Конденсатор

§3.1.3 “Основные элементы холодильной машины - конденсатор” из книги “Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика.”. Автор: Ананьев В.А.

Конденсатор представляет собой тепло-обменный аппарат, который передает тепловую энергию от хладагента к окружающей среде, чаще всего воде или воздуху. Тепловая энергия, передаваемая хладагентом через конденсатор, складывается из:

• тепла, поглощенного испарителем холодильного контура, и
• тепла, вырабатываемого компрессором при сжатии хладагента.

Тепло, выделяемое конденсатором, примерно равно холодопроизводительности холодильной машины, увеличенной на 30-35%. Так, для холодильной машины мощностью 10 кВт общий объем тепла, выделяемый конденсатором, составляет около 13-13,5 кВт.

Второй рабочей средой конденсатора, помимо хладагента, может служить окружающий воздух (конденсаторы с воздушным охлаждением) или жидкость (конденсаторы с водяным охлаждением).

Конденсаторы с воздушным охлаждением

Наибольшее распространение получили конденсаторы с воздушным охлаждением. Они состоят из теплообменника и блока вентилятора с электродвигателем.

Теплообменник обычно изготавливается из медных трубок диаметром 6 мм и 19 мм, как правило, с оребрением. Расстояние между ребрами обычно составляет 1,5-3 мм.

Медь легко поддается обработке, не подвержена окислению и имеет высокие показатели теплопроводности. Выбор диаметра трубок зависит от большого количества факторов: легкости обработки, потерь давления в линии хладагента, потерь давления со стороны охлаждающей воздушной среды и т.д. В настоящее время наблюдается тенденция использования трубок малого диаметра.

Оребрение трубок теплообменника чаще всего изготавливают из алюминия. Причем тип оребрения, его профиль и конфигурация могут быть весьма разнообразны и существенно влиять на тепловые и гидравлические характеристики теплообменника. Так, например, использование сложного профиля оребрения с просечками, выступами и т.п. позволяет создать большую турбулентность воздуха вблизи поверхности ребра. Тем самым повышается эффективность теплопередачи между хладагентом, проходящим по трубкам, и внешним воздухом. Хотя в этом случае несколько увеличивается гидравлическое сопротивление, что потребует установки вентилятора большей мощности, достигается существенное повышение производительности холодильной машины с лихвой оправдывает увеличенную энергоемкость установки.

Соединение трубки с ребрами может быть выполнено двумя способами:

• либо в ребре просто делается отверстие для непосредственного контакта с трубкой,
• либо в месте подсоединения ребра к трубке делается воротничок (буртик), повышающий поверхность теплообмена.

Преимущество первого варианта состоит в простоте (экономичности) производства, однако, в связи с неплотным контактом ребра с трубкой, передача тепла внешней среде ограничена.

Кроме того, при работе в загрязненной либо агрессивной атмосфере по контуру прилегания ребер к трубке может появиться коррозия. Это значительно снижает полезную поверхность теплообмена, приводит к снижению производительности и повышению температуры конденсации.

Скорость воздушного потока, проходящего через теплообменник, обычно составляет от 1,0 до 3,5 м/с.

Внутренняя поверхность трубок также может быть рифленой, что позволяет обеспечить большую турбулентность, а следовательно, теплоотдачу хладагента.

Конденсаторы обычно имеют один или несколько рядов трубок (чаще всего — до 4-х), расположенных в направлении прохождения потока охлаждающего воздуха. Трубки могут располагаться на одном уровне либо ступенями (в шахматном порядке) для повышения эффективности теплообмена (рис. 3.10).

Важным аспектом является схема движения рабочих сред в теплообменнике. Горячий хладагент поступает в конденсатор сверху и постепенно опускается вниз. В верхней части теплообменника происходит наиболее интенсивное охлаждение хладагента, для чего используется примерно 5% полезной площади теплообменника. На этом начальном участке теплообменника теплопередача весьма значительна, благодаря большому перепаду температур между хладагентом и холодным воздухом и высокому коэффициенту теплопередачи, обусловленному высокой скоростью движения хладагента.

На следующем основном участке охлаждения, составляющем около 85% всей полезной поверхности теплообменника, процесс конденсации парообразного фреона проходит при почти неизменной температуре.

Остающиеся 10% полезной поверхности теплообмена используются для «дополнительного охлаждения» хладагента. Количество отводимого в этой зоне тепла составляет примерно 5% общего показателя теплообмена, что связано с небольшим перепадом температур между хладагентом, перешедшим в жидкую фазу, и продувочным воздухом.

Температура конденсации превышает температуру окружающего воздуха примерно на 10-20°С, а температура выходящего из теплообменника воздуха на 3-5,5 °С ниже температуры конденсации.
Абсолютные показатели температуры конденсации обычно составляют 42-55 °С.

Рис. 3.10. Схема конденсатора с воздушным охлаждением. 1 - медная трубка; 2 - оребрение

В табл. 3.11 представлена зависимость температуры конденсации парообразного фреона R-22 от температуры окружающего воздуха.

Таблица 3. 11. Зависимость температуры конденсации от температуры окружающего воздуха

Характеристики конденсаторов зависят как от типа хладагента и температуры окружающей среды, так и от атмосферного давления окружающего воздуха (высоты над уровнем моря). При больших высотах производительность конденсатора снижается в связи с уменьшением плотности воздуха. В табл. 3.12 приведены коэффициенты, позволяющие точно скорректировать холодопроизводительность холодильных машин в зависимости от высоты над уровнем моря.

Таблица 3. 12. Коэффициент коррекции холодопроизводительности от высоты над уровнем моря

Конденсаторы с водяным охлаждением

Конденсаторы с водяным охлаждением по своему конструктивному исполнению подразделяются на следующие основные группы:

• кожухотрубные конденсаторы;
• конденсаторы типа «труба в трубе»;
• пластинчатые конденсаторы.

Конденсаторы первой группы чаще всего используются на установках средней и большой мощности, другие же — на установках средней и малой мощности.

Кожухотрубные конденсаторы

Выполняются в виде стального цилиндрического кожуха, с обоих концов которого приварены стальные трубные решетки. В них запрессовываются медные трубки. К трубным решеткам крепятся головки с входными и выходными патрубками для подключения к системе водяного охлаждения (рис. 3. 13).

Рис. 3.13. Схема кожухотрубного конденсатора с водяным охлаждением.

В верхней части кожуха располагается патрубок подвода горячего парообразного хладагента, поступающего от компрессора. В нижней части установлен патрубок отвода жидкого хладагента.
Горячий парообразный хладагент омывает трубки и заполняет свободное пространство между трубками и кожухом.

Холодная вода подается по трубкам снизу и выходит через верхнюю часть кожуха. Горячий парообразный хладагент соприкасается с трубками, по которым циркулирует холодная вода, остывает, конденсируется и скапливается на дне конденсатора. Вода, поглощая тепло от хладагента, выходит из конденсатора с более высокой температурой, чем на входе. Участок «дополнительного охлаждения», если таковой предусмотрен, состоит из пучка трубок, расположенных на дне конденсатора и отделенных от остальных трубок металлической перегородкой. В таком случае поступающая в конденсатор холодная вода в первую очередь проходит через участок «дополнительного охлаждения».

Трубки конденсатора обычно изготовляются из меди и имеют номинальный диаметр 3/4"и 1" (20 и 25 мм). С внешней стороны они имеют оребрение, позволяющее повысить теплообмен между хладагентом и находящейся внутри трубок водой.

Обычно в конденсаторах используется вода из системы оборотного водоснабжения. Температура конденсации хладагента примерно на 5 °С выше температуры воды на выходе из конденсатора. Например, при температуре воды на выходе из конденсатора 35 °С температура конденсации хладагента R-22 составляет примерно 40 °С. В этих условиях перепад температуры воды в конденсаторе не превышает 5 °С.

Для передачи 1 кВт тепла от хладагента проточной воде требуемый расход воды составит около 170 л/ч.

Конденсаторы типа «труба в трубе»

Эти конденсаторы представляют собой выполненную в виде спирали трубку, внутри которой соосно расположена другая трубка. Хладагент может перемещаться по внутренней трубке, а охлаждающая жидкость — по внешней, либо наоборот (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Схема конденсатора типа «труба в трубе» Поступление хладагента Выход воды Поступление воды Слив жидкости

Вся конструкция может быть выполнена из меди, либо внутренняя трубка может быть медной, а внешняя — стальной.

Как внешняя, так и внутренняя поверхности трубки могут иметь оребрение, увеличивающее эффективность теплопередачи. Два потока жидкостей движутся навстречу друг другу. Вода поступает снизу и выходит сверху, хладагент перемещается в противоположном направлении.
Этот тип конденсаторов используется в автономных установках кондиционирования воздуха и установках для охлаждения воды малой мощности. В связи с тем, что конденсатор этого типа представляет собой неразъемную конструкцию, очистка трубки, по которой циркулирует вода, может проводиться только химическим путем.

Пластинчатые конденсаторы

Этот тип теплообменника отличается тем, что циркуляция жидкостей происходит между пластинами из нержавеющей стали, расположенными «елочкой» (рис. 3.15).

Внутри теплообменника создаются два независимых контура циркуляции (хладагента и охлаждающей воды), движущихся навстречу друг другу. Пластинчатые теплообменники имеют очень высокие теплотехнические характеристики, что обусловило их большое распространение в установках средней и малой мощности. Высокая эффективность этих теплообменников сочетается с компактными размерами и малой массой, небольшими перепадами температур между двумя жидкостями, что повышает эффективность установки, меньшим количеством требуемого хладагента.

Пластинчатые теплообменники используются как в качестве конденсаторов, так и в качестве испарителей.

Рис. 3.15. Схема пластинчатого конденсатора

В табл. 3.16 приводятся наиболее часто встречающиеся значения температуры воды, используемой в конденсаторах, и соответствующие температуры конденсации.

Таблица 3.16. Температуры воды на входе в конденсатор и температуры конденсации

Максимально допустимые при испытаниях значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением указаны в табл. 3.17.

Таблица 3.17. Максимально допустимые значения давления в конденсаторах с водяным охлаждением

Коэффициент загрязнения

Коэффициент загрязнения характеризует термическое сопротивление, вызванное отложением осадка, содержащегося в воде, на внутренних стенках трубок. В результате снижается теплопередача.

Загрязнение трубок приводит к повышению средней температуры и увеличению количества охлаждающей жидкости, требуемой для охлаждения заданного количества хладагента. В результате повышается давление в контуре конденсации и, как следствие, — энергоемкость процесса.

Проблема загрязнения трубок является большим препятствием при использовании теплообменников в регионах с повышенными показателями жесткости воды.

Согласно стандарту ARI Standard 590 характеристики холодильных машин должны соответствовать коэффициенту загрязнения конденсатора:
8,8 · 10^-5(м² · °C/Вт)

Для других коэффициентов загрязнения необходимо скорректировать характеристики холодильных машин. В табл. 3.18 указаны коэффициенты коррекции эффективности холодильных машин для разных коэффициентов загрязнения.

Следует отметить, что приведенные в табл. 3.18 коэффициенты обычно используются для корректировки холодо- и тепло-производительности установок большой мощности.

Для установок малой и средней мощности в качестве исходной точки принимаются чистые пластины конденсатора и испарителя, а значения поправочных коэффициентов соответствуют приведенным в табл. 3. 19.

В технической документации на оборудование обязательно приводится методика пересчета характеристик в зависимости от коэффициента загрязнения.

В табл. 3.20 указаны коэффициенты загрязнения, соответствующие различным типам используемой воды.

С целью сокращения загрязнения до минимально возможного уровня зачастую рекомендуют устанавливать скорость потока воды на уровне, превышающем 1 м/с. Рекомендуется также периодически производить очистку трубок механическим либо химическим путем.

Таблица 3.18. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки в зависимости от коэффициента загрязнения

Таблица 3.19. Коэффициенты коррекции показателей холодопроизводительности установки малой мощности в зависимости от коэффициента загрязнения

Таблица 3.20. Типичные коэффициенты загрязнения для различных типов воды

em