Способы отвода теплоты к окружающей среде

Теплота конденсации хладагента холодильной установки (также как и теплота абсорбции в абсорбционной установке) должна быть передана окружающей среде. В качестве теплоотводящей среды могут быть выбраны вода или атмосферный воздух – самые доступные теплоприемники. Ранее считалось более целесообразным охлаждать конденсаторы промышленных холодильных установок, а также абсорберы абсорбционных установок водой, так как из-за более интенсивной (примерно в 1000 раз по сравнению с воздухом) теплоотдачи к воде и более значительной (почти в 3000 раз) объемной теплоемкости воды обеспечиваются компактность теплообменных аппаратов и относительно низкая их металлоемкость. Кроме того, температура воды в летнее время, как правило, ниже температуры воздуха в данной местности, и поэтому холодильная установка, имеющая конденсатор с водяным охлаждением, работает летом при более низкой температуре конденсации хладагента. Конденсаторы с воздушным охлаждением обычно применяли только в малых торговых и транспортных холодильных установках, то есть там, где по ряду причин применение воды исключалось.

При использовании воды в качестве теплоотводящей среды возможны два вида водоснабжения: проточное (разомкнутая система подачи воды) и оборотное (замкнутая система подачи воды). В разомкнутой системе (рис. 1) вода, взятая из источника водоснабжения 1 при температуре tw1 насосом 2, используется однократно для отвода теплоты в конденсаторе и затем сбрасывается, будучи нагретой до температуры tw2. Система проточного водоснабжения может быть применена, прежде всего, благодаря своей простоте, однако ее использование не всегда экономически оправдано, а часто и невозможно из-за вероятности загрязнения окружающей среды.

Ris1-shema-protochnogo-vodosnabzheniya

Рис. 1. Схема проточного водоснабжения: 1 — открытый водоем; 2 — насос; 3 – конденсатор.

Целесообразность использования той или иной системы водоснабжения в большой степени зависит от источника водоснабжения, количества и качества воды в нем. Иногда для водоснабжения холодильных установок воду берут из различных естественных водоемов: рек, озер, морей. Если предприятие находится вблизи таких источников, то стоимость воды оказывается низкой и ее повторное использование нецелесообразно. В некоторых случаях вода естественных водоемов может содержать большое количество растворенных солей, что приводит к образованию отложений на теплопередающей поверхности и коррозии аппаратов, охлаждаемых такой водой. В других случаях вода оказывается сильно загрязненной, что требует ее предварительной обработки или частой очистки аппаратов и, следовательно, усложняет эксплуатацию установки. Часто приходится, например, при водоснабжении химических предприятий, отказываться от разомкнутой системы с забором воды из реки, так как в теплообменных аппаратах вода может загрязняться рабочими веществами при их утечке, а санитарные требования запрещают возвращать загрязненную воду в реку.

Другим целесообразным источником водоснабжения для холодильных установок вследствие низкой температуры воды (tw1 = 9…12 °C) являются артезианские скважины (колодцы). Но артезианская вода часто жесткая, химически агрессивная, что также приводит к образованию отложений и коррозии. В крупных населенных пунктах холодильные установки нередко снабжаются из городской водопроводной сети. Применение в таких случаях проточного водоснабжения приводит к значительным расходам. Из-за сравнительно высокой стоимости водопроводной воды иногда получается, что за воду приходится платить существенно больше, чем за электроэнергию на привод холодильного оборудования (в частности, компрессора). В некоторых случаях недостаточное поступление воды из источника (недостаточный дебит), не обеспечивающее нужд холодильной установки, лишает возможности применять проточное водоснабжение даже при хорошем качестве воды и низкой ее стоимости.

В замкнутой системе (рис. 2) вода используется многократно, так как циркулирует по замкнутому контуру и перед очередным использованием охлаждается в атмосферном охладителе 1, отдавая окружающему воздуху теплоту Qк, полученную в конденсаторе 2 (или других аппаратах). Таким образом, в замкнутой системе вода, циркулирующая при помощи насоса 3, является промежуточным теплоносителем между хладагентом, от которого отводится теплота в аппарате, и наружным воздухом.

Ris2-shema-oborotnogo-vodosnabzheniya

Рис. 2. Схема оборотного водоснабжения: 1 — атмосферный охладитель; 2 — конденсатор; 3 — насос; 4 — вентилятор; 5 – бак.

В таких охладителях вода непосредственно контактирует с окружающим воздухом и охлаждается благодаря передаче теплоты воздуху при одновременном действии конвективного теплообмена и поверхностного испарения воды в воздух. Потери воды за счет испарения (до 4 % от общего количества циркулирующей воды) компенсируются добавкой из внешнего источника. Роль лучистого теплообмена в общем количестве переданной теплоты сравнительно невелика, и поэтому влиянием этого процесса обычно пренебрегают. Однако в некоторых конструкциях охладителей лучистый теплообмен может оказывать и нежелательное действие, когда открытая поверхность воды подвергается нагреванию солнечными лучами. Таким образом, охлаждение воды происходит путем совместного действия теплообмена и массообмена при соприкосновении воды с влажным атмосферным воздухом.

Оборотное водоснабжение используют при следующих условиях:

1) высокая стоимость воды;

2) загрязненность воды в источнике водоснабжения;

3) загрязнение воды в теплообменных аппаратах установки;

4) недостаточный дебит источника водоснабжения;

5) высокая жесткость воды.

Обычно температура воды tw1, поступающей в конденсатор после охлаждения в атмосферном охладителе, несколько выше температуры воды, забираемой из естественных источников в данной местности, в связи с чем и расчетное давление конденсации, принимаемое при проектировании установки, также должно быть выше, что повышает энергетические затраты на производство холода.

Если все же приходится использовать загрязненную или жесткую воду, то применяют двухконтурную систему подачи воды (рис. 3). В первом, замкнутом контуре с помощью насоса 3 циркулирует чистая вода, охлаждающая конденсатор 1, которая, в свою очередь, охлаждается в теплообменнике 2 посредством разомкнутой или замкнутой систем охлаждения воды.

Ris3-shema-dvuhkonturnoy-sistemy

Рис. 3. Схема двухконтурной системы: 1- конденсатор; 2 — теплообменник; 3 — насос; 4 — открытый водоем.

Некоторое усложнение схем оборотного водоснабжения возникает при применении вертикальных кожухотрубных конденсаторов, поскольку и сами охладители являются аппаратами открытого типа с явно выраженным уровнем воды в них. По этой причине для работы установки имеет значение взаимное расположение атмосферного охладителя и конденсатора.

При расположении конденсатора 1 и охладителя 4 на одном уровне потребуются два насоса 3 и 6 (рис. 4, а). Чтобы избежать этого, приходится располагать один аппарат над другим. Так как в большинстве конструкций охладителей для разбрызгивания воды необходимо некоторое давление, то целесообразнее располагать охладитель воды 4 над конденсатором 1 (рис. 4, б).

Ris4-shema-oborotnogo-vodosnabzheniya-s-kondensatorom-otkrytogo-tipa-i-atmosfernym-ohladitelem

                  а                                           б

Рис. 4. Схема оборотного водоснабжения с конденсатором открытого типа и атмосферным охладителем, расположенными: а - на одном уровне; б - на разных уровнях: 1 — вертикальный кожухотрубный конденсатор; 2, 5 — поддоны; 3, 6 — насосы; 4 — атмосферный охладитель воды.

Сейчас многие регионы (и даже государства) испытывают недостаток чистой пресной воды, и она постоянно дорожает. Кроме того, постоянно увеличиваются сбросы загрязненной воды и других промышленных отходов в водоемы. Поэтому конденсаторы с воздушным охлаждением начали применять на многих крупных промышленных холодильных установках. Схема отвода теплоты к воздуху в аппарате с воздушным охлаждением показана на рис. 5.

Ris5-shema-vozdushnogo-ohlazhdeniya-kondensatora

Рис. 5. Схема воздушного охлаждения конденсатора.

Наружный воздух с температурой tв1, подаваемый в аппарат вентилятором, отводит теплоту от ребристой поверхности конденсатора и выходит из аппарата нагретым до температуры tв2. Структура системы отвода теплоты при этом существенно упрощается. Кроме того, использование конденсаторов воздушного охлаждения позволяет значительно уменьшить расход производственной воды, устраняет необходимость в сооружении охладителей воды, насосной станции, в прокладке водяных трубопроводов. Исключение расхода металла на эти нужды делает холодильную установку с аппаратами с воздушным охлаждением сопоставимой по этому важному показателю с установкой, в которой применено оборотное водоснабжение. Конденсаторы воздушного охлаждения, несмотря на их большие габаритные размеры, требуют меньшей площади на территории предприятия, чем аппараты водяного охлаждения и насосные станции. Использование конденсаторов воздушного охлаждения: устраняет сброс загрязненных сточных вод в водоемы, что существенно для защиты окружающей среды; исключает необходимость очистки теплопередающей поверхности от минеральных и органических отложений; обеспечивает стабильность коэффициентов теплоотдачи благодаря отсутствию загрязнений на теплопередающей поверхности. Перспективны конденсаторы воздушного охлаждения для безводных районов, районов с влажным климатом, поскольку здесь атмосферные охладители воды малоэффективны.

Для районов с сухим климатом эффективными являются испарительные конденсаторы, представляющие собой по существу комбинацию конденсатора и вентиляторной градирни, которые позволяют получать относительно низкую температуру конденсации хладагента при сравнительно высокой температуре атмосферного воздуха и значительно сократить расход воды. Вода, как и при оборотном водоснабжении, насосом 3 подается в испарительный конденсатор 1, где, орошая теплопередающую поверхность, отводит теплоту конденсации и стекает в поддон 2 (рис. 6). В противоток воде, пленкой стекающей по теплопередающей поверхности, движется воздух (подаваемый вентилятором 4), который отводит теплоту от воды. В результате теплообмена испаряется часть воды и нагревается воздух. Смесь водяного пара и воздуха удаляется из аппарата. Температуры воды и воздуха изменяются по мере движения в аппарате, но температура воды изменяется незначительно (в пределах 2 °С), поэтому при тепловом расчете ее принимают постоянной.

Ris6-shema-isparitelnogo-ohlazhdeniya-kondensatora

Рис. 6. Схема испарительного охлаждения конденсатора: 1 – испарительный конденсатор; 2 — поддон; 3 — насос; 4 – вентилятор.

Испарительные конденсаторы компактны, содержат небольшое количество воды в системе и требуют малого расхода воды. Например, с учетом испарения и уноса расход воды составляет не более 8 % от расхода воды в установке с конденсаторами водяного охлаждения такой же производительности. При температуре воздуха ниже 0 °C испарительный конденсатор может работать как воздушный без подачи воды.

Использование испарительных конденсаторов позволяет экономить воду по сравнению с конденсаторами водяного охлаждения, получать относительно низкую температуру конденсации при сравнительно высокой температуре атмосферного воздуха. По экономическим показателям испарительные конденсаторы имеют преимущество по отношению к конденсаторам другого вида охлаждения во всех климатических зонах, но особенно в зоне с жарким и сухим климатом.

При проектировании холодильной установки температура конденсации определяется в зависимости от выбранного типа конденсатора. В отличие от температуры охлаждаемых объектов, не зависящей обычно от времени года, температура теплоотводящей среды в большинстве случаев претерпевает сезонные изменения, вызывающие соответственно изменения температуры конденсации хладагента. Сведения о температуре воды в естественных источниках могут быть найдены в климатологических справочниках, а при их отсутствии ее можно принимать равной среднемесячной температуре воздуха в данной местности.

Температуру же воздуха, поступающего на охлаждение конденсаторов, следует принимать равной расчетной температуре наружного воздуха, согласно уравнению:

tн.р = a·tср.мес + b·tабс.max,

где tн.р - температура наружная расчетная; tср.мес – среднемесячная температура самого жаркого месяца; tабс.max - температура абсолютного максимума, т.е. наивысшая температура воздуха, наблюдавшаяся в данном районе; a и b - коэффициенты.

Значение нагрева воды Δtw или воздуха Δtв в конденсаторах водяного и воздушного охлаждения, разность температур Δtк = tк - t’ (t’ — температура мокрого термометра) конденсатора испарительного охлаждения, а также среднюю логарифмическую разность температур Θк между хладагентом в конденсаторе и охлаждающей средой выбирают на основе технико-экономического анализа, поскольку увеличение первой из этих величин позволяет уменьшить расход среды, охлаждающей конденсатор, а увеличение второй — уменьшить расход металла на изготовление конденсатора. Однако повышение обоих температурных перепадов влечет за собой рост расхода энергии на производство холода.

Принято определять температуру конденсации при водяном охлаждении конденсаторов по выражению tк = tw2 + (4…6) °C ; значение же нагрева воды в конденсаторе Δtw = tw2 – tw1 приходится выбирать в зависимости от стоимости воды. Если при проточной системе водоснабжения используется дешевая имеющаяся в достаточном количестве вода, то ее можно нагревать в конденсаторе на 2…5 °C. Такой же перепад температур воды принимают и при оборотном водоснабжении. Если же вода дорогая или дебит ее ограничен, то воду следует нагревать в конденсаторе на 6…10 °C.

Для испарительных конденсаторов температуру конденсации принимают как tк = t’ + (10…20) °C. В воздушных конденсаторах воздух обычно нагревается на Δtв = tв2 – tв1 = 4…6 °C. Чтобы компенсировать меньшую интенсивность теплопередачи в конденсаторах воздушного охлаждения, приходится предусматривать повышенную разность температур Θк между конденсирующимся хладагентом и воздухом. В этом случае температуру конденсации принимают tк = tв2 + (10…15) °C. Поэтому расчетная температура конденсации хладагента оказывается довольно высокой и может превысить предельно допустимое значение.

Для холодильных установок температура конденсации при воздушном охлаждении не должна превышать критическую температуру хладагента. Следует иметь в виду, что и при высоких расчетных значениях температуры конденсации при воздушном охлаждении годовой расход электроэнергии может оказаться по сравнению с вариантами, в которых используют испарительные конденсаторы и конденсаторы водяного охлаждения, во всех климатических зонах, кроме зоны с сухим и жарким климатом, так как средняя годовая температура воздуха существенно ниже, чем среднегодовая температура воды, тем более при оборотном водоснабжении.

Поделитесь с друзьями
  • RSS
  • Twitter
  • Facebook
  • Добавить ВКонтакте заметку об этой странице
  • Одноклассники
  • Мой Мир
  • LiveJournal
  • Блог Я.ру
  • Blogger
  • Блог Li.ру
  • Google Buzz
  • В закладки Google
  • Яндекс.Закладки
  • Memori.ru
  • МоёМесто.ru
  • Сто закладок
  • БобрДобр
  • LinkedIn
  • FriendFeed
  • MySpace
  • Orkut

Способы отвода теплоты к окружающей среде: 6 комментариев

    • Александр, добрый день!

      сейчас уже даже водного охлаждения не для всех задач хватает

      пожалуйста, приведите конкретный пример задачи.

  1. неплохо было еще разместить информацию по отраслям с готовым решением. Приведу пример для моей отрасли:
    Экструдер для переработки полимера с производительностью 100 кг/час выделяет… и идет расчет с табличкой, где указан тип полимера, наполнение и количество тепла на отвод. Далее описание водооборотного конутра с указанием возможных вариантов утилизации тепла- градирня, чиллер, проточный теплообменник или комбо в зависимости от каких то условий, ну и примерный ценник данного решения. Лично мое мнение что теретические расчеты и схемы полезны только для студентов, на практике же никто не хочет забивать себе голову лишними данными.

    • Shadow, добрый день!
      Вы правы, что теоретическое описание полезно в большинстве своем только для студентов (блог расчитан и на эту аудиторию).
      НО! Расчет проекта и получение готового решения не является простым и коротким процессом по времени.
      И, как показывает практика проектирования, для каждого объекта существует свой вариант реализации технических задач.
      Собственно, спроектированные и реализованные проекты и выкладываются на всеобщее обозрение.
      Если будет заказ на проектирование системы охлаждения для экструдера — он неприменно появится на нашем сайте.

  2. Доброго дня. Немного не согласен с root. Теоретическое описание полезно всем. Просто вариант, который хочет Shadow — это плод трудов инженеров, которые потратили свое время на расчет данных для таблицы и выкладывать за бесплатно свой труд — это не уважать себя. К тому же очень часто «типовое решение» проигрывает по экономическим показателям индивидуальному, а иногда и просто не работает из-за каких-то неучтенных нюансов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>