Назначение и работа испарителя

Назначение  и работа испарителя 
 
 

           В состав любой парокомпрессионной холодильной машины входят как минимум, два теплообменных аппарата, обеспечивающих обмен энергией в виде теплоты между хладагентом и внешней средой. Этими обязательными теплообменными аппаратами являются испаритель и конденсатор холодильной машины. Кроме них в состав холодильной машины может быть включен регенеративный теплообменник, обеспечивающий обмен теплотой между потоками хладагента и повышающий эффективность и надежность работы холодильной машины.

     Испаритель - это теплообменный аппарат,  устанавливаемый в охлаждаемом  помещении, камере или отсеке  холодильного оборудования и  обеспечивающий охлаждение газообразной  или жидкой среды. Во внутреннем  объеме испарителя при низкой температуре кипит хладагент, воспринимая теплоту охлаждаемой среды.

     По виду охлаждаемой среды  различают испарители для охлаждения  жидких теплоносителей и для  охлаждения воздуха.

Испарители  для охлаждения жидких теплоносителей используются при охлаждении напитков (сокоохладители, охладители пива, кваса, газированной воды) или промежуточных теплоносителей, в качестве которых применяются вода, водные растворы солей, этиленгликоль или пропиленгликоль.

     В качестве промежуточных теплоносителей  при отрицательных температурах широко используются водные растворы солей NaCl и CaCl2. Эти растворы, получившие название «рассолы» имеют минимальную (эвтектическую) температуру: -21,  20°С для NaCl, -550С для CaCl2.

     По конструкции различают панельные  испарители открытого типа, кожухоотрубные испарители, кожухозмеевиковые листорубные и ребристорубные испарители.

     Испарители для охлаждения воздуха  получили наибольшее распространение,  так как они применяются практически  во всех видах холодильного  оборудования. Эти испарители устанавливаются в холодильных камерах. Различают испарители с естественной циркуляцией воздуха и воздухоохладители (с принудительным движением воздуха, создаваемым вентилятором).

     Кипение хладагента в испарителе  происходит при передаче теплоты от охлаждаемой среды через твердую герметическую разделяющую стенку, называемую теплопередающей поверхностью испарителей. Ее изготавливают из теплопроводных материалов, например, из медных труб. Для интенсификации теплообмена поверхность труб испарителей, соприкасающуюся с охлаждаемым воздухом, оребряют. Оребрение поверхности проводят чаще всего нанизыванием на трубы тонкостенных металлических пластин с определенным расстоянием между ними.

     Наиболее простую конструкцию  имеют панельные испарители открытого типа. Испаритель состоит из бака прямоугольного сечения, заполненного теплоносителем, внутрь которого помещаются панели испарителя. Испарители данного типа используются в крупных аммиачных холодильных машинах.

     При использовании панельных  испарителей для охлаждения воды возможно расширение функциональных возможностей аппаратов. Расстояние между панелями увеличивают, и при охлаждении воды добиваются образования слоя льда на наружной поверхности панелей. Слой льда выполняет функции аккумулятора теплоты. Такие испарители-аккумуляторы находят применение в технологических циклах с неравномерной тепловой нагрузкой, например, на предприятиях молочной промышленности, пивоалкогольного производства и др.

     Недостатком панельных испарителей  открытого типа является существенная коррекция панелей и баков, т.е. элементов, смачиваемых теплоносителем и имеющих контакт с окружающим воздухом.

      Более высокими эксплуатационными характеристиками обладает замкнутая система циркуляции теплоносителя. В этой системе охлаждение теплоносителя обеспечивается в кожухоотрубном испарителе. Испаритель представляет собой цилиндрический кожух, внутри которого проходит трубной пучок. Наружная поверхность труб представляет собой теплопередающую поверхность, через которую теплота от теплоносителя, протекающего внутри труб, передается кипящему в межтрубном пространстве хладагенту. Торцы труб герметично закреплены в двух трубных решетках, приваренных к кожуху. Трубные решетки закрыты крышками, причем в крышке предусмотрены патрубки для подвода и отвода теплоносителя (воды, рассола).

      Жидкий хладагент (аммиак) через  вентиль подается в межтрубное  пространство испарителя. Поплавковый  регулятор поддерживает уровень  хладагента на высоте примерно 0,8 диаметра кожуха. Парообразный хладагент отводится из испарителя через отделитель жидкости (сухопарник), размещенный в верхней части аппарата установлен маслосборник, через который из испарителя периодически сливают собранное смазочное масло и загрязнения.

      В малых холодильных машинах чаще используют модифицированные кожухотрубные испарители, получившие название - кожухозмеевиковые испарители. Испарители данного типа имеют только одну трубную решетку, к которой присоединены U-образные трубы. Хладагент кипит внутри труб, а охлажденные теплоноситель прокачивается по межтрубному пространству. Для интенсификации теплообмена при кипении хладагента внутри трубы устанавливается специальная вставка, выполняющая функции внутреннего оребрения.

      Организация кипения хладагента  внутри труб позволяет существенно (примерно в 2-3 раза) снизить количество хладагента в контуре холодильной машины. Кроме того, исключена возможность замерзания теплоносителя внутри труб и их разрыва.

      Для небольших холодильных камер  чаще всего используются испарители непосредственного охлаждения. В них теплота охлаждаемого воздуха (без промежуточного теплоносителя) непосредственно передается кипящему хладагенту.

      В современном холодильном оборудовании (низкотемпературные секции) часто  изготавливают панельные испарители в виде листотрубной конструкции. Данные испарители состоят из двух тонкостенных листов, на которых изготовлены половины профилей каналов хладагента. После соединения листов они подвергаются горячей прокатке и в месте контакта поверхностей свариваются. Половины профилей листов, совмещаясь, образуют сеть каналов для хладагента. Для присоединения испарителя к подводящему и отходящему трубопроводам предусмотрены штуцеры. В качестве материала испарителей может использоваться тонкостенный лист нержавеющей стали.

            Листотрубные панельные испарители  применяют в бытовых холодильниках.

      У ребристотрубных испарителей  теплообменная поверхность испарителя  образована из гладких медных  труб, на которые насажены штампованные  пластинчатые ребра. Испарители данного типа наиболее часто используют для охлаждения холодильных камер. Их размещают в охлаждаемых помещениях на стенах, поэтому эти испарители получили название «настенные».

      Примером ребристотрубного испарителя являются испарители типа ИРСН (испаритель ребристый сухой настенный). Испарительная батарея ИРСН изготовлена из медных труб, внутри которых кипит хладагент, чаще всего R12 или R22.

     Трубы диаметром 18*2 расположены в два ряда, на наружной поверхности труб размещены стальные или латунные штампованные ребра. Трубы испарителя последовательно соединяются друг с другом полукруглыми трубками, получившими название «калачи». Для подсоединения испарителя к линии подвода жидкого хладагента и отвода парообразного предусмотрены штуцеры. Для крепления испарителя к стене предусмотрены два кронштейна, расположенные по боковым сторонам на задней части испарителя.

       В обозначении испарителя, например  ИРСН - 12,5, присутствует цифра, показывающая величину теплообменной поверхности в квадратных метрах. Испарители ИРСН выпускаются с разной величиной поверхности теплообмена от 4,7 до 18 м2.

      Испаритель с принудительным  движением воздуха через оребренную  теплообменную поверхность называется  воздухоохладителем. Движение воздуха  осуществляется вентилятором с приводом от электродвигателя. Воздухоохладители более компактны и легче, чем испарители с естественной циркуляцией воздуха.

       Воздухоохладители находят применение  в торговом холодильном оборудовании, холодильных камерах, в оборудовании для охлаждения и замораживания пищевых продуктов.

Аммиак. Свойства, применение, недостатки и  преимущества 
 

     Аммиак - самое важное водородное  соединение азота. При обычных  условиях аммиак - бесцветный газ  с резким запахом и едким  вкусом. Он токсичен: раздражает слизистые оболочки, а острое отравление вызывает поражение глаз и воспаление легких. При охлаждении до -33,35˚С аммиак сжижается, превращаясь в бесцветную жидкость, а при -77,7˚С затвердевает (при н.у.) Растворимость его в воде больше, чем всех других газов: один объём воды поглощает при 0 °С около 1200, а при 20 °С - около 700 объёмов NH3. Продажный концентрированный раствор имеет обычно плотность 0,91 г/см3 и содержит 25 вес.% NH3 (т.е. близок к составу NH3·3H2O). 
С ассоциацией жидкого аммиака связана его большая теплота испарения (23,4 кДж/моль). Так как критическая температура аммиака лежит высоко (+132 °С) и при испарении его от окружающей среды отнимается много тепла, жидкий аммиак может служить рабочим веществом холодильных машин.

     Жидкий аммиак является хорошим  растворителем для очень большого  числа органических соединений, а также многих неорганических. Например, хорошо растворяется в  жидком аммиаке элементарная  сера, крепкие растворы которой  имеют красный цвет [и ниже +18 °С содержат сольват S(NH3)2]. Из солей лучше других растворимы производные аммония и щелочных металлов, причём по ряду Cl-Br-I растворимость солей возрастает.

     Хорошо растворимы в жидком аммиаке также многие нитраты (КМnO4), а вот оксиды, фториды, сульфаты и карбонаты, как правило, в нём нерастворимы.

     Растворение аммиака в воде сопровождается выделением тепла (около 33 кДж/моль).

     В холодильной технике аммиак носит название R717, где R - Refrigerant (хладагент), 7 - тип хладагента (неорганическое соединение), 17 - молекулярная масса. Холодильный агент (хладагент) - рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т.п.).

    Хладагент является частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использование теплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, как хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию).

    Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны), и некоторые углеводороды. Следует различать хладагенты и криоагенты. У криоагентов ниже температура кипения. Это не касается появившихся в последнее время компрессионных криостатов, способных охлаждать до температур ниже 120 °C без применения жидкого азота, как это было принято последние сто лет. В качестве холодильного агента при создании оксиликвита используется кислород. Он же служит окислителем.

     Принципиальной разницей в использовании холодильных агентов в виде азота, гелия и т.д. является то, что жидкость расходуется и испаряется (как правило, в атмосферу). В холодильных машинах фреон или аналогичный газ ходит по кругу, при помощи компрессора, сжижаясь в конденсаторе, испаряясь в испарителе.

     Особого внимания требует расширение применения аммиака. Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен. За прошедшее столетие отношение к аммиаку, как хладагенту, менялось от полного приятия до резкого отторжения, связанного с заполнением рынка хладагентов ХФУ и ГФУ, которые первоначально рассматривались как панацея, обещающая полное вытеснение NНз из холодильной техники. К счастью, этого не произошло. Аммиак, открытый 255 лет назад, с 1859 года применяется как холодильный агент, сначала в абсорбционных машинах, а с 1876 года - в компрессионных. При нулевых потенциалах разрушение озона и глобального потепления аммиак не вызывает, термодинамически эффективен и абсолютно чист экологически. Энергетические показатели аммиачных холодильных машин и установок высоки: с энергетической точки зрения альтернативы аммиаку нет. Кроме того, аммиак обладает характерным запахом, который позволяет органолептически почти мгновенно определять его утечку. Аммиак легче воздуха и при утечке поднимается в воздух, уменьшая опасность отравления. К сожалению, зачастую эти достоинства аммиака относят к его существенным недостаткам. Действительно, аммиак теоретически взрывоопасен при объемном содержании в воздухе от 15 до 28%, однако, случаи взрыва воздушно-аммиачной смеси в практической деятельности настолько редки, что их можно отнести к разряду легенд многолетней давности, когда в холодильной технике отсутствовала надежная автоматика, а нарушение режимов эксплуатации такой техники приводило к гидроударам и, как следствие последних, - взрывам.