Конденсаторы холодильной техники. Виды, устройство конденсаторов

Конденсатор является теплообменным аппаратом, в котором происходит отвод тепла от горячего пара хладагента и его конденсация.

Сам процесс конденсации можно разделить на три стадии (рис. 1):

1. Снятие перегрева (охлаждение парообразного хладагента, 10-20% тепла);
2. Конденсация (без изменения температуры);
3. Переохлаждение жидкости (3-6 К).

Рисунок 1 – Изменение температур по длине конденсатора: 1 – температура хладагента; 2 – температура охлаждающей среды (теплоносителя); 1 – процесс снятия перегрева хладагента; 2 – процесс конденсация хладагента; 3 – процесс переохлаждение хладагента; Δ_sc – величина переохлаждения хладагента; Δ_ht – изменение температуры охлаждающей среды (теплоносителя); Δ_max – температурный напор на конденсаторе; ₂– температура хладагента на входе в конденсатор; ₃– температура хладагента на выходе из конденсатора; _к– температура конденсации хладагента

Конденсаторы холодильных машин разделяются на:

1. Конденсаторы воздушного охлаждения (в которых отвод тепла осуществляет воздух);
2. Конденсаторы жидкостного охлаждения (отвод тепла с помощью воды или других жидкостей);
3. Конденсаторы испарительного охлаждения (комбинированный отвод тепла: с помощью воздуха, сопровождаемый смачиванием теплообменной поверхности водой).

Подбор и расчет конденсаторов выполняют по их параметрам.

К основным параметрам, характеризующим конденсатор, относят: тепловую нагрузку на конденсатор, площадь теплообменной поверхности, разность температур хладагента и охлаждающей среды.

Тепловая нагрузка на конденсатор – это количество тепла, которое необходимо отвести в окружающую среду. Её величина _к зависит от холодопроизводительности испарителя, т.е. количества забираемого тепла из охлаждаемого объекта ₀, и электрической мощности компрессора _э, а также его конструкции, так как конструкция компрессора также несколько влияет на теплоту сжатия. Например, в холодильной системе с герметичным компрессором, охлаждаемым всасываемым паром, тепловая нагрузка на конденсатор определяется выражением:

 (1)

Производительность конденсатора можно определить по основному уравнению теплопередачи:

(2)

где к – производительность конденсатора, кВт; – площадь теплообменной поверхности конденсатора, м²; – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); ∆ – средняя логарифмическая разность между температурами конденсирующегося хладагента и охлаждающей среды, К. Средняя логарифмическая разность между температурами конденсирующегося хладагента и охлаждающей среды определяется так:

 (3)

где ∆ – разница входящих температур первичного и вторичного контура, и ∆ – разница выходящих температур первичного и вторичного контура (см. рис. 1).

Для гладких труб конденсатора коэффициент теплопередачи будет рассчитываться по формуле:

(4)

где k_l — коэффициент теплопередачи на 1 м, Вт/(м·К); l — длина труб конденсатора; Δt_ср — средняя разность температур между холодильным агентом и охлаждающей средой; α₁ и α₂ — коэффициенты теплоотдачи к внутренней и от наружной поверхностей труб; d₁ и d₂ — внутренний и наружный диаметры труб; λ — коэффициент теплопроводности материала труб.

Площадь теплообменной поверхности – сумма площадей наружных поверхностей участвующих в теплообмене трубок и пластин оребрения. Оребрение трубок в теплообменниках применяют для того, чтобы увеличить площадь теплообмена и соответственно производительность теплообменного аппарата.

Также на производительность конденсатора влияет коэффициент теплопередачи k (Вт/(м²·К)) величина которого зависит от конструкции конденсатора, типа охлаждающей среды, интенсивности её движения (расхода) (табл. 2).

Таблица 2 – Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от характера среды теплоносителя приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи

При подборе насосов или вентиляторов, используемых для подачи охлаждающей среды, необходимо определить расход охлаждающей среды (массовый: кг/с или объемный м³/с).

Для конденсатора водяного охлаждения объемный расход воды [м³/с]:

 (5)

где в – удельная теплоемкость воды (_в = 4,19 кДж/кг·K); _в – плотность воды (_в = 1000 кг/м³); ∆_в – изменение температуры воды в конденсаторе, K.

Для конденсатора воздушного охлаждения объемный расход воздуха [м³/с]:

(6)

где _вз – плотность воздуха, изменяющаяся в диапазоне 1,2…1,15 кг/м³ (в зависимости от атмосферного давления); _вз – изобарная массовая теплоемкость воздуха, кДж/кг·К. _вз ≈ 1 кДж/кг·K. ∆_вз – изменение температуры воздуха в конденсаторе, K.

1. Конденсаторы воздушного охлаждения

Конденсаторы воздушного охлаждения (воздушные конденсаторы) обычно представляют из себя трубчатый змеевик с оребрением (рис. 2). Существует и другая конструкция, применяемая в холодильных установках, где конденсатор должен занимать как можно меньше места, это микроканальные конденсаторы, они обладают большей эффективностью (на единицу площади) чем трубчатые, однако имеют большее сопротивление, их конструкция более сложна и стоит дороже, о параметрах, влияющих на гидравлическое сопротивление подробно в этом источнике.

Рисунок 2 – Конструкции конденсаторов воздушного охлаждения: а) трубчатый; б) микроканальный.

Обдув конденсатора воздушного охлаждения может быть за счет естественной конвекции воздуха или принудительной, при помощи вентилятора. Более интенсивный обдув конденсатора увеличивает коэффициент теплопередачи, и соответственно его производительность. Конденсаторы с естественной конвекцией из-за ограниченной производительности используют только в небольших установках, в основном в бытовых холодильниках и морозильниках.

Материалы, используемые в конденсаторах: трубы – стальные, медные, алюминиевые; ребра – стальные и алюминиевые. Микроканальные конденсаторы полностью алюминиевые или только с медными патрубками для припаивания к холодильной системе.

В конденсаторах воздушного охлаждения воздух нагревается на 5-6°С и выходит из конденсатора с температурой на 8-10°С ниже температуры конденсации.

Конденсаторы воздушного охлаждения, в которых используют вентиляторы для принудительного воздушного охлаждения, делят на две группы в зависимости от места его расположения: монтируемые на раме самого холодильного агрегата и монтируемые отдельно. Как правило в холодильных установках больших мощностей конденсаторы располагают отдельно.

Батареи конденсаторов (сами теплообменники) обычно монтируют в корпуса для придания им прочности, а также корпус конденсатора служит в качестве воздушного диффузора (необходимого для правильного распределения воздуха в конденсаторе). Важно отметить, что вентилятор в конденсаторах воздушного охлаждения должен работать так, чтобы происходило всасывание воздуха через батарею конденсатора и выдув воздуха через вентилятор наружу, а не наоборот.

По пространственной ориентации конденсаторы воздушного охлаждения разделяют на: вертикальные, горизонтальные, V-образные (рис. 3).

Рисунок 3 – Конструкции конденсаторов: а) вертикальный; б) горизонтальный; в) V-образный

Как правило, патрубок входа хладагента в конденсатор расположен в верхней части теплообменника, а выход в нижней.

Конденсаторы воздушного охлаждения рекомендуют располагать так, чтобы не было воздействия солнца и других источников тепла, это может вызвать снижение эффективности установки в жаркое летнее время.

Чем выше температура атмосферного воздуха по сухому термометру, тем больший требуется конденсатор. Например, при температуре конденсации 43°С и температуре по сухому термометру 29°С можно выбрать конденсатор с разностью температур 14°С, а если температура по сухому термометру 32°С, то необходимо выбрать конденсатор с разностью температур 11°С, т. е. конденсатор большего размера.

В некоторых случаях тепловую нагрузку рекомендуют увеличить на 30…50 % по сравнению с расчётной с учетом возможности снижения производительности конденсатора при его загрязнении.

Согласно принятому стандарту (ENV 327) производители теплообменной аппаратуры предоставляют данные по производительности конденсаторов для их работы на хладагенте R404 на высоте уровня моря при следующих условиях:

где ₂ – температура нагнетания компрессора.

Если рабочие параметры будут отличаться, то для определения производительности конденсатора следует вводить поправочные коэффициенты. Другими словами, требуемую производительность конденсатора в заданных условиях нужно будет привести к стандартному режиму.

Для обеспечения стабильной работы любой холодильной установки необходимо поддерживать давление и температуру конденсации в определенном диапазоне (примерно на одном уровне). Для этого используются два способа:

1. Регулировка потока воздуха (частичное отключение вентиляторов, регулирование частоты вращения вентиляторов). Самым простым способом является запуск вентилятора конденсатора по команде реле высокого давления, установленного на линии нагнетания. При уменьшении давления конденсации ниже определенного уровня реле дает команду на остановку вентилятора, когда давление вновь поднимается до определенного установленного значения, вентилятор опять запускается. Нельзя также недооценивать значения защиты от ветра. Даже если вентилятор остановлен, батарея может испытывать влияние ветра, особенно в ветреные дни. В этих случаях почти всегда проявляются аномалии в распределении жидкого хладагента вследствие низкой температуры конденсации, возникшей под воздействием ветра. В этом случае вокруг батарей необходимо установить экраны защиты от ветра. В случае необходимости и тогда, когда это возможно, для снижения подачи воздуха могут использоваться также механически выдвигаемые заслонки, движение которых управляется на основе данных о давлении холодильного агента;

2. Регулировка контура хладагента (изменение площади конденсаторов с помощью автоматических клапанов и других устройств).

Метод изменения емкости конденсатора методом затопления заключается в частичном затоплении конденсатора жидким хладагентом для того, чтобы уменьшить площадь теплообмена, обеспечивающего конденсацию холодильного агента. Сокращается полезная площадь конденсатора на треть или половину, в зависимости от условий функционирования. Затопление производится с использованием специальных клапанов, действие которых зависит от давления самого жидкого хладагента (рис. 4).

Рисунок 4 – Контур затопления конденсатора: 1 – конденсатор; 2 – вентилятор конденсатора; 3 – клапан перепускной линии

В нормальных условиях обводной клапан остается закрытым, и холодильный агент свободно поступает в конденсатор. Затопление конденсатора позволяет обеспечить правильное регулирование и поддержание постоянной температуры конденсации. Однако, этот метод требует увеличения количества хладагента, что может потребовать увеличения объема емкости для сбора жидкого хладагента.

Для поддержания определенного значения давления в магистралях низкого и высокого давления использую специальные клапаны регуляторы давления. Регуляторы давления фирмы Danfoss имеют серию KV, и клапаны для регулирования давления кипения обозначают KVP, а регуляторы давления конденсации KVR.

Регулятор KVR устанавливают для поддержания постоянного давления в воздушных конденсаторах между конденсатором и ресивером (рис. 5). Но в случаях, когда конденсатор и ресивер размещены снаружи помещения и работают при низкой температуре окружающего воздуха, KVR устанавливают перед конденсатором (рис. 6). При этом конденсатор также обводят байпасным трубопроводом с установленным обратным клапаном. Обратный клапан предотвращает обратное натекание хладагента в процессе пуска установки.

Рисунок 5 – Регулятор давления установленный после воздушного конденсатора: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – регулятор давления; 4 – обратный клапан; 5 – ресивер

Рисунок 6 – Регулятор давления установленный перед воздушным конденсатором: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – регулятор давления; 4 – обратный клапан; 5 – ресивер

Регуляторы KVR используются также в системах с регенерацией тепла. В этом случае регуляторы KVR устанавливают между теплообменникомутилизатором и конденсатором.

Во избежание заброса жидкости в конденсатор, между конденсатором и ресивером устанавливается обратный клапан.

Регулятор KVR может использоваться в качестве перепускного клапана в холодильных установках с автоматическим оттаиванием. В этом случае он устанавливается на трубопроводе между испарителем и ресивером.

Использовать клапан регулирования давления в качестве предохранительного клапана запрещено.

Регулятор давления снабжен штуцером для подсоединения манометра, который служит для настройки давления (рис. 7).

Рисунок 7 – Настройка регулятора давления

К специальному штуцеру подсоединяется манометр и при работе установки по показываемому давлению вращается регулировочный винт. У разных моделей клапанов, один полный оборот регулировочного винта меняет давление на разную величину, поэтому при настройке необходимо посмотреть техническую документацию на данную модель клапана.

Основные неисправности конденсаторов воздушного охлаждения, влияющие на его производительность:

1. Повреждение оребрения или другое препятствование прохождению воздуха через конденсатор;
2. Загрязнение теплообменной поверхности;
3. Поломка или неправильный подбор вентилятора;
4. Неисправность системы регулирования давления конденсации.

Преимуществами конденсаторов воздушного охлаждения являются: простота и дешевизна конструкции, надежность, простая эксплуатация. К недостаткам можно отнести: низкую эффективность (коэффициент теплопередачи от теплообменной поверхности к воздуху на порядок ниже чем к воде), металлоемкость и занимаемые большие площади.

2. Конденсаторы водяного охлаждения

Конденсаторы водяного охлаждения представляют из себя теплообменники различных типов:

1. Кожухотрубный конденсатор (рис 8).

Вода подается по трубам, которые расположены в герметичном корпусе (кожухе). Горячий хладагент охлаждается и конденсируется в межтрубном пространстве, непосредственно контактируя с трубами, по которым течет вода.

Рисунок 8 – Внутреннее устройство кожухотрубного конденсатора Они состоят из стального корпуса в форме цилиндра.

Сам кожух разборный и необходима периодическая чистка водяного контура от загрязнений (рис. 9).

Рисунок 9 – Кожухотрубный конденсатор

Для увеличения площади теплообмена применяют трубы с внешним и внутренним рифлением.

2. Конденсаторы типа «труба в трубе»

Конденсаторы типа «труба в трубе» (рис. 10) состоят из двух соосных трубок, свернутых в спираль. Хладагент может проходить как по внутренней трубке, так и по внешней, в зависимости от конкретной модели теплообменника.

Также трубки могут иметь рифления, применение рифления труб хоть и увеличивает эффективность теплообмена, но и усиливает загрязнение стенок труб со стороны воды, а также увеличивает гидравлическое сопротивление.

Рисунок 10 – Конденсаторы типа «труба в трубе»

Конденсаторы такого типа применяют в холодильных установках небольших мощностей.

3. Пластинчатые конденсаторы

В этом типе конденсатора теплообмен происходит в пространстве между пластинами (рис. 11). Также, как и в других теплообменниках имеется два контура: контур воды, и контур хладагента.

Рисунок 11 – Пластинчатые конденсаторы

Пластины выполнены с рифлением. Данный тип конденсаторов имеет наибольшее гидравлическое сопротивление и при этом наибольшую эффективность в сравнении с другими типами теплообменников, из-за рифленой поверхности пластин и малого пространства между пластинами.

Для конденсаторов водяного охлаждения минимальный температурный напор между температурой конденсации и температурой охлаждающей воды на выходе из конденсатора должен находиться в пределах 3…5 К.

Регулирование производительности водных конденсаторов осуществляется путем изменения расхода воды. Если расход охлаждающей жидкости слишком мал, то поток жидкости будет ламинарным, а не турбулентным, как и должно быть, то коэффициент теплопередачи будет низким.

К преимуществам конденсаторов водяного охлаждения относят: высокую эффективность, малые габариты по сравнению с воздушными. Также в жидкостных конденсаторах можно использовать водопроводную воду, которая используется на предприятии для обычных нужд, однако для такого подхода нужен постоянный расход использованной воды, т.е. она должна обновляться.

К недостаткам: наличие дополнительного контура циркуляции, использование водных ресурсов, загрязнение, окисление водяного контура (дополнительное обслуживание насосов, чистка теплообменника, фильтров).

В холодильных машинах с конденсаторами водяного охлаждения давление конденсации поддерживается с помощью изменения подачи воды. Изменение подачи воды осуществляется с помощью водорегулирующего вентиля установленного на входе воды в конденсатор, а штуцер кожуха сильфона вентиля соединяется трубкой с нагнетательным трубопроводом. При увеличении тепловой нагрузки на конденсатор повышается давление конденсации, которое воздействует на сильфон и расход воды через канал вентиля увеличивается. Это приводит к стабилизации давления конденсации. При остановке компрессора давление в конденсаторе уменьшается и водорегулирующий вентиль закрывается.

Для экономии расхода водопроводной воды, охлаждающий конденсатор, применяют систему оборотного водоснабжения. Отеплённая в конденсаторе вода стекает в сборный бак. За тем подаётся насосом в коллектор градирни, форсунками которого распыляется и орошает насадку из металлических пластин.

Наиболее распространены вентиляторные градирни, в которых поток воздуха создается осевым вентилятором (рис. 12).

Процесс охлаждения происходит за счет испарения части воды при стекании ее тонкой пленкой по специальному оросителю — ячеистой структуре, вдоль которой в противоположном движению воды направлении подается поток воздуха.

Испарение 1 % воды приводит к снижению температуры остальной части воды примерно на 6 К. Охлажденная вода в виде капель стекает в поддон, откуда насосом подается обратно к конденсатору.

Основным преимуществом вентиляторной градирни является то, что она позволяет охлаждать воду до температур ниже, чем температура окружающей среды (температура воздуха по сухому термометру).

Рисунок 12 – Вентиляторная (мокрая) градирня: 1 — вентилятор, 2 — каплеотбойник, 3 — водораспределительная система, 4 — блок оросителя, 5 — поддон

Недостатки вентиляторных градирен:

• Требуется подпитка водой как для компенсации испарения и уноса воды, так и для промывки, необходимой для снижения концентрации солей в воде. Суммарные потери составляют примерно 1,5–2 % от расхода воды.
• Не работают на антифризах, так как концентрация из-за испарения воды изменяется.
• Требуется дорогостоящая система водоподготовки для большинства регионов, так как есть ограничения по жесткости воды.

Основные неисправности водяных конденсаторов:

1. Потеря герметичности (утечка воды или хладагента);
2. Неисправности контура циркуляции (неисправности насосов, фильтров).
3. Загрязнение теплообменной поверхности.

3. Конденсаторы испарительного охлаждения

По сути, конденсатор испарительного охлаждения – это конденсатор воздушного охлаждения, в котором теплообменная поверхность орошается водой. Испарение воды на теплообменной поверхности вызывает повышение эффективности теплообмена. Существует два типа таких конденсаторов: с распылением и с увлажнением (рис. 13).

Рисунок 13 – Гидравлический контур испарительных конденсаторов: а) с распылением воды; б) с увлажнением воздуха

Основной проблемой конденсаторов испарительного типа является образование осадка (накипи в виде твердых отложений) на теплообменной поверхности при длительной эксплуатации. В связи с этим применяют схему, в которой орошение происходит не на саму поверхность теплообменника, а на специальные панели, которые используются как расходный материал. Эти панели служат в роли «влажного фильтра», т.е. воздух проходя через эти панели увлажняется и охлаждается перед тем как взаимодействовать с самим конденсатором. Это позволяет снизить температуру воздуха на входе в конденсатор в среднем на 5-10 °C. Орошение и увлажнение осуществляется в жаркое летнее время, при высоких температурах окружающей среды.

Преимуществом такого решения является: увеличение производительности конденсатора, защита от слишком высоких температур конденсации.

К недостаткам таких схем можно отнести: загрязнение и забивание теплообменных поверхностей при длительной эксплуатации, расход воды изза испарения, дополнительные расходы на контур циркуляции и орошение воды, есть необходимость в водоподготовке.