Испарители

В холодильной технике теплообменные аппараты, используемые для охлаждения жидких хладоносителей и жидких технологических продуктов, называют испарителями, а аппараты для охлаждения воздуха — батареями и воздухоохладителями.

В зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости испарители могут быть закрытого или открытого типов. Испарителями закрытого типа называют испарители с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости, прокачиваемой насосом. К ним относятся кожухотрубные и кожухозмеевиковые испарители. Испарителями открытого типа называют испарители с открытым уровнем охлаждаемой жидкости, циркуляция которой создается мешалкой. К ним относятся вертикально-трубные и панельные испарители.

По характеру заполнения хладагентом испарители разделяют на затопленные и незатопленные. К последним относятся оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, а также змеевиковый испарители с верхней подачей жидкости.

Испарители также разделяют на группы в зависимости от того, на какой поверхности кипит хладагент: в межтрубном пространстве (кожухотрубные затопленные и оросительные) или внутри труб и каналов (кожухотрубные с кипением в трубах, вертикально-трубные и панельные). Последнее разделение важно с точки зрения выбора модели для расчета теплоотдачи кипящей жидкости.

По характеру движения хладагента различают испарители с естественной и вынужденной циркуляцией. Отечественная промышленность выпускает аммиачные кожухотрубные испарители с горизонтальными трубами (ИТГ) с площадью теплопередающей поверхности от 67 до 800 м2, работающие на аммиаке, и фреоновые типа ИТР с площадью поверхности от 12 до 1800 м2. Тип конструкций аммиачных и фреоновых испарителей одинаков. Основное их отличие состоит в материале и характере поверхности теплообмена

В отечественных испарителях принято четное число ходов, что обеспечивает расположение рассольных подводящего и отводящего трубопроводов для хладоносителя на одной стороне аппарата. Число ходов по хладоносителю составляет от 4 до 12. Выбирают его таким образом, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость движения рассола. Хладсдоситель подводят к нижнему штуцеру и отводят от верхнего.

Парожидкостную смесь от регулирующего вентиля подводят в испаритель снизу в межтрубное пространство. В аппараты с большой поверхностью парожидкостная смесь поступает от общего коллектора в нескольких точках по длине испарителя.

Конструкционные отличия фреоновых испарителей от аммиачных зависят от теплофизических свойств хладагента. При малых (перепадах температур, при которых обычно работают испарители холодильных машин, коэффициенты теплоотдачи со стороны кипящих фреонов оказываются ниже коэффициентов теплоотдачи со стороны хладоносителя. Для снижения термического сопротивления со стороны кипящего фреона на трубах делают накатные ребра малой высотой (1,45—1,6 мм) с малым шагом (коэффициент оребрения 3,5—3,8).

Испарители с вертикальными трубами обладают рядом положительных свойств, в частности, при намораживании льда на поверхности труб не происходит разрушений, что важно при охлаждении воды в аккумуляторах. Недостатком этих аппаратов является большая металлоемкость и сложность сварочных работ.

Разновидностью испарителей с вертикальными трубами является панельный испаритель, состоящий из прямоугольного металлического или железобетонного бака, в который помещены испарительные секции панельного типа и мешалка, создающая циркуляцию хладоносителя. Использование панельных испарителей позволяет уменьшить массу на 25—30% (по сравнению с трубчатыми аппаратами), в 5—6 раз снизить расход бесшовных труб, стоимость которых почти втрое выше стоимости листового материала, уменьшить вместимость аппарата по хладагенту.

Наиболее эффективны испарители с трубами, имеющими одновременно внутреннее и наружное оребрение. При проектировании аппаратов с большой плотностью теплового потока необходимо обеспечивать интенсификацию теплообмена со стороны фреонов различными методами (использование насадок, турбувизирующих поток, оребрение, режимный метод интенсификации, переход к насосной подаче хладагента), уменьшающими термическое сопротивление со стороны хладагента.

Конкретный выбор типа аппарата зависит от относительной значимости отдельных факторов и назначения аппарата: стоимости изготовления аппарата (капитальные затраты), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителя), возможности очистки аппарата, склонности к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасностей, связанных с утечкой хладоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения вибрации труб, и появления усталостных повреждений.

Назначение и роль теплообменных аппаратов в схеме холодильной установки

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 — 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.

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.

Классификация холодильных установок и станций

По назначению: стационарные и передвижные с централизованным и децентрализованным охлаждением для холодоснабжения, теплоснабжения, смешанного тепло- и холодоснабжения, для аккумулирования тепловой энергии и ее транспорта и утилизационные энергоустановки.

• По производительности: крупные — производительностью свыше 3,0 МВт; средние — до 1,00 МВт, мелкие — до 60 кВт.
• По температурному режиму: высокотемпературные (10 −10°С), среднетемпературные (5 −20°С) и низкотемпературные (—20 −120°С).
• По режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.
• По виду холодильного агента: аммиачные, фреоновые, этановые, пропановые, углекислотные, на смесях холодильных агентов.
• По виду охлаждения: с непосредственным, промежуточным охлаждением.
• По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или от газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах (абсорбционные холодильные установки), использующие естественный холод (тепловые трубы) и гелиоустановки.

Децентрализованное охлаждение используют для различных технологических процессов химической промышленности, на некоторых типах холодильников, т. е. в основном там, где необходимо создавать локальные температурные условия или где применяют агрегатированные холодильные машины в блоке с испарителями для создания требуемого технологического режима.

Стационарные холодильные установки с централизованным охлаждением могут быть средней и большой производительности, причем для химических комбинатов иногда достигать нескольких десятков тысяч киловатт. Установки децентрализованного охлаждения по холодопроизводительности чаще всего относятся к мелким и средним.

Высокотемпературные холодильные установки малой и средней холодопроизводительности работают по одноступенчатому циклу, их комплектуют поршневыми или винтовыми компрессорами. Крупные холодильные установки можно комплектовать также турбокомпрессорами или абсорбционными холодильными машинами.

Низкотемпературные холодильные установки комплектуют двухступенчатыми или каскадными холодильными машинами, в химической промышленности — турбокомпрессорами.

Рассматривая режимы работы холодильных установок, следует указать на условность в определении стационарного режима. Практически режим работы холодильной установки всегда нестационарный, так как наблюдаются колебания температуры с заданной амплитудой около среднего ее значения. Такие режимы характерны для холодильных установок распределительных, производственных холодильников. Нестационарные режимы свойственны установкам и системам, обрабатывающим тела, в которых протекают процессы с фазовыми переходами и перемещением зоны промораживания. Температурный режим зависит от изменения тепловой нагрузки. Последняя изменяется по разным законам, особенно при цикличных процессах загрузки аппаратов или камер для замораживания. Для сглаживания тепловой нагрузки и ее стабилизации применяют аккумуляторы холода.

Рассматривая особенности холодильных установок в зависимости от используемого рабочего тела, следует отметить, что их специфика определяется свойствами хладагентов. Однокомпонентные чистые хладагенты, находящиеся в эксплуатации в современных холодильных установках, хорошо изучены, и имеется достаточное количество рекомендаций, отражающих специфику холодильных установок. В Монреале подписано международное соглашение (1986 г.), которое требует постепенного исключения применения хлорфторуглеводородов в быту и в промышленности из-за разрушения озонового слоя в атмосфере Земли. Выполняя Монреальское соглашение, в нашей стране ведется работа по замене фреонов, сильно воздействующих на озоновый слой в атмосфере. Предлагаются альтернативные хладагенты.

Широко применяют смеси хладагентов для технологических процессов двухтемпературных уровней (домашние холодильники), а также процессов с переменной температурой подвода и отвода теплоты.

Аммиачные холодильные установки, самые распространенные и экологически наиболее чистые, применяют для холодоснабжения предприятий пищевой, химической, металлургической и других, промышленностей. Такие холодильные установки потребляют большое количество электрической энергии. Перед низкотемпературной энергетикой стоит задача использовать для холодоснабжения, особенно централизованного и для больших потребителей, абсорбционные холодильные установки, которые работают на вторичных энергоресурсах.

Приводы от газовых либо паровых турбин используют для высокопроизводительных центробежных компрессоров, предназначенных для транспортирования охлажденных газов или для схем газоперерабатывающих заводов.

Теплоснабжение городов за счет использования низкопотенциальной теплоты, а также транспортирования теплоты на дальние расстояния позволяет существенно повысить энергетическую эффективность использования топлива.

В отечественной практике отработаны основные технические решения создания водоаммиачного транспорта теплоты (ВАТТ) в химически связанном состоянии. Практически ВАТТ представляет собой абсорбционную холодильную установку, растянутую в пространстве, когда между абсорбером и генератором расстояние составляет до 200 км

Промышленные технологии, применяющие холод

Холодильная технология пищевых продуктов охватывает сельское хозяйство; перерабатывающую — мясную и молочную промышленность; торговлю; транспорт (автомобильный, железнодорожный и водный); рыбодобывающую и рыбоперерабатывающую с рыбопромысловыми и перерабатывающими базами и судами.

Для осуществления холодильной технологии пищевых продуктов в СССР создана холодильная цепь, звенья которой предназначены для создания необходимых температурно-влажностных режимов для холодильной обработки, хранения, транспортирования и реализации пищевых продуктов.

С целью обеспечения длительного сохранения высокого качества скоропортящихся продуктов холодильные установки должны поддерживать нужный технологии температурный режим среды: для охлаждения до —5°С, замораживания —35 −40°С, хранения продуктов в охлажденном виде 0 −2°С, в замороженном —20 −30°С. Температурный режим транспортных рефрижераторов зависит от вида перевозимых продуктов и предварительного процесса холодильной технологии — их охлаждения или замораживания.

Перерабатывающая промышленность и торговля являются крупными потребителями холода. С помощью холодильной технологии в этих отраслях обрабатывают не менее 50 млн. т различных продуктов животного и растительного происхождения. Потребность в холоде непрерывно возрастает. Именно из-за недостаточного использования искусственного холода в мире теряется в среднем 25—30% произведенных пищевых продуктов.

Развивающейся отраслью промышленности является концентрирование соков, получение сухих порошков из концентрированных соков, а также продуктов с промежуточной влажностью с целью их хранения при обычных температурах, сублимационная сушка.

Холодильная цепь пищевой технологии использует различные холодильные установки: одно- и двухступенчатого сжатия. Для осуществления технологии обработки холодом используют как холодильники, так и различные морозильные аппараты.

В технологических процессах в нефтяной, газовой и химической промышленности применяют искусственный холод в диапазоне умеренных температур (примерно до —100°С).

В нефтяной промышленности искусственное охлаждение используют в технологических процессах, где применяют в основном системы непосредственного кипения холодильного агента в поверхностных аппаратах. Выбор холодильного агента определяется условиями работы предприятий. Чаще всего используют углеводороды, которые имеются в достаточном количестве на данном производстве. Они имеют высокую молекулярную массу, и поэтому возможно применение в холодильной установке центробежных компрессоров.

В газовой промышленности искусственный холод применяют при подготовке газа к транспортированию и при переработке нефтяных и природных газов газоконденсатных месторождений. При этом используют как внешние, так и. внутренние холодильные циклы, в которых холод получают в процессе переработки газа (дросселирование жидкостей или расширение газа), а также комбинированные циклы. Температура транспортируемого газа —5 −25°С, давление 5,5 МПа. Потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт и требует применения высокопроизводительного турбокомпрессорного оборудования с газовыми или паровыми приводами компрессоров. В холодильных установках используют аппараты воздушного охлаждения, а в качестве хладагента — углеводороды (этан, пропан), которые получают при переработке газов.

Одним из основных процессов, применяемых при переработке газа, является процесс низкомолекулярной конденсации, основанный на различии температур конденсации компонентов, входящих в состав газа. Низкотемпературная конденсация компонентов проходит при разных температурах на одно-, двух- и трехступенчатых температурных уровнях, которые получают в соответствующих холодильных установках.

В химической промышленности (получение этилена, фармацевтических и биохимических препаратов, производство азотное, синтетического каучука, хлора и др.) имеется многообразие систем холодоснабжения с различным типом холодильных машин, начиная с небольших поршневых компрессоров и кончая крупными центробежными агрегатами производительностью в несколько тысяч киловатт. Широко применяют абсорбционные установки, использующие теплоту технологических процессов, либо теплофикационные отборы ТЭЦ.

Азотное производство включает предприятия синтеза аммиака и некоторые производства азотной кислоты. Основная часть холода при производстве аммиака потребляется агрегатом синтеза для конденсации аммиака из азотно-водородно-аммиачной смеси высокого давления при температурах кипения хладагента (—10 −12°С), а также для конденсации аммиака при температурах кипения —30 −34°С. Для производства аммиака применяют теплоиспользующие абсорбционные водоаммиачные машины и аммиачные центробежные компрессорные агрегаты. Для производства этилена используют искусственный холод температурных уровней от 6 до —100°С. При этом применяют системы непосредственного кипения на холодильниках агентах—этилене и пропилене (продуктах данного производства).

Производство синтетического каучука основано на полимеризации непредельных углеводородов — мономеров, для чего требуется искусственный холод на температурном уровне от 7 до —40°С. Вторая стадия технологии получения каучука проводится при —100°С.

Хлор выделяется из газовой смеси в результате фракционной конденсации, где применяют абсорбционные водоаммиачные холодильные установки с температурой кипения —45°С или фреоновые установки с температурным режимом 5, —20, —65°С, оборудованные центробежными компрессорными машинами.

Крупным потребителем холода в химической промышленности является производство химических волокон, изготовленных из различных видов синтетических полимеров. В данной отрасли применяют только системы охлаждения с промежуточным хладоносителем с температурным уровнем 20 −10°С. Потребность в холоде крупных комбинатов достигает 35—58 МВт.

Технологические процессы в производстве химико-фармацевтических препаратов, витаминов и антибиотиков сопровождаются потреблением искусственного холода на температурном уровне — 10 —15°С.

При получении белково-витаминных концентратов путем синтеза смеси жидких парафинов нефти и минеральных солей со специальной культурой дрожжей потребность в холоде весьма значительна: 1 т продуцента в производстве белково-витаминных концентратов выделяет 16 ГДж теплоты, производство лизина — до 54,5 ГДж. При современной мощности заводов потребность в холоде измеряется десятками тысяч киловатт.

Холод применяется при термической обработке сталей, стабилизации и восстановлении размеров деталей, запрессовке для создания неподвижных посадок, для охлаждения ванн анодирования, старения алюминиевых сплавов, осушке сжатого воздуха, гибке труб с замороженной в них водой, в установках кондиционирования воздуха.

Температурные режимы перечисленных холодильных технологий обработки металлов находятся в пределах —30 −120°С. В верхнем интервале можно использовать серийно выпускаемые парокомпрессионные машины двухступенчатого сжатия (до —60°С) и каскадные машины (до —80°С). Возможно снижение температурного уровня до —120°С, если применить смеси холодильных агентов.

В строительной технологии применяют искусственный и естественный холод для замораживания грунтов при строительстве подземных сооружений (шахт, туннелей, хранилищ сжиженного газа), для создания противофильтрационных завес в плотинах мерзлого типа и других гидротехнических сооружениях, а также для укрепления грунтов у основания зданий, нефте- и газопроводов, для охлаждения массивных бетонных сооружений (массивных ПЛОТИН И Т. П.).