Методика подбора и расчета воздушного конденсатора

Рассмотрим на примере самой обычной холодильной машины (схема 1а) поведение температур вокруг конденсатора и поступающего в него холодильного агента.

Рис.1. Схема и холодильный цикл обычной холодильной машины

• где, РУ – расширительное устройство (вентиль, клапан, дроссель и пр.);
• Pk – давление конденсации;
• Ро – давление кипения.

Точка В характеризуется такими значениями давления и температуры, при которых хладагент не может перейти в жидкое состояние. Отрезок кривой ВС отображает хладагент в состоянии насыщенной жидкости. Его температура соответствует температуре конца конденсации. При этом доля пара равна 0%, а переохлаждение хладагента близко к нулю. В левой части кривой ВС состояние хладагента соответствует переохлажденной жидкости (ПЖ) – его температура меньше температуры кипения.

Внутри кривой АВС состояние хладагента соответствует состоянию парожидкостной смеси (П+Ж). доля пара в единице объема приравнивается к 100% — кривая АВ, до 0% — кривая ВС.

В дальнейшем будем рассматривать конденсатор воздушного охлаждения, поскольку он является самым распространенным типом устройств среди себе подобных, испоьзуемым в парокомпрессионных холодильных машинах. Предполагается, что он имеет один или несколько вентиляторов, которые обеспечивают ему обдув воздухом и представляет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис.2).

Рис.2 Схема и температурные параметры, отображающие нагрев воздуха на конденсаторе.

• где, Та3 – показатель температуры воздуха на входе в конденсатор;
• Та4 – показатель температуры воздуха на выходе из конденсатора;
• Тk – показатель температуры конденсации хладагента в конденсаторе;
• FF – температура хладагента;
• L – равнозначная длина конденсатора;
• отметки 2,3,4 и 5 соответствуют аналогичным точкам на рис. 1б.

Перепадом температур по воздуху на конденсаторе ΔТак=Та4-Та3. Если работа холодильной установки стабильна, то величина ΔТак для трубчаторебристых конденсаторов воздушного охлаждения с принудительным обдувом обычно находится в пределах 3-9К. Другими словами, воздух, проходящий через конденсатор, должен иметь температуру не меньше 3К и не превышать отметку в 9К. Если температура воздуха, которая проходит через конденсатор с принудительным обдувом менее 3 К, то это говорит о снижении теплоотдачи хладагента (причиной этому может быть загрязнение наружной поверхности оребрения конденсатора), которое приводит к росту температуры, следовательно, и давления. Более высокие значения ΔТак (>10К) по сравнению с номинальным, свидетельствуют о том, что расход воздуха проходящего через конденсатор (по причине нестабильной работы вентилятора, приводит к росту температуры и, соответственно, повышению давления конденсации.

Максимальный температурный напор ΔTмакс= Тk-Та3. Данный показатель применяют при выборе конденсатора, поскольку в большинстве случаев значение производительности Qконд зависит от показателя DTмакс. Так для всех трубчатых конденсаторов воздушного охлаждения расчетное значение DTмакс считают равным 15± 3К (независимо от марки используемого хладагента и назначения холодильной установки). Таким образом мы видим, что для стабильной работы любой холодильной установки, в которой применяются хладоны, температура конденсации Тk в трубчато-ребристых конденсаторах должна превышать температуру наружного воздуха (быть не ниже 12К и не выше 18К).

Холодильный агент (кривая, отмеченная красным цветом на рис. 2б) — имеет вид перегретого пара на входе в конденсатор и температуру, равную температуре нагнетания Тнагн. На участке 2-3 происходит отбор теплоты от хладагента и ее передача окружающей среде. На отрезке 3-4 совершается процесс конденсации при стабильной температуре Тk. Процесс переохлаждения жидкого хладагента начинается в точке 4 и завершается в точке 5. В результате температура хладагента снижается от Тk до Тж. При этом давление хладагента, если не брать во внимание его потери в конденсаторе, остаются постоянными и равняются давлению конденсации Рk. Переохлаждением на выходе из конденсатора будет разность температур конденсации Тk и жидкости на выходе из него Тж:

ΔТпереохл= Тk – Тж

При этом величина переохлаждения не зависит от типа применяемого хладагента и типа конденсатора, при условии нормальной работы холодильной установки (данный показатель должен находиться в диапазоне 3-6К).

Если для охлаждения конденсатора используется вода (рис.3), то температурные параметры будут теми же, что и для конденсаторов воздушного охлаждения. Но цифровые значения температур охлаждающей воды, которые должны использоваться во время эксплуатации холодильной установки, будут отличаться от аналогичных показателей для конденсаторов воздушного охлаждения.

Рис.3 – Схема и температурные параметры, отображающие процесс нагрева воды в конденсаторе водяного охлаждения, где:

• Те3 – показатель температуры воды на входе в конденсатор;
• Те4 – показатель температуры воды на выходе из конденсатора;
• Тk – температура конденсации хладагента в конденсаторе;
• FF – температура хладагента;
• L – равнозначная длина конденсатора.

Если речь идет о конденсаторах водяного охлаждения, то следует поддерживать не максимальный температурный напор, а минимальный: DTмин=Тk-Те4 – разность между температурой конденсации хладагента в конденсаторе и температурой окружающей среды на выходе из него. Для нормальной работы установки данный показатель должен находиться в пределах 4-5К.

В приведенных примерах было описано поведение температур вокруг конденсатора и хладагента, который поступает в конденсатор парокомпрессионной холодильной установки. Сейчас же мы рассмотрим основные параметры выбора конденсатора воздушного охлаждения. Вначале отметим, что конденсатор, в первую очередь, представляет собой теплообменное устройство, которое предназначено для отвода теплоты, которую поглощает хладагент от окружающей среды. В качестве нее может выступать воздух или вода, если процесс охлаждения хладагента осуществляется при помощи градирен или используется конденсатор водяного охлаждения.

Конструктивное исполнение конденсаторов воздушного охлаждения может быть различным (рис.4). На схеме 5 представлена их классификация. Таким образом, перед тем, как приступить к выбору характеристик конденсатора, необходимо выбрать ту или иную разновидность, которая будет зависеть от условий их расположения и эксплуатации. После определения разновидности конденсатора выбирают необходимую производительность.

Рис. 5 Выбор конденсатора воздушного охлаждения, в зависимости от конструктивного исполнения Необходимые показатели для выбора конденсатора воздушного охлаждения:

• разновидность используемого хладагента (R22, R134, R507 и пр.);
• максимальная нагрузка на конденсатор (с учетом выхода установки на режим). Производительность конденсатора определяется следующим способом:

• Qиспj – холодопроизводительность j-го испарителя;
• ψi – коэффициент, определяющий долю электрической мощности приводного двигателя i-го компрессора, которая поступает в виде теплоты в конденсатор;
• Nкомпрi – электрическая мощность, потребляемая двигателем i-го компрессора.

• для герметичных- ψ=1;
• для бессальниковых – ψ=0,85-0,95;
• для сальниковых ψ=ηэл.дв х ηпм, где ηэл.дв – КПД приводного двигателя i-го компрессора, а ηпм – КПД передаточного механизма i-го компрессора.

DTмакс=15К, Та3=25С, Тk=40С, ΔТпереохл≥3К, Тнагн= Тk+25К (2)

Таким образом, определяя по формуле (1) производительность конденсатора, ее значение будет соответствовать показателю в каталоге, но при условии, что во время эксплуатации конденсатора будут выполняться вышеуказанные требования (2). Если рабочие параметры будут отличаться, то для определения производительности конденсатора следует вводить поправочные коэффициенты.

Наиболее влияют на тклонение значения производительности конденсатора от показателя, приведенного в каталоге, следующие причины: температура воздуха на входе в конденсатор Та3, температура перегретого пара на входе в конденсатор Тнагн и расположение установки относительно уровня моря. Величина поправочных коэффициентов определятся из табл.1. Она умножается на величину производительности, которую определяют по формуле (1), для вычисления фактического значения производительности.

Производительность конденсатора в зависимости от величины DT, которая находится в диапазоне 10К≤DT≤20К, определяется следующим образом:

Qконд=Q*конд х 15/ DT (3),

где Q*конд – производительность конденсатора при DT=15К.

Особое внимание при выборе конденсатора необходимо уделять требованиям по допустимому уровню шума, который происходит от вентиляторов. Согласно санитарным нормам, допустимый уровень шума должен быть следующим:

• территория жилых домов, больниц, поликлиник, учебных заведений – 60-70дБ;
• больницы и санатории – 50-60 дБ;
• жилые комнаты 40-30 дБ.

Поэтому если конденсатор правильно подобран, но не отвечает требованиям по уровню шума. То следует принимать меры по его снижению (установка менее шумных вентиляторов, экранов, увеличение поверхности теплообмена и пр.).