Расчет конденсатора с воздушным охлаждением

Содержание

Стр.

Введение………………..........................................................................................3

Исходные данные...................................................................................................6

1. Рабочий режим …………………………….…………......................................7

2. Тепловой расчет …….........................................................................................9

      2.1.  Зона снятия перегрева пара................................................................15

      2.2.  Зона   конденсации    паров   фреона..................................................15

     2.3.  Зона охлаждения жидкого фреона.....................................................18

3. Конструктивный расчет....................................................................................20

     3.1.  Зона снятия перегрева пара................................................................20

      3.2.  Зона   конденсации    паров   фреона..................................................20

     3.3. Зона охлаждения жидкого фреона.....................................................21

4. Аэродинамический расчет конденсатора........................................................23

      4.1.  Зона снятия перегрева пара................................................................23

      4.2.  Зона охлаждения жидкого фреона.....................................................23

5. Прочностные расчеты.......................................................................................25

      5.1. Расчет толщины стенок крышек.........................................................25

      5.2. Расчет на прочность трубных решеток и труб теплообменника.....25

      5.3. Условие прочности корпуса для режима испытаний.......................27

Список литературы...............................................................................................28

 

  Введение

Конденсаторы  холодильных машин

      Конденсатор —  теплообменный  аппарат,  служащий  для  сжижения  паров

хладагента  путем их  охлаждения.  По  виду  охлаждающей  среды  конденсаторы выпускают с водяным и воздушным охлаждением. Конденсаторы  с  принудительным движением  воздуха  имеют  вертикально  расположенные  плоские  змеевики  из медных  или  стальных  оребренных  труб  Естественное  воздушное  охлаждение применяется  только  в  холодильных  машинах  бытовых   электрохолодильников.

      Конденсаторы   с   водяным   охлаждением    бывают    кожухозмеевиковые    и кожухотрубные.

      Пары  хладогена, охлаждаясь до  температуры  конденсации,  переходят в жидкое состояние. Конденсатор представляет собой  трубопровод,  изогнутый  в виде змеевика, внутрь которого поступают пары хладона.

      Змеевик охлаждается снаружи окружающим воздухом. Наружная  поверхность змеевика  обычно  недостаточна   для   отвода   тепла   воздухом,   поэтому поверхность  змеевика  увеличивают  за  счет  большого   количества   ребер, креплением змеевика к металлическому листу и другими способами. 

Конденсаторы  с естественным воздушным  охлаждением

      В  холодильных  машинах старых  моделей применялись листотрубчатые конденсаторы. Листотрубчатый щитовой конденсатор  состоит  из змеевика, который приварен,  припаян  или  плотно  прижат  к  металлическому листу, выполняющему роль сплошного ребра. В листе иногда  делают  прорези  с отбортовкой по типу жалюзи. Это увеличивает теплопередающие  поверхности  за счет торцов отогнутых металлических язычков и  циркуляции  воздуха.  Диаметр труб 4,75-8 мм, шаг 35-60 мм, толщина листа 0,5-1 мм.

      Трубы змеевика на листе обычно располагают  горизонтально. В  некоторых листотрубчатых конденсаторах их  располагают  вертикально,  чтобы  последние витки трубопровода не нагревались от кожуха компрессора. Длина  трубопровода конденсатора составляет 6500-14000 мм.

Листотрубчатый   прокатно-сварной   конденсатор изготовлен из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм с раздутыми в нем  каналами змеевика. Конденсатор имеет форму сплюснутой трубы  и  закреплен  на  задней стенке  шкафа  холодильной  машины.  При  сравнительно  небольших размерах конденсатор работает эффективно благодаря высокой теплопроводности  алюминия и теплопередачи через однородную среду.  Для  более  эффективной  циркуляции воздуха в щите  сделаны  сквозные  просечки.  Конденсатор  с  одной  стороны соединен трубопроводами с нагнетательной  линией  компрессора,  а  с  другой через фильтр и капиллярную трубку – с испарителем. 

Конденсаторы  с водным охлаждением

      Различают кожухотрубные и кожухозмеевиковые  конденсаторы.

Конденсатор кожухотрубный представляет собой  цилиндрический  корпус  с

приваренными  к нему  с  торцов  трубными  решетками.  В  отверстиях  трубных решеток  закреплены  оребренные   трубки   малого   диаметра. Таким   образом внутренняя  полость  цилиндрического  корпуса  разделена  на  две  части   – межтрубную,  предназначенную  для  холодильного  агента,  и  трубную  –  для прохождения воды.

      Внутренняя   поверхность   боковых   крышек    имеет    перегородки,

обеспечивающие  последовательное прохождение воды. Кожухозмеевиковый  конденсатор  состоит  из  цилиндрического  корпуса, выполненного в виде трубы большого диаметра. Для защиты от коррозии конденсатор окрашивают черной эмалью.  

Конденсаторы  с воздушным охлаждением

      Широкое распространение получили конденсаторы конвективного охлаждения с  проволочным  оребрением.  Конденсатор  представляет  собой змеевик из медной трубки с приваренными к ней с обеих сторон  (друг  против друга) ребрами из стальной проволоки диаметром 1,2-2мм. Ребра  из  проволоки привариваются к трубочке точечной электросваркой или припаивают медью.

      Плоские змеевики заключены в стальной лист – корпус  с  цилиндрической обечайкой для осевого вентилятора, установленного на валу  электродвигателя. Вентилятор создает  сильный  поперечный  поток  воздуха,  поступающий  через конденсатор к электродвигателю.

     Воздушный конденсатор холодильной машины служит для отвода теплоты в окружающую среду. Главным фактором, влияющим на режим работы конденсатора и установки в целом является температура окружающей среды, величина которой определяет прежде всего значение температуры конденсации.

     Температура конденсации зависит также от теплопередающей способности конденсатора, которая в свою очередь, обусловлена конструкцией аппарата. В воздушных конденсаторах на эффективность теплопередачи влияет прежде всего теплоотдача со стороны воздуха, представляющая наибольшее термическое сопротивление.

     Применение  воздушного охлаждения конденсаторов, позволило значительно сократить  применение прямоточного и оборотного водоснабжения, а использование  водопроводных сетей стало исключением.

     В настоящее время к холодильным  установкам предъявляют всё более жёсткие санитарно-технические требования в целях предотвращения загрязнения водоёмов, сокращения расхода пресной воды и др. В связи с этим использование воздушного охлаждения конденсаторов холодильных машин становится всё более актуальной задачей. Этому способствует также широкий экспорт холодильных машин в страны с ограниченными водными ресурсами.

     Несмотря  на то что системы с воздушным  охлаждением конденсаторов в  сравнении с водяным имеют  более низкую начальную стоимость, меньшие эксплуатационные расходы и более просты в обслуживании, их эксплуатация связана с решением ряда проблем. Основными недостатками воздушных конденсаторов являются шум при работе вентиляторов, более высокая температура конденсации и соответственно повышенное энергопотребление в жаркое летнее время, а также необходимость применения специальных устройств (следовательно, усложнение схемы машины и её большая стоимость) для регулирования давления конденсации в холодный период года при низкой окружающей температуре.

     Однако  преимущества воздушного охлаждения конденсаторов  гораздо существеннее. Снижение уровня шума можно добиться путём выбора оптимального профиля лопаток вентилятора. Для стран с сухим климатом целесообразно, снижать температуру  конденсации за счёт мелкодисперсного распыления воды в поток входящего в аппарат воздуха.

 

Исходные  данные

Конденсатор  с накатным оребрением выполняется из медных труб наружным диаметром и толщиной стенки . Геометрические  характеристики оребрения: высота ребра , шаг ребер , толщина ребра в основании , вершины , ребро круглое, трапециевидного сечения. Расположение труб в пучке — шахматное, поперечный шаг труб , продольный шаг труб . Рабочий хладагент R22. Тепловая нагрузка на конденсатор . КПД компреора _. 
 

Рис. 1. Схема движения теплоносителя в конденсаторе; П., К, ОХЛ — зоны соответственно снятия перегрева, конденсации, охлаждения.

 

1. Рабочий режим

   Температуру фреона на входе в испаритель

   

.

   Температуру кипения в испарителе можно найти из выражения

   

.

   Температуру воды на выходе из конденсатора

   

.

   Температуру конденсации  примем равной .

   Для фреоновых компрессоров температура  на всасывании

.

   Температура переохлаждения для фреоновых компрессоров определяется из уравнения теплового  баланса регенеративного теплообменника.

    Þ    _;

Имея  температуры,

строим цикл ХМ для рабочего режима в

-диаграмме:

Рисунок 2.1 – i,p–диаграмма рабочего цикла.

Таблица 2.1 – Значения параметров в характерных  точках рабочего цикла

Для рабочего цикла определяем отношение давлений

.

Определяем  удельную массовую холодопроизводительность:

.

Удельная работа адиабатного сжатия в конденсаторе:   

 

Действительная работа адиабатного сжатия в конденсаторе:

Энтальпия рабочего вещества в точке 2:

     

Удельная нагрузка на конденсаторе:

      

Определяем  удельную объемную холодопроизводительность:

. 

Удельная тепловая нагрузка на регенератор

      

Массовый расход

      

 

Действительная  объемная производительность

Мощность адиабатного  сжатия

Коэффициент плотности   λ_пл=0,957  при   π =3,66.

Коэффициент подогрева 

Индикаторный  КПД 

Механический  КПД 

Эффективный КПД 

Эффективная мощность  

Индикаторная  мощность  

Определяем  коэффициент подачи компрессора  на рабочем режиме

.

Задаемся  величиной  , тогда

;

.

Тогда .

Находим теоретическую объемную производительность компрессора:

.

     Для рабочего цикла определяем мощность электродвигателя в следующем порядке:

. 

2. Тепловой расчет

Расчетная температура наружного воздуха  вычисляется по формуле:

.

Где — среднемесячная температура самого жаркого месяца, — максимальная температура воздуха в данной местности, .Подогрев воздуха в конденсаторе принимают равным , т. е.

Средняя температура воздуха в аппарате и теплофизические свойства при 

; ; ; ;

Температура конденсации  .

Примем  следующую схему распределения  температур между теплоносителями в условно принятых зонах конденсатора:

а) снятие перегрева пара (охлаждение до температуры  насыщения)

б) конденсация   паров   хладагента     

;

в) охлаждение жидкого хладагента ;

Тепловые  потоки в условно принятых зонах  конденсатора рассчитывают по следующим    соотношениям:

а)   ;

б)   ;

в)  

Значение температур воздуха в этих зонах:

   

Где - массовый расход воздуха через конденсатор для снятия заданной тепловой   нагрузки, кг/с;

 

Массовый расход воздуха 

; 

Средний температурный  напор при снятии перегрева

 

Средний температурный  напор при конденсации

Средний температурный  напор при охлаждении жидкого  хладагента

Безразмерные  температурные параметры для аппарата

Функция эффективности аппарата ,

Задаемся  количеством труб в одном фронтальном  ряду N = 10, принимаем размер фронтального   сечения определяем   площадь живого конденсатора

Скорость воздуха  в живом сечении аппарата

 

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха  определяем по формуле Юдина

Для шахматного пучка труб и

   
 

Где       

Величина  с_z зависит от количества рядов труб по глубине; при

Критерий   Рейнольдса

  

Коэффициент

Критерий Нуссельта

Коэффициент теплоотдачи  со стороны воздуха

Приведенная высота круглого ребра

Эффективность круглого ребра трапециевидного  сечения

,

Где — теплопроводность  ребра ;  — средняя толщина ребра.

Чтобы учесть неравномерность толщины  ребра по его высоте,  в расчет вводится поправка  в   зависимости   от   отношения при а коэффициент эффективности ребра с учетом поправки

Площади поверхности 1 м оребренной трубы:

;

Эффективность всей оребренной поверхности  при  хорошем контакте ребер с трубой

Приведенный коэффициент теплоотдачи

  

  Коэффициенты  теплоотдачи от хладагента в условно  принятых зонах снятия перегрева  пара и охлаждения жидкого хладагента рассчитываются по формулам

(зона ОХЛ);

при 

— длина оребренной трубы конденсатора;

(зона П,   рис. 1);

при  условии,   что  определяющая температура, _{где и} — среднемассовая   температура

теплоносителя на входе и выходе трубы:

Массовый расход фреона

Скорость движения пара в зоне снятия перегрева

Скорость движения жидкости в зоне охлаждения жидкости

где — площадь сечения,

Критерий  Рейнольдса критерий Прандтля _{, где} — коэффициенты теплопроводности, динамическая вязкость и удельная изобарная теплоемкость теплоносителя; — площадь проходного сечения и периметр трубы, где

Эквивалентный диаметр

 

Теплофизические характеристики    пара   определяем    при  ; ; ; ,

 при  определяем теплофизические характеристики жидкого фреона;

; ; ; .

     2.1. Зона снятия перегрева пара.

Коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения

где критерий  Рейнольдса _,

 Для труб с коэффициент _, для прямой  трубы _,

.

Коэффициент   теплоотдачи

     2.2. Зона   конденсации    паров   фреона.

Коэффициент   теплоотдачи    со   стороны  конденсирующего фреона определяется по уравнению

где — коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося фреона;

 — расходное массовое  паросодержание потока  на  входе и выходе из участка конденсации, Тогда

;

Удельный  тепловой поток со стороны воздуха, отнесенный к внутренней поверхности трубы,

.

Коэффициент оребрения  поверхности трубы

Удельный тепловой поток со стороны агента, отнесенный к внутренней поверхности трубы,

Из графика  рис. 2  

Площадь наружной поверхности данной зоны

тогда коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующего фреона

     2.3. Зона охлаждения жидкого фреона.

Коэффициент теплоотдачи  со стороны жидкого  фреона

где критерий  Рейнольдса

критерий   Нуссельта

 

Рис. 2. Графический  метод   определения   температуры  стенки  и средней    плотности    теплового потока 
 
 
 

Коэффициент теплопередачи

для зоны снятия перегрева

для зоны конденсации

для зоны охлаждения

В связи  с малыми значениями коэффициента теплопередачи  в зонах снятия перерегрева и  охлаждения жидкого фреона лучше перейти на использование гладкиx медных труб. Тогда площадь живого сечения конденсатора в этих зонах

Скорость воздуха  в живом сечении

Критерий Рейнольдса

 

   
 

Критерий Нуссельта

.

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха  в зоне снятия перегрева