6.6 ТЕПЛОВОЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРА
6.6.1. Расчет участка тепловой стабилизации
Зона тепловой стабилизации включает в себя нагнетательный патрубок компрессора, нагнетательный трубопровод и часть конденсатора. На участке тепловой стабилизации происходит отвод теплоты от перегретых паров хладагента за счет теплообмена с окружающей средой.
Температура паров хладагента снижается до температуры насыщения при данном давлении, т.е. до температуры конденсации.
Площадь теплопередающей поверхности данного участка рассчитывается из уравнения:
0,028 м2,
где
|
Qт
|
-
|
количество теплоты, отводимой от хладагента на участке тепловой стабилизации;
|
|
kт
|
-
|
коэффициент теплопередачи;
|
|
DTт
|
-
|
средняя логарифмическая разность температур.
|
44,1 Вт,
где
|
i7, i8
|
-
|
энтальпия соответственно перегретых и насыщенных паров хладагента, определяемая из расчета цикла холодильного агрегата;
|
|
Ga
|
-
|
массовый расход холодильного агента.
|
i7 = 704,17 кДж/кг;
i8 = 618,71 кДж/кг;
Gа = 0,516Ч10-3 кг/с.
25,9 К,
где
|
Тс1
|
-
|
температура стенки нагнетательного патрубка у выхода из компрессора;
|
|
Тс2
|
-
|
температура стенки конденсатора в конце участка тепловой стабилизации.
|
|
Тос
|
-
|
температура окружающей среды.
|
Тс1 = 376 К;
Тс2 = 311 К;
Тос = 305 К.
|
68,272 Вт/(м2ЧК),
|
где
|
a1т, a2т
|
-
|
коэффициенты теплоотдачи соответственно на внутренней и наружной поверхностях;
|
|
lм
|
-
|
коэффициент теплопроводности материала трубопроводов при температуре: = 343,48 К;
|
|
dс
|
-
|
толщина стенки трубопровода.
|
dс = 0,0075 м;
lм = 20 Вт/(мЧК).
j = 5;
Z = 1.
Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности:
= 335,71 Вт/(м2ЧК),
где
|
Nu1т
|
-
|
число Нуссельта;
|
|
l1т
|
-
|
коэффициент теплопроводности паров хладагента при температуре ;
|
|
dэ
|
-
|
внутренний диаметр трубопровода.
|
Трубопровод конденсатора имеет эллиптическую форму поперечного сечения, поэтому в качестве определяющего размера поверхности теплообмена принимаем величину эквивалентного диаметра:
= 0,0077 м,
где L1 = 0,09 м, L2 = 0,016 м соответственно малая и большая оси эллипса.
l1т = 0,0208 Вт/мЧК;
Тк = 313 К;
Т7 = 396 К.
117,39 ,
где
|
x
|
-
|
коэффициент гидравлического сопротивления;
|
|
Rе1т
|
-
|
число Рейнольдса;
|
|
Pr1т
|
-
|
число Прандтля при температуре Тх.
|
Pr1т = 0,794.
50006,9 ,
где
|
w1т
|
-
|
средняя скорость хладагента на участке тепловой стабилизации;
|
|
n “
|
-
|
коэффициент кинематической вязкости паров хладагента, определяемый при температуре Тх.
|
n “ = 1,755Ч10-7 м2/с.
0,23 м/с,
где
|
v7, v8
|
-
|
удельный объем перегретых и насыщенных паров хладагента.
|
v7 = 0,0221 м3/кг;
v8 = 0,0201 м3/кг.
0,0218 ,
где
|
D
|
-
|
эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубопровода.
|
D = 1,5Ч10-6 м.
Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности участка термической стабилизации рассчитывается как сумма двух составляющих: коэффициента теплоотдачи aкт, учитывающего влияние конвективного теплообмена, и коэффициента теплоотдачи aлт, учитывающего влияние теплообмена излучением:
12,967 Вт/(м2ЧК),
10,715 Вт/(м2ЧК),
где
|
Nu2т
|
-
|
число Нуссельта;
|
|
lв
|
-
|
коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Тос;
|
|
d2
|
-
|
наружный диаметр трубопровода.
|
lв = 0,0269 Вт/мЧК;
d2 = 0,0092 м.
3,6738 ,
где
|
Prв
|
-
|
число Прандтля для воздуха при температуре Тос;
|
|
Grт
|
-
|
число Грасгофа, определяемое из уравнения:
|
Prв = 0,7018.
3683,1 ,
где
|
b
|
-
|
температурный коэффициент объемного расширения воздуха: 0,0033 К -1;
|
|
Тст
|
-
|
средняя температура наружной поверхности участка тепловой стабилизации ;
|
|
nв
|
-
|
коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре Тос.
|
nв = 1,62Ч10-5 м2/с.
Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи рассчитывается на основе закона Ньютона Рихмана:
2,252 Вт/м2ЧК,
где
|
qлт
|
-
|
плотность теплового потока, определяемая из уравнения:
|
86,68 Вт/м2,
где
|
s
|
-
|
постоянная Стефана Больцмана s = 5,67Ч10-8 Вт/м2ЧК4;
|
|
eс
|
-
|
коэффициент полного нормального излучения поверхности конденсатора eс = 0,9;
|
|
eв
|
-
|
коэффициент полного нормального излучения влажного воздухаeв = 0,3.
|
6.6.2. Расчет основной части конденсатора
Площадь теплопередающей поверхности основной части конденсатора, в которой происходит процесс конденсации хладагента, вычисляется из уравнения:
0,2124 м2,
где
|
Qк
|
-
|
тепловая нагрузка конденсатора;
|
|
kк
|
-
|
коэффициент теплопередачи в процессе конденсации;
|
|
Tк
|
-
|
средняя логарифмическая разность температур.
|
83,84 Вт,
где
|
qк
|
-
|
удельное количество теплоты, отводимой от конденсатора, определяемое в результате расчета цикла холодильного агрегата.
|
qк = 162,61 кДж/кг;
8 К.
49,339 Вт/м2ЧК,
где
|
a1к
|
-
|
коэффициент теплоотдачи конденсирующегося хладагента, приведенный к внутренней поверхности конденсатора;
|
|
a2к
|
-
|
коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности конденсатора;
|
|
j
|
-
|
коэффициент оребрения конденсатора j = 5;
|
|
Z
|
-
|
коэффициент эффективности оребрения Z = 1.
|
Коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности при конденсации хладагента рассчитывается из уравнения:
408,623 Вт/(м2ЧК),
где
|
С
|
-
|
коэффициент, зависящий от пространственного расположения каналов конденсатора;
|
|
lк
|
-
|
коэффициент теплопроводности жидкого хладагента при температуре Тк;
|
|
vк
|
-
|
удельный объем жидкого хладагента при температуре Тк;
|
|
nк
|
-
|
коэффициент кинематической вязкости жидкого хладагента при температуре Тк;
|
|
lк = d1
|
-
|
определяющий размер конденсатора;
|
|
DТ1к
|
-
|
средняя разность между температурой конденсации хладагента и температурой внутренней стенки.
|
С = 0,11
lк = 0,0494 Вт/мЧК;
vк = 0,00087 м3/кг;
nк = 1,504Ч10-7 м2/с;
DТ1к = 1 К.
Коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности конденсатора:
8,6572 Вт/(м2ЧК).
Конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи:
6,7332 Вт/(м2ЧК),
где
|
Nuк
|
-
|
число Нуссельта;
|
|
lв
|
-
|
коэффициент теплопроводности воздуха при температуре Тос ;
|
|
d2
|
-
|
наружный диаметр трубопровода.
|
lв = 0,0269 Вт/(мЧК);
Значение критерия Нуссельта рассчитывается в зависимости от расположения каналов конденсатора. Для конденсаторов с вертикальным расположением каналов число Нуссельта рассчитывается из уравнения:
2,3085 ,
где
|
Prв
|
-
|
число Прандтля для воздуха при температуре Тос ;
|
|
Crк
|
-
|
число Грасгофа, характеризующее эффективность подъемной силы, которая вызывает свободноконвективное движение потока.
|
574,27 ,
где
|
b
|
-
|
температурный коэффициент объемного расширения воздуха;
|
|
Тск
|
-
|
средняя температура наружной поверхности конденсатора;
|
|
nв
|
-
|
коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре Тос.
|
Тск = 311 К;
nв = 1,62Ч10-5 м2/с.
Лучистая составляющая коэффициента теплоотдачи:
1,92 Вт/м2ЧК,
11,54 Вт/м2.
6.8.3. Расчет участка переохлаждения жидкого хладагента
Участком переохлаждения жидкого хладагента является часть конденсатора, в которой происходит гидродинамическая и тепловая стабилизация потока жидкого хладагента при снижении его температуры от температуры конденсации Тк до температуры переохлаждения Т1.
Площадь теплопередающей поверхности участка переохлаждения жидкого холодильного агента рассчитывается аналогично участку тепловой стабилизации [20]. Получены следующие результаты:
0,016 м2.
Суммарная площадь конденсатора с учетом площади основной части конденсатора и участка переохлаждения составит:
Площадь внутренней поверхности конденсатора:
0,05 м2.
Суммарная длина трубопровода конденсатора:
2,09 м.
Площадь наружной поверхности трубопровода:
0,061 м2.
Площадь оребрения конденсатора:
0,193 м2.
Конструктивное решение однорядного конденсатора выбираем ребристотрубного типа. Трубопровод и оребрение конденсатора выполнены из одного листа, поэтому коэффициент эффективности оребрения принят равным 1. Конденсатор собирается методом пайки медью из отдельных пластин. Основная часть пластины представляет собой ребро, а отверстие, которое в дальнейшем образует канал (трубопровод эллиптического сечения), получается методом вытяжки пуансонами эллиптической формы.
Выделяющаяся теплота конденсации отводится вентилятором, установленным в компрессорно-конденсаторном выносном блоке. Вентилятор расположен между компрессором и конденсатором и обеспечивает прохождение потока воздуха в направлении от конденсатора к компрессору, снижая его температурный уровень.
Исходя из конструктивных размеров выносного компрессорно-конденсаторного блока, задаемся габаритными размерами конденсатора: ширина b = 0,21 м; высота h = 0,18 м. Длина трубопровода в одном витке составит: L1 = 0,42 м.
Число витков конденсатора:
= 5.
Размеры пластин оребрения: высота h1 = 0,2 м; ширина а1 = 0,026 м.
Площадь одной пластины:
Fo1 = 2 h1 а1 = 0,0104 м2.
Минимально необходимое число пластин оребрения конденсатора составит:
n = Fo / Fo1 = 19.
Отвод теплоты от конденсатора осуществляется принудительной конвекцией с помощью вентилятора. Для рассчитанного значения площади конденсатора определим необходимую объемную производительность вентилятора:
V = Fкд = 0,127 м3/с = 7,6 м3/мин,
где
|
|
|
средняя скорость движения воздуха в выносном компрессорно-конденсаторном блоке.
|
|
