Назначение и роль теплообменных аппаратов в схеме холодильной установки

Теплообменник в холодильнике — это аппарат, в котором тепло передаётся от одной среды к другой: испаритель отбирает тепло у охлаждаемого воздуха или воды, конденсатор отдаёт его наружу, переохладители и регенеративные теплообменники повышают эффективность цикла. Теплообменники холодильных машин бывают кожухотрубные, пластинчатые, оребрённые воздушные и листотрубные.

Назначение теплообменных аппаратов состоит в том, чтобы между потоками сред, имеющих разные исходные температуры, осуществить передачу тепловой энергии. Участвующие в теплообмене среды являются газообразными или жидкими. Теплообмен в аппаратах может осуществляться конвекцией, массопереносом, лучистым теплообменом, теплопроводностью и при фазовом переходе.

Различия в энергетических уровнях теплообменивающихся сред, их теплофизических и химических свойствах определяют конструкцию аппаратов. Особая специфика конструкций и условий теплообмена свойственна теплообменным аппаратам холодильных машин.

В холодильной технике в большинстве типов теплообменников среды, обменивающиеся теплом, не находятся в непосредственном контакте, исключение составляют процессы теплообмена между несмешивающимися жидкостями, жидкостью и газом или газом и подвижным твердым материалом. При теплопередаче между средами, разделенными стенкой, потоки веществ движутся одновременно и непрерывно. Такие теплообменники называют рекуператорами. Однако термин «рекуператор» подразумевает также и упомянутый случай, когда в теплообмене участвует одна или две несмешивающиеся жидкости или один из потоков состоит из кускового твердого материала. При этом роль разделительных стенок выполняет поверхность жидкости или твердого материала.

Теплообменники, содержащие теплоаккумулирующую массу (насадку), называют регенераторами. Насадка чаще всего изготавливается в виде решеток, колец, шариков, пористых масс с проходными каналами, что создает большую теплопередающую поверхность для проходящих через насадку потоков. Регенераторы переключаются через определенные промежутки времени. Рабочие среды попеременно проходят через одни и те же поперечные сечения насадки. Следовательно, потоки, между которыми осуществляется передача теплоты, разделены в регенераторах не пространственно, а во времени. Сначала насадка воспринимает теплоту или холод от одного из потоков, а после переключения отдает их другому. Для непрерывной работы требуются, по меньшей мере, два регенератора. Холодильная машина (рис 1—3), состоит из четырех основных элементов: испарителя, конденсатора, компрессора (для схемы, изображенной на рис. 3, роль компрессора выполняют абсорбер и генератор) и дроссельного вентиля.

Испаритель, конденсатор и вспомогательные аппараты

Испаритель — это теплообменный аппарат, в котором осуществляется отвод теплоты от охлаждаемой среды к хладагенту. Конденсатор предназначен для отвода теплоты фазового перехода в процессе конденсации хладагента к охлаждающей среде. Иногда в конденсаторе осуществляется также и охлаждение жидкого хладагента ниже температуры конденсации (переохлаждение) .

В каскадных холодильных машинах (см. рис. 2), применяемых для получения температур 170—200 К при высоких температурах конденсации, помимо конденсатора и испарителя имеется аппарат, называемый испарителем-конденсатором. В нем отводится теплота конденсации от хладагента, осуществляющего обратный цикл в нижней ступени каскада, к кипящему хладагенту, совершающему цикл в верхней ступени каскада.

Холодильные установки включают в себя одну из холодильных машин, охлаждаемый объект, а также устройства, служащие для повышения эффективности отдельных рабочих процессов цикла. К этим устройствам относятся переохладители, рекуперативные теплообменники, промежуточные сосуды, маслоотделители и др.

Схемы движения сред и расчёт

Основной характеристикой конструкции теплообменника является тип относительного движения потоков сред (теплоносителей), взаимная геометрия этих течений. Из курса теплопередачи известны основные типы относительного движения: противоток, параллельное однонаправленное течение, перекрестный ток, перекрестный ток с противотоком и многоходовое течение в межтрубном пространстве, в трубах.

Для расчета характеристики теплообменника необходимо задаться схемой движения теплоносителей в нем, установить расходы теплоносителей по выбранным направлениям и определить значения термических сопротивлений передаче теплоты от одного теплоносителя другому в каждой точке объема теплообменника. В теплообменных аппаратах в зависимости от их вида и технологических процессов применяют следующие типы поверхностей раздела между теплоносителями:

• гладкие трубы (в том случае, когда коэффициенты теплоотдачи, а внутри и снаружи трубы одинаковы);
• оребренные трубы с оребрением на наружной поверхности. Эти ребра могут быть выполнены заодно с трубой или же соединены с ней сваркой, наплавкой из другого металла, пайкой. Ребра могут иметь форму кольцевых дисков с одинаковой или переменной толщиной ребра, спиральных пластин или плоских листов, расположенных поперек или вдоль оси трубы;
• матричные конструкции отличаются от систем с гладкими или оребренными трубами экономичностью путей увеличения площади теплопередающей поверхности и достижения высоких значений объемных коэффициентов взаимодействия сред в результате создания компактных конструкций взаимопронизывающих каналов с развитыми поверхностями;
• поверхность пленки тепло- или хладоносителя, обтекаемая потоком газа. В холодильной технике поверхности, по которым стекает пленка, могут быть плоскими, рифлеными, в виде насадки из колец Рашига, шайб и других нерегулярных форм К аппаратам с пленочным течением относятся градирни, воздухоохладители, абсорберы, конденсаторы, испарители, мокрые воздухоохладители;
• теплообменники с распылением жидкости, в которых жидкость находится в контакте с газообразной средой в виде капель, созданных в распылительных устройствах типа форсунок. К ним относятся увлажнители, кондиционеры и градирни форсуночного типа, устройства для производства порошков молока и фруктов.

Несмотря на схожесть функционального назначения теплообменников, их конструкции даже внутри одного вида существенно отличаются.

Устройство и подбор паяных и разборных пластинчатых аппаратов — в разделе пластинчатые теплообменники.

Для чего предназначен регенеративный теплообменник

Регенеративный теплообменник в холодильной установке предназначен для переохлаждения жидкого хладагента перед дросселем за счёт перегрева холодного пара, идущего из испарителя в компрессор. Он решает три задачи: увеличивает удельную холодопроизводительность, защищает компрессор от попадания жидкости и не даёт жидкости вскипать в жидкостной линии.

Тепло, отданное жидкостью, равно теплу, полученному паром. Зная переохлаждение жидкости, можно оценить перегрев пара:

Регенеративный теплообменник выгоден для R404A, R507, R134a, но не для аммиака и R22 при низких температурах: у них растёт температура нагнетания. Классификацию теплообменных аппаратов — по назначению, конструкции и схемам движения сред — см. в статье классификация теплообменных аппаратов.

Частые вопросы

Теплообменник в холодильнике — что это?

Испаритель и конденсатор, а также вспомогательные теплообменники. В бытовом холодильнике испаритель находится в камере, конденсатор — решётка на задней стенке или трубки в корпусе.

Какие теплообменники применяют в холодильных машинах?

Кожухотрубные и пластинчатые — для охлаждения воды и рассолов, оребрённые трубчатые — воздухоохладители и воздушные конденсаторы, листотрубные — в бытовых холодильниках, а также регенеративные теплообменники и переохладители.

Для чего предназначен регенеративный теплообменник в холодильной установке?

Для переохлаждения жидкого хладагента перед дросселем за счёт перегрева пара после испарителя: растёт холодопроизводительность, компрессор защищён от жидкости, жидкость не вскипает в линии.

Читайте также

• Низкотемпературные тепловоды
• Системы охлаждения
• Виды теплообмена в изоляции
• Типы и конструкции конденсаторов