Пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа

F_ж = V_s/?_s = Q₀/C_s?t_s?_sp_s (4.3.4) или

F_ж = n_эl' (S₁ - d_нар) (4.3.5)

отсюда расстояние между перегородками (шаг)

l' = F_ж/ n_э(S₁ - d_нар) (4.3.6)

где n_э -- эквивалентное число труб по ширине пучка 1см. уравнение (4.2.3); s₁ -- горизонтальный шаг труб, м; d_нар -- наружный диаметр труб, м.

Число перегородок по длине пучка

z' = l₁/ l'. (4.3.7)

При развитом кипении в горизонтальных трубах аммиака тепловой поток с учетом уравнений (7.71), (7.16) и (7.55) и алгебраических преобразований определяется по уравнению

q_{F нар}= (50,7р_о^1,05?_а^3,5+ В^1,5 ?^1,2/d_0.3)^0,667?_aF_вн/F_нар (4.3.8)

В переходной зоне неразвитого пузырькового кипения аммиака с учетом уравнений (7.57), (7.53) и (7.16)

q_{F нар} = B^0,5d^-1/8?_а^1/8 (Вd^-1/4?_а^1/4 + 13,7 ?_а^2,33р_о^0,7 )^0,5?_аF_вн/F_нар (4.3.9)

При расчете пластинчатых испарителей с кипением внутри вертикальных каналов тепловой поток со стороны теплоносителя удобно относить к площади внутренней гладкой поверхности

q_Fвн= (4.3.10)

где ?_s определяется в зависимости от характера течения теплоносителя при средней скорости ? < 0,6 м/с.

Стандартные панели, из которых компонуются секции пластинчатых испарителей, имеют следующие размеры: шаг каналов по длине панели s₁ = 38 мм; толщина перемычки между каналами ?_р = 5 мм; длина перемычки 2h_p = 13 мм; наружный диаметр канала d_нар = 25 мм; внутренний диаметр канала d_вн= 20 мм; число каналов z = 11; длина панели l = 0,42 м; высота панели Н = 0,77 м. Каждая секция включает в себя шесть панелей при общей длине L = 3 м. Панели в секции объединены общими коллекторами диаметром 25x2,5 мм.

Тепловой поток при кипении аммиака в вертикальных каналах можно определить с учетом уравнения (7.75) по уравнению

q_Fвн= (27,3 + 0,04t₀)^1,82d_вн^-0,436 ?_а^1,82 (4.3.11)

Совместное решение графоаналитическим методом уравнений (4.3.10) и (4.3.11) определяет q_Fвн, по которому находится площадь внутренней поверхности F_вн.

При конструктивном расчете аппарата определяется число параллельных секций z_c и ширина канала между секциями (или шаг между осями секций).

Площадь внутренней поверхности одной секции из n_пан

F₁ = F_колл + n_пан F_пан, (4.3.12)

где F_колл -- внутренняя поверхность коллекторов (парового и жидкостного) секции, м²; n_пан -- число панелей в секции; F_пан -- площадь внутренней поверхности одной секции (по каналам), м².

С учетом конструктивных размеров панели и коллекторов уравнение (4.3.13) примет вид

F₁ = 2?d_внL + n_nau?d_внHz.

Число параллельных секций в аппарате

z_с = F_BH/F₁

Эта величина округляется до целого большего числа, что идет в запас расчетной площади поверхности аппарата.

Ширина каналов между секциями

B = F_ж /Hz₁ (4.3.14)

где F_ж, с -- площадь живого сечения каналов в направлении движения теплоносителя, м²;

z₁ -- число параллельных секций в данном направлении движения теплоносителя (в одном ходе) [1,стр. 340].

F_ж = V_s/?_s = Q₀/C_s?t_s?_sp_s (4.3.15)

Шаг между осями секций

S = d_нар + В (4.3.16)

4.4 Испаритель - конденсатор

В испарителе-конденсаторе одновременно протекают два процесса: конденсация паров R13 внутри пучка горизонтальных труб и кипение R22 на наружной поверхности медных накатных оребренных труб. Тепловой поток при конденсации R13 внутри пучка горизонтальных труб определяется по формуле:

q_Fнар = 0,72 (4.4.1)

где r -- разность энтальпий пара и сконденсировавшейся жидкости, Дж/кг.

Тепловой поток со стороны кипящего R22 определяется по уравнению (4.1.6).

Для нахождения теплового потока в аппарате также применяется графоаналитический метод, причем при построении зависимости (4.4.1) и (4.1.6) имеется в виду, что ?_m = t--t₀.

После определения площади внутренней поверхности теплопередачи F_вн выполняется конструктивный расчет аппарата[1,стр. 343].

4.5 Тепловой и конструктивный расчет испарителей для охлаждения воздуха

Для расчета воздухоохладителя задают холодопроизводительность Q₀, начальное состояние воздуха ?1 и t1 количество влаги, которое необходимо отвести от воздуха W₀, или конечное состояние воздуха ?2 и t2. В результате расчета определяется площадь теплопередающей поверхности F и температура кипения рабочего вещества t₀ или средняя температура теплоносителя t_sm. В сухих воздухоохладителях температура воздуха на выходе принимается на 2--4° ниже, чем температура на входе t₁

По заданным исходным параметрам в диаграмме d--i строится процесс изменения состояния воздуха (рисунок 4.5.1) и определяются энтальпии в точках 1,2 и w. Эти величины можно определить и с помощью таблиц влажного воздуха по формулам:

i = i_сух + ?i_вл; d = ?d", (4.5.1); (4.5.2)

где i_сух > i_вл-- энтальпия сухого воздуха и влаги, кДж/кг; d" -- влагосодержание насыщенного воздуха, кг/кг. Эти параметры определяются при соответствующей температуре воздуха.

Параметры в точке w находятся по уравнению (4.4.2) путем подбора температуры t_wi при которой соблюдается это равенство.

Рисунок 4.5.1 Процесс охлаждения воздуха в сухом воздухоохладителе

Далее принимается тип и конструкция поверхности теплообмена (наружный d_нap и внутренний d_вн диаметры труб, высота h и шаг ребер и, толщина ребер ?, шаг труб по фронту s₁ и в глубину s₂).

При подсчете ?_к исходят из условия, что массовая скорость воздуха не должна превышать 5 кг/(м²-с). При больших ?_вр возможен срыв капель с поверхности теплообмена, унос и испарение их в потоке воздуха и уменьшение осушающего действия воздухоохладителя.

Для вычисления коэффициента теплоотдачи ?_н, учитывающего конденсацию из воздуха водяного пара, находят коэффициент влаговыпадения ?.

Тогда

?_н = ?_к? (4.5.3)

Условный коэффициент теплоотдачи влажного воздуха, учитывающий тепломассообмен, термическое сопротивление инея и контакта ребер с трубками,

?_усл = (4.5.4)

Условный коэффициент теплоотдачи, приведенный к поверхности труб,

? _пр.вн = ? _усл[(Fр/Fвн)Е?+(1- Fр/Fвн)] (4.5.5)

Плотность теплового потока со стороны воздуха, отнесенная к внутренней поверхности,

qF _{вн =} ? _пр.вн (tв - t?), (4.5.6)

где tв - средняя температура воздуха, °С.

Площадь поверхности теплообмена (внутренняя)

Fвн = Q_o/qF _вн (4.5.7)

Эта величина является исходной для проектирования аппарата. Воздухоохладитель компонуется из нескольких секций, которые располагаются либо по вертикали, одна над другой, либо в глубину одна за другой.

Каждая секция проектируется с таким расчетом, чтобы обеспечить принятую массовую скорость воздуха ?_вр в живом сечении аппарата.

При расходе воздуха

Gв = Q₀/(i₁ - i₂) (4.5.8)

Живое сечение воздухоохладителя

Fж = Gв/(?_Bp₁) (4.5.9)

Если секции воздухоохладителя размещены в глубину аппарата, то поверхность теплообмена одной секции

Fвн' = Fж (4.5.10)

а число параллельных секций

z = F_внJF'_bh (4.5.11)

Общая длина труб в секции

L₁ = (4.5.12)

При условии, что высота Н и ширина В аппарата находятся в соотношении B/H = К, число рядов труб в секции

m = (4.5.13)

Полученное значение m округляется до целого четного числа и по уравнению (4.5.13) уточняется величина К. Ее следует принимать такой, чтобы соотношение В/Н обеспечивало равномерный обдув фронтальной поверхности воздухом.

Если отвод теплоты в воздухоохладителе обеспечивается холодным рассолом (хладоносителем), то его средняя температура t_sm находится исходя из следующих соображений. Задавшись изменением температуры рассола в воздухоохладителе Дt_s и несколькими значениями средней температуры рассола t_sm (в пределах t_w--t_sm = -- 0,5-2 °С), определяем расход рассола G_s и его скорость в трубах

?s= (4.5.14)

где c_s -- теплоемкость рассола, при принятых средних температурах, кДж/(кг·К); z -- число секций аппарата; p_s -- плотность рассола при принятых температурах, кг/м³.

В соответствии с определенными скоростями ?_s устанавливается характер движения хладоносителя и выбирается расчетное уравнение для коэффициента теплоотдачи к рассолу.

Плотность теплового потока со стороны рассола с учетом термического сопротивления стенки и загрязнений

qF _{вн =} (4.5.15)

Так как t_sm = var, то и q_FBH по уравнению (7.149) имеет несколько значений. Истинная средняя температура рассола t_sm находится графическим путем, для чего по уравнению (4.5.15) строится зависимость q_Fвн = f(t_sm) и по ее значению из уравнения (4.5.6) определяется t_sm.

В том случае, когда в трубках воздухоохладителя кипит рабочее вещество, его температура кипения определяется в следующей последовательности. В соответствии с холодопроизводительностью воздухоохладителя Q₀ и числом параллельных секций аппарата z определяется массовая скорость рабочего вещества ?р при нескольких температурах кипения t₀. Устанавливается зависимость плотности теплового потока q_FBH со стороны рабочего вещества от t₀ при переменных температурах стенки. Эти зависимости строятся в виде графиков q_Fвн = f(t_sm). Искомая t_о находится из графика при q_Fвн определенном по уравнению (4.5.6).

При расчете сухих воздухоохладителей целесообразно руководствоваться следующими рекомендациями. Толщина ребер из латуни должна быть 0,2--0,4 мм, из стали -- 0,3--0,5 мм. Шаг ребер при положительных температурах кипения должен составлять 3--4 мм, при отрицательных (вследствие инееобразования) -- 7--10 мм. Наибольшая компактность достигается пластинчатыми поверхностями с ребрами ?=0,2 мм и шагом 2 мм. В пластинчатых аппаратах применяют медные (иногда мельхиоровые) трубы диаметром 9X1 мм или 18X1 мм.

Увеличение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха достигается повышением массовой скорости воздуха до ?р = 5 - 6 кг/(м²·с), обеспечивающей спокойное стенание конденсата по поверхности.

Целесообразно применение труб малых диаметров. Это снижает вместимость аппарата по рабочему веществу, увеличивает его компактность и приводит к более благоприятной в отношении теплообмена гидродинамической структуре потока рабочего вещества [1,стр. 347].



5. Пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа

5.1 Тепловой расчет испарителя

Исходные данные:

Холодопроизводительность Q₀ = 100 кВт

Температура кипения хладагента t₀ = 45, ⁰C

Температура масла на входе: t_s1 = 57^оС

Температура масла на выходе: t_s2 = 50^оС

Площадь теплопередающей поверхности:

Среднелогарифмическая разность температур равна:

Свойства масла при средней температуре:

- плотность ?, кг/м3 865

- удельная теплоемкость с_s , кДж/(кг*К) 1.992

Коэффициенты:

- теплопроводности ?s , Вт/(м*К) 0,14

- кинематической вязкости ?_s , м2 / с 27*10^-6

- динамической вязкости ?_s , Па*с 2,9*10^-5

- число Прандтля Pr_ж 412,629

Принимаем основные параметры, характеризующие теплопередающую поверхность: трубы медные с накатными ребрами диаметром 20х3 мм. Размеры профиля ребер: внутренний диаметр d_вн =13,3 мм, диаметр по окружности ребер d_р =20,6 мм, диаметр по окружности впадин d_вп = 17,6 мм, шаг ребер s_p = 1,5 мм, толщина у вершины ребра ? = 0,4 мм, угол между ребрами ? = 300 [7, c. 333].

Коэффициент оребрения трубы:

Принимаем скорость масла в трубах, равной ? = 1,5 м/с. Тогда число труб в одном ходе аппарата равна:

Принимаем n₁ = 9, тогда скорость масла равна:

Определяем режим движения раствора:

Режим движения раствора ламинарный, тогда число Нуссельта равно:

где, l/d_вн - отношение длины трубы на внутренний диаметр.

При интервале 150 ? l/dвн ? 300 принимаем l/d_вн =150, тогда:

Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны масла равен:

Плотность теплового потока со стороны масла:

где ? ?i /?i - термическое сопротивление загрязнений и медной трубки с накатными ребрами,

? ?i /?i = 0,2...0,3 *10-3 (м2* К )/Вт.

Принимаем ? ?i/?i = 0,25 *10-3 (м2* К )/Вт. Тогда:

Плотность теплового потока со стороны рабочего вещества, отнесенного к внутренней поверхности:

где p₀ = 0,6 бар - давление кипения хладагента.

?_пр - коэффициент, учитывающий влияние числа рядов труб по высоте пучка; Согласно ?_пр = 1. [7, c. 331].

Определим удельный тепловой поток в испарителе графоаналитическим методом. Строим зависимости плотности теплового потока со стороны масла qFs= f(?s) и со стороны хладагента qFa= f(?a) в интервале температур 0 ? ?a ? ?m и ?m ? ?s ? 0, соответственно (рисунок 5.1.1). Из рисунка 5.1.1 видно, что удельный тепловой поток равен qF_вн = 3800 Вт/м2. Внутренняя поверхность теплообмена в испарителе [7, c. 332]:

Рисунок 5.1.1 - Расчет плотности теплового потока

5.2 Конструктивный расчет испарителя

Принимаем размещение труб на плоскости трубной решетки по периметрам правильных шестиугольников.

Шаг труб:

Принимаем s = 27 мм.

Принимаем отношение длины труб к диаметру аппарата k = l/D = 5.

Число труб, размещенных по диагонали внешнего шестиугольника:

Принимаем m = 18.

Внутренний диаметр обечайки:

C учетом неполного заполнения фреона в межтрубном пространстве испарителя принимаем

D_вн = 500 мм.

Дина труб в пучке:

Принимаем l=2500 мм.

Общее количество труб в испарителе:

Принимаем n = 180. Число ходов в аппарате:

Принимаем z = 10.

Принимаем скорость фреона на входе в испаритель ?вх = 5 м/с, на выходе ?вых = 15 м/с.

Диаметр парового патрубка на входе в испаритель:

где ?_вх - удельный объем пара на входе в испаритель.

где x = 0,225 - содержание паровой фазы фреона.

?' , ?'' - плотности жидкой и паровой фаз фреона, ?' =1.055 кг/м3 , ?'' =26.94 кг/дм³

Принимаем d_вх = 50 мм.

Аналогично определяем диаметр выходного патрубка.

Удельный объем пара на выходе из испарителя ?вых = 0,147 м3/кг, тогда:

Принимаем d_вых = 50 мм.

Диаметр патрубков для хладоносителя:

Принимаем d_хн = 30 мм [7, c. 334].

5.3 Гидродинамический расчет испарителя

Местные сопротивления определяем по формуле Вейсбаха-Д'Арси:

где ? - коэффициент сопротивления.

Коэффициент сопротивления:

где ?тр - коэффициент сопротивления жидкостного трения.

а - количество входных камер, а = 10;

b - количество выходных камер b = 10;

c - количество поворотов потока раствора в крышках испарителя, с = 8;

?1 = 1 - коэффициент местного сопротивления внезапного сужения прохода;

?2 = 0,5 - коэффициент местного сопротивления внезапного расширения прохода;

?3 =2 коэффициент местного сопротивления поворота на 1800 внутри крышки при переходе из одного пучка трубок в другой.

Для ламинарного режима движения формула Пуазейля:

Тогда:

5.4 Прочностной расчет испарителя

Исходные данные:

Диаметр обечайки D_вн , м 0,5

Длина обечайки l, м 2,5

Число труб n, м 180

Площадь теплообменной поверхности F_вн , м2 26,3

Давление в межтрубном пространстве ([2], c. 389, табл. 4.16):

- рабочее р₀ , МПа 0,6

- расчетное р_р , МПа 0,78

Рабочее (расчетное) давление в трубном пространстве р_тр , МПа 0,4

Принимаем материал обечайки из стали Вст3сп по ГОСТ 380-94. Нормативное допускаемое напряжение стали Вст3сп ?* = 140 МПа ([2], с.391, табл. 4.17).

Допускаемое напряжение для рабочего состояния материала обечайки корпуса испарителя:

[?]= ? ? ?з ? ?*

где ? - коэффициент, учитывающий работу аппарата со взрыво- и пожароопасными продуктами ? =1 для фреонов.

?з - коэффициент, учитывающий вид заготовки, для заготовок из проката ?з =1.

[?]= 1 ? 1 ? 140 = 140 МПа

Допускаемые напряжения при гидравлических испытаниях:

[?]_и = ?_т20 /1,1

Где ?_т20 - минимальное значение предела текучести стали при 20 ⁰С, ?_т20 = 210 МПа ([2], с.391, табл. 4.17).

[?]_и = 210 / 1,1 = 191 МПа.

Расчетная толщина обечайки:

где ? - коэффициент прочности сварочного шва, для ручной электродуговой сварки ? = 0,95 ([6], с. 13, табл. 1.7)

с - прибавка к расчетной толщине стенки на коррозию, мм.

Принимаем прибавку на коррозию с = 1 мм.

Расчетная толщина стенки в рабочем состоянии равна:

Давление при гидравлическом испытании равно:

p_и = 1,3 * p_р = 1,3 * 0,78 = 1,01 МПа.

Расчетная толщина стенки при гидравлическом испытании:

Согласно [6], табл. 25 принимаем исполнительную толщину стенки s = 5 мм.

Допускаемое давление в рабочем состоянии:

Условие прочности: [p] = 1,32 МПа > рр =0,78 МПа - выполняется.

Допускаемое давление при гидравлическом испытании:

Условие прочности: [p]_и = 1,8 МПа > р_и =1,01 МПа - выполняется.

Применимость расчетных формул: (s - c)/D_вн = (5-1) / 500 = 0,008 < 0,1 - условие применимости выполняется.



6. План-конспект урока

Тема урока: «Искусственное охлаждение»

Цель урока:

- ознакомиться с физическими основами искусственного охлаждения;

Задачи:

Обучающая: изучить основные принципы охлаждения;

Развивающая: развивать навыки при работе с таблицами и графиками;

Воспитывающая: воспитывать интерес к знаниям, любознательность.

Тип урока: лекция с элементами опроса.

Демонстративный материал: плакаты по теме.

Ход урока.

Из физики известно, что понятия «холод» и «теплота» условны, так как их физическая природа одинакова.

Теплота -- это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды, и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела) к другому лишь при наличии разности температур между ними. Вещества находятся в одном из трех (основных) фазовых (агрегатных) состояний -- твердом, жидком или газообразном -- в зависимости от окружающих условий (давления и температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.

Твердая фаза -- агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза -- агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения. Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости -- текучесть, благодаря которой она принимает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фаза -- агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится. В физике под термином «тело». Понимают любое вещество независимо от его агрегатного состояния.

В холодильной технике обычно имеют дело с веществами в жидком или газообразном состоянии. Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ -- это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество (газ) -- не меняет своего агрегатного состояния. Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым).

Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением. Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным. Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение: холод -- это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды. По температурному уровню различают области (рис. 1): умеренного холода -- от температуры окружающей среды (условно 20°С) до -- 120°С -- и глубокого холода -- от --120 °С до абсолютного нуля (--273,15 °С).

Пар отличается от газа тем, что его состояние ближе к жидкому состоянию. Газ - это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных холодильных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество (газ) не меняет своего агрегатного состояния. Если температура вещества выше температуры окружающей среды (воздуха, воды и пр.), то его называют горячим (теплым или нагретым).

Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением.

Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды.

По температурному уровню различают области (рис. 1): умеренного холода - от температуры окружающей среды (условно 20°С) до -120°С - и глубокого холода - от -120 °С до абсолютного нуля (-273,15 °С).

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами:

* с помощью другого вещества с более низкой температурой за счет отвода теплоты, чаще всего при изменении его агрегатного состояния;

* с помощью охлаждающих устройств, холодильных машин и установок, которые составляют специализированную область техники, называемую холодильной техникой.

Прежде чем перейти к более подробному рассмотрению способов искусственного охлаждения, остановимся еще на некоторых понятиях и определениях, без усвоения которых невозможно изучение основ холодильной техники. Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж).

Тепловой поток, Q - это количество теплоты, отводимое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 с. Следовательно, тепловой поток выражают в джоулях в секунду (Дж/с) или в килоджоулях в секунду (кДж/с). Но 1Дж/с=1Вт, а 1 кДж/с=1 кВт, т. е. тепловой поток как один из видов энергии выражают в тех же единицах, что и мощность.

Удельная теплоемкость, С - это количество теплоты в Дж (кДж), которое необходимо отвести (подвести) от вещества (к веществу) массой 1 кг, чтобы понизить (повысить) его температуру на 1°С (или 1 К - Кельвин). Эта величина зависит от температуры вещества и его агрегатного состояния.

В практических расчетах можно принимать следующие значения удельной теплоемкости: для воды - 4,19 кДж/(кг•К), глицерина - 2,26, водного льда - 2,095, стали - 0,425, воздуха при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) - 1 кДж/(кг•К).

При отводе (подводе) теплоты переход через определенный температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния. Так, при дальнейшем отводе теплоты от воды, когда ее температура уже снизилась до 0°С, она замерзает, а при дальнейшем подводе теплоты, когда температура поднялась до 100°С, вода закипает.

Рисунок 1. Области искусственного охлаждения.

Обычно теплоту, вызывающую изменение только температуры (без изменения агрегатного состояния) называют "сухой". Ее количество, необходимое для понижения (повышения) температуры вещества массой М от начальной температуры t1 до конечной t2, определяют по формуле:

Q=MС(t1- t2).

Физические принципы получения низких температур

1. Охлаждение за счет фазовых превращений. При достижении твердым телом температуры плавления дальнейшего повышения его температуры не происходит, а подводимая (или отводимая) теплота тратится на изменение агрегатного состояния -превращение твердого тела в жидкость (при отводе теплоты - из жидкости в твердое тело).

Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды.

При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления г.

Для водного льда г=335 кДж/кг.

Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле:

Q=Mr

Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.

На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в ледогенераторах с использованием холодильных машин воды.

При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до О °С. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4 % хлористого натрия температура плавления льдосоляной смеси равна -21,2°С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг. Применяя в смеси хлористый кальций (29,9%), можно понизить температуру плавления смеси до -55°С, в этом случае г = 214 кДж/кг.

Сублимация - переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии широко используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре -78,9 °С. Удельная теплота сублимации t = 571 кДж/кг. Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах) поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.

Испарение - процесс парообразования, происходящий со свободной поверхности жидкости. Его физическая природа объясняется вылетом молекул, обладающих большой скоростью и кинетической энергией теплового движения, из поверхностного слоя. Жидкость при этом охлаждается. В холодильной технике этот эффект используют в градирнях для охлаждения воды и в испарительных конденсаторах для передачи теплоты конденсации к воздуху. При атмосферном давлении и температуре О °С скрытая теплота . испарения воды г=2509 кДж/кг, при температуре 100°С r = 2257 кДж/кг.

Кипение - процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно - хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества,- испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, .подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле:

Q=Mr

где М - масса жидкости, превратившейся в пар. Кипение однородного ("чистого") вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.

Для наиболее распространенного в холодильной технике хладагента (аммиака) - такая кривая приведена на рис. 2. Атмосферному давлению, равному 0,1 МПа, соответствует температура кипения аммиака -33 °С, давлению 1,2 МПа -температура 30 °С.

Рисунок 2. Кривая упругости насыщенного пара аммиака

Значения скрытой (удельной) теплоты парообразования и давления кипения для некоторых хладагентов при температуре кипения -15°С приведены в таблице. Из таблицы следует, что у аммиака по сравнению с другими хладагентами наибольшая скрытая теплота парообразования, дающая ему преимущество при выборе хладагента для той или иной конкретной холодильной машины.

Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.

Таблица 1

Хладагент	г,кДж/кг	ро, МПа
R717 (аммиак)	1313	0,236
R12	159	0,183
R502	153	0,348
R13	106	1,315

2. Дросселирование (эффект Джоуля - Томпсона). Еще один из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах, заключающийся в падении давления и снижении температуры хладагента при его протекании через суженное сечение под воздействием разности давлений без совершения внешней работы и теплообмена с окружающей средой. В узком сечении скорость потока возрастает, кинетическая энергия расходуется на внутреннее трение между молекулами. Это приводит к испарению части жидкости и снижению температуры всего потока. Процесс происходит в регулирующем вентиле или другом дроссельном органе (капиллярной трубке) холодильной машины.

3. Расширение с совершением внешней работы. Процесс используют в газовых холодильных машинах. Если на пути потока, двигающегося под воздействием разности давлений, поставить детандер (расширительную машину, в которой поток вращает колесо или толкает поршень), то энергия потока будет совершать полезную внешнюю работу. При этом после детандера одновременно с понижением давления будет снижаться и температура хладагента.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка - Хильша). Создается с помощью специального устройства - вихревой трубы. Основан на разделении теплого и холодного воздуха в закрученном потоке внутри трубы.

5. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье). Его используют в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Он основан на понижении температуры спаев полупроводников при прохождении через них постоянного электрического тока.

Заключительная часть урока.

Закрепление изученного материала. Фронтальный опрос учащихся.

1. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете и в чем их отличие?

2. Естественное и искусственное охлаждение, что это?

3.Какие принципы получения низких температур вы знаете?

4. Охлаждение за счет фазовых превращений, в чем суть принципа?

Итог урока.

Задание на дом.



Заключение

В предлагаемой работе мы познакомились с историей развития и современным состоянием испарителей холодильных установок, привели систематизированное описание существующих типов и конструкций испарителей холодильных установок, их рабочих процессов. Выполнено обобщение имеющихся в отечественной литературе сведений об испарителях, а также рассмотрена общая методика теплового и конструктивного расчетов испарителя для охлаждения воздуха и жидких теплоносителей. Рассмотрен пример расчета горизонтального кожухотрубного испарителя затопленного типа.



Список используемых источников

1. Н.Н. Кошкин, И.А. Сакуна и др. Холодильные машины. - Л.: Машиностроение, 1985 - 542 с.

2. Е.М. Бамбушек, Н.Н. Бухарин и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. - Л.: Машиностроение, 1987 - 424 с.

3. Н.М. Чернавский. Курсовое проектирование деталей машин. - М.: Машиностроение, 1989.

4. Криогенное оборудование. Каталог. НПО «Криогенмаш», ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1988 г.

5. Ельчинов В.П. и др. Экспериментальное и расчетное исследование испарителей атмосферного криогенного газификатора, Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Криогенная техника - науке и производству», ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М., 1991.

6 . http://aparatel.ru/isparitel.pdf

7. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Учебное пособие для вузов. Под общ. ред. И. А. Сакуна. -- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. -- 423 с: ил.

8. Данилова Г.Н., Богданов С.Н., Иванов О.П. и др. Теплообменные аппараты холодильных установок. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986г., 303 с.: ил.

9. Акимова Л.Д. Изучающим основы холодильной техники.

10. Чумак И.Г. Никульшина Д.Г. Холодильные установки. Проектирование: Учебное пособие для ВУЗов. - К.: Выща шк. Головное изд-во. - 1988 г. - 280 стр. , 97 ил.

11. http://www.technoda.ru

12. http://libertydoc.net

13. БараненкоА.В., КалюновВ.С., МалеванныйБ.Н., ЭглитА.Я. Практикум по холодильному технологическому оборудованию: Учеб. пособие. ? СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. ? 170 с.

14. Биргер А. И., Шорр Б. Ф. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1976. 702 с.

15. Быков. А.С. Холодильные машины. Справочник. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 610 с.

Размещено на Allbest.ru