гидравлическое сопротивление не изменяет"

необходимо проконсультироваться со специалистами по об"

ся, по крайней мере, в начальный период. Можно выделить

работке воды. Чистящие жидкости могут быть коррозионными

следующие классы загрязнений, встречающихся при охлажде"

агентами или представлять опасность в иных отношениях. По

нии конденсаторов обычной водой.

этим причинам целесообразно использовать специальные про"

Липкие продукты. Масло и другая смазка может попадать в

мышленные препараты, а не те или иные вещества, упомяну"

контур охлаждающей воды и налипать на внутренние поверх"

тые ниже или где"либо еще. Альфа Лаваль производит ряд де"

ности.

тергентов и препаратов для удаления накипи.

Накипь. Некоторые неорганические соли, особенно сульфат

Промышленные препараты обычно содержат ингибиторы для

кальция (CaSO₄), имеют обратную зависимость растворимо"

предотвращения или замедления коррозии и представляют

сти от температуры, т.е. их растворимость понижается с по"

собой смеси различных компонентов, которые действуют на

вышением температуры. Поэтому при контакте холодной воды

широкий спектр микроорганизмов. Кроме того, они снабжены

с теплой поверхностью в конденсаторе эти соли отлагаются

надлежащими предостережениями, к ним прилагаются инст"

на поверхности теплообмена. Чистый сульфат кальция очень

рукции по применению, правила безопасности, иногда, на них

плохо растворяется, и очистить от него поверхность трудно

даются гарантии.

или невозможно. К счастью, другой компонент накипи, кар"

А. Обычные промышленные моющие средства могут быть

бонат кальция (CaCO₃), легко растворяется разбавленными

использованы для очистки ППТО"конденсаторов. Они эффек"

кислотами.

тивно удаляют масло и другую смазку, бактериальную слизь,

Скорость отложения накипи зависит от состава и концентра"

колонии водорослей и т.д. Как и для испарителей, возможно

ция этих солей, pH и температуры. Накипь редко образуется,

применение систем безразборной мойки. В экстренных слу"

если температура стенки ниже 45 °С, т.е. этот процесс имеет

чаях можно применять бытовые моющие средства. Подходя"

значение только для определенных установок и аппаратов (теп"

щим препаратом является Р3 Т6560 фирмы Хенкель.

ловые насосы, пароперегреватели и т.д.). См. рис. 1.

Чистка с помощью моющих средств больше подходит для зам"

Водоросли. В определенное время года, особенно летом, вода

кнутых систем, так как в открытых образование пены может

типов Г и Д может содержать большое количество водорослей.

создавать проблемы.

Крупные водоросли задерживаются сетчатым фильтром, а мел"

Предостережение 1! Некоторые моющие средства содержат

кие могут проходить через конденсатор, не нарушая его рабо"

аммиак. Их нельзя использовать для обработки медных ППТО.

ту. Однако мелкие водоросли нередко вызывают осложнения:

помимо ухудшения теплообмена, колонии водорослей на стен"

Б. Стойкие органические отложения, например, жировые

ках могут стать центрами точечной коррозии. Если оборотная

или белковые, можно очищать теплым 10% раствором едкого

вода не обрабатывается пестицидами, градирня создает ис"

натра. Систему промывают едким натром также после обра"

ключительно благоприятные условия для размножения водо"

ботки кислотой.

рослей. В закрытых системах водоснабжения водоросли отсут"

Предостережение 2! Едкий натр растворяет белки. Это отно"

ствуют, так как для роста им нужен свет.

сится не только к бактериальным обрастаниям в теплообмен"

Водоросли попадают в конденсатор только снаружи, поэтому

нике, но и к вашей коже и, особенно, глазам.

такое загрязнение, по крайней мере, теоретически, всегда

Предостережение 3! Едкий натр вызывает быструю корро"

можно предотвратить фильтрованием и обработкой воды.

зию алюминия. При этой реакции не только разрушается алю"

Бактерии, в отличие от водорослей, могут расти везде и не

миний, но и образуется водород, т.е. возникает опасность

задерживаются сетчатыми фильтрами. Поэтому рост бакте"

взрыва.

рий в благоприятных для них условиях предотвратить невоз"

В. Накипь лучше всего очищать промышленными препарата"

можно.

ми, которые обычно содержат добавки, усиливающие основ"

Некоторые бактерии получают энергию, превращая имеющи"

ное действие и (или) предотвращающие коррозию. Например,

еся в воде сульфаты в серную кислоту, которая вызывает кор"

можно использовать препарат Р3 Т288 фирмы Хенкель.

розию. Другие усваивают железо из растворенных солей или

В экстренных случаях можно использовать слабые кислоты,

из окислов и образуют вязкую массу, покрывающую стенки. Есть

такие как муравьиная, лимонная, уксусная, щавелевая или ор"

виды, питающиеся соединениями азота или фосфора, они со"

тофосфорная. Обычно достаточно 5 % водного раствора. Пос"

здают пленку слизи на поверхностях теплообменника. Так как

ле обработки не забудьте тщательно промыть теплообменник

конденсатор это наиболее теплый участок в системе, он очень

чистой водой. Обработка 1 - 2 % раствором едкого натра

благоприятен для размножения бактерий. Вода может выгля"

(NaOH) или соды (NaHCO₃) перед последней промывкой водой

деть совершенно чистой, но содержать бактерии, что делает

гарантирует нейтрализацию всей кислоты.

этот тип загрязнения особенно коварным и трудным для выяв"

ления.

6. Загрязнение и коррозия

117

5.0

2.9

2.8

2.7

0 ˚C

2.6

2.5

4.0

2.4

2.3

2.2

2.1

2.0

3.0

1.9

1.8

1.7

1.6

1.5

2.0

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

100

1.0

0.9

1.0

100

1000

ppm 10000

Является ли данная вода стабильной или

Ориентировочная оценка, без гарантии!

агрессивной?

Èíäåêñ Ëàíæåëüå:

Индекс стабильности Райзнера:

< 0

Коррозионная активность

= 4 " 5 Высокая вероятность отло"

pH - pS - pAlc - pCa

= 0

Стабильная система

жений

> 0

Отложение накипи

2 * ( pS + pAlc + pCa) " pH

= 6 " 7 Стабильная система

= 8 " 9 Высокая коррозионная ак"

тивность

Îáðàçîâàíèå íàêèïè èëè êîððîçèîííàÿ àêòèâíîñòü? Эти

Щелочность, pAlc. Бикарбонатная щелочность определя"

два индекса показывают, будет ли карбонат кальция выпадать

ется титрованием воды кислотой с метилоранжем в качестве

в осадок в данной воде (образование накипи) или растворять"

индикатора. Результат выражается различными способами.

ся (коррозионная активность). Такая вода может вызывать

Здесь мы используем эквивалентное содержание карбона"

коррозию углеродистой стали и, в меньшей степени, меди,

та кальция, CaCO₃. Значения pAlc можно определить по ди"

но не нержавеющей стали 316. Для нержавеющей стали кор"

аграмме.

розионным агентом является ион хлора в высокой концент"

Содержание кальция, рСа. Обычно выражается либо как

рации. См. §5.2.

концентрация карбоната кальция, CaCO₃, либо как концент"

ðÍ Измерение рН это простая процедура, которая проводит"

рация ионов кальция, Са⁺⁺. Соотношение между этими дву"

ся регулярно. Единственная проблема в том, что рН может

мя показателями:

меняться в зависимости от сезона и климатических условий,

100 г CaCO₃ <=> 40 г Са⁺⁺

поэтому могут понадобиться дополнительные измерения.

Пример. Анализ показал, что содержание кальция составля"

Îáùåå ñîäåðæàíèå ñóõèõ âåùåñòâ, pS. Соотношение со"

ет 92 млн^"1 Са⁺⁺, что соответствует 230 млн^"1 CaCO₃. По этому

держания различных солей в природной воде довольно по"

значению определяем рСа с помощью приведенной выше ди"

стоянно. Поэтому ионная сила раствора пропорциональна

аграммы.

общему содержанию сухих веществ, выраженному в млн^"1.

Пример. Вода: рН = 10, содержание сухих веществ = 2300

Обработанная вода, например, оборотная вода из градирни,

млн^"1, щелочность = 100 млн^"1 CaCO₃, содержание кальция =

технологическая вода, сточная вода и т.д., может обладать со"

500 млн^"1 CaCO₃. Будет ли образовываться накипь при кон"

вершенно иными свойствами, так что общее содержание су"

такте с поверхностью, имеющей температуру 55 °С?

хих веществ нельзя напрямую использовать для оценки ион"

ной силы. Кроме того, для оценки ионной силы нужно исклю"

рН = 10, pS = 1,72, pAlc = 2,6, pCa = 2,3

Оба индекса показы"

чить из общего содержания сухих веществ недиссоциирован"

вают, что образование

И. Л. = 10 - 1,72 - 2,6 - 2,3 = 3,38

ные растворенные вещества, такие как сахар.

накипи должно быть

И. С. Р. = 2 * (1,72 - 2,6 - 2,3) - 10 = 3,24 интенсивным.

На данной диаграмме величина pS представлена как функ"

ция содержания сухих веществ в млн^"1.

Рис. 01. Оценка опасности образования накипи и коррозии углеродистой стали

118

6. Загрязнение и коррозия

Предостережение 4! Концентрированные кислоты очень аг"

В силу токсичности, использование жидкого хлора ограни"

рессивны и требуют осторожного обращения. Уксусная кисло"

чено крупными химическими заводами. Более мелкие пред"

та, хотя и безвредна в виде уксуса на обеденном столе, вызы"

приятия используют гипохлорит кальция или натрия. При их

вает ожог кожи. Автор однажды снял кожу со своей левой руки,

растворении этих веществ в воде образуется то же актив"

как перчатку, после нескольких минут контакта с концентриро"

ное соединение хлора, что и при растворении свободного

ванной уксусной кислотой.

хлора.

Предостережение 5! Ни при каких обстоятельствах не исполь"

Наиболее элегантным методом является получение хлора

зуйте сильные неорганические кислоты, такие как соляная,

из морской воды, особенно на морских судах. В результате

азотная или серная. При определенных условиях соляная кис"

электролиза обычной поваренной соли (NaCl) на одном элек"

лота может разрушить нержавеющую сталь всего за несколько

троде образуется хлор, а на другом - водород и гидроокись

минут, азотная кислота вызывает коррозию меди и алюминия,

натрия.

но особенно опасна концентрированная серная кислота.

Хлор применяется для обработки не только охлаждающей,

Предостережение 6! При разбавлении кислоты, щелочи, де"

но и питьевой воды, и воды плавательных бассейнов. В сис"

тергента или любого другого концентрированного раствора,

темах обработки охлаждающей воды хлор (или соли хлора)

всегда нужно лить разбавляемый раствор в воду, а не наобо"

используются для постоянного или периодического хлори"

рот. Небольшое количество воды, добавленное в большой

рования.

объем серной кислоты, вскипает и разбрызгивает кислоту. Не"

♦ Постоянное хлорирование. Достаточная концентрация

большое количество кислоты, добавленное в воду, опустится

хлора - 0,2…0,3 млн^"1. Хлор в такой концентрации не вызы"

на дно и охладится.

вает коррозии нержавеющей стали и меди в медных паяных

Г. Биологическое загрязнение предотвращается подходя"

ПТО.

щей обработкой охлаждающей воды. Это проще осуществить

♦ Периодическое хлорирование. Периодичность и продол"

в контуре оборотной воды, например, от градирни, чем в сис"

жительность хлорирования определяется из опыта, так как

темах с проточной охлаждающей водой, но иногда обработка

свойства охлаждающей воды сильно зависят от сезона года

проводится и в этих случаях. Очистка воды от биологической

и от местных условий. Для начала можно принять режим, при

активности всегда должна проводиться в сотрудничестве со

котором обработка длится около получаса и повторяется

специалистами. Ниже приводится несколько примеров хими"

4…6 раз в день, а концентрация хлора на выходе из тепло"

ческих реактивов, применяемых для борьбы с биологически"

обменника составляет 1…2 млн^"1. Хлор вводится в трубы

ми обрастаниями.

после теплообменника. Общий расход хлора при периоди"

♦ Хлорфенолы. Эффективны против широкого спектра мик"

ческой обработке меньше, чем при непрерывной, что суще"

роорганизмов, хотя некоторые виды могут оказаться устой"

ственно для защиты окружающей среды. Недостаток пери"

чивыми.

одической обработки состоит в том, что некоторые виды

морских животных, например, балянусы, научаются заранее

♦ Перманганат калия. Это сильный окислитель, который

закрывать раковины, делая обработку хлором неэффектив"

разрушает все органические вещества, включая микроор"

ной. В таких случаях обработка должна проводиться через

ганизмы.

неравномерные интервалы времени.

♦ Бихромат или хромат натрия. Применяются главным об"

♦ Предостережение 7! Свободный хлор в комбинации с

разом как ингибиторы коррозии, кроме того, являясь окис"

ионом хлора чрезвычайно агрессивен в отношении всех

лителями, разрушают микроорганизмы.

марок нержавеющей стали и некоторых других высоколе"

♦ Сульфат меди. Его нельзя использовать, если раствор бу"

гированных сплавов, например, хастеллоя (Hastelloy C). Ре"

дет контактировать с оборудованием из низкоуглеродистой

комендации по использованию хлора в системах с теплооб"

стали, так как электролитическое осаждение меди может

менниками из нержавеющей стали приведены далее в этой

вызвать сильную коррозию. См. рис. 04.

главе в разделе «Коррозия».

♦ Четвертичные аммиачные соединения. Это органичес"

♦ Озон - О₃ - это газ, токсичный в высоких концентрациях, в

кие соединения, в которых один или несколько атомов во"

более низких концентрациях обладающий раздражающим

дорода в молекуле аммиака заменены органической груп"

действием. Он обладает запахом, который можно почувство"

пой. Эти соединения аммиака, как и сам аммиак, могут выз"

вать вблизи больших электродвигателей или после грозы.

вать коррозию меди. Используйте только патентованные

Подобно хлору, он активно реагирует с органическими ве"

препараты, безопасное применение которых для очистки

ществами и потому уничтожает все типы микроорганизмов.

содержащего медь оборудования гарантируется изготови"

Устойчивость к озону не вырабатывается.

телем.

Преимущество такой обработки перед хлорированием со"

♦ Хлор. Хлор исключительно эффективен против всех видов

стоит в том, что продукты распада менее токсичны, чем хлор"

микроорганизмов, причем устойчивость к хлору не выраба"

содержащие органические соединения, образующиеся при

тывается. Он разрушает все органические и некоторые не"

обработке хлором. Однако озон дороже в производстве и

органические соединения. Это высокотоксичное вещество,

труднее транспортируется.

применение которого требует большой осторожности (про"

Эффективность обработки пресной и морской воды, по"ви"

консультируйтесь со специалистом).

димому, возрастает с понижением ее температуры.

При нормальных давлении и температуре хлор является га"

зом (точка кипения "34,7 °С). Обычно он поставляется жид"

ким в баллонах под давлением. Хлор тяжелее воздуха, по"

этому может скапливаться у пола в непроветриваемых мес"

тах, например, в компрессорных залах, подвалах и т.д. Он

обладает сильным раздражающим действием, поэтому его

присутствие обнаруживается задолго до достижения токси"

ческой концентрации.

Первыми признаками отравления хлором являются боль в

груди и затрудненное дыхание. Полезно знать, что вдыха"

ние небольшого количества аммиака (например, из бутыл"

ки с нашатырным спиртом) облегчит боль и дыхание.

6. Загрязнение и коррозия

119

Г. Отделитель масла

Конденсатор

А. Система обратной промывки или Б. сет"

чатый фильтр

Е. Фильтр"осу"

Оба устройства для расхода более 40 м³/ч

шитель

Д. Фильтр для очистки

охлаждаемой воды от

Испаритель

сора (для расхода менее

40 м³/ч)

В. Агрегат безразборной мойки

Рис. 02. Примеры чистящих устройств

ток это сбросная вода, которой периодически промывается

фильтр.

А. Система обратной промывки.

В. Агрегат безразборной мойки. Шланги от агрегата безраз"

Нормальный

Клапаны Авх

Клапаны Ввх

борной мойки присоединяются к дополнительным патрубкам

режим:

и Авых открыты

и Ввых закрыты

аппарата. Направление потока моющей жидкости должно

быть противоположным направлению потока в нормальном

Обратная

Клапаны Ввх

Клапаны Авх

режиме.

промывка:

и Ввых открыты

и Авых закрыты

Г. Масляный фильтр.

Штриховые стрелки показывают направление потока при об"

ратной промывке.

Д. Фильтр для очистки охлаждаемой воды от сора.

Б. Сетчатый фильтр Альфа Лаваль. Небольшой боковой по"

Е. Фильтр"осушитель хладагента.

4. Рекомендации по проектированию

Пластинчатые теплообменники хорошо противостоят поверх

ностному загрязнению по следующим причинам.

♦ Гофры пластин приводят к очень высокой турбулентности по"

тока даже при низком расходе. Турбулентный поток, в отли"

чие от ламинарного, не позволяет взвешенным частицам

осесть на поверхности.

Пример. Усилие сдвига пропорционально перепаду давле"

ния, приходящемуся на метр пути потока. В коаксиальном

теплообменнике и ППТО перепад давления составляет 0,5

бар при равном расходе воды. Однако в коаксиальном теп"

лообменнике общая длина трубы составляет 6 м, а в ППТО -

0,6 м. Следовательно, усилие сдвига в ППТО в 10 раз боль"

ше, чем в коаксиальном теплообменнике.

♦ В ППТО нет мертвых зон, где откладываются загрязнения.

Рис. 03. Проектирование для минимизации

♦ Высокое качество обработки поверхности пластин предот"

накипи.

вращает отложение частиц.

♦ Медь в паяных теплообменниках создает неблагоприятную

А. При противотоке самая теплая часть воды встречается с

среду для микроорганизмов.

самой теплой частью хладагента, что приводит к высокой

температуре стенки и к опасности отложения накипи.

Однако пластинчатые теплообменники могут загрязняться

липкими взвесями, такими как определенные типы глины,

Б. Эта опасность возрастает при дросселировании потока

слизь, ил, а также волокнистыми частицами.

воды с низкой входной температурой.

ПТО подвержены загрязнению, увеличивающему гидравли"

В. Прямоток, условия противоположны случаю А.

ческое сопротивление. Но с ним легко бороться двумя упо"

Г. Самая высокая температура воды ниже, чем выходная тем"

мянутыми выше методами: обратной промывкой или уста"

пература теплого хладагента.

новкой сетчатого фильтра.

Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год) - часть 6