Главная
Термические и гидравлические характеристики ПТО
|
Термические и гидравлические характеристики ПТО Цель изучения Чтобы понимать, каким образом можно модифицировать ПТО для оптимизации производительности при заданных условиях, важно знать его термические и гидравлические свойства. Очевидно, нет смысла обеспечивать более высокий перепад давлений в ПТО, если нельзя этим воспользоваться, т.е. если нельзя уменьшить размеры ПТО или увеличить его производительность. Прекрасный способ наглядно показать свойства ПТО заключается в изучении зависимости общей площади поверхности теплообмена от расхода жидкости. Расход жидкости будем изменять от нуля до бесконечности, как показано ниже в примере. Тепловая нагрузка Конкретные значения тепловой нагрузки, запаса площади поверхности теплообмена или перепада давлений не имеют большого значения, однако, рассуждения легче проводить с реальными числами, чем с абстрактными символами. Хотя здесь говорится о теплопередаче в системе «вода — вода», те же рассуждения справедливы для конденсатора, испарителя, для системы с гликолем и т.д. Оптимально спроектированный ПТО Это означает следующее: - Запас площади поверхности теплообмена, М, точно равен заданному значению 5%. Другими словами, фактическая площадь поверхности теплообмена на 5% больше расчетного значения.
- Перепад давлений должен быть полностью использован, т.е. равен заданному значению 45 кПа.
Ниже мы увидим, можно ли выполнить эти требования, и каким образом. Такой теплообменник будет лучшим для заданных условий. Однако сами условия могут оказаться не оптимальными для установки в целом. Далее мы узнаем, как оптимизировать подобные условия. Изменение расхода воды Теперь выясним, как изменяется общая площадь поверхности теплообмена при изменении расхода воды, Х, от нуля до бесконечности. Мы рассмотрим эту зависимость при двух условиях — при постоянном перепаде давления или при постоянном запасе площади поверхности теплообмена. Перепад давлений Перепад давлений не должен превышать 45 кПа при изменении расхода воды от нуля до бесконечности. Какие-либо требования к значению теплопередачи отсутствуют. Обратимся к рисунку 1. Зависимость очень простая. Если расход воды равен нулю, то число пластин — и площадь — равны нулю. Если расход увеличивается, необходимо добавлять новые пластины, точнее — новые каналы. Вначале площадь приблизительно линейно зависит от расхода. Приблизительно, поскольку увеличение поверхности происходит, конечно же, дискретно, по одному каналу за один шаг. График должен быть ступенчатой линией, но здесь для простоты картины будем считать эту линию непрерывной. По мере возрастания расхода появляется новый эффект: падение давления в соединительных элементах. В результате этого эффекта уменьшается перепад давлений, приходящийся на каналы теплообменника. В соответствии с этим уменьшением потребуется пропорционально увеличивать число каналов. Кривая отклоняется вверх от прямой линии. При некотором значении расхода воды весь имеющийся перепад давлений будет теряться в соединительных элементах, и ничего не останется на каналы. Другими словами, потребуется бесконечное число каналов, чтобы пропустить этот расход воды. На графике это выражается в появлении вертикальной асимптоты. Однако задолго до того как это произойдет, скорее всего, будет добавлен второй теплообменник. Добавление второго аппарата снизит потери давления в соединительных элементах, значит, большая часть перепада давления останется на каналы. Число каналов при этом скачкообразно уменьшится, как показано на рис. 2.
Будем увеличивать теперь расход дальше и добавим третий пТо, при этом снова скачком уменьшится число каналов. Так будет повторяться в четвертый, пятый… раз. Кривая постепенно становится все более гладкой, приближаясь к прямой линии по мере увеличения расхода и добавления блоков. Внимание! Охлаждаемая сторона теплообменника преднамеренно не рассматривается на этом этапе. Мы вернемся к этому позже. Запас площади поверхности теплообмена Запас должен быть не меньше 5%. Какие-либо ограничения на перепад давления отсутствуют. Обратимся к рис. 3. Нам удобнее будет начать рассмотрение с бесконечного расхода воды, а затем его уменьшать. Внимание! В предыдущем обсуждении мы добавляли каналы для поддержания определенного перепада давлений. Здесь мы должны увеличивать площадь поверхности теплообмена, чтобы обеспечить требуемую тепловую нагрузку. В случае бесконечного расхода температура воды на выходе равна температуре на входе, т.е. средняя разность температур (СРТ) максимальна. Это соответствует малой площади поверхности теплопередачи, большой скорости воды в каналах и высокому коэффициенту теплопередачи К. Уменьшение расхода воды сопровождается двумя эффектами, каждый из которых приводит к увеличению площади: - СРТ уменьшается, сначала медленно, затем быстрее.
- Расход воды через каждый канал уменьшается, а значит, уменьшается и коэффициент К.
Очевидно, существует минимально возможное значение расхода воды. При еще меньшем расходе воды температура воды на выходе была бы выше входной температуры на охлаждаемой стороне теплообменника. Чему же равно это минимальное значение? В бесконечно большом теплообменнике вода нагрелась бы до 12°С, т.е. температура воды возросла бы на 10 К. Это соответствует расходу воды Х = 156,2/(4,186 x 10) = 3,73 кг/с. В том случае, когда поддерживался постоянный перепад давлений, мы могли уменьшать площадь за счет добавления новых блоков. Можем ли мы сделать что-нибудь подобное сейчас? Главная причина, вынуждающая увеличивать поверхность теплообмена, заключается в падении СРТ. Мы не имеем возможности увеличить СРТ при заданных расходах и температурах. Напротив, теплообменник может ухудшить СРТ по сравнению с режимом противотока, даже если ПТО хорошо спроектирован в этом отношении. Однако другая причина, вынуждающая увеличивать площадь,— снижение коэффициента К из-за уменьшения скорости потока в каналах. Разделим необходимую площадь поверхности теплообмена между двумя аппаратами и соединим их последовательно. Скорость потока в каналах удвоится, что увеличит значение К и позволит уменьшить площадь. Для еще меньших расходов площадь может быть поделена между тремя, четырьмя…последовательными аппаратами. Это несколько замедлит рост площади, но с приближением разности температур к нулю площадь стремится к бесконечности. ![Термические и гидравлические характеристики ПТО]() ![Термические и гидравлические характеристики ПТО]()
|
|
Оптимизация оборудования Оптимизация заключается в изменении параметров какого-либо компонента для лучшего согласования его с другим компонентом или со всей системой в целом. Для проведения точного анализа системы необходимы хорошие расчетные методики для каждого вида оборудования: теплообменников, компрессоров, трубопроводов, арматуры и т.д. Следует решить, какие компоненты нужно оставить без изменения, а какие изменять. Рассмотрим с этой точки зрения основные компоненты: компрессоры, вентили и другие регулирующие устройства, насосы, трубы и арматуру, теплообменники. Компрессоры. Они выпускаются определенных типоразмеров. При переходе от одного типоразмера к другому скачок в стоимости может быть значительным. Если рассматривать все имеющиеся компрессоры, выпускаемые всеми фирмами, то мощности компрессоров можно было бы считать изменяющимися непрерывно. Но обычно возможности выбора ограничены. Каждый конкретный компрессор может работать в неком диапазоне условий. Но максимальная производительность достигается лишь в том случае, если требуемое давление нагнетания соответствует фактическому давлению нагнетания данного компрессора без применения дроссельных устройств. Следовательно, выбор компрессора ограничен несколькими номинальными значениями мощности и заданными требованиями к установке. Фактически, невозможно сказать, как увеличение мощности компрессора отразится на характеристиках установки. Регулирующие устройства. После того как выбрана производительность установки и определен ее состав, нет необходимости менять регулирующие устройства при небольших изменениях условий работы установки. Другими словами, не нужно заменять регулятор давления при каждом изменении давления. Насосы, трубы и арматура. То же самое справедливо и для насосов, труб и арматуры. Небольшое изменение расхода жидкости означает лишь изменение нагрузки на насос. Чтобы возникла необходимость в изменении диаметра трубы, давление должно измениться весьма существенно. Теплообменники. Небольшое изменение давления испарения не имеет большого значения для труб, ТРВ или регулятора давления. Но оно может коренным образом повлиять на размеры испарителя.
К счастью, ПТО очень хорошо подходят для оптимизации. Особенно удобными с этой точки зрения являются полусварные ПТО. Их размеры можно увеличивать, добавляя по одной пластине, т.е. практически непрерывно. Более того, такое увеличение размеров можно выполнить на уже существующей установке, как только возникнет в этом необходимость. Полностью сварные ПТО и паяные ПТО имеют неизменяемые размеры. Однако есть возможность индивидуально задать их размеры при заказе, причем тоже с точностью до одной пластины. Заключение Стоимость вентилей и другие регулирующих устройств, насосов, труб и арматуры не изменяется при малых изменениях параметров работы установки, следовательно, они не подлежат оптимизации. Компрессоры разного типоразмера обычно существенно отличаются по номинальной мощности. ПТО можно изменять практически неограниченно. Следовательно, именно их нужно приспосабливать к компрессору, но не наоборот. Изучение проблемы разделено на три этапа: - Термические и гидравлические характеристики ПТО. Их можно оптимизировать без учета другого оборудования установки, в том числе и других ПТО. Эти характеристики представляют собой основу для выполнения следующих шагов.
- Оптимизация вторичного контура охлаждения SECOOL для тех прикладных задач, для которых исходно разрабатывалось это техническое решение.
- Взаимодействие ПТО с другим оборудованием системы, особенно с другими теплообменниками, которые уже оптимизированы.
|
|
Что такое оптимизация теплообменников?
|
Что такое оптимизация теплообменников? Представим себе простую холодильную систему. Рассол поступает в нее с некоторой температурой и выходит с более низкой температурой. В то же время охлаждающая вода входит в систему с низкой температурой и выходит с более высокой температурой. Система имеет определенную производительность. Хотя у нас есть некоторая свобода выбора входной температуры рассола, выходной температуры охлаждающей воды и расходов этих жидкостей, все-таки три параметра, как правило, должны оставаться фиксированными — это выходная температура рассола, входная температура доступной охлаждающей воды и производительность установки. Наша цель состоит в проектировании оптимальной системы с учетом данных ограничений. Возникает вопрос, что есть оптимальная система, и можно ли такую систему реализовать на практике. К сожалению, термин «оптимальный» не имеет строго количественного определения. Ниже приведено несколько произвольное определение. Полная оптимизация. Ее можно определить как создание такой системы, которая характеризуется низкими, насколько это возможно, эксплуатационными затратами при данной стоимости оборудования. В этом случае необходимо минимизировать сумму годовых амортизационных отчислений и эксплуатационных расходов. Оптимальной в этом смысле обычно является дешевая в эксплуатации система, но требующая довольно больших капитальных затрат. Однако на практике владельцы установок предпочитают снижать капитальные затраты в ущерб расходам на эксплуатацию. Проведение полной оптимизации требует значительных затрат времени и средств. Как правило, отсутствуют исчерпывающие данные о том, как изменение одного параметра влияет на другие. Это обстоятельство делает точную полную оптимизацию практически невозможной. Оптимизация цикла. Разработчик системы выбирает тип хладагента, решает, нужно ли установить экономайзер, двухступенчатый компрессор, переохладитель и т.д. Оптимизация оборудования. Стоит ли сделать испаритель чуть меньше, а конденсатор чуть больше? Можно ли использовать компрессор меньшей мощности, зато с ТРВ и испарителем большей производительности? Можно ли уменьшить размеры испарителя, если увеличился перепад давлений хладагента? На эти вопросы, зачастую, можно ответить без особых проблем. Они и составляют содержание этой главы.
|
|
Маслоохладитель Эта система одинакова для растворимого и для нерастворимого масла. Масло охлаждается за счет испарения теплого конденсата. Другие способы — охлаждение низкотемпературным хладагентом или водой — приводят к большим тепловым ударам. После испарения пар снова конденсируется в конденсаторе. Он попадает в конденсатор одним из следующих способов: A) через ЖР и уравнительную линию (УЛ), см. рис. 19; Б) подается непосредственно на вход конденсатора; B) подается обратно через конденсационную трубу на выход конденсатора и в нижнюю часть его каналов. В случаях А) и Б) хладагент движется по замкнутому контуру. Чтобы это стало возможным в конденсаторе с довольно высоким падением давления, должны выполняться следующие условия: - Давление в ЖР должно быть выше давления на входе конденсатора, иначе пар не пойдет обратно в конденсатор. Сделать это просто, конденсат нагревается в маслоохладителе до тех пор, пока давление не возрастет настолько, чтобы пар прошел до входа конденсатора.
- Пар не должен попадать в трубу конденсата. Для этого необходимо опустить трубу ниже минимального уровня конденсата в ЖР.
- Для преодоления гидравлического сопротивления конденсатора необходимо создать достаточный перепад высот между уровнем жидкости в ЖР и нижней частью конденсатора. Тогда образуется столб жидкости, который и создаст нужный напор.
Что происходит при пуске охладителя масла? Предположим, УЛ закрыта. - Когда УЛ открывается, входное давление конденсатора передается на ЖР. Оно выдавливает конденсат в конденсационную трубу. Когда давление столба конденсата становится равно падению давления в конденсаторе, поток через УЛ прекращается. Давления в ЖР и на входе конденсатора равны.
- Вентиль на входе хладагента в маслоохладитель открыт. Хладагент испаряется в маслоохладителе и давление в ЖР повышается настолько, чтобы пар прошел через УЛ на вход конденсатора. Соответственно увеличивается столб жидкости в конденсационной трубе.
- В хладагенте могут присутствовать неконденсирующиеся газы, поэтому в верхней части конденсационной трубы (но не в ЖР) необходим газовыпускной клапан.
Если пар попадает в конденсатор по варианту В), то УЛ не нужна, и конденсационная труба должна находится выше уровня конденсата в ЖР. Пар движется навстречу конденсату и входит в нижнюю часть каналов конденсатора. - Столб жидкости, необходимый для преодоления гидравлического сопротивления каналов, образуется в самих каналах. Следовательно, часть каналов затопляется, и их поверхность не участвует в процессе конденсации.
- Сложно или невозможно устроить выпуск газа из конденсатора, поскольку возможная точка выпуска должна находиться внутри каналов.
Для уменьшения опасности возникновения теплового удара поток масла должен быть непрерывным. Небольшой количество хладагента постоянно подается в охладитель по линии V1, обеспечивая минимальные потребности в охлаждении. Если тепловая нагрузка возрастет (контролируется с помощью термопары), откроется параллельно установленный клапан (V2) и пропустит количество хладагента, соответствующее максимальной потребности в охлаждении. Полное включение/отключение подачи хладагента вызвало бы большие механические напряжения в системе. ![Маслоохладитель]()
|
|
Испаритель масла Парожидкостная смесь поступает из испарителя в сепаратор, где пар отделяется от жидкости, и, возможно, затем дополнительно осушается в туманоуловителе. Данный процесс отделяет от пара не только жидкий хладагент, но и масло. При таком устройстве в компрессор поступает только сухой пар, а масло, фактически, улавливается в контуре испаритель — сепаратор. Если не принять специальных мер, то концентрация масла в испарителе постепенно увеличится, а в компрессоре -уменьшится. Поэтому, во-первых, необходимо после компрессора установить эффективный маслоотделитель, см. рис. 19. Однако этого недостаточно. Даже высокоэффективный маслоотделитель не может задержать все масло. Какая-то его часть неизбежно пройдет через маслоотделитель и, в конечном счете, сконцентрируется в контуре испаритель — сепаратор. Вторым необходимым шагом является установка испарителя возврата масла, см. рис. 19. В этот испаритель подается часть жидкого хладагента из контура испаритель — сепаратор. Здесь жидкий хладагент как можно полнее испаряется. Пары хладагента увлекают с собой капельки масла, содержащие хладагент, но в столь малом количестве, которое не представляет опасности гидравлического удара в компрессоре. В качестве нагревающей среды обычно используется конденсат линии высокого давления. Подача хладагента в испаритель возврата масла должна быть подобрана так, чтобы скорость поступления масла в сепаратор равнялась скорости его отвода. Отсюда следует, что концентрация масла в контуре испаритель — сепаратор во много раз больше, чем в поступающем сюда конденсате. Пример. Пусть из конденсатора или жидкостного ресивера в контур испаритель — сепаратор поступает 5000 кг/час раствора R 22 — масло, причем масла поступает с этим раствором 5 кг/час, т.е. 0,1%. Чему будет равна концентрация масла на участке сепаратор — испаритель? В сепаратор вводится 5000*0,001 = 5 кг/час масла. Все это масло должно уйти из сепаратора с поступающим в испаритель возврата масла раствором R 22 — масло, расход которого равен 1000 кг/час. Таким образом, концентрация масла в нем составит: 100x5/1000=0,5%. Из поступающей в испаритель возврата масла жидкости 99,5% испаряется, т.е. оставшиеся 0,5% являются маслом. Таким образом, концентрация масла в контуре испаритель — сепаратор в пять раз выше, чем в жидкости, поступающей сюда из конденсатора или жидкостного ресивера. Испаритель возврата масла аналогичен испарителю непосредственного охлаждения в том отношении, что перед выходом хладагент должен полностью испариться. Отличие заключается в том, что концентрация масла в нем намного выше, а допустимое падение давления обычно намного меньше.
Это создает определенные трудности при проектировании испарителя, поскольку среда изменяется от почти чистого хладагента до почти чистого масла, соответственно меняются и физические свойства, особенно вязкость. Испаритель должен быть разделен по длине на несколько зон, конструкция которых отвечает физическим свойствам присутствующей в них среды. К сожалению, это очень кропотливая задача. Однако после испарения 95% жидкости концентрация масла увеличивается до 10%, до этого момента повышение вязкости остается сравнительно небольшим. Оставшаяся часть разделения, при которой концентрация масла должна повыситься от 10 до 100%, представляет наибольшую сложность. К счастью, количество этой жидкости невелико, процесс испарения протекает на поверхности капель жидкости, взвешенных в газе, т.е. физические свойства жидкости не имеют большого значения. На практике можно спроектировать аппарат для среды со средними физическими свойствами или в расчете на чистый хладагент, но с большим запасом (20 — 50%). Конструкция испарителя возврата масла не критична для системы. Пусть производительность аппарата составляет 50% от требуемой. Это означает, что концентрация масла будет равна 0,75%, т.е. вполне допустимой для работы основного испарителя. Итак, из 5000 кг/час смеси, поступающей в контур испаритель-сепаратор, 1000 кг/час уходит в испаритель возврата масла. Снизит ли это производительность установки? Нет, так как теплота, необходимая для испарения хладагента, отбирается у конденсата, температура которого уменьшается, а охлаждающая способность увеличивается. На рис.19 изображена схема установки с испарителем возврата масла. Хладагент, поступающий из сепаратора, испаряется, и масляный туман возвращается в компрессор. Таким образом, к данному испарителю предъявляются следующие основные требования: - Максимально полное испарение раствора масла в хладагенте.
- Возврат масла в линию всасывания только в виде масляного тумана.
- Движущей силой, создающей поток через испаритель, может быть статическое давление, как в обычном термосифоне.
- Статическое давление может оказаться недостаточным для того, чтобы заставить масляный туман поступать в линию всасывания. Если линия от испарителя возврата масла входит в линию всасывания после клапана, создающего падение давления, то такое дополнительное давление должно быть подано на испаритель в качестве движущей силы.
- Вход в линию всасывания может быть выполнен как эжектор, что создаст некоторую дополнительную движущую силу.
- Входом в испаритель масла может быть нагнетательная труба насоса в схеме с принудительной подачей жидкого хладагента.
- Подача хладагента в испаритель масла регулируется по значению перегрева, но без мгновенного испарения хладагента, как это происходит в обычном ТРВ. Регулирующий вентиль просто регулирует подачу жидкости так, чтобы ее поступало в аппарат не больше, чем может испариться. Допустимое падение давления невелико, т.е. распределитель для ППТО здесь, вероятно, будет неприменим. Однако могут использоваться другие устройства, обычно применяемые в системах непосредственного охлаждения.
![Испаритель масла]()
|
|
| | << В начало < Предыдущая 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 Следующая > В конец >>
| | Всего 1189 - 1197 из 2437 |
|
