Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год)

2. Оптимизация

В случае а) нам понадобилось 8 каналов для получения требу"

2.15.4. Свойства каналов различных типов

емой температуры 8,2 °С, однако для снижения перепада дав"

В предыдущих примерах мы более или менее успешно исполь"

ления до заданного значения 35 кПа необходимо использовать

зовали теплообменник СВ76 с М"каналами. Теперь посмотрим,

16 каналов. В этом случае теплообменник будет иметь избы"

не будут ли лучше Н или L"каналы.

точную тепловую мощность, и выходная температура воды бу"

д) Применим другой канал для условий примера а), а именно,

дет равна 7,48 °С.

для охлаждения 16 000 кг/ч воды от 12 до 8,2 °С при максималь"

Нам нужен канал пластинчатого теплообменника с меньшим

ном ∆р = 10 кПа.

гидравлическим сопротивлением, и мы готовы допустить мень"

В примере а) мы установили, что для заданной тепловой на"

ший коэффициент теплопередачи. Проще всего использовать

грузки достаточно 8 М"каналов, но чтобы не превысить задан"

пластину с более глубокими каналами. Это снизит гидравли"

ное гидравлическое сопротивление, необходимо использовать

ческое сопротивление и теплопередачу.

32 канала. Теперь, воспользовавшись таблицей 2, применим

Аналогично, в случае в) гидравлическое сопротивление очень

L"каналы.

мало. Уменьшая глубину каналов, мы увеличим гидравличес"

Интерполируя, определим, что при расходе 611 кг/ч на канал

кое сопротивление и теплопередачу, выраженную через пара"

вода охлаждается до 8,2 °С. Падение давления составит 8,3 кПа.

метр Q. Другими словами, изменение температуры охлаждае"

Тогда нам потребуется:

мой воды возрастет при той же разности температур двух сред.

16 000/611 = 26,2 = 26 каналов.

Определенная глубина канала обеспечит требуемую теплопе"

Значение перепада давлений 8,3 кПа достаточно близко к до"

редачу при заданном падении давления. Число пластин в этом

пустимому уровню 10 кПа.

случае будет минимальным.

Внимание! Нам потребуется 64 Н"канала. Такое количество

Другой путь - это тот же рассмотренный выше случай г). Если в

каналов определяется только перепадом давлений.

теплообменнике соединить последовательно по два канала, то

получим просто теплообменник с удвоенной длиной каналов.

е) В примере б) потребуется 57 L"каналов (175,5 кг/ч на канал)

В результате получим удвоенное значение параметра Q, т.е.

или 35 Н"каналов (233 кг/ч на канал).

термическая длина зависит от физической длины, поэтому для

ж) В примере в) потребуется 151 L"канал (134,5 кг/ч на канал)

достижения заданных характеристик можно просто изменить

или 29 Н"каналов (705 кг/ч на канал), падение давлений соста"

длину пластин.

вит 58 кПа, это значение близко к требуемым 75 кПа.

Следовательно, для согласования тепловых и гидравлических

На основании этих результатов, сведенных в таблице 4, можно

характеристик ПТО мы можем варьировать глубину и длину ка"

сделать следующие выводы.

налов.

Вариант а) представляет режим с низким значением Q. Для этого

Увеличение длины

→ Повышение Q и ∆р

режима лучше всего подходят каналы с низким Q. Каналы с более

Уменьшение глубины

→ Повышение Q и ∆р

высокими значениями Q - М и Н - потребуются в большем коли"

2.15.3. Пластины с шевронными гофрами

честве, чтобы не превысить заданное падение давления.

Глубина и длина каналов являются двумя основными парамет"

Вариант б) представляет режим со средним значением Q, по"

рами, изменение которых позволяет скорректировать тепло"

этому для него лучше использовать М"каналы. Как L, так и Н"

вые характеристики теплообменников. Теоретически этот спо"

каналы потребовали бы большего числа пластин для достиже"

соб представляется очень эффективным, но на практике воз"

ния требуемых тепловых и гидравлических характеристик.

никают некоторые проблемы:

Вариант в) представляет режим с высоким значением Q, поэтому

♦ Длина. Пластины разной длины нельзя монтировать в од"

для него лучше использовать Н"каналы. На втором месте по эф"

ной и той же раме разборного пластинчатого теплообмен"

фективности будут М"каналы, соединенные последовательно.

ника. Для изготовления паяных ПТО, отличающихся длиной

пластин, необходимо использовать иную оснастку, что по"

2.15.5. Площадь как функция расхода воды для Н, М

вышает затраты на производство. Тем не менее, изменение

и L каналов

длины является очень дешевым способом быстрого проек"

Интересно, как выглядит для этих каналов уже знакомая нам

тирования новых ПТО с требуемыми тепловыми характери"

зависимость площади поверхности теплообмена от расхода

стиками. Именно поэтому данный способ находит широкое

теплоносителя. Обратимся к рис. 15. Эти графики имеют сле"

применение.

дующие характерные особенности:

♦ Глубина. Для того чтобы пластина была прочной, глубина

♦ Каждый канал представлен кривой, составленной из двух

каналов должна быть как можно меньше. Так как теплооб"

участков, определяемых запасом по площади и перепадом

менник всегда работает при высоком давлении, разработ"

давлений.

чики стремятся применять по возможности мелкие каналы.

♦ Все три кривые стремятся к бесконечности при одном и том

Это означает, что диапазон изменения глубины очень огра"

же минимальном значении расхода.

ничен. Глубину можно увеличить, но в ущерб сопротивлению

♦ Каждая кривая имеет свой минимум при некоторых значе"

давлению.

ниях расхода. Это оптимальное значение расхода будет наи"

меньшим для Н"канала, промежуточным - для М"канала и

Рассмотрим пластины с шевронными - «в елочку» - гофрами.

наибольшим - для L"канала.

Обратимся к рисунку 13, где представлены типы пластин, и к

♦ При малых расходах Н"каналы обеспечивают наименьшую

рисунку 14, где представлены типы каналов. С помощью плас"

площадь, затем идут М"каналы и, наконец, L"каналы.

тин двух типов, Н и L, можно получить каналы трех типов: L (ис"

♦ При больших расходах каналы располагаются в обратном

пользуются две L"пластины), Н (используются две Н"пласти"

порядке.

ны) и М (используется одна L"пластина и одна М"пластина).

♦ Минимальная площадь для каждого значения расхода по"

казана яркой ломаной линией. Тусклыми линиями показаны

L"канал характеризуется низким перепадом давлений ∆р, но и

варианты теплообменников, удовлетворяющие требуемым

низкой теплопередачей " низким значением Q " для данного

условиям, но не обеспечивающие минимальной площади

расхода воды на канал, см. таблицу 2.

для данного расхода.

Н"канал характеризуется высоким перепадом давлений ∆р, но

♦ Каждый из трех локальных минимумов, Н, М и L, может быть

и высокой теплопередачей " высоким значением Q " для дан"

и глобальным. Как видно из примеров а)"ж), это зависит от

ного расхода воды на канал, см. таблицу 3.

тепловой нагрузки, или конечной термической длины КТД,

определение которой мы дали ранее.

М"канал характеризуется промежуточными значениями пере"

♦ В некоторых случаях, когда с обеих сторон пластины нахо"

пада давлений Dр и величины Q для данного расхода воды на

дится однофазная среда, можно смешивать каналы разных

канал, см. таблицу 1.

2. Оптимизация

Н"пластина. Тупоу"

L"пластина. Остроуголь"

Н"канал

L"канал

М"канал

гольные гофры.

ные гофрры.

Рис. 13. Типы пластин

Рис. 14. Возможные каналы.

Расход воды Температура, °С

СРТ

∆р

Расход воды Температура, °С

СРТ

∆р

кг/ч на канал вх. вых.

∆t

кПа

кг/ч на канал вх. вых.

∆t

кПа

2000

12 - 9.08

= 2.92

7.08

0.413

62.3

2000

12 - 7.35

= 4.65

5.35

0.871

424.3

1500

12 - 8.86

= 3.14

6.86

0.458

36.7

1500

12 - 7.00

= 5.00

5.00

1.000

245.4

1000

12 - 8.56

= 3.44

6.56

0.524

17.9

1000

12 - 6.51

= 5.49

4.51

1.217

114.1

500

8.05

= 3.95

6.05

0.653

5.84

500

5.77

= 6.23

3.77

1.653

30.33

250

7.46

= 4.54

5.46

0.833

1.91

250

5.14

= 6.86

3.14

2.185

8.218

203.5

12 - 7.15

= 4.85

5.15

0.942

1.37

203.5

12 - 4.97

= 7.03

2.97

2.367

5.584

Таблица 2. Значения Q и Dр для L каналов

Таблица 3. Значения Q и Dр для Н каналов

СВ76

L M

Нагрузка

а) и д)

Площадь

16 000 кг/ч

-> 8.2 ˚C

0.613

5.8 <- 2

б) и е)

10 000 кг/ч

-> 8.8 ˚C

1.059

9.2 <- 2

в) и ж)

20 350 кг/ч

-> 6.1 ˚C

1.439

151 100(41) 29

Н"каналы

7.9 <- 2

L"каналы

######

Минимальное число каналов

######

Число каналов определяется ∆р

М"каналы

Расход

######

Число каналов определяется теплопередачей

Рис.15. Обобщенный график зависимости

Таблица 4. Сводная таблица результатов для

площади от расхода воды для трех типов

примеров а) ж).

каналов с различными значениями Q.

типов в одном и том же теплообменнике. Минимальной пло"

тин в ПТО определяется либо перепадом давлений, либо

щади соответствуют тогда точки на черной линии.

тепловой нагрузкой.

Сводка основных рекомендаций по разработке ПТО

♦ Если число пластин определяется только требуемым пере"

Теперь мы можем обобщить основные рекомендации по раз"

падом давлений, то такой теплообменник, обычно, облада"

работке и расчету ПТО, независимо от того, являются ли они

ет избыточным коэффициентом теплопередачи.

паяными, полусварными, сварными или разборными.

♦ Если число пластин определяется только требуемой тепловой

♦ Каждому тепловому режиму соответствует определенная

нагрузкой, тодопустимый перепад давлений, обычно, исполь"

термическая длина. Эта длина в одних случаях является фик"

зуется не полностью. Для согласования термических длин мож"

сированной, а в других ее можно изменять, варьируя рас"

но изменить либо тепловую нагрузку, либо тип каналов.

ход теплоносителя, температуру или падение давления.

♦ Как правило, нельзя изменить тепловую нагрузку без пере"

♦ Каждый канал имеет определенную термическую длину. Как

делки всей системы.

правило, нельзя изменить термическую длину канала, но ПТО

♦ Изменение типа ПТО, обычно, не влияет на остальное обо"

может быть составлен из набора пластин, с помощью кото"

рудование системы. Некоторые возможные решения пока"

рых сформированы каналы различной термической длины.

заны на рис. 16.

♦ В оптимальном теплообменнике термическая длина тепло"

♦ В том случае, если ПТО образован из большого числа кана"

вой нагрузки согласована с термической длиной каналов.

лов, особенно, если имеются возможность применить раз"

♦ В общем случае - для несогласованных длин - число плас"

личные типы каналов, то вместо точки оптимума (рис.10) по"

2. Оптимизация

является целая область оптимальных режимов (рис. 15). Это

втором способе. Неясно, как достигается избыточная произ"

позволяет использовать в ПТО весь доступный перепад дав"

водительность. Путем увеличения расходов теплоносителей?

лений для различных термических длин.

Если так, то что произойдет с ∆р? Соответственно возрастет

Иногда бывает необходимо применять ПТО вне его оптималь"

или же упадет ∆р из"за снижения напора насоса? Или необхо"

ного диапазона термических длин. Причинами могут быть ог"

димо изменить температурный режим? Это может привести к

раничения на применяемые материалы, гидравлическое сопро"

выравниванию температур теплоносителей (рис. 17), в этом

тивление, отсутствие лучшего теплообменника и т.д. В таких

случае потребуется бесконечно большой теплообменник.

случаях ПТО может казаться слишком большим, следователь"

Без точного определения условий, для которых должна рассчи"

но, «плохим». Но это может быть и не так. Просто он не являет"

тываться избыточная производительность, такой способ предот"

ся оптимальным для данной нагрузки, но может быть лучшим

вращения проявления загрязненности является неприемлемым.

для другой.

Можно ли сопоставить между собой методы 1) и 2)? Пусть

Пример. ПТО, оптимизированный для больших уровней тепло"

коэффициент загрязнения равен 0,0001 м2?°С / Вт, а значение

передачи, будет слишком большим, если его применять для ох"

К равно 5000 Вт/(м2?°С) в одном случае и 1000 Вт/(м2?°С) " в

лаждения большого количества воды всего лишь на несколько

другом. Это типичные значения для ПТО и кожухотрубных теп"

градусов.

лообменников (КТТО), где в качестве теплоносителей приме"

няется вода. В первом случае суммарный коэффициент тепло"

2.17. Коэффициент загрязнения и запас.

передачи будет равен:

Процесс загрязнения обсуждается в гл. 7, «Загрязнение и кор"

розия». Здесь достаточно отметить что, либо система правиль"

Кэфф = 1/(0,0001 + 1/5000) = 3333 → 50 % запас,

но спроектирована и надлежащим образом эксплуатируется, и

а во втором:

в этом случае теплообменники работают без проблем, либо про"

Кэфф = 1/(0,0001 + 1/1000) = 909 → 10 % запас,

исходит загрязнение и теплообменники могут быстро закупо"

Вывод. Чем выше значение К, тем больше оказывается запас

риться. Даже при хорошем техническом обслуживании систе"

при заданном значении Rf. Проблема заключается в том, что

мы происходит небольшое загрязнение, поэтому теплообмен"

опубликованные значения величины Rf почти всегда относятся

ники следует проектировать с избыточной тепловой мощностью.

к КТТО. Если эти значения использовать в расчетах для ПТО, у

Этот запас мощности ПТО можно обеспечить тремя способами:

которых К, обычно, гораздо выше, то запас становится боль"

1). При расчете величины К учитывается коэффициент заг

шим, в ряде случаев " чрезвычайно большим. Необходимо

рязнения (Rf). Термин «коэффициент» употребляется в дан"

учесть несколько моментов:

ном случае неправильно, поскольку он предполагает умноже"

а) Проблемы управления. Теплообменник не управляется по

ние, а здесь Rf используется в качестве слагаемого.

запасу площади. В нем устанавливаются такие температуры,

Смысл введения коэффициента загрязнения заключается в

при которых запас (и коэффициент загрязнения) становятся

следующем. Загрязнение представляет собой нарастание изо"

равными нулю. Поэтому, если для расчета ПТО применять зна"

лирующего слоя на поверхности теплообмена. Через некото"

чения Rf, относящиеся к КТТО, то полученные большие запасы

рое время, определяемое интервалом между чистками, слой

площади могут привести к замерзанию или перегреву жидко"

достигает некоторой толщины. Зная его коэффициент тепло"

сти из"за дросселирования потока для снижения СРТ. Кроме

проводности, легко рассчитать термическое сопротивление

того, работа ПТО может быть неустойчивой.

этого слоя, что вместе со значением величины К для чистой

б) Уменьшение касательного напряжения. Одним из спосо"

поверхности (значение U) и даст эффективное значение К.

бов увеличения запаса площади в ПТО является установка до"

Рекомендованы различные методики (ARI, TEMA и т.д.) опре"

полнительных пластин. При этом очень быстро уменьшается

деления коэффициента загрязнения для разных жидкостей. К

падение давления, а, значит, и касательное напряжение. Ре"

сожалению, вода, самая важная жидкость для инженеров"хо"

зультат может оказаться противоположным требуемому, по"

лодильщиков, чрезвычайно изменчива по своим свойствам.

скольку загрязнение увеличится.

Они меняются в зависимости от местности, сезона и т.д. Под"

в) Последовательно соединенные пластины. Если к перво"

робнее об этом сказано в гл. 7, «Загрязнение и коррозия».

му ПТО последовательно присоединить второй, то перепад

Не только свойства воды, но и другие факторы, в основном, тип

давлений Dр удвоится. Для сохранения прежнего значения Dр

теплообменника, касательное напряжение и температура по"

добавим пластины в оба ПТО. В результате запас по площади

верхности, также существенно влияют на процесс загрязнения.

станет, скорее всего, значительно больше, чем требуется. В то

Кроме того, загрязнение в воде, за исключением образования

же время касательное напряжение уменьшится. Получим эф"

известкового налета, не является процессом постоянного ро"

фект, который является комбинацией случаев а) и б).

ста загрязняющего слоя на поверхности.

г) Перепад температур. Предположим, что теплообменники

2). Другим способом является обеспечение запаса площади,

ПТО рассчитаны на режимы, приведенные ниже. В обоих слу"

что численно эквивалентно запасу по величине К. В реальном

чаях запас равен нулю.

теплообменнике площадь поверхности теплопередачи на не"

42 → 37 °С

49 → 44 °С

сколько процентов больше полученной в расчетах для чистой

40 ← 35 °С

25 ← 20 °С

поверхности.

СРТ = 2 К

СРТ = 24 К

Основная причина введения такого запаса не в том, что ПТО

Пусть из"за загрязнения номинальное значение К уменьшилось

будет работать в загрязненном состоянии. Необходимость в

на 20 %. Насколько должна измениться температура охлаждае"

избыточной площади обусловлена не только неизбежным не"

мой воды для сохранения номинального уровня теплопередачи?

большим загрязнением из"за наличия в воде мусора, взвеси,

масла или из"за износа оборудования. Она обусловлена также

Если коэффициент К уменьшился на 20 %, то СРТ должна воз"

недостатком точных данных о физических свойствах среды и

расти на 1/0,8 → 25 %. Новые значения температур будут сле"

наличием определенного несоответствия расчетных и факти"

дующими:

ческих условий эксплуатации.

42,5 → 37,5

55 → 50

Достоинством этого способа является то, что имеется возмож"

← 35

25 ← 20

ность сравнивать различные типы оборудования, например,

СРТ = 2,5 К

СРТ = 30 К

«если конденсатор имеет запас площади 30 %, то запас испа"

Возрастание температуры на 0,5 К может оказаться допусти"

рителя может быть нулевым «.

мым, но на 6 К, конечно же, нет.

3). Избыточная производительность. С точки зрения разра"

Вывод. Важно учитывать влияние запаса площади на темпе"

ботчиков, это менее удачный из"за своей двусмысленности

ратурный режим.

способ выразить, в основном, ту же информацию, что и при

2. Оптимизация

А. Наша задача " охладить воду

(синяя линия) от 12 до 6 °С. Выб"

ранный для этого теплообменник

6 ˚C

имеет слишком короткие каналы.

Вода выходит из него с темпера"

турой всего лишь 8 °С. Что мы мо"

жем предпринять?

8 ˚C

12 ˚C

6 ˚C

Б. Один способ заключается в до"

бавлении параллельных каналов.

В результате такого добавления

увеличится площадь, и каналы бу"

дут охлаждать лучше. Однако ∆р и

6 ˚C

коэффициент теплопередачи К

уменьшатся, значит, каналы будут

работать менее эффективно. Раз"

решенный перепад давлений не

будет полностью использован.

12 ˚C

В. Другой способ заключается в

12 ˚C

перекомпоновке каналов: вместо

того, чтобы соединять параллель"

но все каналы, разобьем их на две

равные группы. В каждой группе

каналы соединяются параллель"

но, а группы между собой соеди"

6 ˚C

няются последовательно. Это уд"

воит скорость воды в каналах, т.е.

4 ˚C

увеличит значение К. Однако зна"

чение Dр возрастет приблизитель"

но в семь раз. Из"за этого при"

дется добавлять параллельные ка"

налы. В таком случае получится

избыточный по площади теплооб"

мена аппарат.

5.5 ˚C

Г. Третий способ заключается в

использовании физически более

длинных каналов. Они также будут

охлаждать лучше, чем в варианте

А, но за счет возрастания ∆р. Мо"

12 ˚C

жет быть, придется добавить не"

6 ˚C

сколько каналов, чтобы удовлетво"

рить требования к предельному

6 ˚C

значению ∆р.

Д. Подобного эффекта можно до"

стичь с помощью термически бо"

лее длинных каналов. В этом слу"

чае делают гофрировку с мень"

шим шагом. Это приводит к уси"

12 ˚C

ленной турбулизации потока и,

5.5 ˚C

тем самым, увеличивает значение

К, как и ∆р.

6 ˚C

12 ˚C

Е. Еще один способ получить тер"

мически более длинные каналы -

уменьшить глубину каналов. В

этом случае уменьшение глубины

6.1 ˚C

канала приводит к усилению тур"

булентности, а, значит, к увеличе"

Высокий ∆р

Высокая температура

нию значения К, а также и к повы"

шению ∆р.

Низкий ∆р

Низкая температура

Рис. 16. Сводка методов согласования ПТО с нагрузкой.

2. Оптимизация

д) Тип установки. Если установка кондиционирования возду"

2.18.2. Конденсаторы

ха не сможет поддерживать расчетную температуру воздуха

Конденсаторы во многом похожи на однофазные ПТО с неко"

при необычно высокой тепловой нагрузке, это приведет к не"

торыми важными отличиями. Обратимся к рис. 18.

которому дискомфорту. Если же подобное произойдет в боль"

На рисунке изображен температурный режим конденсатора.

нице или на фармакологическом заводе, результат может быть

Две прямые изображают входные температуры воды, одна от"

катастрофическим. Очевидно, конфигурации таких установок,

носится к бесконечному расходу, другая " к режиму, в котором

включая запасы по тепловой мощности для ПТО, должны быть

возникает нулевой перепад температур.

разными.

♦ Имеет смысл исследовать только влияние расхода охлаж"

е) Чистка должна проводиться перед началом самого теплого

дающей жидкости. Расход хладагента, как правило, нельзя

периода года. Тогда ПТО смогут работать в самых тяжелых ус"

изменить.

ловиях с высоким значением коэффициента К.

♦ Для однофазных теплообменников существует минималь"

ж) Тип установки. Например, для офиса, который закрыт в не"

ный расход, при котором выходная температура охлаждаю"

рабочее время, запас по тепловой мощности может быть мень"

щей жидкости приближается к входной температуре охлаж"

ше, чем для непрерывно работающей установки в больнице.

даемой жидкости.

Вывод. Не следует применять ПТО с избыточными размера"

Точно так же существует минимальный расход воды для кон"

ми. В зависимости от типа нагрузки и других условий запас

денсатора. Однако этот минимальный расход определяется не

должен быть 0 " 15 %, в редких случаях допускается 15 " 25 %.

конечной температурой, а нулевым перепадом температур,

который возможен, когда перегретый пар охлажден до равно"

2.18. Испарители и конденсаторы

весного состояния и начинается конденсация.

В предыдущей главе мы обсуждали работу ПТО с однофазными

теплоносителями. Что произойдет, если мы попытаемся приме"

К сожалению, режим с нулевым перепадом температур более

нять ПТО в установках, где с одной стороны протекает двухфаз"

труден для расчета, чем режим с определенной разностью ко"

ный поток? Ниже мы рассмотрим несколько специальных воп"

нечных температур. Может случиться так, что конденсатор спро"

росов, возникающих при оптимизации испарителей и конден"

ектирован с нулевым перепадом температур, т.е. температура

саторов.

охлаждающей стороны равна или выше температуры охлажда"

емой стороны, что невозможно. Если не принимать в расчет труд"

Обратите внимание на то, что изучение проблемы носит здесь

ности с определением минимального расхода, график зависи"

теоретический характер и основано на зависимости размеров

мости площади от расхода выглядит примерно так же, как для

теплообменника от расходов теплоносителей и температурно"

теплообменника с жидкими теплоносителями, см. рис. 6.

го режима. Существует ряд других факторов, которые влияют

на проектирование конденсаторов и испарителей. Эти вопро"

сы обсуждаются в соответствующих главах, посвященных кон"

3. Оптимизация системы SECOOL

денсаторам и испарителям.

2.18.1. Испарители

3.1. Что такое оптимизация SECOOL?

Расход хладагента не может быть изменен, можно изменять

Типичный пример системы SECOOL описан в п. 15 и изобра"

лишь параметры потока охлаждаемой среды. Можно было бы

жен на рис. 17 и 18 гл. 1, «Применения». Упрощенная схема

изменять расход воды, так чтобы входная температура остава"

контура представлена на рис .19 данной главы. Контур состоит

лась постоянной, а выходная менялась. Однако при этом воз"

из насосов, труб, клапанов, фильтров, арматуры и т.п. и ПТО.

никают некоторые проблемы, поскольку выходная температу"

Обсудим методы проектирования оптимальной системы, по"

ра является важной характеристикой холодильных систем, и

скольку они демонстрируют свойства ПТО и могут быть приме"

ее не так просто изменить. Изменение входной температуры

нены не только к системам SECOOL, но и ко всем системам, в

при сохранении выходной температуры лишено смысла. Ре"

которых циркулирующая жидкость охлаждается или нагрева"

жим системы кондиционирования не может быть изменен с

ется с помощью ПТО.

расхода 1 л/с при перепаде температур с 12 до 7 °С на расход

0,1 л/с при перепаде температур с 57 до 7 °С.

Чем больше стоимость системы (большие размеры ПТО, боль"

шой диаметр труб и клапанов и т.д.), тем меньше энергии потреб"

Следовательно, нужно найти другое решение. В большинстве

ляют насосы, и тем дешевле их эксплуатация. Полная оптимиза"

систем вода, выходящая из испарителя, охлаждает воздух в спе"

ция, как правило, приводит к тому, что самые низкие годовые из"

циальном воздухоохладителе. В воздухоохладителе потоки дол"

держки (амортизационные отчисления и эксплуатационные рас"

жны двигаться в поперечном направлении. Разность темпера"

ходы) достигаются при высоких капитальных вложениях.

тур между воздухом и водой весьма велика. В таких системах

самой важной величиной является средняя температура воды.

Обычный подход в инвестиционной политике заключается, как

правило, в снижении начальных капитальных затрат. Это озна"

Такой воздухоохладитель работает более или менее одинако"

чает большие издержки на эксплуатацию и низкие капиталь"

во, независимо от того, изменяется ли температура воды от 7

ные вложения. Оптимизация SECOOL оставляет в стороне воп"

до 12 °С, от 8 до 11 °С или от 6 до13 °С.

рос о соотношении капитальных и эксплуатационных затрат.

На рис. 17 изображен ряд температурных режимов. В обычном

Вместо этого ищется решение, как минимизировать капи

режиме температура изменяется от 12 до 7 °С, и средняя темпе"

тальные затраты, особенно на ПТО, для заданных эксплу

ратура равна 9,5 °С. Минимальный расход воды соответствует

атационных издержек, независимо от их величины.

температурному режиму 17 > 2 °С, средняя температура, по"пре"

Рассмотрим систему, приведенную на рис. 19. Предположим,

жнему, равна 9,5 °С. Испаритель в этом случае должен быть бес"

что определены все параметры " длина труб и их диаметр,

конечно большим. Максимальный (бесконечный) расход также

фильтры, клапаны и т.д. " за исключением расхода морской

соответствует бесконечно большому испарителю. Входная и

воды (МВ), и, следовательно, размеров ПТО. Чем больше рас"

выходная температуры в этом случае одинаковы и равны 9,5 °С.

ход воды, тем больше СРТ и, вероятно, меньше размеры ПТО.

График зависимости площади от расхода, когда расход изменя"

ется от минимального значения до бесконечности, выглядит при"

Расход в первичном контуре, как правило, будем считать фик"

близительно так же, как для конденсатора или теплообменника

сированным. Это относится как к расходу пресной воды, см.

с жидкими теплоносителями. Эти графики показаны на рис. 6.

рис. 19 этой главы и рис. 17 гл. 1, так и к расходу конденсирую"

щегося пара, рис. 18 гл. 1. В некоторых случаях будем считать

Внимание! Если вода движется в теплообменнике в противо"

заданным перепад давлений.

токе с охлаждаемой жидкостью, то самым важным параметром

будет температура воды на входе из теплообменника. Мы вер"

Нужно выбрать еще один компонент " насосы для морской воды.

немся к этому позже.

Рассмотрим два случая:

2. Оптимизация

Минимальный

Бесконечный

расход воды

Охлаждение пе"

Средняя темпера"

регретого пара

тура, одинаковая

для всех режимов

Отсутствие пе"

Конденсация

репада темпе"

Переох"

ратур

лаждение

Перегрев

Ход испарения в оп"

тимальном ПТО

Ход испарения в бесконечно большом ПТО

Рис. 17. Режимы испарителя с различными

Рис. 18. Режимы конденсатора

расходами воды и одинаковой средней

с различными расходами воды

температурой

Напор

Напор насоса

∆Р _ПТО

Располагае"

мый напор

∆Р в трубах и т.п.

∆Рстат

для ПТО

Трубы, кла"

Напор

паны, филь"

насоса

тры и т.д.

Гидростати"

ческий напор

Рис. 19. Основные элементы контура

SECOOL

Расход МВ

Рис. 20. Распределение перепада давлений

♦ Насосы уже установлены, и у нас есть характеристический

ния рабочего колеса насоса. Гидростатический напор. Он

график зависимости напора от расхода. Наша задача зак"

определяется перепадом высот от входного патрубка насо"

лючается в выборе точки на этом графике.

са до верхней точки системы (Dрстат на рис. 19). Этот на"

пор не зависит от расхода воды.

♦ Определена только стоимость насосной системы. Она за"

висит от расхода и полного напора насосов, но эти пара"

♦ Трубы, клапаны, фильтры и т.д. Падение давления на всех

метры еще не выбраны. Мы можем задавать любую комби"

участках системы, кроме ПТО. Как правило, оно является

нацию расхода и полного напора при условии постоянства

приблизительно квадратичной (немного меньше) функци"

энергии, потребляемой насосами.

ей расхода.

Кроме того, мы будем предполагать, что морская вода бесплат"

♦ ПТО. Располагаемое падение давления в ПТО получается при

на, и единственными затратами являются затраты, связанные

вычитании гидростатического давления и потерь в трубопро"

с работой насосов.

воде из полного напора. На рисунке показаны значения для

двух расходов МВ. Перепад давлений в ПТО меняется от мак"

3.2. Готовая насосная станция подачи МВ

симального значения при нулевом расходе до нуля, когда весь

Из оборудования нам остается выбрать только ПТО, а из рабо"

напор, создаваемый насосом, расходуется на преодоление

чих параметров необходимо определить расход МВ и значе"

гидростатического напора и сопротивления трубопровода.

ние перепада давлений в ПТО. Для определения лучшего ПТО

Расчет площади ПТО в зависимости от расхода морской воды

мы проведем несколько расчетов для различных расходов МВ.

с ограничением допустимого перепада давлений дает график

Для каждого значения расхода МВ насос обеспечивает опре"

площадь"расход, подобный приведенному на рис. 6.

деленный полный напор, показанный на рис. 20. Здесь же по"

казано падение давления в системе. Величину этого напора

Эта кривая, наложенная на кривые напора и перепада давлений,

можно определить по рис. 20. На этом рисунке показаны и дру"

приведена на рис. 21. Площадь стремится к бесконечности для

гие составляющие перепада давлений, имеющиеся в рассмат"

малого и большого расходов МВ. Минимум определяется тем"

риваемой системе. Обратите внимание, что и перепад давле"

пературным режимом, как описано в п. 2.6. этой главы. Наиболь"

ний, и напор должны быть выражены в одинаковых единицах.

шее значение расхода соответствует нулевому перепаду давле"

ний в ПТО. Этим данная кривая отличается от приведенной на

♦ Напор, создаваемый насосом. Напор является движущей

рис. 6, где площадь стремилась к бесконечности для бесконеч"

силой данного процесса. Полный напор обычно уменьша"

ного расхода.

ется с возрастанием подачи жидкости. Где"то на среднем

участке кривой находится точка, соответствующая макси"

Пример 1

мальной эффективности насоса, т.е. наименьшему потреб"

Производительность = 1000 кВт.

лению электроэнергии. Характеристическая кривая изме"

Запас по коэффициенту теплопередачи К = 10 %

няется при изменении диаметра и (или) скорости враще"

Хладагент R22 перегрет до 73 °С, конденсируется при 40 °С

Вода: расход 70 кг/с, нагрев от 32 до 35,4 °С.

2. Оптимизация

По характеристической кривой насоса (типичной) находим:

комбинацию расхода и напора, можно подобрать насос с наи"

Напор насоса при

0 кг/с

320 кПа

большей производительностью при этих рабочих условиях.

40 кг/с

300 кПа

Рис. 22 аналогичен рисунку 20, но характеристическая кривая

200 кг/с

0 кПа

заменена гиперболой, которая является кривой постоянной

При номинальной подаче - 70 кг/с

мощности насоса.

Напор (расчетный)

270 кПа

Гидростатический напор

100 кПа

Пример 2

Падение давления в трубопроводе

135 кПа

Как и раньше, выполним несколько расчетов для различных

Остается для ПТО

35 кПа

перепадов давлений. Результаты приведены в таблице 6.

Выбор оборудования для этого режима:

Из этих расчетов следует, что рабочий режим с параметрами

A15BWFD, 182 пластины, 135 м2

70 кг/с и 270 кПа сменился на режим 48 кг/с и 393,7 кПа. Из

Dр1/Dр2 = 0,73/34,6 кПа

всех существующих насосов можно выбрать такой, произво"

Запас: 10 + 20 %

дительность которого была бы в точке 48/393,7 такой же высо"

кой, как и в точке 70/270.

Чему равны минимальный и максимальный расходы?

Расход будет минимальным в том случае, если на рис. 18 кри"

3.4. Выводы

вая для воды касается кривой для пара именно в той точке, где

Замечание 1! Уменьшение числа пластин со 182 до 102 (или

заканчивается охлаждение перегретого пара и начинается кон"

116, как в предыдущем примере) приводит к увеличению пе"

денсация. Из термодинамических таблиц находим, что скры"

репада давлений на стороне конденсата.

тая теплота в данном случае составляет приблизительно 85 %

В нашем примере этот перепад не учитывался при оптимизации

от полной нагрузки. То же самое справедливо и для водного

системы, поскольку давление на выходе из конденсатора очень

контура. Когда температура воды достигает 40 °С, что соответ"

слабо влияет на работу терморегулирующего вентиля. Вряд ли он

ствует нулевому перепаду температур, воде передается 82 %

отреагирует на снижение входного давления с 15,4 до 15,2 бар.

от полного количества теплоты, которое она получит в ПТО.

Снижение температуры конденсации и влияние средней разно"

Тогда

сти температур учитывается при расчете режима работы ПТО.

Полное изменение температуры воды: (40 " 32)/0,82 = 9,76 К

Замечание 2! Когда на первичной стороне теплообменника

Минимальный расход воды: 70 × (3,4/9,6) = 24,4 кг/с

находится жидкость, то при оптимизации системы должно учи"

Когда расход воды возрастает, то также возрастают и потери

тываться падение давления. Лучше всего это можно сделать,

давления в трубопроводе, примерно в степени 1,8 от расхода.

задавая предельный перепад давлений. При необходимости

В то же время напор насоса уменьшается.

для оптимизации можно провести расчеты для нескольких

уровней.

При расходе 77,3 кг/с получаем:

Напор насоса (интерполяция)

261,5 кПа

Замечание 3! Выше был получен удивительный результат.

Трубопровод: 135 × (77,3/70)1,8 =

161,5 кПа

Некоторые инженеры стали бы возражать против используе"

Гидростатическое давление:

100,0 кПа

мых для расчета теплообменника параметров 70 кг/с и 35 кПа.

Большинство инженеров были бы против такого высокого пе"

Сумма гидростатического давления и потерь в трубопроводе

репада давлений, как в варианте 48 кг/с и 225 кПа, хотя в обоих

равна 261,5 кПа = напору насоса.

случаях полная мощность насоса одна и та же.

Для этих двух расходов площадь стремится к бесконечности,

Замечание 4! Если такую же оптимизацию выполнить для

но по разным причинам. При малом расходе " потому, что нет

КТТО, то результат был бы совершенно другим, особенно, если

перепада температур, при большом расходе " потому, что нет

оба теплоносителя являются жидкостями. В этом случае важ"

перепада давлений. Этот вывод представлен на рис. 21. Полу"

ным обстоятельством является малая разность температур. В

чить значение минимальной площади можно методом подбо"

наиболее распространенных КТТО " типа 2/1 " трудно нагреть

ра, например, как в таблице 5.

охлаждающую жидкость до температуры, превышающей вы"

Вывод. Изменяя рабочие условия, мы можем уменьшить раз"

ходную температуру охлаждаемой среды; с увеличением тем"

меры ПТО. Расход воды уменьшится, а допустимый перепад

ператур производительность быстро падает.

давлений возрастет. Здесь важно, что этот результат получен

С другой стороны, можно спроектировать КТТО для работы с

для одного и того же насоса, следовательно, не меняются зат

большими объемами жидкости при сравнительно низких пе"

раты на насосную станцию.

репадах давлений.

Заметим, что это не единственный способ оптимизации. При

Температурные режимы вида

номинальном расходе воды конденсатор имеет избыточный ко"

1. ПВ 50 - 40 °С

ПВ

50 - 35 °С

эффициент теплопередачи. Это можно было бы использовать

МВ 40 - 30 °С

МВ

45 - 30 °С

для снижения температуры конденсации, следовательно, для

уменьшения стоимости компрессора.

не представляли бы проблем для ПТО, но затруднительны при

использовании КТТО, особенно второй режим, который прак"

Однако замена компрессора повлияет на всю систему. Поэтому

тически невозможно реализовать в одном КТТО. Необходимо

такую оптимизацию, скорее всего, будет трудно осуществить.

было бы последовательно соединить несколько теплообмен"

ников. Если бы мы стали оптимизировать указанные выше ре"

3.3. Фиксированная стоимость насосной станции

жимы по нашим правилам, то мы бы увидели следующее:

В предыдущем примере условия работы насоса были изменены

с 70 кг/с и 270 кПа на 43 кг/с и 297,6 кПа. Мощность насоса про"

♦ Чтобы использовать преимущества КТТО, необходимо обес"

порциональна произведению расхода на напор. В первом слу"

печить как можно больший перепад температур. Особенно

чае это произведение равно 18 900, а во втором " только 12 797.

важно, чтобы выходная температура охлаждающей среды

Это указывает на то, что оптимальному режиму в контуре соот"

была ниже выходной температуры охлаждаемой среды. Сле"

ветствует очень низкая производительность насоса.

довательно, необходимы большие расходы и малые пере"

пады давлений.

Предположим, что насос еще не выбран, определена только

его мощность. В предыдущем примере она была пропорцио"

♦ При эксплуатации ПТО, как правило, не возникает проблем

нальна 18 900, и насос, по"видимому, был выбран с высокой

с большими значениями теплопередачи, но сложно сохра"

производительностью при этой мощности. Сейчас мы могли бы

нить перепад давлений при больших расходах. Следователь"

одновременно изменять расход и напор насоса, рассчитывать

но, для таких теплообменников оптимальными будут малые

конденсатор, как мы уже делали раньше. Затем, найдя новую

расходы и большие перепады давлений.

2. Оптимизация

Напор

Постоянная мощ"

ность насоса

Располагае"

мый пере"

пад давле"

ний в ПТО

Трубы, кла"

паны, филь"

тры и т.д.

Гидростати"

ческий напор

Расход МВ

Рис. 21. График зависимости площади

Рис. 22. Распределение перепада давлений

от расхода

Расход Гидроста" Потери в Напор

Распол.

Кол. пластин

Расход Гидроста" Потери в Напор

Распол.

Кол. пластин

тический трубопро" насоса

перепад

в A15BW

тический

трубопро" насоса

перепад

в A15BW

напор

воде

в ПТО

напор

воде

в ПТО

24.4

100

21.6

310.4

190.1

∞

24.4

100

20.3

774.6

654.3

∞

100

29.4

307.1

177.7

1128

100

29.4

630

500.6

1128

100

49.3

300

150.7

132

100

49.3

472.5

323.2

132

100

73.7

291.6

117.9

132

100

73.7

378

204.3

132

100

102.3

281.8

79.5

136

100

102.3

281.8

79.5

136

100

135.0

270

182 Номинальное

100

135.0

270

182 Номинальное

100

152.9

264.5

11.6

328

100

152

252

∞

77.3

100

161.5

261.5

∞

По"видимому, минимум находится между 40 и 50 кг/с. Более точ"

ный минимум определяется расчетом

100

56.2

297.6

141.4

116 Оптимум

100

68.4

393.7

225.3

102 Оптимум

Таблица 5. Количество пластин в зависимос

Таблица 6. Количество пластин в зависимос

ти от расхода.

4.1.1. Опосредованное охлаждение конденсатора

4. Оптимизация ПТО в составе

Будем обозначать оборудование, относящееся к варианту опосре"

системы

дованного охлаждения, с помощью сокращения «Оп.», а к варианту

прямого охлаждения - «Пр.»

4.1. Промежуточный контур

Оп. А. ПТО SECOOL

Обратимся к рис. 17 и 18 в п.15 главы 1. «Применения». Пред"

1005 кВт, СРТ = 5,2 К.

ставленные там две системы отличаются друг от друга спосо"

ПВ

42 → 37 °С

76 кПа

М10В; 32,6 м²

бом использования морской воды. В системе, изображенной

МВ

36,5 ← 32 °С

107 кПа

Титан

на рис. 17, конденсатор охлаждается циркулирующей в замк"

Оп. Б. Конденсатор

нутом контуре пресной водой, которую, в свою очередь, охлаж"

1005 кВт, СРТ = 5,3 К.

дает морская вода в теплообменнике SECOOL. Обычно для это"

R22

76 → 45 °С

A15BW; 99 м²

го применяют разборный титановый ПТО.

ПВ

42 ← 37 °С

52 кПа

Нержавеющая сталь

В схеме на рис. 18 морская вода охлаждает конденсатор не"

Оп. В. Испаритель

посредственно, но при этом требуется контур с циркулирую"

809 кВт, СРТ = 4,5 К.

щей холодной пресной водой для охлаждения воды, поступа"

Вода

12 → 7 °С

55 кПа

A15BW; 78 м²

ющей в фанкойлы.

R22

7 ← 2 °С

Нержавеющая сталь

Итак, в обоих случаях имеется промежуточный контур с цирку"

4.1.1. Прямое охлаждение конденсатора

лирующей в нем пресной водой. В первом случае этот контур

Пр. А. Конденсатор

обслуживает конденсатор, во втором " испаритель. Основное

1000 кВт, СРТ = 4,7 К.

различие между двумя системами заключается в том, что в пер"

R22

73 → 40 °С

A15BW; 85,5 м²

вой системе применяются зональные чиллеры, а во второй -

МВ

37,6 ← 32 °С

138 кПа

Титан

центральный чиллер.

Пр. Б. Испаритель

Для того чтобы легче сравнивать теплообменники этих систем,

809 кВт, СРТ = 4,4 К.

мы будем считать, что обе системы являются центральными.

Гликоль 7 → 2 °С

45 кПа

A15BW; 87 м²

Заметим, что выбор между этими двумя системами является

R22

2 ← " 3 °С

Нержавеющая сталь

главной задачей. Различие в теплообменниках представляет

собой лишь малую часть от всех факторов, влияющих на при"

Пр. В. Чиллер

нятие решения. В примерах используются данные, полученные

809 кВт, СРТ = 4,4 К.

в п.3.2, посвященном оптимизации уже существующей насос"

ПВ

12 → 7 °С

47 кПа

М10В; 39,6 м²

ной станции.

Гликоль 7 ← 2 °С

45 кПа

Нержавеющая сталь

2. Оптимизация

4.1.3. Сравнение двух систем

Теплообменник Ксв. А имеет очень маленькие размеры, но он

Суммарные площади поверхности в обоих вариантах практи"

изготовлен из титана, стоимость которого значительно выше,

чески равны:

чем нержавеющей стали. Если принять, что квадратный метр

титана в два раза дороже квадратного метра нержавеющей

Оп. Ti: 32,6 м²

Нерж. ст.: 177 м²

Суммарная пл.: 209,6 м²

стали, то относительная стоимость Ксв. А станет равной 12,54.

Пр. Ti: 85,5 м²

Нерж. ст.: 126,6 м²

Суммарная пл.: 212,1 м²

Если уровень температур в промежуточном контуре немного

В первом варианте используется меньше дорогих титановых

снизится, то отношение для Ксв. А возрастет, а для Ксв. Б

поверхностей, чем во втором. Следует учитывать и тот факт,

уменьшится. В результате все значения станут ближе друг к

что маленькие теплообменники М10В типа «вода " ввода» зна"

другу. На основании эмпирического правила такой выбор обо"

чительно легче обслуживать, чем большой конденсатор A15BW.

рудования является приемлемым.

Все это убедительно говорит в пользу опосредованной систе"

мы охлаждения конденсатора.

Отношения для теплообменников Пр. А - В равны 36,38

(18,19 × 2); 19,78 и 7,92. Следовательно, рабочие характе"

4.1.4. Оптимизация систем

ристики оборудования сильно рассогласованы. Что можно

До сих пор оптимизации подвергались только два компонента

сделать в этом случае?

системы кондиционирования. Кроме того, выбран оптималь"

ный способ охлаждения конденсатора - вторичный контур

Если температуры конденсации и испарения, а также уровень

SECOOL. Что еще можно оптимизировать?

температуры воды в контуре Пр. Б - В, увеличатся одинаково, то

отношение для Пр. А уменьшится, для Пр. Б останется без изме"

1. Температуры конденсации и испарения. В проектируе"

нения, а для Пр. В возрастет. Теперь последовательно проведем

мой системе фиксированы только температура морской воды

оптимизацию. Будем применять все правила А - Г из п. 4.1.4:

32 °С и температура воды для фанкойлов: эта вода должна ох"

лаждаться с 12 до 7 °С. Следовательно, температуры конден"

♦ Уровень температур увеличен на 3 К. Первый результат зак"

сации и испарения, равные во втором варианте, соответствен"

лючается в том, что температура испарения возрастет до 0

но, 40 и "3 °С, могут быть увеличены, например, на 3 К, до 43 и

°С, и мы можем заменить гликоль на воду. Это очень суще"

0 °С. Единственное условие, которое нужно выполнить, сохра"

ственное изменение.

нение той же нагрузки на компрессор.

♦ Теперь можно еще раз пересчитать Пр. А и оптимизировать

2. Контур охлаждения конденсатора. Температура пресной

контур SECOOL. Мы будем использовать вариант оптими"

воды в контурах, относящихся к вариантам Оп. А и Б, может

зации из п. 3.2, предполагающий, что насоса уже выбран.

быть изменена с 42 до 37 °С. Условием при изменении расхо"

♦ Также оптимизируем водный контур Пр. Б - В. Мы будем пред"

да и температуры является постоянство потребляемой мощ"

полагать, что произведение расхода на падение давления в

ности насоса.

Пр. Б + В, сохраняется неизменным, т.е. потери давления в

3. Контур охлаждения испарителя. Температура гликоля в

трубопроводе и гидростатический напор равны нулю. В при"

контурах, относящихся к Пр. Б и В, может быть изменена с 2 до

мере 1 в п.3 мы получили значение 38,22 × (45+45)=3440. Теп"

7 °С. Условием при изменении как расхода, так и температуры

лообменники Пр. Б и В будут оптимизированы, если

является постоянство потребляемой мощности насоса.

Расход × (DР Пр. Б + DР Пр. В) = 3440.

4. Охлажденная вода для фанкойлов. Эти контуры тоже мож"

Запас (5 % для Пр. Б, 0 % для Пр. В).

но оптимизировать, но так как фанкойлы являются стандарт"

(Площадь/СРТ)Пр. Б = (Площадь/СРТ)Пр. В

ным оборудованием, то лучше сохранить номинальный темпе"

Решение получим методом проб и ошибок.

ратурный режим 12 > 7 °С.

Результат:

Все перечисленные действия по оптимизации следует выпол"

Пр. А. Конденсатор

нить одновременно. Это кропотливая работа, которая оправ"

1000 кВт, СРТ = 7,87 К, (Площадь/СРТ) × 2 = 12,46

дана лишь для очень больших установок. Проектировщик дол"

R22

76 → 43 °С

A15BW; 49,5 м²

жен просмотреть нагрузки на оборудование и ограничиться

МВ

37,8 ← 32 °С

144 кПа Титан

оптимизацией нескольких явно несогласованных компонентов.

Нужно обратить внимание на следующие характеристики.

Пр. Б. Испаритель

809 кВт, СРТ = 4,06 К, Площадь/СРТ = 24,4

А. Запасы. Если один компонент имеет очень большой запас,

Гликоль

9,2 → 4,3 °С

38 кПа A15BW; 99 м²

скажем, конденсатор Ксв. Б, то уровень температуры ПВ мо"

R22

5 ← 0 °С

Нержавеющая сталь

жет быть увеличен, значит, уменьшена нагрузка в Ксв. А.

Пр. В. Чиллер

Б. Перепад давлений. Если в промежуточном контуре на од"

809 кВт, СРТ = 2,75 К, Площадь/СРТ = 24,9

ном из участков не используется допустимый перепад давле"

ПВ

12 → 7 °С

44 кПа М10В; 68,64 м²

ний, то он может быть использован на другом участке, что по"

Гликоль

9,2 ← 4,3 °С

48 кПа Нержавеющая сталь

зволит уменьшить диаметры трубопроводов или увеличить пол"

ный расход и, следовательно, увеличить температурный напор

Для двух последних теплообменников значения «площадь/СРТ»

на одном или на обоих участках.

теперь близки друг к другу. Для первого теплообменника этот

параметр слишком мал. Это говорит о том, что увеличение тем"

В. Циркуляция. Наилучшее использование доступной разно"

пературы на 3 К было слишком большим. Мы получим следую"

сти температур между двумя участками достигается при наи"

щие условные значения для стоимости оборудования до и пос"

меньшем, насколько это возможно, перепаде температур цир"

ле оптимизации.

кулирующей воды. Это означает большие расходы циркулиру"

ющей воды, чему может препятствовать допустимый перепад

До:

2,0 × 85,5 + 87 + 39,6 =

297,6

давлений.

После:

2,0 × 49,5 + 99 + 68,64 =

266,64

Г. Эмпирическое правило. СРТ каждого из последовательно

Мы могли бы еще снизить суммарную стоимость, если бы уве"

соединенных теплообменников должна быть пропорциональ"

личили уровень температур меньше, чем на 3 К. С другой сто"

на приращению стоимости. Для ПТО следует учитывать только

роны, поскольку очень большое преимущество заключается в

площадь пластин, а не рам.

замене гликоля на чистую воду, мы оставим эту стоимость. Во

всяком случае, суммарная стоимость ниже, чем была раньше.

4.1.5. Вторичная оптимизация системы с прямым ох

лаждением конденсатора, представленного в п. 4.1.2.

Эмпирическое правило дает несколько новых интересных воз"

4.2. Применение теплообменников

можностей. Для теплообменников Ксв. А - В отношения пло"

в супермаркете

щади к СРТ были равны, соответственно, 6,27; 18,68 и 17,33.

На рис. 23 приведен пример типичной установки, для которой

2. Оптимизация

целесообразно выполнить оптимизацию. Эта установка обслу"

ное значение нам подходит, и мы принимаем этот теплооб"

живает небольшой супермаркет (установка для большого супер"

менник.

маркета изображена на рис. 10 в главе «Применения»), но конк"

4) Реальные потери давления в трубопроводе (а также в кла"

ретное назначение не так важно, это могли бы быть ледовый ка"

панах и т.п.) ∆Р = 55 кПа.

ток, скотобойня, химическое производство, офис, склад и т.д.

5) Результаты расчета ППТО выглядят следующим образом:

Могут быть оптимизированы следующие параметры:

СВ300"50М,

14,44 м²

Запас = 0 %

♦ Температуры конденсации и испарения. Если темпера"

R22,

78 → 45 °С

тура испарения будет увеличена на 1 К, то изменится тем"

Гликоль,

40 ← 35 °С

∆Р2 = 31 кПа

пература конденсации, скорее всего, возрастет. Чтобы срав"

нение было очевидным, предположим, что нагрузка на ком"

2. Комментарии. Расчеты дают приемлемые результаты.

прессор остается постоянной.

ППТО не имеет запаса площади, что и не требуется, поскольку

применяется чистая вода, охладитель жидкости имеет неболь"

Изменение температуры конденсации зависит от компрес"

шой запас. Единственный не оптимизированный параметр -

сора. Его работа может стать более эффективной, тогда из"

не полностью использованный напор насоса. У нас есть три

менение температуры будет большим, и наоборот.

возможности оптимизировать этот контур.

СРТ в испарителе уменьшится, значит, его площадь, по"ви"

1). Можно снизить напор, например, заменить рабочее колесо

димому, возрастет. СРТ в конденсаторе увеличится, значит,

насоса, уменьшить скорость вращения или установить дру"

его площадь, по"видимому, станет меньше. Суммарная сто"

гой насос.

имость этих двух теплообменников определяет, оправданы

или нет предлагаемые изменения.

2). Можно изменить трубопровод, например, уменьшить диа"

метр, установить клапан меньшего размера и т.п.

♦ Контур «конденсатор - охладитель жидкости», см. по"

зицию А на рис. 23. Оптимизация этого контура проводится

3). Мы можем варьировать расход и температуру циркулирую"

аналогично оптимизации SECOOL, описанной в предыдущей

щей жидкости, можем заменить один или оба теплообмен"

главе. Конденсатор охлаждается не окружающей средой, ко"

ника - охладитель жидкости и СВ. Разные варианты пред"

торой в контуре SECOOL является морская вода, а в нашем

ставлены на рис. 24.

примере - воздух, а пресной водой, циркулирующей в про"

4). Полный перепад давлений определяет расход, который мы

межуточном контуре. Температура воды в контуре и ее рас"

можем создать в контуре. Перепад давлений необходимо пе"

ход могут быть выбраны в диапазоне от температуры воз"

рераспределить по участкам контура так, чтобы он был ис"

духа до температуры испарения. Некоторому ее значению

пользован полностью. Это достигается методом подбора.

соответствует минимальная стоимость оборудования.

Отметим, что оптимальный режим, обычно, подчиняется ука"

♦ Контуры «испаритель - воздухоохладители», см. пози"

занному выше эмпирическому правилу.

ции В1 - В3 на рис. 23. Это также похоже на предыдущий

случай. Контур с пресной водой соединяет испаритель и

3. Новый расчет. Наша задача сейчас - определить, можно

фанкойлы. В действительности, здесь четыре контура: ис"

ли уменьшить ППТО или охладитель жидкости. Предыдущий

паритель - бак"накопитель и три контура между баком"на"

расчет был близок к оптимальному. На это указывает, во"пер"

копителем и воздухоохладителями. Обратите внимание, что

вых, отсутствие большого запаса площади, во"вторых, то, что

температура на выходе из каждого воздухоохладителя мо"

перепады давлений на различных участках контура недоисполь"

жет быть разной. Для достижения самой низкой стоимости

зованы в одинаковой степени, за исключением перепада в тру"

оборудования можно, как и раньше, независимо изменять

бопроводе. Нет смысла начинать серию расчетов с уменьше"

температуру и расход рассола.

ния разности температур жидкости в охладителе и в СВ.

4.2.1. Оптимизация контура «охладитель жидкости -

В дальнейшем мы исследуем два случая.

конденсатор»

1) Мы сохраним СВ, а охладитель жидкости уменьшим, и по"

Методы оптимизации, использованные выше, могут приме"

смотрим, что получится.

няться и в этом случае. Лучше всего продемонстрировать их

или

на примере:

2) Мы сохраним охладитель жидкости, а СВ уменьшим, и по"

Пример 3

смотрим, что получится.

Конденсатор имеет производительность 215 кВт. В качестве

4. Замена охладителя жидкости. Следующей, меньшей по

хладагента используется R22. Этот конденсатор охлаждается

размерам моделью является LCS 190 с номинальной произво"

циркулирующим 30 % водным раствором этиленгликоля, кото"

дительностью 190 кВт.

рый, в свою очередь, охлаждается воздухом с температурой

25 °С. Температура конденсации равна 45 °С, а входная темпе"

1) Чтобы добиться от него мощности 215 кВт, нам необходимо

ратура хладагента равна 78 °С. Циркуляционный насос созда"

увеличить СРТ приблизительно на два градуса.

ет напор 19,5 м при расходе 40 м³/ч (Плотность этиленгликоля

2) С другой стороны, это означает, что СРТ в СВ должна

равна 1035 кг/м³).

быть намного меньше. Это возможно, но с применени"

1. Оптимизация выполняется в следующем порядке:

ем Н"пластин.

1) Для получения сопоставимых данных представим парамет"

3) Перепад давлений в Н"пластинах больше, чем в М"пласти"

ры насоса в единицах кг/ч и кПа: 41 400 кг/ч и 198 кПа.

нах. Следовательно, мы должны уменьшить расход воды, до"

пустив рост температуры жидкости на 6 К вместо 5 К.

2) Этот напор расходуется следующим образом:

Сопротивление охладителя жидкости:

60 кПа

4) Уменьшение расхода приведет к уменьшению падения дав"

Сопротивление конденсатора:

60 кПа

ления в трубопроводе и в охладителе жидкости и к увеличе"

Сопротивление трубопровода:

60 кПа

нию напора насоса.

Резерв:

18 кПа

5) Для охладителя жидкости имеется поправочная таблица, по

3) Выберем охладитель жидкости. Alfa Laval выпускает модель

которой номинальная производительность пересчитывается

LCS 219, которая имеет производительность 219 кВт при

для других температурных режимов. Поправочный коэффи"

стандартных условиях (разность температур воздуха и жид"

циент в нашем случае должен быть равным F =190/215 = 0,884.

кости на входе составляет 15 К, падение температуры жид"

Чтобы получить такой поправочный коэффициент при изме"

кости равно 5 К). В нашем случае это означает, что жидкость

нении температуры жидкости на 6 К, требуется разность тем"

с расходом 41 400 кг/ч охлаждается от 40 до 35 °С (215 кВт).

ператур между поступающим воздухом и поступающей жид"

Этому соответствует перепад давления около 42 кПа. Дан"

костью около 17,15 К (получено интерполяцией).

2. Оптимизация

6) Расход циркулирующей жидкости уменьшится до 34 283 кг/ч.

пературный режим, особенно точное значение разности тем"

Это потребует перерасчета всех перепадов давлений.

ператур. Поэтому применение эмпирического правила стано"

вится более трудоемким. Кроме того, эмпирическое правило

Напор насоса возрастает до:

231 кПа (по характеристи"

лучше всего работает тогда, когда есть возможность изменять

ческой кривой)

размеры теплообменника практически плавно, как для ПТО.

Потери в трубопроводе

Охладители жидкости выпускаются определенных размеров,

уменьшатся до:

55 × (5/6)1,8 = 41 кПа

и различия между ближайшими типоразмерами могут быть

значительными.

Перепад в охладителе

уменьшится до:

37 кПа

К счастью, это обстоятельство упрощает выбор. Следующая,

меньшая по размеру модель охладителя жидкости, " это LCS 166.

Резерв, 10 %

Она требует разности температур почти в 20 К, что нереально

от полного напора:

23 кПа

для водного контура. Уменьшение числа пластин в СВ ниже 34

Остаток для СВ:

130 кПа

приведет к очень малому расходу жидкости и/или высокому па"

дению давлений.

7) Расчет СВ300 для нового режима дает:

Оба вновь рассчитанных варианта лучше исходного. Какой из

СВ300"50Н,

14,44 м²

Запас = 0 %, СРТ = 5,4 °С

них лучше, зависит от реальных цен. Поскольку оптимизация

R22,

78 → 45 °С

охладителя жидкости позволяет полнее использовать напор

Гликоль,

42,15 ← 36,15 °С

∆Р2 = 129 кПа

насоса, то, во всяком случае, с технической точки зрения, этот

5. Комментарии. Результаты более или менее точно соответ"

вариант будет лучшим.

ствуют нагрузке. Используется весь доступный полный напор

4.2.2. Ограничения на оптимизацию

насоса. Точка на характеристической кривой насоса слегка

Существует еще одно обстоятельство, которое затрудняет про"

сдвигается в новом режиме.

ведение полной оптимизации системы. Во многих случаях име"

В следующем разделе мы посмотрим, можно ли уменьшить СВ,

ется ряд ограничений, которым приходится подчиняться. В ка"

не меняя LCS 219.

честве примера можно привести следующие.

6. Замена теплообменника СВ

а)

Ограничение на общее количество охлаждающей воды, ко"

торое может забираться из источника. Оптимальная систе"

Для уменьшения площади СВ300 нам необходимо:

ма может потребовать очень большого расхода воды, но этот

1) Перейти к Н"пластинам, тем самым увеличить коэффици"

ресурс может оказаться недоступным.

ент теплопередачи К.

б) Ограничение на прирост температуры сбрасываемой реч"

2) Уменьшить расход, иначе падение давления будет черес"

ной или морской воды, которое вводится для защиты морс"

чур велико. Уменьшать расход придется больше, чем в пре"

кой флоры и фауны. В этом случае, даже если расчет требу"

дыдущем расчете.

ет лишь малого расхода воды, придется перекачивать ее

большие количества.

3) Поправочный коэффициент должен быть равен 219/215 =

1,0186. Начнем искать решение методом проб и ошибок, на"

в)

Опасность образования известковых отложений, если тем"

чиная с разности температур жидкости на входе и выходе

пература воды слишком высока.

из СВ, равной 8 К. Мы получим, что этот поправочный коэф"

г)

Тарифы на электроэнергию в периоды пиковых нагрузок

фициент соответствует разности температур хладагента и

могут повлиять на соотношение между капитальными и эк"

жидкости, равной 16,13 К.

сплуатационными расходами.

4) Расход циркулирующей жидкости снизится в этом случае до

д) Ограничения на шум могут затруднить применение больших

25 712 кг/ч. Мы вынуждены будем пересчитать падения дав"

насосов и вентиляторов.

ления на всех участках.

е) Опасность замерзания, если температура воды слишком

Напор насоса

258 кПа (по характеристической

низкая.

возрастает до:

кривой)

ж) Расчет может дать оптимальные значения, соответствующие

Потери в трубопроводе

малому расходу воды и высокому перепаду давлений. Од"

уменьшатся до:

55 × (5/8)1,8 = 24 кПа

нако может оказаться, что в данной установке можно при"

Перепад в охладителе уменьшится до:

36 кПа

менять насосы различной производительности, но с низким

напором. Это очень распространенный случай для устано"

Резерв, 10 % от полного напора:

26 кПа

вок кондиционирования воздуха.

Остаток для СВ:

172 кПа

з)

Образование инея на оребрении воздухоохладителя мо"

5) Расчет СВ300 для нового режима дает:

жет ограничивать нижнюю температуру гликоля или хла"

дагента.

СВ300"34Н,

8,96 м²

Запас = 0 %, СРТ = 6,7 °С

R22,

78 → 45 °С

и) Чем больше перепад между температурами воздуха и гли"

Гликоль,

41,27 ← 33,27 °С

∆Р2 = 159 кПа

коля или хладагента в воздухоохладителе, тем суше должен

быть воздух. Это может оказаться или преимуществом, или,

7. Комментарии. И в этот раз оптимум для ПТО достигается

чаще, недостатком.

при достаточно низком расходе жидкости и высоком перепаде

давлений. Сравним полученные результаты.

Следовательно, применение эмпирического правила требует

поправок для учета этих ограничений. Воздухоохладитель мо"

Охладитель ППТО

Насос

жет оказаться излишне большим и с очень малым температур"

жидкости

ным напором. Он тогда станет первым объектом для оптими"

До оптимизации

LCS 219

СВ300"50

41 400 кг/ч

зации, однако, при этом потребуется ограничить снижение тем"

198/128 кПа

пературы во избежание образования инея на оребрении или

же осушать воздух.

Оптимизация

LCS 190

СВ300"50

34 283 кг/ч

охладителя жидкости

231/207 кПа

4.2.3. Оптимизация контуров «воздухоохладитель -

испаритель»

Оптимизация

LCS 219

СВ300"34

25 712 кг/ч

В системе, изображенной на рис. 23, имеется один контур «бак"

теплообменника СВ

258/219 кПа

накопитель - испаритель», который питает три контура «бак"

Обычно для охладителя жидкости трудно поддерживать тем"

накопитель - воздухоохладители». Если не учитывать, что ме"

2. Оптимизация

тод проб и ошибок потребует большого объема вычислений,

Замечание 2. Производительности воздухоохладителей слег"

то методы, использованные ранее, можно применять также и в

ка отличаются от заданных значений. Однако это не имеет боль"

этом случае.

шого значения, так как доступная производительность, 160 кВт,

выше полученной в расчетах, 156 кВт.

Мы проследим сейчас, как повлияют на результаты оптимиза"

ции два последних ограничения из предыдущего параграфа -

Можно ли оптимизировать какие нибудь параметры?

образование инея и слишком сухой воздух.

Если заданы средние температуры и входная температура, это

Отметим, что подбор параметров воздухоохладителей, особен"

определяет расход жидкости.

но для обеспечения правильной обработки и хранения продук"

Можно было бы изменить входную температуру. Но ее сниже"

тов питания при различных уровнях температур, очень сложен,

ние вызвало бы дополнительные трудности с поддержанием

и в данном руководстве не рассматривается. Здесь мы изучим

влажности в варианте в) (если это потребуется) и усилило бы

лишь некоторые аспекты оптимизации ПТО. Сделаем это на

образования инея. Увеличение входной температуры возмож"

примере установки, показанной на рис.23.

но, но если нужно сохранить среднюю температуру в вариан"

Пример 4:

те а), то придется значительно увеличить расход циркулиру"

ющей жидкости.

Исходные данные

Итак, температурный режим в контуре «бак"накопитель - воз"

а) Мясо и рыба:

+ 2 °С/влажность 80 %

71 кВт

духоохладители» "8 °С > "1,4 °С. Что можно сказать о контуре

б) Фрукты и овощи:

+ 4 °С/влажность 80 %

47 кВт

«бак"накопитель - испаритель» с температурным режимом "

4 °С > "8 °С? Такой режим предполагает, что количество цир"

в) Обработка продуктов: + 12 °С/влажность 70 %

38 кВт

кулирующего гликоля больше, чем в контуре «бак"накопитель

г) Суммарная доступная производительность

160 кВт

- воздухоохладители». Часть охлажденного гликоля затем

смешивается с гликолем, возвращающимся из воздухоохла"

В воздухоохладители на все три участка поступает 30 % ра"

дителей. Температура смеси становится равной -4 °С.

створ этиленгликоля с температурой "8 °С. Предположим, что

температура жидкости, возвращающейся в бак"накопитель,

Расчет для модели СВ дает:

равна "4 °С.

СВ300"62М,

16,80 м²

Запас = 5 %, СРТ = 5,2 К

Это задает температурный режим для контура «бак"накопи"

Гликоль,

39 125 кг/ч

"4 → "8 °С

∆Р = 25 кПа

тель - испаритель», но поскольку в данном контуре установ"

R22,

"10 ← "15 °С

лен собственный насос, то расход и температуры можно от"

Расчет для различных расходов гликоля и соответствующих

регулировать.

входных температур показывает, что кривая «площадь - рас"

Образование инея. Так как гликоль поступает в воздухоохлади"

ход» исключительно пологая. Это означает, что наш расчет бли"

тель с температурой значительно ниже нуля, на оребрении не"

зок к оптимальному. Проверка температурного режима для кон"

избежно будет образовываться иней. В помещение для обра"

тура дает следующие значения:

ботки продуктов, по"видимому, гликоль должен поступать с тем"

СВ300"58М,

15,68 м²

Запас = 5 %, СРТ = 6,1 К

пературой выше нуля, в другие помещения - ниже нуля. Это по"

Гликоль,

23 762 кг/ч

"1,4 → "8 °С

∆Р = 12,3 кПа

требовало бы применения дорогой двойной системы испарения.

R22,

"8 ← "15 °С

Значит, понадобится установка системы размораживания.

Здесь можно сэкономить на стоимости насоса. Однако целе"

Влажность. В холодном, непроветриваемом помещении дол"

сообразнее сохранить перепад давлений на достаточно высо"

говременная влажность определяется соотношением давле"

ком уровне, иначе могут возникнуть проблемы с распределе"

ния водяных паров при самой низкой температуре поверхнос"

нием гликоля.

ти, с которой контактирует воздух, и давления паров при тем"

пературе воздуха в помещении. Кроме того, сказываются и

4.2.4. Изменение температур конденсации и испа

внешние факторы, например, постоянный приток влажного

рения

воздуха увеличивает относительную влажность.

Итак, для конденсатора и испарителя получены следующие

оптимизированные параметры:

Следовательно, в большинстве случаев придется ограничивать

максимальную разность температур, чтобы поддерживать

Позиция

Модель

СРТ Пластины/СРТ

влажность на определенном уровне. Это может выглядеть при"

Конденсатор: СВ300"34Н

6,7 К

5,07

мерно так:

Испаритель: СВ300"62М

5,2 К

11,09

Разность температур °С

Влажность

В случае водяных воздухоохладителей расчет осложняется тем,

Снизим температуру испарения до -16 °С, а температуру кон"

что температура жидкости не является постоянной, а меняет"

денсации до -43,7 °С.

ся от входа к выходу. В этом примере мы будем предполагать

Конденсатор: СВ300"94Н

4,4 К

21,4

заданной среднюю температуру гликоля.

Испаритель: СВ300"56М

5,7 К

9,82

Выше мы в качестве примера выбрали влажность не ниже 80 %

в помещениях а) и б) и 70 % в помещении в), что соответствует

Снижение температуры конденсации дает очень резкий рост

разности температур 8, 8 и 12 К. Тогда температурные режимы

площади конденсатора. Оптимум, по видимому, находится

выглядят следующим образом:

очень близко к первому варианту расчета.

а) Гликоль 3 × 5599 л/ч от -8 до -4 °С 3 × IRL 555

3 × 24 кВт

Внимание! Нужно критически относится к применению эм

пирического правила, поскольку при высоких перепадах

б) Гликоль 1 × 5520 л/ч от -8 до 0 °С

1 × IRL 657

1 × 46 кВт

давлений характеристики двухфазных теплоносителей

в) Гликоль 2 × 1916 л/ч от -8 до 8 °С

2 × IRL 451

2 × 19 кВт

очень изменчивы, особенно при испарении и при прибли

жении к нулевому температурному напору (рис. 17) в слу

г) Гликоль 26 149 л/ч от -8 до -1,4 °С

156 кВт

чае конденсации.

Замечание 1. В случае в) нельзя получить влажность 80 % или

больше, так как для этого потребовалась бы средняя темпера"

тура +4 °С и режим изменения температуры от -8 до +16 °С.

3. Конструкция и монтаж

Теоретически, можно комбинировать каналы разных типов

3. Конструкция и монтаж

в одном ПТО, т.е. после нескольких Н"каналов расположить

М"каналы. В результате мы получим теплообменник с теп"

ловой мощностью, промежуточной между Н и М"каналами.

Это очень распространенный метод изменения тепловой

1. Конструкция

мощности ППТО.

В случае теплопередачи с изменением фазового состояния

1.1. Конструкция и материалы

такое комбинирование приведет с серьезным нарушениям в

Паяный пластинчатый теплообменник ППТО - это вариация

распределении теплоносителей между первым Н"каналом и

традиционного разборного пластинчатого теплообменника

последним М"каналом. Поэтому данный метод не использует"

(РПТО). Как и обычный ПТО, он состоит из нескольких собран"

ся в холодильных ППТО.

ных в пакет пластин с шевронными гофрами, изготовленных

из нержавеющей стали марки 316.

Угол между гофрами и их глубина, а также размеры пластин

1.3. Наименования пластин

определяют тепловые и гидравлические свойства ППТО. У со"

и их классификация

седних пластин углы между гофрами направлены в противопо"

Обратимся к рис. 2.

ложные стороны. Точки, в которых стенки гофров соприкаса"

ются, играют роль опорных точек для пакета пластин.

♦ В холодильном ППТО все каналы с хладагентом окружены

каналами с водой, т.е. число каналов с водой на один боль"

В отличие от РПТО, на краях пластин отсутствуют желобки для

ше, чем с хладагентом. Следовательно, крайние каналы в

уплотнителей. Вместо этого край каждой пластины загибает"

пакете пластин являются водными.

ся вниз и соприкасается с соседней пластиной. Между плас"

тинами помещается тонкая медная фольга, такого же разме"

♦ В этом случае число теплопередающих (канальных) плас"

ра, как и сами пластины. Пакет пластин зажимается между

тин будет четным. Это четко указывает на принадлежность

двумя более толстыми гладкими плитами, к которым присое"

данного ППТО к холодильному оборудованию.

диняются входные патрубки, и затем производится пайка па"

♦ В старых моделях пространство между первой канальной

кета в вакуумной печи. Эта стадия изготовления ППТО изоб"

пластиной и передней плитой было открытым. Такие плас"

ражена на рис. 1.

тины устанавливают так, чтобы вершины углов гофров были

направлены вверх. В противном случае вода может прони"

кать сюда, скапливаться в углах и замерзать.

1.2. Конструкция пластин

♦ Углы гофров на последней канальной пластине холодиль"

Канал, образованный двумя пластинами с глубокими остро"

ных ППТО направлены вниз. Если вода проникнет в про"

угольными гофрами, создает небольшой перепад давлений и

странство между этой пластиной и задней панелью, она бу"

имеет небольшой коэффициент теплопередачи для данного

дет там скапливаться и замерзать.

расхода теплоносителя.

Чтобы это предотвратить, некоторые старые модели снаб"

С увеличением угла между гофрами и (или) уменьшением их

жены дополнительной пластиной с гофрами, углы которых

глубины соответственно увеличиваются перепад давлений и

направлены вверх. Новый образовавшийся канал будет те"

коэффициент теплопередачи.

перь холодильным каналом и окажется крайним в пакете.

Увеличение длины пластин имеет почти такой же эффект, как и

Поэтому доступ к нему приходится перекрывать с помощью

уменьшение глубины или увеличение угла между гофрами. Пе"

установки добавочных прокладок в соединительные отвер"

репад давлений увеличивается из"за большей длины потока.

стия. См. рис. 5.

Теплопередача также увеличивается, но не из"за увеличения

♦ Пространство между последней канальной пластиной и зад"

коэффициента теплопередачи, а из"за большей площади теп"

ней плитой на современных моделях надежно герметизи"

лообмена.

ровано при помощи загнутых вниз краев последней пласти"

♦ Пластина с острыми углами - это пластина L"типа (от анг"

ны, вследствие чего дополнительная пластина больше не

лийского low " низкий, малый).

нужна.

♦ Пластина с тупыми углами - это пластина Н"типа (от анг"

♦ У всех современных моделей есть дополнительная гладкая

лийского high " высокий, большой).

уплотняющая пластина между передней плитой и первой ка"

нальной пластиной. Эта пластина нужна только для герме"

♦ Канал, образованный L"пластиной и Н"пластиной, - это ка"

тизации пространства между плитой и канальной пластиной.

нал М"типа (от английского medium " средний), М"пластин

не существует.

Все современные модели симметричны, т.е. теплоноситель

может входить с любой стороны канала.

В зависимости от тепловой нагрузки любой из типов пластин

может оказаться оптимальным для решаемой задачи. Вообще

Исключение. Некоторые ППТО специально разрабатывались

говоря, для режимов с большими объемными расходами теп"

в качестве испарителей. Они должны быть установлены так,

лоносителей и небольшой теплопередачей (низкая теплоем"

чтобы соединения для хладагента находились в определенных

кость или небольшое изменение температуры) необходимы L"

местах.

каналы. Хорошим примером такого теплоносителя является

воздух при окружающем давлении. Для него необходима та"

кая предельная форма L"каналов, что применение ПТО теряет

практическую ценность.

Для режимов с малыми объемными расходами, но большой

теплопередачей (большая теплоемкость, изменение фазово"

го состояния или большой перепад температуры) предпочти"

тельнее Н"каналы. Хорошим примером в данном случае явля"

ется изменение фазового состояния хладагентов. Поэтому по"

чти всегда, когда в холодильном цикле требуется обеспечить

передачу теплоты, используются Н"каналы. Они является стан"

дартным типом пластин в холодильных ППТО.

3. Конструкция и монтаж

1.4. Расположение входных и выходных

2.3. Компактность

патрубков

ППТО весит приблизительно на 25 % меньше и занимает мес"

На рис. 3 показаны обозначения соединительных патрубков.

та на 25 % меньше по сравнению со своим ближайшим конку"

Если маркировка патрубков нанесена неправильно, или же над"

рентом - коаксиальным теплообменником.

писи на бирках невозможно прочитать, то распознать патруб"

Следует отдать должное и коаксиальному теплообменнику:

ки можно по положению сгибов на краях канальных пластин.

иногда пространство внутри корпуса со змеевиком может быть

Края пластин согнуты в направлении от передней плиты к зад"

использовано, например, в качестве жидкостного ресивера.

ней. Патрубки холодильного контура обычно присоединяются

пайкой, и ППТО следует ориентировать так, чтобы эти патруб"

ки находились слева.

2.4. Объем жидкости

Хотя ППТО можно собрать так, чтобы патрубки для хладагента

В ППТО объем на стороне хладагента составляет около 2 л на

находились справа, на месте S1 и S2, это не рекомендуется,

кв. метр площади нагрева, т.е. почти в десяти раз меньше чем у

потому что может привести к недоразумениям, когда блок бу"

многотрубного ТО. Практические следствия из этого:

дет использоваться для других целей. Кроме того, нестандар"

тный блок будет стоить дороже и потребует больше времени

♦ маленький объем заполнения,

на изготовление. Если патрубки для хладагента должны нахо"

♦ быстрая реакция на изменения нагрузки.

диться справа просто переверните блок на 180 , как показано

на рис. 4.

2.5. Пределы давления и температуры

1.5. Идентификация неизвестного блока

♦ Температура

от -160 С до +150 С

На рис. 5 дано несколько советов как определить, является ли

♦ Давление

30 - 40 бар.

немаркированный ППТО аппаратом холодильного контура и на

Давление на разрыв для ППТО составляет больше 150 бар, а

какой стороне находятся каналы для хладагента. Однако обра"

большинство правил по эксплуатации сосудов высокого дав"

тите внимание на следующее.

ления требуют как раз пятикратного превышения давления на

♦ При подсчете числа пластин не надо считать уплотняющую

разрыв по сравнению с расчетным давлением. Вышеуказан"

пластину, если таковая имеется.

ные пределы являются ориентировочными, точные данные

можно найти в каталоге продукции.

♦ Существуют модели, в которых для увеличения прочности

некоторые пластины сдваиваются. В этом случае две пла"

Более низкое расчетное давление имеют никелевые паяные

стины ставятся вместе, причем углы между гофрами на"

блоки.

правлены в одну сторону, и между ними находится медная

Нехолодильные ППТО иногда используются для работ при вы"

фольга. Эти пластины соприкасаются по всей поверхнос"

соких температурах и низком давлении. Соответственно, их

ти, и снаружи можно увидеть, что расстояние между плас"

температурные номинальные характеристики выше, а номи"

тинами около 0,1 мм вместо 2,4 мм. При подсчете числа

нальные давления - ниже.

пластин такая сдвоенная пластина, очевидно, должна учи"

тываться как одна.

Самой сложной для идентификации является модель ППТО

2.6. Тепловая эффективность

с дополнительным заблокированным каналом (рисунки 2 и

5C). Такие ППТО, как и нехолодильные теплообменники,

Вынужденная турбулентность вместе с маленьким гидравли"

имеют нечетное число пластин. Если у теплообменника есть

ческим диаметром означает очень высокие коэффициенты

патрубки на задней плите, то через них должна быть видна

теплопередачи - почти в три раза больше, чем в трубных ап"

двойная прокладка, которая перекрывает канал. В против"

паратах.

ном случае определить тип устройства можно только при

Почти правильный противоток делает фактическую разность

помощи тщательных измерений и проверки наличия одинар"

температур теплоносителей очень близкой к идеальной.

ной прокладки в конце распределительных каналов S1 и S2.

Единственный другой тип ТО, который может конкурировать

или даже превосходить ППТО - это коаксиальный ТО, который,

однако, имеет гораздо более низкий коэффициент теплопере"

дачи. Кроме того, для обеспечения такой же разности входной

2. Свойства

и выходной температур аппараты приходится делать слишком

длинными или же соединять последовательно.

Истинный противоток означает также высокую степень утили"

2.1. Режим течения

зации теплоты; в ПТО без проблем можно утилизировать бо"

Каналы, образованные шевронными гофрами, заставляют жид"

лее 90 %, тогда как в многотрубных ТО - менее 50 %.

кость двигаться по пути, похожему на винтовую линию, созда"

вая турбулентность. На самом деле в ПТО нет резкого перехо"

да от ламинарного к турбулентному потоку. Такой режим обес"

печивает ПТО гораздо более высокие коэффициенты теплопе"

2.7. Загрязнение

редачи по сравнению с обычными КТТО, особенно для вязких

Это сложный вопрос, который детально разбирается в разде"

жидкостей.

ле о загрязнении и коррозии. Здесь будет достаточно сказать,

что отсутствие мертвых зон и большие силы касательного на"

пряжения в значительной степени препятствуют образованию

2.2. Управление

известковых отложений в ППТО. Эти теплообменники отчасти

Практическая польза от такого характера потока состоит в от"

чувствительны к засорению волокнистыми частицами, имею"

сутствии типичных для трубчатых ТО скачков тепловой мощно"

щимися в воде, но менее чувствительны к загрязнению песком

сти или ее гистерезиса при переходе от ламинарного потока к

и подобными взвесями.

турбулентному и обратно, что делает управление теплообмен"

ником затруднительным или невозможным.

3. Конструкция и монтаж

Задняя плита

Передняя плита

Выпуклость

A. Конструкция с выпуклостью на задней плите.

Прокладки

B. Конструкция с прокладками.

Края канальных пластин

загнуты в сторону зад"

ней плиты

Прокладки

Рис. 3. Расположение входных и выходных

C. Теплообменник с закрытым последним каналом.

патрубков

Заводская табличка помещается на передней плите. Два пра"

Рис. 5. Идентификация стороны

вых патрубка (S1 и S2) обычно предназначены для теплоно"

с хладагентом.

сителя, а два левых (S3 и S4) - для хладагента. Соответству"

ющие патрубки T1"T4 на задней плите используются не все"

гда. Патрубки для хладагента обычно присоединяются к тру"

бам пайкой, а патрубки жидкостного контура имеют резьбо"

У холодильного ППТО все каналы с хладагентом всегда окру"

вое соединение.

жены каналами с водой. Может возникнуть вопрос, имеет ли

неизвестный блок больше каналов на одной из сторон, чем

Следите за тем, чтобы каждая жидкость проходила на своей

на другой, и если это так, то как определить эти стороны. Ниже

стороне, независимо от внутреннего расположения каналов,

приведено несколько рекомендаций:

т.е. вода не должна поступать через отверстие S1 и выходить

из T3.

Число теплопередающих пластин должно быть четным. Слож"

ность заключается в том, что может устанавливаться уплот"

Исключение. Единственным типом ППТО с диагональным по

няющая пластина (Рис. А), и иногда первая или последняя пла"

током является CB12 (сейчас заменен типом CB14). Патруб

стина могут быть сдвоенными. Эти дополнительные пласти"

ками для одной стороны являются S1,3 (или T1,3); для другой

ны учитывать не следует. Канальные пластины хорошо отде"

– S2,4 (или T2,4).

лены, промежутки между ними составляют от 2,4 до 2,9 мм.

1. Канал, второй по счету от любой из внешних плит, должен

соприкасаться с плитой либо через ее выпуклость, либо че"

рез прокладку. Выпуклость, которая хорошо видна на внешних

панелях, определяет тип блока.

Выпуклости в позициях S3,4 или T3,4 указывают на холодиль"

ный блок со стороной хладагента 3,4.

Внимание! Такой способ

Выпуклости в позициях S1,2 и T3,4 или S3,4 и T1,2 указывают

нельзя использовать для

на обычный блок с равным количеством каналов на каждой

специальных типов испари

стороне.

тельных пластин. Вместо

этого используйте соедини

2. В большинстве случаев снаружи определить положение

тельные патрубки на задней

прокладок невозможно. В этом случае единственной возмож"

панели.

ностью является тщательное измерение глубины входного ка"

нала.

3. Некоторые старые модели имеют закрытые конечные ка"

налы и, следовательно, четное число пластин. Если сторона

Рис. 4. Обратное расположение

с более коротким входным каналом имеет прокладки на вхо"

соединительных патрубков

де, то это холодильный блок.

Блок должен быть повернут на 180 .

3. Конструкция и монтаж

Решением может быть ППТО с увеличенным диаметром пат"

3. Схема течения теплоносителей

рубков или же с двойными входными патрубками.

3.1. Одноходовой ППТО

♦ Если этот перепад давлений составляет большую часть от

полного перепада давлений, то могут возникнуть сильные

3.1.1. Испаритель

шумы. Однако, такая ситуация редко встречается в холо"

дильных конденсаторах.

♦ Испаряющаяся жидкость, как правило, движется вверх, а

нагревающая среда движется вниз.

♦ Обычной схемой течения является противоток.

♦ Нисходящий поток хладагента также допустим, но в этом

случае требуются сравнительно высокие каналы и низкий

3.1.3. Двойные патрубки

перепад давлений в патрубках для обеспечения равномер"

Двойные входные и/или выходные патрубки возможны только

ного распределения жидкости по каналам.

в одноходовых теплообменниках. Такие патрубки применяют"

Большой перепад давлений в патрубках приводит к тому, что

ся для снижения скорости жидкости в патрубках и, следова"

жидкость неравномерно распределяется между первым и

тельно, для более равномерного распределения жидкости меж"

последним каналами. Низкий перепад давлений в канале

ду пластинами.

приводит к тому, что жидкость неравномерно распределя"

Двойные патрубки обычно применяются на входе пара в кон"

ется по ширине канала.

денсаторах и на выходе пара в испарителях.

Испарение в нисходящих потоках еще мало изучено. Перед

Двойные патрубки на входе и выходе применяются и для жид"

монтажом необходимо проводить испытания такого испа"

ких теплоносителей, чтобы снизить скорость течения через

рителя. Вероятнее всего, холодопроизводительность

патрубки. Если двойные патрубки на жидкостной стороне не"

уменьшится довольно сильно по сравнению с испарителем,

обходимы, то их нужно установить также и на стороне хлада"

в котором испарение происходит в восходящем потоке.

гента, как показано на рис.6.

♦ Слишком большой входной патрубок в испарителе непос"

редственного расширения приведет к низкой входной ско"

рости хладагента. В результате произойдет разделение

3.1.4. Патрубки на задней плите

жидкости и пара, что вызовет сбои в работе испарителя. Это

Дополнительная пара патрубков может быть установлена на

проявляется особенно сильно, если испарение происходит

задней плите со стороны воды для размещения термометров

в нисходящем потоке.

(рис. 2) или в качестве обычных патрубков.

♦ Испаритель с ограниченным диаметром входного патрубка

Патрубки на задней плите дают преимущество, когда ППТО

распределяет хладагент более равномерно как по длине

встраивается в агрегат. В этом случае задняя плита с патруб"

пакета пластин, так и по ширине канала.

ками для воды обращена наружу, чтобы легче присоединять

трубы водного контура. Патрубки для хладагента обращены

♦ В испарителе непосредственного расширения среды, как

внутрь агрегата, поскольку так легче присоединиться к внут"

правило, движутся в противотоке, поскольку это дает самую

реннему холодильному контуру, см. рис. 13А.

высокую СРТ.

Такого расположения патрубков следует избегать, если ско"

♦ В затопленном испарителе среды обычно движутся в пря"

рости течения в патрубках велики, т.е. если перепад давле"

мотоке. Это объясняется тем, что при такой схеме получит"

ний в патрубках составляет большую часть от полного пере"

ся большой перепад температур на входе жидкостей, а, зна"

пада давлений. Возникающие при этом отклонения от равно"

чит, раньше начнется кипение хладагента.

мерного распределения будут противоположными для двух

Внимание! В случае большого перепада температур (> 10

сред, см. рис. 6.

К) на входе жидкостей может произойти интенсивное обра"

зование пара уже в самом начале теплообменника. Особен"

но серьезные проблемы возникнут при пуске установки, ког"

3.1.5. Газовыпускные и сливные отверстия

да испаритель и выходящая из него труба заполнены жид"

Выпуск газов и слив жидкости в одноходовых ППТО на обеих

костью. На пути через испаритель к сепаратору пар должен

сторонах производится через обычные патрубки, см. рис. 7.

преодолеть больший перепад давлений, чем при движении

Обратите внимание, что газовыпускные отверстия располага"

в обратном направлении через подводящую трубу к сепа"

ются в конце нагревающей поверхности, обычно в нижней час"

ратору. Это может привести к реверсированию или колеба"

ти ПТО. Это особенно важно для паров воды и аммиака, по"

ниям потока.

скольку это единственные два вида пара, которые легче возду"

♦ Дополнительная информация приведена в главе, посвящен"

ха. В случае других паров в конденсаторах с очень низким пе"

ной испарителям.

репадом может потребоваться размещение газовыпускных

отверстий в верхней части. В главе, посвященной конденсато"

рам, содержится дополнительная информация.

3.1.2. Конденсатор

♦ Конденсирующаяся среда, как правило, движется вниз, а

охлаждающая среда движется вверх.

3.2. Многоходовые ППТО

♦ Для конденсации в восходящем потоке требуется сравни"

3.2.1. Общие сведения

тельно большой перепад давлений в канале, способный пе"

Многоходовые ППТО, как конденсаторы, так и испарители,

ремещать жидкость вверх.

меньше изучены и проверены на практике, чем одноходовые

ППТО. Отсюда следует, что перед монтажом установки следу"

При низком перепаде давлений может возникнуть затопле"

ет провести тщательные расчеты, а если возможно, то и испы"

ние конденсатора, что приведет к неустойчивости течения

тания таких теплообменников.

и потере производительности. Минимальный перепад дав"

лений, при котором жидкость с нижнего уровня может дви"

В одноходовом ППТО поток направлен вверх при испарении и

гаться вверх, должен быть в этом случае, по крайней мере,

вниз при конденсации. В многоходовом ППТО потоки меняют

не меньше гидростатического напора жидкости.

направление в одном или нескольких ходах. Это может приве"

сти к следующим явлениям.

♦ Если перепад давлений в патрубках составляет слишком

большую часть полного перепада давлений (> 25 %), то по"

♦ Конденсатор, как правило, может работать с нагрузкой от

ток распределяется неравномерно между первым и после"

100 % до 0 %. Однако в случае восходящего потока это не

дним каналами, а это ведет к потере производительности.

так в связи с возможностью затопления конденсатора. В ре"

3. Конструкция и монтаж

Расход

среды

через

канал

Рис. 6. Неправильное распределение среды

На рисунке показано, как различные способы установки пат"

Б. Патрубки для воды установлены на передней и на задней

рубков влияют на распределение жидкости по каналам в слу"

плитах. Тогда канал с низким расходом хладагента может ока"

чае большого перепада давлений в патрубках. Графики над

заться в окружении водных каналов с высоким расходом, т.е.

схемами каналов представляют расход среды в каналах.

состояния хладагента, выходящего из разных каналов, будут

отличаться друг от друга еще сильнее, чем в предыдущем слу"

А. Все патрубки расположены на передней плите. Расходы

чае. Результатом является снижение производительности.

уменьшаются от первого канала к последнему, т.е. каналы с

малым расходом хладагента окружены каналами с малым рас"

В. В этом случае патрубки для воды находятся на задней пли"

ходом воды и наоборот.

те. Тогда каналы с малым расходом воды находятся в контак"

те с каналами хладагента с большим расходом и наоборот.

Это означает, что хладагент, выходящий из каналов, слегка

Значения перегрева хладагента на выходе из каналов меня"

перегрет, но при этом происходит потеря производитель"

ется по длине теплообменника. В худшем случае из первого

ности.

канала может выходить жидкий хладагент.

А). Однохо"

Б). Однохо"

В). Двухходо"

Г). Двухходовой.

Д). Трехходовой. Вход

Е). Трехходовой.

довой. Вход

вой. Вход и вы"

Вход и выход внизу

вверху

Вход внизу

вверху

внизу

ход вверху

Отсутствует выпуск газа

Отсутствует слив

Ж). Четырехходовой.

З). Четырехходовой.

И). Пятиходовой.

К). Пятиходовой.

Вход и выход вверху

Вход и выход внизу

Вход вверху

Вход внизу

Рис.7. Газовыпускные и сливные отверстия ППТО

Показана только одна сторона. Другая сторона является сим"

Д, Е. Для каждой стороны на передней и задней плитах необ"

метричным отражением относительно горизонтальной оси,

ходимо установить дополнительный газовыпускной и допол"

т.е. имеет такие же газовыпускные и сливные отверстия. Чис"

нительный сливной патрубок.

ло проходов не обязательно должно быть одинаковым на обе"

Ж, З. На одной из секций невозможно установить газовы"

их сторонах.

пускной или сливной патрубок при любом расположении

А, Б. Газовыпускными и сливными отверстиями служат обыч"

патрубков.

ные соединительные патрубки.

И, К. На одной из секций невозможно установить газовы"

В, Г. Для каждой стороны на передней или задней плите не"

пускной и сливной патрубки при любом расположении пат"

обходимо установить дополнительный газовыпускной или

рубков.

сливной патрубок.

Альфа Лаваль Технический справочник по пластинчатым теплообменникам (2001 год) - часть 3