Отделка. Фурнитура. Ремонт. Монтаж. Выбор. Проем
Подробности
Расчет чиллера. Как расчитать холодопроизводительность или мощность чиллера и правильно осуществить его подбор.
Как правильно сделать , на что в первую очередь надо полагаться чтобы, среди множества предложений, произвести качественный ?
На этой странице мы дадим несколько рекомендаций, прислушавшись к которым вы приблизитесь к тому, чтобы сделать правильный .
Расчет холодопроизводительности чиллера. Расчет мощности чиллера - его мощности охлаждения.
В первую очередь по формуле , в которой участвует объем охлаждаемой жидкости; изменение температуры жидкости, которое надо обеспечить охладителем; теплоемкость жидкости; ну и конечно время за которое этот объем жидкости надо охладить - определяется мощность охлаждения:
Формула охлаждения, т.е. формула вычисления необходимой холодопроизводительности:
Q = G*(Т1- Т2)*C рж *pж / 3600
Q – холодопроизводительность, кВт/час
G - объёмный расход охлаждаемой жидкости, м 3 /час
Т2 - конечная температура охлаждаемой жидкости, о С
Т1 - начальная температура охлаждаемой жидкости, о С
C рж -удельная теплоёмкость охлаждаемой жидкости, кДж / (кг* о С)
pж - плотность охлаждаемой жидкости, кг/м 3
* Для воды C рж *pж = 4,2
По данной формуле определяется необходимая мощность охлаждения и она является основной при выборе чиллера.
- Формулы пересчета размерностей чтобы рассчитать холодопроизводительность водоохладителя :
1 кВт = 860 кКал/час
1 кКал/час = 4,19 кДж
1 кВт = 3,4121 кБТУ/час
Подбор чиллера
Для того, чтобы произвести подбор чиллера - очень важно выполнить правильное составление технического задания на расчет чиллера, в котором участвуют не только параметры самого водоохладителя, но и данные о его размещении и условии его совместной работы с потребителем. На основании выполненных вычислений можно - выбрать чиллер.
Не нужно забывать про то, в каком регионе Вы находитесь. Например, расчет для города Москва будет отличаться от расчета для города Мурманск так как максимальные температуры двух данных городов отличается.
П о таблицам параметров водоохлаждающих машин делаем первый выбор чиллера и знакомимся с его характеристиками. Далее, имея на руках основные характеристики выбранной машины, такие как: - холодопроизводительность чиллера , потребляемая им электрическая мощность, есть ли в его составе гидромодуль и его - подача и напор жидкости, объём проходящего через охладитель воздуха (который нагревается) в куб.метрах в секунду - Вы сможете проверить возможность установки охладителя воды на выделенной площадке. После того, как предполагаемый охладитель воды удовлетворит требованиям технического задания и вероятнее всего сможет работать на подготовленной для него площадке рекомендуем обратиться к специалистам, которые проверят Ваш выбор.
Выбор чиллера - особенности, которые надо предусмотреть при подборе чиллера.
Основные требования к месту будущей установки охладителя воды и схемы его работы с потребителем :
- Если запланированное место в помещении, то - возможно ли в нем обеспечить большой обмен воздуха, возможно ли в это помещение внести охладитель воды, возможно ли в нем будет его обслуживать?
- Если будущее размещение охладителя воды на улице - будет ли необходимость его работы в зимний период, возможно ли использование незамерзающих жидкостей, возможно ли обеспечить защиту охладителя воды от внешних воздействий (анти-вандальная, от листьев и веток деревьев, и т.д.) ?
- Если температура жидкости, до которой её надо охлаждать ниже +6 о С или она выше + 15 о С - чаще всего такой диапазон температур не входит в таблицы быстрого выбора. В этом случае рекомендуем обратиться к нашим специалистам.
- Следует определиться с расходом охлаждаемой воды и необходимым давлением, которое должен обеспечить гидромодуль охладителя воды - необходимое значение может отличаться от параметра выбранной машины.
- Если температуру жидкости необходимо понизить более чем на 5 градусов, то схема прямого охлаждения жидкости водоохладителем не применяется и необходим расчет и комплектация дополнительным оборудованием.
- Если охладитель будет использоваться круглосуточно и круглогодично, а конечная температура жидкости достаточно высока - на сколько целесообразно будет применение установки с ?
- В случае применения незамерзающих жидкостей высоких концентраций требуется дополнительный расчет производительности испарителя водоохладителя.
Программа подбора чиллера
К сведению: даёт только приближённое понимание о необходимой модели охладителя и соответствия его техническому заданию. Далее необходима проверка расчетов специалистом. При этом Вы можете ориентироваться на полученную в результате расчетов стоимость +/- 30% (в случаях с низкотемпературными моделями охладителей жидкости - указанная цифра ещё больше) . Оптимальная модель и стоимость будут определены только после проверки расчетов и сопоставления характеристик разных моделей и производителей нашим специалистом.
Подбор чиллера ОнЛайн
Вы можете сделать обратившись к нашему онлайн консультанту, который быстро и технически обоснованно даст ответ на Ваш вопрос. Также консультант может выполнить исходя из кратко написанных параметров технического задания расчет чиллера онлайн и дать приблизительно подходящую по параметрам модель.
Расчеты, произведённые не специалистом часто приводят к тому, что выбранный водоохладитель не соответствует в полной мере ожидаемым результатам.
Компания Питер Холод специализируется на комплексных решениях по обеспечению промышленных предприятий оборудованием, которое полностью удовлетворяет требования технического задания на поставку системы водоохлаждения. Мы производим сбор информации для наполнения технического задания, расчет холодопроизводительности чиллера, определение оптимально подходящего охладителя воды, проверку с выдачей рекомендаций по его установке на выделенной площадке, расчет и комплектацию всех дополнительных элементов для работы машины в системе с потребителем (расчет бака аккумулятора, гидромодуля, дополнительных, при необходимости теплообменников, трубопроводов и запирающей и регулирующей арматуры).
Накопив многолетний опыт расчетов и последующих внедрений систем охлаждения воды на различные предприятия мы обладаем знаниями, по решению любых стандартных и далеко не стандартных задач связанных с многочисленными особенностями установки на предприятие охладителей жидкости, объединения их с технологическими линиями, настройке специфических параметров работы оборудования.
Самым оптимальный и точный и соответственно определение модели водоохладителя можно сделать очень быстро, позвонив или послав заявку инженеру нашей компании.
Дополнительные формулы для расчета чиллера и определения схемы его подключения к потребителю холодной воды (расчет мощности чиллера)
- Формула расчёта температуры, при смешении 2-х жидкостей (формула смешения жидкостей):
Т смеш = (М1*С1*Т1+М2*С2*Т2) / (С1*M1+С2*М2)
Т смеш – температура смешанной жидкости, о С
М1 – масса 1-ой жидкости, кг
C1 - удельная теплоёмкость 1-ой жидкости, кДж/(кг* о С)
Т1 - температура 1-ой жидкости, о С
М2 – масса 2-ой жидкости, кг
C2 - удельная теплоёмкость 2-ой жидкости, кДж/(кг* о С)
Т2 - температура 2-ой жидкости, о С
Данная формула используется, если применяется аккумулирующая емкость в системе охлаждения, нагрузка непостоянна по времени и температуре (чаще всего при расчете необходимой мощности охлаждения автоклав и реакторов)
Мощность охлаждения чиллера.
|
Собственное производство установок охлаждения жидкости (чиллеров) было организовано в 2006 году. Первые установки имели холодопроизводительность по 60кВт и собирались на базе пластинчатых теплообменников. По необходимости, оснащались гидромодулем.
Гидромодуль представляет собой теплоизолированный бак ёмкостью от 500 литров (в зависимости от мощности, так для установки холодопроизводительностью 50-60кВт ёмкость бака должна составлять 1,2-1,5 м3) разделённый перегородкой специальной формы на две ёмкости «тёплой» и «охлаждённой» воды. Насос внутреннего контура, забирая воду из «тёплого» отсека бака, подаёт её в пластинчатый теплообменник, где она, проходя в противотоке с фреоном, охлаждается. Охлаждённая вода поступает в другую часть бака. Производительность внутреннего насоса должна быть не меньше чем производительность насоса внешнего контура. Специальная форма перегородки позволяет регулировать объем перелива в широких пределах при небольшом изменении уровня воды.
При использовании в качестве теплоносителя воды, подобные установки позволяют охлаждать её до +5ºC ÷ +7ºС. Соответственно, при стандартном расчёте оборудования, температура входящей воды (идущей от потребителя) предполагается равной +10ºC ÷ +12ºС. Мощность установки рассчитывается исходя из необходимого расхода воды.
Наше оборудование комплектуется многоступенчатыми системами защиты. Прессостаты защищают компрессор от перегрузки. Ограничитель низкого давления не позволяет кипящему фреону понизить свою температуру ниже минус 2ºС, защищая пластинчатый теплообменник от возможного замерзания воды. Установленное реле протока выключит холодильный компрессор при возникновении воздушной пробки, при засоре трубопроводов, при обмерзании пластин. Регулятор давления всасывания поддерживает температуру кипения фреона +1ºС ±0,2ºС.
Подобные устройства были нами установлены для охлаждения раствора рассольных ванн для засолки сыра на сырзаводах, для быстрого охлаждения молока после пастеризации на молокозаводах, для плавного понижения температуры воды в бассейнах на заводах по производству (разведению и выращиванию) рыбы.
В случае необходимости понижения температуры теплоносителя от +5ºC ÷ +7ºС до отрицательных и около нулевых температур, вместо воды в качестве теплоносителя используется раствор пропиленгликоля. Также его используют, если температура окружающей среды опускается ниже -5ºС, либо при необходимости время от времени выключать насос внутреннего контура (контур: буферный бак - теплообменник холодильного агрегата).
При расчете оборудования мы обязательно учитываем изменения таких свойств теплоносителя как теплоемкость и поверхностный коэффициент теплопередачи. УСТАНОВКА РАСЧИТАНАЯ НА РАБОТУ С ВОДОЙ БУДЕТ РАБОТАТЬ НЕКОРРЕКТНО ПРИ ЗАМЕНЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА РАСТВОРЫ ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ, ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ ИЛИ РАССОЛА. И НАОБОРОТ .
Установка охлаждения парафина, собранная по данной схеме, работает совместно с воздушной системой охлаждения теплоносителя в зимнее время, с автоматическим отключением холодильного компрессора.
Мы имеем опыт разработки и изготовления чиллеров для решения задачи охлаждения в течение короткого промежутка времени, но с высокой мощностью охлаждения. Например, цеху приёмки молока требуются установки со временем работы 2 часа/сутки для охлаждения за это время 20 т. молока от +25ºC ÷ +30ºС до +6ºC ÷ +8ºС. Это, так называемая, задача об импульсном охлаждении.
При постановке задачи об импульсном охлаждении продукции экономически целесообразно изготовить чиллер с аккумулятором холода. Стандартно подобные установки мы делаем следующим образом:
А) Изготавливается теплоизолированный бак с объёмом 125-150% от рассчитанной буферной ёмкости, заполняемый водой на 90%;
Б) Внутрь его помещается испаритель, изготовленный из гнутых медных трубопроводов, или металлических пластин с выфрезерованными внутри канавками;
Подавая фреон с температурой -17ºC ÷ -25ºС, обеспечиваем намерзание льда необходимой толщины. Пришедшая от потребителя вода охлаждается в результате таяния льда. Для увеличения скорости таяния применяется барботирование.
Такая система позволяет использовать холодильные агрегаты мощностью в 5÷10 раз меньше чем величина импульсной мощности холодильной нагрузки. При этом надо понимать, что температура воды в баке может существенно отличаться от 0ºС, так как скорость таяния льда в воде с температурой даже +5ºС очень невелика. Также, к недостаткам этой системы можно отнести большой вес и размеры бака с испарителем, что объясняется необходимостью обеспечения большой площади теплообмена на границе лёд/вода.
При необходимости использования в качестве теплоносителя воды с около нулевой температурой (0ºС÷+1ºС), без возможности применения вместо неё растворов пропиленгликоля, этиленгликоля или рассолов(например, не герметичность системы или требования САНПиНа), мы изготавливаем чиллеры с применением плёночных теплообменников.
При такой системе, приходящая от потребителя вода, проходя через специальную систему коллекторов и форсунок, равномерно омывает охлаждённые фреоном до минус 5ºС металлические пластины большой площади. Стекая вниз, часть воды намерзает на пластинах, образуя тонкую плёнку льда, остальная вода, стекая по этой плёнке, охлаждается до нужной температуры и собирается в расположенном под пластинами теплоизолированном баке, откуда и поступает потребителю.
Подобные системы имеют жёсткие требования к уровню запылённости помещения, где устанавливается бак с испарителем и, по понятным причинам, требуют более высокого уровня потолков. Они характеризуются самыми большими габаритами и стоимостью.
Наша фирма решит любую поставленную Вами задачу по охлаждению жидкости. Мы соберём (или подберём готовую) установку с оптимальным принципом работы и минимальной стоимостью, как самой установки, так и её эксплуатации.
Задача 1
Поток горячего продукта, выходящего из реактора, необходимо охладить с начальной температуры t 1н = 95°C до конечной температуры t 1к = 50°C, для этого его направляют в холодильник, куда подают воду с начальной температурой t 2н = 20°C. Требуется рассчитать ∆t ср в условиях прямотока и противотока в холодильнике.
Решение: 1) Конечная температура охлаждающей воды t 2к в условии прямоточного движения теплоносителей не может превысить значение конечной температуры горячего теплоносителя (t 1к = 50°C), поэтому примем значение t 2к = 40°C.
Рассчитаем средние температуры на входе и выходе из холодильника:
∆t н ср = 95 - 20 = 75;
∆t к ср = 50 - 40 = 10
∆t ср = 75 - 10 / ln(75/10) = 32,3 °C
2) Конечную температуру воды при противоточном движении примем такой же, как и при прямоточном движении теплоносителей t 2к = 40°C.
∆t н ср = 95 - 40 = 55;
∆t к ср = 50 - 20 = 30
∆t ср = 55 - 30 / ln(55/30) = 41,3°C
Задача 2.
Используя условия задачи 1 определить требуемую поверхность теплообмена (F) и расход охлаждающей воды (G). Расход горячего продукта G = 15000 кг/ч, его теплоемкость С = 3430 Дж/кг·град (0,8 ккал·кг·град). Охлаждающая вода имеет следующие значения: теплоемкость с = 4080 Дж/кг·град (1 ккал·кг·град), коэффициент теплопередачи k = 290 Вт/м 2 ·град (250 ккал/м 2 *град).
Решение: Используя уравнение теплового баланса, получим выражение для определения теплового потока при нагревании холодного теплоносителя:
Q = Q гт = Q хт
откуда: Q = Q гт = GC (t 1н - t 1к) = (15000/3600)·3430·(95 - 50) = 643125 Вт
Принимая t 2к = 40°C, найдем расход холодного теплоносителя:
G = Q/ c(t 2к - t 2н) = 643125/ 4080(40 - 20) = 7,9 кг/сек = 28 500 кг/ч
Требуемая поверхность теплообмена
при прямотоке:
F = Q/k·∆t ср = 643125/ 290·32,3 = 69 м 2
при противотоке:
F = Q/k·∆t ср = 643125/ 290·41,3 = 54 м 2
Задача 3
На производстве осуществляется транспорт газа по стальному трубопроводу наружным диаметром d 2 = 1500 мм, толщиной стенки δ 2 = 15 мм, теплопроводностью λ 2 = 55 Вт/м·град. Внутри трубопровод футерован шамотным кирпичом, толщина которого δ 1 = 85 мм, теплопроводность λ 1 = 0,91 Вт/м·град. Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке α 1 = 12,7 Вт/м 2 ·град, от наружной поверхности стенки к воздуху α 2 = 17,3 Вт/м 2 ·град. Требуется найти коэффициент теплопередачи от газа к воздуху.
Решение: 1) Определим внутренний диаметр трубопровода:
d 1 = d 2 - 2·(δ 2 + δ 1) = 1500 - 2(15 + 85) = 1300 мм = 1,3 м
средний диаметр футеровки:
d 1 ср = 1300 + 85 = 1385 мм = 1,385 м
средний диаметр стенки трубопровода:
d 2 ср = 1500 - 15 = 1485 мм = 1,485 м
Рассчитаем коэффициент теплопередачи по формуле:
k = [(1/α 1)·(1/d 1) + (δ 1 /λ 1)·(1/d 1 ср)+(δ 2 /λ 2)·(1/d 2 ср)+(1/α 2)] -1 = [(1/12,7)·(1/1,3) + (0,085/0,91)·(1/1,385)+(0,015/55)·(1/1,485)+(1/17,3)] -1 = 5,4 Вт/м 2 ·град
Задача 4
В одноходовом кожухотрубчатом теплообменнике осуществляется подогрев метилового спирта водой с начальной температуры 20 до 45 °C. Поток воды охлаждается с температуры 100 до 45 °C. Трубный пучек теплообменника содержит 111 труб, диаметр одной трубы 25х2,5 мм. Скорость течения метилового спирта по трубкам 0,8 м/с (w). Коэффициент теплопередачи равен 400 Вт/м 2 ·град. Определить общую длину трубного пучка.
Определим среднюю разность температур теплоносителей как среднелогарифмическое.
∆t н ср = 95 - 45 = 50;
∆t к ср = 45 - 20 = 25
∆t ср = 45 + 20 / 2 = 32,5°C
Определим массовый расход метилового спирта.
G сп = n·0,785·d вн 2 ·w сп ·ρ сп = 111·0,785·0,02 2 ·0,8· = 21,8
ρ сп = 785 кг/ м 3 - плотность метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.
Затем определим тепловой поток.
Q = G сп с сп (t к сп - t н сп) = 21,8·2520 (45 - 20) = 1,373·10 6 Вт
c сп = 2520 кг/ м 3 - теплоемкость метилового спирта при 32,5°C найдена из справочной литературы.
Определим требуемую поверхность теплообмена.
F = Q/ K∆t ср = 1,373·10 6 / (400·37,5) = 91,7 м 3
Вычислим общую длину трубного пучка по среднему диаметру труб.
L = F/ nπd ср = 91,7/ 111·3,14·0,0225 = 11,7 м.
Задача 5
Для нагрева потока 10-% раствора NaOH от температуры 40°C до 75°C используют пластинчатый теплообменный аппарат. Расход гидроксида натрия составляет 19000 кг/ч. В качестве нагревающего агента используется конденсат водяного пара, его расход составляет 16000 кг/ч, начальная температура 95°C. Принять коэффициент теплообмена равный 1400 Вт/м 2 ·град. Необходимо произвести расчет основных параметров пластинчатого теплообменного аппарата.
Решение: Найдем количество передаваемого тепла.
Q = G р с р (t к р - t н р) = 19000/3600 · 3860 (75 - 40) = 713 028 Вт
Из уравнения теплового баланса определим конечную температуру конденсата.
t к х = (Q·3600/G к с к) - 95 = (713028·3600)/(16000·4190) - 95 = 56,7°C
с р,к - теплоемкость раствора и конденсата найдены из справочных материалов.
Определение средних температур теплоносителей.
∆t н ср = 95 - 75 = 20;
∆t к ср = 56,7 - 40 = 16,7
∆t ср = 20 + 16,7 / 2 = 18,4°C
Определим сечение каналов, для расчета примем массовую скорость конденсата W к = 1500 кг/м 2 ·сек.
S = G/W = 16000/3600·1500 = 0,003 м 2
Принимая ширину канала b = 6 мм, найдем ширину спирали.
B = S/b = 0,003/ 0,006 = 0,5 м
Произведем уточнение сечения канала
S = B·b = 0,58·0,006 = 0,0035 м 2
и массовой скорости потоков
W р = G р /S = 19000/ 3600·0,0035 = 1508 кг/ м 3 ·сек
W к = G к /S = 16000/ 3600·0,0035 = 1270 кг/ м 3 ·сек
Определение поверхности теплообмена спирального теплообменника осуществляется следующим образом.
F = Q/K∆t ср = 713028/ (1400·18,4) = 27,7 м 2
Определим рабочую длину спирали
L = F/2B = 27,7/(2·0,58) = 23,8 м
t = b + δ = 6 + 5 = 11 мм
Для вычисления числа витков каждой спирали необходимо принять начальный диаметр спирали исходя из рекомендаций d = 200 мм.
N = (√(2L/πt)+x 2) - x = (√(2·23,8/3,14·0,011)+8,6 2) - 8,6 = 29,5
где х = 0,5 (d/t - 1) = 0,5 (200/11 - 1) = 8,6
Наружный диаметр спирали определяется следующим образом.
D = d + 2Nt + δ = 200 + 2·29,5·11 + 5 = 860 мм.
Задача 6
Определить гидравлическое сопротивление теплоносителей создаваемое в четырехходовом пластинчатом теплообменном аппарате с длиной каналов 0,9 м и эквивалентным диаметром 7,5 ·10 -3 при охлаждении бутилового спирта водой. Бутиловый спирт имеет следующие характеристики расход G = 2,5 кг/с, скорость движения W = 0,240 м/с и плотность ρ = 776 кг/м 3 (Критерий Рейнольдса Re = 1573 > 50). Охлаждающая вода имеет следующие характеристики расход G = 5 кг/с, скорость движения W = 0,175 м/с и плотность ρ = 995 кг/м 3 (Критерий Рейнольдса Re = 3101 > 50).
Решение: Определим коэффициент местного гидравлического сопротивления.
ζ бс = 15/Re 0,25 = 15/1573 0,25 = 2,38
ζ в = 15/Re 0,25 = 15/3101 0,25 = 2,01
Уточним скорость движения спирта и воды в штуцерах (примем d шт = 0,3м)
W шт = G бс /ρ бс 0,785d шт 2 = 2,5/776 ·0,785·0,3 2 = 0,05 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.
W шт = G в /ρ в 0,785d шт 2 = 5/995 ·0,785·0,3 2 = 0,07 м/с менее 2 м/с поэтому можно не учитывать.
Определим значение гидравлического сопротивления для бутилового спирта и охлаждающей воды.
∆Р бс = хζ·(l /d ) · (ρ бс w 2 /2) = (4·2,38·0,9/ 0,0075)·(776·0,240 2 /2) = 25532 Па
∆Р в = хζ·(l /d ) · (ρ в w 2 /2) = (4·2,01·0,9/ 0,0075)·(995·0,175 2 /2) = 14699 Па.
Одним из самых важных элементов для парокомпрессионной машины является . Он выполняет главный процесс холодильного цикла – отбор от охлаждаемой среды. Другие элементы холодильного контура, такие как конденсатор, расширительное устройство, компрессор и пр., только обеспечивают надежную работу испарителя, поэтому именно выбору последнего необходимо уделять должное внимание.
Из этого следует, что, подбирая оборудование для холодильной установки, необходимо начинать именно с испарителя. Многие начинающие ремонтники часто допускают типичную ошибку и начинают комплектацию установки с компрессора.
На рис. 1 представлена схема самой обычной парокомпрессионной холодильной машины. Ее цикл, заданный в координатах: давление Р и i . На рис. 1б точки 1-7 холодильного цикла, является показателем состояния холодильного агента (давления, температуры, удельного объема) и совпадает с аналогичным на рис. 1а (функции параметров состояния).
Рис. 1 – Схема и в координатах обычной парокомпрессионной машины: РУ расширительное устройство, Рk – давление конденсации, Ро – давление кипения.
Графическое изображение рис. 1б отображает состояние и функции холодильного агента, которые изменяются в зависимости от давления и энтальпии. Отрезок АВ на кривой рис. 1б характеризует хладагент в состоянии насыщенного пара. Его температура соответствует температуре начала кипения. Доля пара хладагента в составляет 100%, а перегрев близок к нулю. В правой части от кривой АВ хладагент имеет состояние (температура хладагента больше температуры кипения).
Точка В является критической для данного хладагента, поскольку отвечает той температуре, при которой вещество не может перейти в жидкое состояние, не зависимо от того, на сколько высоким будет давление. На отрезке ВС хладагент имеет состояние насыщенной жидкости, а в левой стороне – переохлажденной жидкости (температура хладагента меньше температуры кипения).
Внутри кривой АВС хладагент находится в состоянии парожидкостной смеси (доля пара в единице объема изменчива). Процесс, происходящий в испарителе (рис. 1б), отвечает отрезку 6-1 . Хладагент поступает в испаритель (точка 6) в состоянии кипящей парожидкостной смеси. При этом доля пара зависит от определенного холодильного цикла и составляет 10-30%.
На выходе из испарителя процесс кипения может не завершиться и точка 1 может не совпадать с точкой 7 . Если температура хладагента на выходе из испарителя больше температуры кипения, то получаем испаритель с перегревом. Его величина ΔТперегрев представляет собой разность температуры хладагента на выходе из испарителя (точка 1) и его температуры на линии насыщения АВ (точка 7):
ΔТперегрев=Т1 – Т7
Если точка 1 и 7 совпадают, то температура хладагента равна температуре кипения, а перегрев ΔТперегрев будет равен нулю. Таким образом, получим затопленный испаритель. Поэтому, при выборе испарителя вначале необходимо совершить выбор между затопленным испарителем и испарителем с перегревом.
Отметим, что при равных условиях затопленный испаритель более выгоден по интенсивности процесса отбора теплоты, чем с перегревом. Но следует учитывать то, что на выходе затопленного испарителя хладагент находится в состоянии насыщенного пара, а подавать влажную среду в компрессор нельзя. В противном случае возникает высокая вероятность появления гидроударов, которые будут сопровождаться механическим разрушением деталей компрессора. Получается, что если выбрать затопленный испаритель, то необходимо предусматривать дополнительную защиту компрессора от попадания в него насыщенного пара.
Если отдать предпочтение испарителю с перегревом, то не нужно заботиться о защите компрессора и попадания в него насыщенного пара. Вероятность возникновения гидравлических ударов будет возникать только в случае отклонения от требуемого показателя величины перегрева. В нормальных условиях эксплуатации холодильной установки величина перегрева ΔТперегрев должна находиться в пределах 4-7 К.
При снижении показателя перегрева ΔТперегрев , интенсивность отбора теплоты окружающей среды повышается. Но при чрезмерно низких значениях ΔТперегрев (менее 3К) возникает вероятность попадания в компрессор влажного пара, что может стать причиной появления гидравлического удара и, следовательно, повреждения механических узлов компрессора.
В обратном случае, при высоком показании ΔТперегрев (больше 10 К), это говорит о том, что в испаритель поступает недостаточное количество хладагента. Резко снижается интенсивность отбора теплоты от охлаждаемой среды и ухудшается тепловой режим компрессора.
При выборе испарителя возникает и другой вопрос, связанный с величиной температуры кипения хладагента в испарителе. Чтобы его решить вначале необходимо определить какую температуру охлаждаемой среды следует обеспечить для нормальной работы холодильной установки. Если в качестве охлаждаемой среды используется воздух, то кроме температуры на выходе из испарителя требуется учесть и влажность на выходе из испарителя. Теперь рассмотрим поведения температур охлаждаемой среды вокруг испарителя во время работы обычной холодильной установки (рис. 1а).
Чтобы не углубляться в данную тему потерями давлений на испарителе будем пренебрегать. Также будем считать, что происходящий теплообмен между хладагентом и окружающей средой осуществляется по прямоточной схеме.
На практике такую схему используют не часто, поскольку по эффективности теплообмена она уступает противоточной схеме. Но если один из теплоносителей имеет постоянную температуру, а показания перегрева невелики, то прямоток и противоток будут равнозначными. Известно, что среднее значение температурного напора не зависит от схемы движения потоков. Рассмотрение прямоточной схемы предоставит нам более наглядное представление о теплообмене, который происходит между хладагентом и охлаждаемой средой.
Для начала введем виртуальную величину L , равную длине теплообменного устройства (конденсатора или испарителя). Ее значение можно определить из следующего выражения: L=W/S , где W – соответствует внутреннему объему теплообменного устройства, в котором происходит циркуляция хладагента, м3; S – площадь поверхности теплообмена м2.
Если речь идет о холодильной машине, то равнозначная длина испарителя практически равняется длине трубки, в которой происходит процесс 6-1 . Поэтому ее наружная поверхность омывается охлаждаемой средой.
Вначале обратим внимание на испаритель, который выполняет роль воздухоохладителя. В нем процесс отбора теплоты от воздуха происходит в результате естественной конвекции или же при помощи принудительного обдува испарителя. Отметим, что в современных холодильных установках первый способ практически не используют, поскольку охлаждение воздуха путем естественной конвекции является малоэффективным.
Таким образом, будем предполагать, что воздухоохладитель оборудован вентилятором, который обеспечивает принудительный обдув испарителя воздухом и являет собой трубчато-ребристый теплообменный аппарат (рис. 2). Его схематическое изображение представлено на рис. 2б. рассмотрим основные величины, которые характеризуют процесс обдува.
Перепад температур
Перепад температур на испарителе рассчитывается следующим образом:ΔТ=Та1- Та2 ,
где ΔТа находится в пределах от 2 до 8 К (для трубчато-ребристых испарителей с принудительным обдувом).
Другими словами, при нормальной работе холодильной установки воздух проходящий через испаритель должен охлаждаться не ниже 2 К и не выше 8 К.
Рис. 2 – Схема и температурные параметры охлаждения воздуха на воздухоохладителе:
Та1 и Та2 – температура воздуха на входе и выходе из воздухоохладителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Максимальный температурный напор
Максимальный температурный напор воздуха на входе в испаритель определяется следующим образом:DTмакс=Та1 – То
Данный показатель применяется при подборе воздухоохладителей, поскольку зарубежные производители холодильной техники предоставляют значения холодопроизводительности испарителей Qисп в зависимости от величины DTмакс . Рассмотрим метод подбора воздухоохладителя холодильной установки и определим расчетные значения DTмакс . Для этого приведем в пример общепринятые рекомендации по подбору значения DTмакс :
- для морозильных камер DTмакс находится в пределах 4-6 К;
- для камер хранения неупакованной продукции – 7-9 К;
- для камер хранения герметично упакованной продукции – 10-14 К;
- для установок кондиционирования воздуха – 18-22 К.
Степень перегрева пара на выходе из испарителя
Для определения степени перегрева пара на выходе из испарителя используют следующую форму:F=ΔТперегр/DTмакс=(Т1-Т0)/(Та1-Т0) ,
где Т1 – температура пара хладагента на выходе из испарителя.
Данный показатель у нас практически не используют, но в зарубежных каталогах предусмотрено, что показания холодопроизводительности воздухоохладителей Qисп соответствует значению F=0,65.
Во время эксплуатации значение F принято принимать от 0 до 1. Предположим, что F=0 , тогда ΔТперегр=0 , а хладагент на выходе из испарителя будет иметь состояние насыщенного пара. Для данной модели воздухоохладителя фактическая холодопроизводительность будет на 10-15% больше показателя, приведенного в каталоге.
Если F>0,65 , то показатель холодопроизводительности для данной модели воздухоохладителя, должен быть меньше значения, приведенного в каталоге. Допустим, что F>0,8 , тогда фактическая производительность для данной модели будет на 25-30% больше значения, приведенного в каталоге.
Если F->1 , то холодопроизводительность испарителя Qисп->0 (рис.3).
Рис.3 – зависимость холодопроизводительности испарителя Qисп от перегрева F
Процесс, изображенный на рис.2б, характеризуют и другие параметры:
- среднеарифметический температурный напор DTср=Таср-Т0 ;
- средняя температура воздуха, которая проходит через испаритель Таср=(Та1+Та2)/2 ;
- минимальный температурный напор DTмин=Та2-То .
Рис. 4 – Схема и температурные параметры, отображающие процесс на испарителе:
где Те1 и Те2 температура воды на входы и выходе испарителя;
- FF – температура хладагента;
- L – эквивалентная длина испарителя;
- То – температура кипения хладагента в испарителе.
Если перепад температур по воде ΔТе=Те1-Те2 , то для кожухотрубных испарителей ΔТе следует поддерживать в диапазоне 5±1 К, а для пластинчатых испарителей показатель ΔТе будет находиться в пределах 5±1,5 К.
В отличие от воздухоохладителей в охладителях жидкости необходимо поддерживать не максимальный, а минимальный температурный напор DTмин=Те2-То – разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе.
Для кожухотрубных испарителей минимальный температурный напор DTмин=Те2-То следует поддерживать в пределах 4-6 К, а для пластинчатых испарителей – 3-5 К.
Заданный диапазон (разность между температурой охлаждаемой среды на выходе из испарителя и температурой кипения хладагента в испарителе) необходимо поддерживать по следующим причинам: при увеличении разности интенсивность охлаждения начинает снижаться, а при снижении повышается риск замерзания охлаждаемой жидкости в испарителе, что может стать причиной его механического разрушения.
Конструктивные решения испарителей
Независимо от способа применения различных и хладагентов, теплообменные процессы, происходящие в испарителе, подчиняются основному технологическому циклу холодопотребляющего производства, согласно которому создаются холодильные установки и теплообменные аппараты. Таким образом, чтобы решить задачу по оптимизации теплообменного процесса необходимо учитывать условия рациональной организации технологического цилка холодопотребляющего производства.Как известно, охлаждение определенной среды возможно при помощи теплообменника. Его конструктивное решение следует выбирать согласно технологическим требованиям, которые предъявляются к данным устройствам. Особо важным моментом является соответствие устройства технологическому процессу термической обработки среды, что возможно при следующих условиях:
- поддержание заданной температуры рабочего процесса и контроль (регулирование) над температурным режимом;
- выбор материала устройства, согласно химическим свойствам среды;
- контроль над продолжительностью пребывания среды в устройстве;
- соответствие рабочих скоростей и давления.
- обеспечение необходимой скорости рабочих сред для осуществления турбулентного режима;
- создание наиболее подходящих условий для удаления конденсата, накипи, инея и пр.;
- создание благоприятных условий для движения рабочих сред;
- предотвращение возможных загрязнений устройства.
На удобство эксплуатации и надежность устройства влияют такие факторы как прочность и герметичность разъемных соединений, компенсация температурных деформаций, удобства для обслуживания и ремонта устройства. Данные требования заложены в основу конструирования и выбора теплообменного агрегата. Главную роль в этом занимает обеспечение требуемого технологического процесса в холодопотребляющем производстве.
Для того, что выбрать правильное конструктивное решение испарителя необходимо руководствоваться следующими правилами. 1) охлаждение жидкостей лучше всего осуществлять при помощи трубчатого теплообменника жесткой конструкции или компактного пластинчатого теплообменника; 2) применение трубчато-ребристых устройств обусловлено следующими условиями: теплоотдача между рабочими средами и стенкой по обе стороны поверхности нагрева значительно отличаются. При этом оребрение необходимо устанавливать со стороны наименьшего коэффициента теплоотдачи.
Для увеличения интенсивности теплообмена в теплообменниках необходимо придерживаться таких правил:
- обеспечение надлежащих условий по отводу конденсата в воздухоохладителях;
- снижение толщины гидродинамического пограничного слоя путем повышения скорости движения рабочих тел (установка межтрубных перегородок и разбивка пучка трубок на ходы);
- улучшение обтекания рабочими телами поверхности теплообмена (вся поверхность должна активно участвовать в процессе теплообмена);
- соблюдение основных показателей температур, термических сопротивлений и пр.
Улучшение теплообменных процессов является одним из основных процессов по совершенствованию теплообменного оборудования холодильных машин. В этом отношении проводятся исследования в области энергетики и химической техники. Это изучение режимных характеристик течения, турбулизация потока путем создания искусственных шероховатостей. Кроме того, ведется разработка новых поверхностей теплообмена, благодаря чему теплообменники станут более компактными.
Выбираем рациональный подход для расчета испарителя
При проектировании испарителя следует произвести конструктивный, гидравлический, прочностной, тепловой и технико-экономический расчет. Их выполняют в нескольких вариантах, выбор которых зависит от показателей эффективности: технико-экономического показателя, КПД и пр.Чтобы произвести тепловой расчет поверхностного теплообменника необходимо решить уравнение теплопередачи и теплового баланса, с учетом определенных условий работы устройства (конструктивные размеры теплопередающих поверхностей, пределов изменения температур и схем, относительно движения охлаждающей и охлаждаемой среды). Чтобы найти решение этой задачу нужно применять правила, которые позволят получить результаты из исходных данных. Но из-за многочисленных факторов, найти общее решение для различных теплообменников невозможно. Вместе с этим существует много методов приближенного расчета, которые легко произвести в ручном или машинном варианте.
Современные технологии позволяют подобрать испаритель при помощи специальных программ. В основном они предоставляются производителями теплообменной аппаратуры и позволяют быстро подобрать необходимую модель. При использовании таких программ необходимо учитывать то, что они предполагают работу испарителя при стандартных условиях. Если фактические условия отличаются от стандартных, то производительность испарителя будет иной. Таким образом, желательно всегда проводить проверочные расчеты выбранной вами конструкции испарителя, относительно фактических условий его работы.
Площадь теплоотдающей поверхности испарителя F, м 2 , определяется по формуле:
где - тепловой поток в испарителе, Вт
к – коэффициент теплопередачи испарителя, Вт/(м 2 *К), зависит от типа испарителя;
Средняя логарифмическая разность между температурами кипящего фреона и охлаждаемой среды;
–удельный тепловой поток, равный 4700 Вт/м 2
Расход холодоносителя, необходимый для отвода теплопритоков, определяется по формуле:
где с - теплоемкость охлаждаемой среды: для воды 4,187 кДж/(кг*°С), для рассола теплоемкость принимается по специальным таблицам в зависимости от температуры его замерзания, которая принимается на 5-8°С ниже температуры кипения хладагента t 0 для открытых систем и на 8-10°С ниже t 0 для закрытых систем;
ρ р - плотность, холодоносителя СКВ, кг/м 3 ;
Δ t р - разность температуры холодоносителя на входе в испаритель и на выходе из него, °С.
Для условий кондиционирования воздуха при наличии форсуночных камер орошения применяются схемы распределения потоков воды. Согласно этому, Δt р определится как разность температур на выходе из поддона камеры орошения t w.к и на выходе из испарителя t Х :.
8. Подбор конденсатора
Расчет конденсатора сводится к определению площади теплопередающей поверхности, по которой подбирают один или несколько конденсаторов с суммарной площадью поверхности, равной расчетной (запас по поверхности не более+15%).
1. Теоретический тепловой поток в конденсаторе определяется по разности удельных энтальпий в теоретическом цикле с учетом или без учета переохлаждения в конденсаторе:
а) тепловой поток с учетом переохлаждения в конденсаторе определяется по разности удельных энтальпий в теоретическом цикле:
б) тепловой поток без учета переохлаждения в конденсаторе и при отсутствии регенеративного теплообменника
Полная тепловая нагрузка с учетом теплового эквивалента мощности, затрачиваемой компрессором на сжатие хладагента (действительный тепловой поток):
2. Определяется средняя логарифмическая разность температур θ ср между конденсирующимся хладагентом и охлаждающей конденсатор средой, °С:
где - разность температуры в начале теплопередающей поверхности (большая разность температур), 0 С:
Разность температуры в конце теплопередающей поверхности (меньшая разность температур), 0 С:
3. Находим удельный тепловой поток:
где к – коэффициент теплопередачи, равен 700 Вт/(м 2 *К)
4. Площадь теплопередающей поверхности конденсатора:
5. Расход охлаждающей конденсатор среды:
где - суммарный тепловой поток в конденсаторе от всех групп компрессоров, кВт;
с - удельная теплоемкость охлаждающей конденсатор среды (вода, воздух), кДж/(кг*К);
ρ - плотность охлаждающей конденсатор среды, кг/м 3 ;
- подогрев охлаждающей конденсатор среды, °С:
1,1 - коэффициент запаса (10%), учитывающий непроизводительные потери.
По расходу воды с учетом необходимого напора подбирают насос оборотного водоснабжения необходимой производительности. Обязательно предусматривают резервный насос.
9. Подбор основных холодильных агрегатов
Подбор холодильной машины производят одним из трех методов:
По описанному объему компрессора, входящего в состав машины;
По графикам холодопроизводительности машины;
По табличным значениям холодопроизводительности машины, приводимым в технической характеристике изделия.
Первый метод аналогичен тому, которым пользуются для расчета одноступенчатого компрессора: определяют требуемый объем, описанный поршнями компрессора, а затем по таблицам технических характеристик подбирают машину или несколько машин таким образом, чтобы фактическое значение объема, описанного поршнями, было на 20-30% больше полученного расчетом.
При подборе холодильной машины третьим методом необходимо холодопроизводительность машины, рассчитанную для рабочих условий, привести к условиям, при которых она дана в таблице характеристик, то есть к стандартным условиям.
После выбора марки агрегата (по холодопроизводительности, приведенной к стандартным условиям) необходимо проверить, достаточна ли площадь теплопередающей поверхности испарителя и конденсатора. Если указанная в технической характеристике площадь теплопередающей поверхности аппаратов равна расчетной или несколько больше ее, машина подобрана правильно. Если же, например, площадь поверхности испарителя оказалась меньше расчетной, необходимо задаться новым значением температурного напора (более низкой температурой кипения), после чего проверить, достаточна ли производительность компрессора при новом значении температуры кипения.
Принимаем чиллер с водяным охлаждением марки York YCWM с холодопроизводительностью 75 кВт.
