Термосифоны

По определению термосифон подразумевает циркуляцию под действием различия плотности хладагента в двух ветвях контура испаритель — сепаратор, горячей и холодной. Предположим, что агрегат, представленный на рис. 03, не работает, но заполнен хладагентом. Оба клапана открыты. Уровень хладагента в отделителе жидкости такой же, как в испарителе. Когда в испаритель с другой стороны подается охлаждаемая среда, хладагент разогревается, постепенно начинается кипение и каналы частично заполняются поднимающимися вверх пузырьками. Таким образом, средняя плотность в ветви, представленной испарителем, оказывается значительно меньшей, чем в ветви, образованной отделителем жидкости и нисходящей трубой.

Следовательно, эти две ветви не сбалансированы и хладагент постепенно начинает поступать в испаритель из отделителя жидкости по нисходящей трубе. В верхней части испарителя двухфазная смесь выдавливается в отделитель жидкости, в котором жидкость и пар разделяются. В нижней части испарителя поступающий хладагент разогревается и затем начинает кипеть. Таким образом, двухфазная смесь постоянно находится в каналах теплообменника.

Это означает, что в первой части теплообменника происходит лишь повышение температуры, но не кипение. Однако по мере продвижения хладагента вверх давление снижается, что вызывает уменьшение переохлаждения. Эти два эффекта (повышение температуры и снижение давления) приводят к тому, что через некоторое время хладагент достигает точки кипения и закипает, хотя и при более высокой температуре, чем на выходе. Давление продолжает падать из-за изменения высоты и гидравлического сопротивления, и хладагент, теперь в насыщенном состоянии, продолжает подниматься при уменьшении температуры и вновь поступает в отделитель жидкости.

На рис. 03 Б показано изменение температуры от входа до выхода испарителя. Обратите внимание на небольшое падение температуры хладагента, которое объясняется падением давления в выходном трубопроводе. Это падение температуры не связано с переносом теплоты, а обусловлено адиабатическим (т.е. без теплообмена с окружающей средой) расширением двухфазного хладагента. По причине этого падения температуры температура на выходе теплообменника несколько выше, чем на входе. В аммиачных системах в нижней точке данного контура происходит слив масла.

Область применения затопленного/рециркуляционного испарителя

Небольшие ППТО редко используются как затопленные испарители. Иногда их применяют в качестве дополнительных охладителей масла, воды или хладагента в больших установках. Более крупные ППТО могут использоваться в качестве затопленных испарителей для различных хладагентов, кроме аммиака. По причинам, приведенным ниже, для аммиака предпочтительны затопленные испарители, и недавно разработанные никелевые паяные ПТО могут применяться в качестве аммиачных затопленных ПТО.

В сепараторе постоянно поддерживается определенный уровень жидкости, обычно значительно выше верхней точки испарителя. Поэтому такой испаритель постоянно заполнен жидкостью и называется затопленным испарителем.

В зависимости от движущей силы циркуляции затопленные испарители подразделяются на термосифонные, в которых движущей силой является разница в плотности хладагента в двух ветвях контура отделитель жидкости — испаритель, и испарители с принудительной циркуляцией, в которых движущая сила создается насосом или эжектором.

Коэффициент циркуляции — отношение общего количества хладагента, поступающего в испаритель, к количеству испарившегося вещества — может варьировать от 5 до 10 для кожухотруб-ных теплообменников и составляет около 1,2 для ПТО, как паяных, так и полусварных. Чем меньше коэффициент циркуляции, тем меньше объем трубопровода и сепаратора и, следовательно, меньше общее содержание хладагента в установке.

В данном испарителе поверхность нагрева постоянно смачивается хладагентом. Это существенно, т.к. теплоотдача в данном случае идет по двухфазному конвективному типу (пар в жидкости), т.е. коэффициент теплопередачи выше, чем в испарителях непосредственного расширения. В последних теплоотдача на этапе окончания испарения и перегрева пара осуществляется в газовой среде, т.е. с низким коэффициентом.

Испарители холодильных установок

Испарители классифицируются в соответствии с тем, как осуществляется расширение. Рециркуляционный испаритель может быть термосифонным, насосным или эжекторным (рис. 02 Б — Г). Двухфазная смесь на выходе регулирующего вентиля разделяется на пар и жидкость в сепараторе. Эта жидкость смешивается с жидкостью, выходящей из испарителя, и вновь подается на вход испарителя. Пар смешивается с паром из испарителя и возвращается в компрессор.

Этот тип испарителя всегда работает с коэффициентом испарения менее 100%. Таким образом, поверхность нагрева всегда смочена хладагентом. Коэффициент теплоотдачи высокий, поэтому достаточно небольшой площади поверхности теплообмена, но такая конструкция требует сепаратора. Для затопленного испарителя необходима специальная система регенерации масла, т.к. в испаритель поступает жидкий хладагент вместе с маслом, а выходит из него только пар хладагента. В случае аммиачного испарителя масло (нерастворимое, более тяжелое, чем аммиак) отводится из нижней точки контура сепаратор-испаритель. Если масло растворяется в хладагенте, требуется испаритель возврата масла.

Испаритель непосредственного расширения. Двухфазная смесь из регулирующего вентиля поступает непосредственно в испаритель. Здесь эта смесь полностью испаряется, и пар выходит из испарителя несколько перегретым. Значение перегрева используется для управления регулирующим вентилем (рис. 2 А).

На заключительном этапе испарения, когда содержание пара приближается к 100%, теплоотдача мала, поскольку происходит путем конвекции в газовой фазе. Поэтому такой испаритель требует большей площади поверхности теплообмена сравнительно с рециркуляционным испарителем, но в этом случае не требуется специальный сепаратор. Масло вместе с хладагентом возвращается в компрессор.