Охлаждение воздуха и воздухоохладители

 

Под охлаждением понимают процесс уменьшения ощутимого тепла в воздухе, вследствие чего температура воздуха понижа­ется.

Охлаждение осуществляют в поверхностных теплообменных аппаратах - сухих и мокрых воздухоохладителях (ВО). Сухими воздухоохладителями называют аппараты, в которых нет непосред­ственного контакта между воздухом и охлаждающей средой. Про­стейшая схема изображена на рис.3.

 

Рисунок 3 - Сухой воздухоохладитель: 1 - вход хладагента; 2 - входная сетка;

3 - корпус; 4 - пакеты оребренных трубок; 5 - выход хладагента; 6 - элиминатор; 7 - выход сепарата

 

Судовые сухие ВО состо­ят из пакетов оребренных трубок, которые снаружи омываются воздухом и внутри которых протекает охлаждающая среда (вода, рассол, хладон и др.). Процесс охлаждения в сухом ВО изобра­жен на рис.4

 

Рисунок 4 – Процессы охлаждения на диаграмме d-I

 

Этот процесс сопровождается или только понижением тем­пературы воздуха - сухое охлаждение (процесс ВК), или одно­временно понижением температуры и осушением воздуха - мокрое охлаждение (процессы ВКК₁). В первом случае охлаждение воз­можно только до точки росы.

При охлаждении воздуха до температуры происходит уменьшение энтальпии I и влагосодержания d, наружная поверхность трубок воздухоохладителя, тем­пература которой ниже точ­ки росы, покрывается вла­гой. Поэтому такой процесс называют мокрым охлаждением.

Мокрое охлаждение наблюдают и в том случае, когда конечная температура воздуха выше точки росы, а температура охлаждающей по­верхности ниже этой точки. Такой процесс возможен, например, при повышенных скоростях движения воздуха в ВО, когда не весь воздух успевает контактировать с охлаждающей поверхностью. Часть воздуха, которая име­ет контакт с охлаждающей поверхностью, изменяет свое состояние от парамет­ров точки В до парамет­ров точки К₁ (ВКК₁). Остальной воздух проходит через ВО, не изменив своего со­стояния. На выходе из ВО оба потока смешиваются, и пара­метры воздуха будет характеризовать точка О. Температура смеси (t_о>t_рос), однако при этом из ВО отводится влага.

В процессе сухого охлаждения (ВК) отнятое от воздуха ощутимое тепло составит (кДж/кг):

Общее количество тепла (тепловая нагрузка воздухоохладите­ля (кДж/ч):

где – расход воздуха через ВО, кг/час.

В процессе мокрого охлаждения (процесс ВК₁) из ВО будет отводиться влага в количестве (кг/час) и

теплота в количестве ; .

Тепло влаги мало по сравнению с энтальпией воздуха , поэтому можно счи­тать, что и точка К₁ находится на линии насыщения.

Мокрые, или контактные, воздухоохладители, в которых воздух приходит в непосредственный контакт с охлаждающей во­дой, не получили распространения на судах из-за больших раз­меров. В стационарной практике широко используются форсуноч­ные воздухоохладители.

В судовом оборудовании систем кондиционирования воздуха применяют трубчатые, оребренные со стороны воздуха, рассольно-водяные и непосредственного испарения воздухоохладители различных конструкций.

В системах комфортного кондиционирования воздуха устанавливают воздухоохладители типа ВО (рис. 5), магистральные воздухоохладители ВОпр, ОВВМ и ОВХМ. Специальные воздухоохладители типа ВОМ и ОВВ используют в системах технического кондиционирования воздуха.

Рисунок 5 - Охладитель воздуха типа ВО

3 Нагревание воздуха и воздухонагреватели

Под нагреванием воздуха понимают процесс сообщения ему ощутимого тепла, который сопровождается повышением его тем­пературы. На рис.6 изображена принципиальная схема возду­хонагревателя (ВН). В судовых установках кондиционирования воздуха применяют паровые, водяные, электрические воздухона­греватели. Как правило, они трубчатые, оребренные. По труб­кам проходит пар или горячая вода, воздух омывает трубки снаружи. При использовании для нагрева воздуха электрической энергии нихромовую спираль размещают внутри стальной, латун­ной или алюминиевой трубки, а пространство между спиралью и трубкой заполняют жаростойкими электроизоляционными матери­алами с высокой теплопроводностью (кварцевый песок, плавле­ная окись магния и др.)

Рисунок 6- Трубчатый оребренный воздухонагреватель: 1 - выход греющей среды; 2 - вход греющей среды; 3 - корпус; 4 и 6 - сетки; 5 - пакеты оребренных трубок

 

Процессу чистого нагревания при d=const на диаграмме d-I (рис.7) соответствует линия процесса АБ. В процессе нагревания возрастают температура и энтальпия воздуха, уменьшается относительная влажность.

Рисунок 7 - Процессы тепловлажностной обработки на диаграмме d-I

Паровые и водяные ВН обычно используются в неавтономных, центральных, групповых и местных кон­диционерах, а также в ка­ютных доводочных воздухо­распределителях.

Электрические ВН, применяемые в судовых автономных кондиционерах, реже в местных и группо­вых и каютных доводочных воздухораспределителях, набирают из прямых или петлеобразных трубчатых электронагревательных эле­ментов (ТЭНов). На морских транспортных, пассажирских и других судах целесообразно устанавливать паровые и водяные ВН. Применение электрических ВН экономически не оправдано, поэтому их используют, когда это диктуется специальными ус­ловиями (тип ГЭУ, условия плавания и др.).

Нагревательный элемент (рис. 8) состоит из металлической (сталь, латунь, медь или алюминий) трубки 2, внутри которой находится спираль1 из нихромовой или фехралевой проволоки диаметром 0,2—1,6 мм. В качестве наполнителя 3 используют периклаз (плавленую окись магния в порошке), электрокорунд (окись алюминия) или чистый кварцевый песок.

Рисунок 8 – Устройство ТЭН:

1 – спираль; 2 – трубка; 3 – наполнитель; 4 – контактный стержень; 5 - изолятор

Эти наполнители обладают высокими теплопроводностью, жаростойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Кварцевый песок в качестве наполнителя имеет ограниченное применение, так как при температурах выше 400…450°С электросопротивление песка резко снижается. Концы спирали приварены к стальным или никелевым контактным стержням 4. В торцах ТЭН между трубкой и контактными стержнями установлены керамические изоляторы. Наружный диаметр ТЭН, применяемых в судовых воздухонагревателях, колеблется в пределах 7—19 мм при тол­щине стенки 1 —1,5 мм. Электронагреватели мощностью до 1 кВт имеют круглую форму, а свыше 1 кВт — прямоугольную. Они выпускаются как переменного тока (220, 380 В), так и постоянного (175, 220 и 320 В).

 

 

4 Основы расчета сухого ВО

Необходимая поверхность охлаждения сухого ВО может быть определена из выражения:

_∆t – среднелогарифмическая разность температур воздуха и охлаждающей среды

k – коэффициент теплопередачи.

При определении k используют те же соображения, что и при расчете испарителей. Существенно больше остальных оказывается тепловое сопротивление теплоотдаче от воздуха к стенке трубы 1/α. В случае точных расчетов учитывают все составляющие, в случае приближенных – считают, что k=α. При мокром процессе охлаждения коэффициент α от воздуха к поверхности стенки будет больше, чем при сухом.

Количество тепла, отдаваемое сухим воздухом 1м² охлаждающей поверхности

Q_сух=α(t_m-t_k)

α – определяют по опытным формулам N_u=f(Re).

В соответствии с законом Дальтона количество выпавшей влаги на 1м²

– коэффициент испарения (конденсации)

- влагосодержание насыщенного воздуха при t_k.

Количество тепла, отдаваемого влажным воздухом 1м² охлаждающей поверхности:

i_k=t_k - температуре конденсации

Отношение тепла, отдаваемого влажным воздухом, к теплу, отдаваемому сухим воздухом, называется коэффициентом влаговыделения:

ξ=Q/Q_сух

Условный коэффициент теплоотдачи от влажного воздуха с учетом влаговыделений α_у=ξ·α;

У оребренных ВО коэффициент влаговыделения несколько меньше, чем у гладкотрубных, т.к. температура поверхности ребер повышается от корня к периферии. Поэтому при расчете таких ВО температуру t_k следует принимать как среднюю для всей оребренной поверхности.

5 Основы расчета мокрого ВО

 

В мокрых воздухоохладителя ВО температура выходящего воздуха близка к температуре жидкости t_жидк., а процесс охлаждения воздуха заканчивается на кривой φ=0,95-0,97. Расход воды или рассола 1÷1,2л на 1кг воздуха. Эту величину называют коэффициентом орошения.

Для мокрых ВО очень трудно рассчитать величину теплопередающей поверхности. Поэтому за определяющую расчетную поверхность принимают площадь поперечного сечения ВО.

Исходное расчетное уравнение:

ξ – коэффициент влаговыделения;

_∆t – среднелогарифмическая разность t^° между воздухом и охлаждающей жидкостью;

F – площадь поперечного сечения корпуса ВО;

k_y – условный коэффициент теплопередачи, отнесенный к 1м² поперечного сечения корпуса ВО (определяется по опытным формулам).

По опытным формулам определяют и сопротивление рабочего слоя колец (основного и отбойного). В мокрых ВО с насадкой применяют специальные кольца, высота которых равна диаметру. Это обычно фарфоровые кольца Ø 25 мм и толщиной 2-3мм. Толщина слоя колец - 200÷400 мм. Над слоем колец ряд перфорированных труб. Над оросительным устройством второй, отбойный слой колец 100-150 мм (сепарирующий). Пройдя рабочий слой отепленный рассол в виде дождя стекает в поддон, из которого удаляется насосом.