Аппараты воздушного охлаждения в основном используются там, где применение других систем охлаждения технически не возможно или не целесообразно с экономической точки зрения. Крупные производственные предприятия различных отраслей промышленности, расположенные вдали от природных источников воды, нуждаются в охлаждении технологических жидкостей, паров и газов. Для этих целей применяются специальные теплообменные установки – аппараты воздушного охлаждения (АВО). В зависимости от назначения АВО подразделяются на конденсаторы, охладители газа, охладители жидкости, маслоохладители.
Как правило, стоимость аппаратов воздушного охлаждения выше, чем у теплообменников, которые охлаждаются водой. Однако при охлаждении воздухом отсутствуют проблемы с коррозией и загрязнением, связанные с применением охлаждающей воды, а также отсутствует вероятность смешивания воды с охлаждаемой технологической жидкостью. Таким образом, затраты на техническое обслуживание аппаратов воздушного охлаждения ниже.
Очевидными преимуществами аппаратов воздушного охлаждения являются:
– Сохранение чистоты охлаждаемых сред благодаря замкнутым контурам;
– Возможность установки практически в любых климатических и природных зонах;
– Относительно невысокие эксплуатационные затраты;
– Экологичность (практически отсутствует воздействие на окружающую среду);
Устройство аппаратов воздушного охлаждения (АВО)
Аппарат воздушного охлаждения состоит из одной или нескольких теплообменных секций, установленных на общей раме, вентиляторов, которые прокачивают потоки воздуха через теплообменник и приводов вентиляторов (электромоторов). Вентиляторы устанавливаются в специальных диффузорах, которые предназначены для повышения эффективности и направления воздушного потока. Диффузор вентилятора представляет собой обечайку цилиндрической формы, внутри которой размещен сам вентилятор. Теплообменная секция состоит из трубок, через которые протекает охлаждаемая среда, и коллекторов, к которым подключаются подающий и отводящий трубопроводы и которые распределяют охлаждаемую среду равномерно по трубкам теплообменника. Для увеличения площади поверхностей, через которые происходит передача тепла, часто применяют трубки с внешним оребрением или на трубки насаживаются специальные пластины, которые называются ребрами или ламелями. Соединение трубок и ребер производится методом дорнования, что обеспечивает надежный контакт и эффективную теплопередачу. Технологическая среда, которую требуется охладить, поступает в трубки теплообменника. Тепло передается от жидкости к трубкам, а от трубок к ребрам и далее к воздуху, который отводит тепло от теплообменника в окружающую среду.
Типы аппаратов воздушного охлаждения (АВО)
Аппараты воздушного охлаждения в зависимости от расположения теплообменной секции подразделяются на следующие типы:
– горизонтальные
– вертикальные
– V-образные
– зигзагообразные
Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа
Основные параметры аппаратов воздушного охлаждения
Основными параметрами при выборе и проектировании АВО являются:
– производительность
– расчетное давление
– расчетная температура
– материал труб теплообменника (зависит от теплоносителя)
Также при выборе АВО значение имеют такие параметры как:
– объем внутреннего контура (объем заправки)
– площадь поверхности теплопередачи
– диаметр и тип подключений теплоносителя
– массогабаритные характеристики
Все параметры указываются в конструкторской документации и паспорте на изделие.
Исполнение АВО по способу прокачивания воздуха через теплообменник
Существует два исполнения аппаратов воздушного охлаждения – аппараты с естественной конвекцией воздуха через теплообменник и аппараты с принудительной циркуляцией воздуха, которая осуществляется с помощью вентиляторов. Аппараты воздушного охлаждения с принудительной циркуляцией воздуха применяются значительно чаще, т.к. их эффективность намного выше. Теплообменники с естественной конвекцией применяются в специальных случаях, где технологические процессы требуют обеспечения небольших скоростей воздуха, например в некоторых типах холодильных камер.
Аппараты воздушного охлаждения с принудительной циркуляцией воздуха имеют два принципиальных конструктивных исполнения:
1. Вентиляторы нагнетают воздух на теплообменник
Взаимное расположение теплообменника и вентиляторов обеспечивает нагнетание воздушных масс на теплообменную секцию. При этом достигается высокая турбулентность воздушного потока на входе в теплообменник и как следствие более эффективная теплопередача. При горизонтальном исполнении обеспечивается легкий доступ к электромотору и вентилятору для проведения технического обслуживания, а также исключается влияние нагретого воздуха на данные элементы.
Однако из-за относительно небольшой скорости воздушных масс на выходе повышается вероятность рециркуляции теплого воздуха, из-за которой производительность аппарата снижается. Таким образом для достижения необходимой производительности требуется применение более мощных вентиляторов или увеличение теплообменных поверхностей. Также важной проблемой горизонтального исполнения является незащищенность теплообменной секции от воздействия природных факторов (снег, град), что ограничивает его применение в некоторых климатических зонах.
2. Вентиляторы протягивают воздух через теплообменник
Расположение вентиляторов обеспечивает протягивание воздуха через теплообменную секцию, что обеспечивает высокие скорости воздуха на выходе и исключает вероятность рециркуляции нагретых воздушных масс. У аппаратов с горизонтальным исполнением достигается хорошая защищенность теплообменной секции от воздействия природных факторов, т.к. теплообменник расположен под кожухом и вентиляторами.
При протягивании вентилятором воздуха через теплообменник требуется больше энергии, чем при нагнетании на теплообменник, т.к. объемный расход нагретого воздуха выше. Однако данный недостаток компенсируется благодаря более равномерному распределению воздушного потока по площади теплообменника.
Материалы для производства аппаратов воздушного охлаждения (АВО)
Тип охлаждаемой среды и её давление являются ключевыми факторами для выбора материала труб аппарата воздушного охлаждения. Для изготовления труб применяются такие материалы как углеродистая сталь, нержавеющая сталь, медь, медно-никелевый сплав, титан. Ребра изготавливаются из алюминия, меди и углеродистой стали, покрытой методом горячего цинкования. Аппараты воздушного охлаждения, которые устанавливаются в зонах, где имеется воздействие агрессивных сред (морской и влажный климат, промышленные зоны), нуждаются в дополнительной защите поверхностей. Для этого применяются различные покрытия ребер (ламелей) или теплообменных секций в целом. Высокие давления охлаждаемых сред требуют повышенного внимания к качеству трубных соединений. Для соединения стальных труб применяется высокоточная сварка, медные трубы соединяются методом пайки.
Труба теплообменника с внешним оребрением
Расчет аппаратов воздушного охлаждения (АВО)
В целом методика расчета аппарата воздушного охлаждения аналогична расчету кожухотрубных теплообменников. Предварительная конфигурация теплообменного блока выбирается на основе общего коэффициента теплопередачи с учетом значений основных параметров, которые приведены ниже. Далее выполняются корректирующие тепловые и гидравлические расчеты, в результате которых предварительная конфигурация блока обретает необходимый вид. Важным предварительным шагом в расчете аппарата воздушного охлаждения является выбор температуры воздуха на выходе. Этот параметр оказывает существенное влияние на стоимость АВО. Повышение температуры воздуха на выходе из аппарата с воздушным охлаждением уменьшает количество необходимого воздуха, что снижает мощность вентилятора и, следовательно, эксплуатационные расходы. Однако, это также уменьшает коэффициент теплопередачи со стороны воздуха, что приводит к увеличению теплообменника, а следовательно и капитальных вложений.
Трубы
Выбор диаметра и материала труб теплообменника должен осуществляться на основе свойств и температуры охлаждаемой жидкости с учетом антикоррозионных свойств материалов.
Распределение воздушного потока
Чтобы получить равномерное распределение потока воздуха по всей площади теплообменника, площадь вентилятора должна составлять не менее 40% от площади теплообменной секции. Отношение длины секции к ширине должно быть в пределах 3-3,5. Кроме того желательно иметь не менее четырех трубок в глубину для эффективного использования площади теплообменника. Максимальное количество трубок зависит от статического сопротивления, при котором может работать вентилятор. Обычно эти данные указаны в паспорте вентилятора.
Температура окружающей среды
Расчет аппарата воздушного охлаждения должен быть произведен при температуре воздуха в условиях летнего периода. Однако, использование для расчетов самой высокой температуры воздуха приводит к увеличению размеров теплообменного блока, что сильно увеличивает стоимость аппарата. Обычно на практике принимают значения температуры, которые преобладают в данном регионе в течение 90-95% летнего времени.
Температура воздуха на выходе
При расчетах температура воздуха на выходе из аппарата должна ограничиваться примерно 100°С для того, чтобы предотвратить повреждение лопастей вентилятора и подшипников. Тем не менее, эти части могут быть подвержены воздействию высоких температур в случае неисправности вентилятора.
Скорость воздушного потока
Скорость воздушного потока обычно составляет 3-6 м/с. Значения в этом диапазоне, как правило, обеспечивают разумный баланс между теплопередачей с воздушной стороны и падением давления.
Стандарты проектирования
Большинство аппаратов воздушного охлаждения для промышленного применения производятся в соответствии с ГОСТ Р 51364-99 «Аппараты воздушного охлаждения. Общие технические условия». В стандарте нормирует основные параметры и размеры АВО, требования к безопасности, правила приемки и методы контроля, а также содержит указания по эксплуатации и проектированию.
ГОСТ Р 51364-99 «Аппараты воздушного охлаждения. Общие технические условия» – скачать
