Изпарители

Използвани конструкции в хладилните машини
Изпарителите са топлообменни апарати, в които кипи летлива течност, отвеждайки топлина от охлажданото пространство или от продукт. Интензивността на топлообмена зависи от пада на температурата, скоростта на движение на хладилния агент и средата, физическите му свойства и други. Изпарителите намират широко приложение в практиката, поради което се предлагат в многообразие от видове, форми, размери и конструкции, а класифицирането им обикновено е в зависимост от конструкцията, начина на подаване на течния хладилен агент, условията на експлоатация, по предназначението и т. н.

Изпарението като процес
Изпарението е сравнително бавен процес. При изпарителите, използвани в хладилните машини, топлината от охлаждащата среда се предава на течния хладилен агент, вследствие на което хладилният агент се превръща в пари. Общото термично съпротивление е сума от термичните съпротивления на охлаждащата среда и кипящия хладилен агент.

Интензивността на топлообмен в процеса на изпарение зависи от ред  фактори. Сред тях са овлажняването на топлопредаващата повърхност от течността и плътността на топлинния поток, която, от своя страна, зависи от температурната разлика между топлопредаващата повърхност и кипящата течност, както и от физичните свойства на течността.

Ако кипящата течност овлажнява добре повърхността, ще се образуват малки мехурчета, лесно отделящи се от повърхността, подобрявайки топлопредаването. Наличието на разтворено масло в хладилния агент влошава топлопредаването. Друг фактор, оказващ влияние върху процеса изпарение, е конструкцията на изпарителя.

При парообразуване във вертикални тръби мехурчетата пара усилват топлообмена и помагат издигането на сместа от пара и течност. Скоростта на издигане е по-голяма при по-малък диаметър на тръбата. Влияние върху изпарението оказват и скоростта на движение на хладилния агент и замърсяванията от двете страни на тръбите.

В зависимост от вида на охлаждащата среда изпарителите обикновено се делят основно на изпарители за охлаждане на течности и изпарители за охлаждане на въздух. Сред конструкциите изпарители за охлаждане на течности са изпарителите с тръбни змиевици, кожухотръбните изпарители и изпарителите със секционни вертикални тръби.

Към изпарителите за охлаждане на въздух се причисляват основно изпарителите с естествена циркулация на въздух и изпарителите с принудителна циркулация на въздух, подаван от вентилатор, познати и като въздухоохладители.

Като студоносител при изпарителите обикновено се използват вода, въздух или друга течност, съдържаща антифриз. Обикновено видът на студоносителя до голяма степен определя и вида на използвания изпарител.

Използват се различни конструкции изпарители
Сред често използваните конструкции изпарители са тръбните изпарители с гладки тръби, изпарителите с оребрени тръби и пластинчатите. При изпарителите с гладки тръби и пластинчатите цялата им повърхност е в контакт с протичащия през изпарителя хладилен агент. Основната топлообменна повърхност в оребрените изпарители се явява тръба, в която кипи хладилният агент. Ребрата се явяват допълнителна топлообменна повърхност.

Пластинчатите изпарители и тръбните изпарители с неоребрени тръби са широко разпространени и могат да работят в различни диапазони на температурата. Най-често те се използват за охлаждане на течности и въздух, когато температурата в охлажданото пространство се поддържа под 1 оС и е трудно да се предотврати обледеняването на повърхностите на изпарителя.

Производителността на тези изпарители се влияе в по-малка степен от обледеняването в сравнение с изпарителите с оребрени тръби. Също така те се почистват лесно. Принципно за почистване и размразяване на обледенените повърхности охладителният процес спира, което се отразява негативно на охлаждания продукт.

Гладкотръбните изпарители обикновено се произвеждат от стоманени или медни тръби. Стоманените тръби са предпочитани при изпарители с големи размери. Често те се произвеждат с различна форма, размер и конструкция в зависимост от изискванията на конкретното приложение. Една от често срещаните конструкции е плоският или овален змиевик. Спиралните гладкотръбни изпарители често се използват за охлаждане на течен студоносител.

При пластинчатите изпарители се наблюдава разнообразие от конструкции. Една от най-елементарните включва две съединени метални пластини с предвидени канали за преминаване на хладилния агент между тях. Сред използваните конструкции е и змиевик, разположен между две метални пластини. За осигуряване на добър топлинен контакт между пластините и тръбите с хладилен агент прилагано решение е създаването на вакуум в пространството между пластините.

Изпарителите с оребрени тръби са широко използвани за охлаждане на въздух и различни газове. Ребрата изпълняват функцията на вторична топлопоглъщаща повърхност, като спомагат за отвеждането на топлината от тази част от въздушния поток, която обикновено не контактува с основната повърхност на изпарителя. Върху ефективността на изпарителя влияние оказва начинът на присъединяването на ребрата към тръбата, тъй като е необходимо постигането на добър топлинен контакт.

Височината на ребрата и разстоянието между тях зависят от предназначението на изпарителя. Размерът на ребрата се влияе и от диаметъра на тръбата. Препоръчително е разстоянието между ребрата в нискотемпературните изпарители да е по-голямо поради натрупването на скреж. Оребряването обикновено е от външната страна на тръбата, като увеличаването на броя на ребрата не влияе на работата на изпарителя.

В някои случаи излишното оребряване може да рефлектира в по-ниска производителност на изпарителя, като ограничава възможността за циркулация на въздуха. Негативно влияние върху работата на изпарителя оказва и натрупването на скреж, поради което те се препоръчват за въздушно охлаждане в случаите, когато температурата на повърхността им се поддържа над 0 °С. Изпарителите с оребрени тръби са по-компактни от повърхностните изпарители и са много подходящи за работа с вентилатори, създаващи принудителна циркулация на въздух.

Кожухотръбните изпарители и вертикалните сухи въздухоохладители
Често използвани конструкции изпарители са кожухотръбните изпарители и вертикалните сухи въздухоохладители. Това са и най-често използваните изпарители в компресорни хладилни машини.

Кожухотръбните изпарители са подходящи за работа с различни хладилни агенти. Често използвани са за охлаждане на вода и солев разтвор. Конструктивно те най-често са хоризонтални стоманени апарати с цилиндрична форма. във вътрешността на който е разположен сноп от топлообменни тръби, захванати в тръбни решетки. Тръбите могат да бъдат оребрени, като се срещат и конструкции с вътрешно ореберни тръби, използвани предимно за течен фреон.

В краищата си кожухът се затваря с капаци, които в зависимост от конструкцията на апарата са снабдени с прегради за обръщане на посоката на флуида, преминаващ през тръбите. Кожусите на различните конструкции апарати се различават основно по начина на присъединяване на тръбните решетки и капаците. Дебелината на стената на кожуха се определя в зависимост от налягането на работната среда и диаметъра на самия кожух, но обикновено се приема не по-малка от 4 мм.

Кожухотръбните изпарители с голям диаметър обикновено се изпълняват като оросителни с оглед на елиминиране на влиянието на хидростатичното налягане на течния хладилен агент върху температурата на изпарение.

Изпарението на хладилния агент може да протича както в тръбите на изпарителя, така и в междутръбното пространство. В зависимост от мястото, където се извършва изпарението на хладилния агент, кожухотръбните изпарители съответно се означават като сухи или потопени, като потопените, при които изпарението се осъществява в междутръбното пространство, са сред най-често използваните.

Недостатък на тези изпарители е рискът от повреда поради замръзване на движещата се в тях разтвор при случайно спиране на помпата или при недостатъчна концентрация на разтвора. По отношение на студоносителя потопените изпарители биват едно- и многоходови.

При сухите изпарители хладилният агент кипи вътре в тръбите. От този тип изпарители се предлагат различни конструкции. При тях могат да се постигнат ниски температури на топлоносителя, без опасност от замръзване и спукване на тръбите. Предлагат се с прави и U–образни тръби. Често за увеличаване на коефициента на топлопредаване между тръбите се предвиждат прегради.

За охлаждане на въздуха с естествена циркулация често използвани са тръбните змиевици. Конструкцията им включва последователно свързани посредством колена прави тръби. С оглед на повишаване на външната топлоотдаваща повърхност тръбите се оребряват с листове от мед, поцинкована стомана или алуминий. Течният агент може да бъде подаван както в ниската част, а парите да се отвеждат от горната част, така и в горната част.

При подаване на течността в ниската част на изпарителя цялата повърхност на топлопредаващите тръби се намира в съприкосновение с течния кипящ хладилен агент, поради което се постига по-висока ефективност на процеса.

Въздухоохладителите се използват основно за протичане на топлообмен между въздух и топлоносител. Въздухът циркулира от външната страна на тръбите и между ребрата. Топлоносителят обикновено е фреон или гликолов разтвор с различна концентрация. Широко използвани са за охлаждане на въздуха за охладителни камери и в камери за съхранение.

Добре е да се има предвид, че когато се предвижда охладителят да се използва за производствени процеси при работа с агресивни среди, се препоръчва използването на въздухоохладители, изготвени от антикорозионни материали.

Основните елементи на вертикалните сухи въздухоохладители са: тръбни снопове, входящи и изходящи колектори, терморегулиращи вентили, разпределителни глави, страници, горна и долна вана. Широко използвани са в климатичната техника, където най-широко използвани са вертикалните сухи въздухоохладители с напречно обтичане.

Недостатък на този вид охладители е заскрежаването на охладителната повърхност при температура под 0 оС, поради което се налага тя периодично да бъде обезскрежавана.
Както при повечето елементи на хладилните машини, така и при изпарителите, се наблюдават загуби на налягане.

Те зависят от диаметъра на тръбите, конфигурацията на ребрата, скоростта на въздушния поток и количеството кондензат върху оребренията. Също така при избора на изпарител е добре да се вземат предвид някои фактори, сред които: скоростта на охлаждания топлоносител да е в границите от 1,5 до 2 m/s; концентрацията на солевия разтвор да е възможно най-малка, разликата между температурите на изпаряващия се хладилен агент и охлаждащата среда да бъде в границите на 5 – 6 оС.