19. Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală

Transcript

1 Generatoare de vapori 19. Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală 19.1 Generatoare de vapori Generatorul de vapori este unul din aparatele principale ale IFA şi are rolul de a furniza vapori de agent frigorific cât mai puri care se vor condensa în condensator (Figura GV e constituit din patru subansamble principale: fierbătorul propriu zis (F), coloana de rectificare (CR), condensatorul de reflux (KR) şi rezervorul de soluţie săracă (RSS-blază). CR are un număr determinat de talere pentru coloana de concentrare şi o umplutură din inele ceramice sau metalice pentru coloana de epuizare. Soluţia bogată se distribuie uniform în secţiune peste stratul de umplutură, ajunge pe placa tubulară superioară şi de acolo, sub forma de peliculă, curge pe suprafaţa interioară a ţevilor verticale, fierbătoare. Soluţia săracă rezultată se acumulează în blază (RSS) de unde curge în schimbătorul de căldură al soluţiilor (SS). Rectificarea vaporilor de amoniac se face la început în tuburile fierbătoare cu soluţia saturată care curge, a cărei temperatură şi concentraţie variază pe înălţime, apoi în coloana de epuizare (CE) - în umplutura stropită cu soluţie bogată ce vine de la economizor (SS), şi în final în coloana de concentrare (CC) formată din talere pe care curge refluxul rece obţinut în condensatorul de reflux (KR), sau amoniac lichid trimis din rezervor cu pompa Fierbătoare Construcţie. Clasificare Criteriile după care se poate face clasificarea acestor aparate sunt [1, pg 161], [2, pg. 121]: 1. după tipul constructiv fierbătoarele se grupează în: 1.1. fierbătoare multitubulare în manta (FMM) (verticale sau orizontale), 1.2. cu elemente (FE), 1

2 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală 1.3. ţeavă în ţeavă şi cu serpentine în manta (FSM), 2. după principiul de funcţionare; 2.1. peliculare (FP) şi 2.2. imersate (înecate) (FI); 3. după agentul de încălzire există fierbătoare: 3.1. încălzite cu vapori (aburi), 3.2. încălzite cu apă fierbinte, caldă sau lichide tehnologice calde; 3.3. încălzite cu gaze calde (sau amestec de gaze şi vapori) şi 3.4. solare (panou solar). În aparatele peliculare (FP), soluţia curge sub formă de peliculă peste suprafaţa de încălzire, iar în cele imersate (FI), soluţia ocupă întreg spaţiul dintre ţevile de încălzire. FP funcţionează cu densitate de flux termic mai mare decât cele imersate. FP se execută ca aparate multitubulare în manta FMMP, verticale sau orizontale, FEP, cu încălzire cu aburi sau apă. FMMIO se încălzesc cu aburi sau gaze de ardere fierbinţi. În grupa FI intră, de asemenea FE şi cele ţeavă în ţeavă cu încălzire cu aburi Fierbătorul pelicular multitubular în manta vertical (FPMMV) FMMPV, încălzit cu abur (sau apă fierbinte) este reprezentat în Figura 19.1 poz 5. Figura 19.1 Generator de vapori pelicular vertical 1. umplutură din inele ceramice (coloană de epuizare); 2. ţevi fierbătoare; 3. serpentină de încălzire suplimentară; 4. colector soluţie săracă (blază); 5. fierbător; 6. gură de încărcare; 7. gură de vizitare/curăţire; 8. talere rectificare; 9. coloană de rectificare-concentrare; 10 condensator de reflux. 2

3 Fierbătoare În capul ţevilor fierbătorului sunt prevăzute dispozitive de dirijare pentru curgerea peliculară (elicoidală) a soluţiei pe suprafaţa interioară a ţevilor verticale. Pentru mărirea vitezei apei fierbinţi se recomandă curgerea transversală peste fascicolul de ţevi, care se realizează cu ajutorul unor şicane transversale care măresc şi rigiditatea construcţiei. Avantaje: conţinut mic de soluţie, coeficient de transfer de căldură mare, schimb bun de căldură şi masă între vaporii de amoniac şi soluţie, ceea ce asigură un grad mare de rectificare, consum redus de metal şi rapiditate de intrare în funcţiune (inerţie mică). Dezavantaje: sensibilitate la impurităţi (care pot obtura canalele dispozitivelor de distribuţie), montaj perfect vertical pentru asigurarea distribuţiei uniforme a peliculei, dificultăţi la înlocuirea şi curăţirea tuburilor fierbătoare. Pentru ca în canale să nu ajungă impurităţi mecanice, înaintea GV, pe linia de soluţie bogată se montează un filtru cu sită. FMMPV se folosesc în IFA cu puteri de peste 100 kw până la câteva mii de kw, unde micşorarea consumului de metal şi a cantităţii de soluţie în aparate are o mare importanţă. 3

4 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Fierbător imersat multitubular în manta orizontal (FIMMO) Figura 19.2 Generator de vapori multitubular orizontal în manta cu funcţionare înecată 1. umplutură din inele ceramice (coloana de epuizare); 2. dispozitiv de distribuţie; 3. indicator de nivel; 4. corp (manta); 5. placă tubulară; 6. capac posterior de abur; 7. ţevi încălzire; 8. capac anterior de abur; FMMIO este reprezentat în Figura Corpul aparatului (mantaua) este cuprins între două plăci tubulare în care sunt mandrinate ţevile. CR cu dispozitivele de distribuţie şi cu umplutura se montează vertical pe corp. Dispozitivul de distribuţie este constituit dintr-un fascicol de ţevi a cărui suprafaţă interioară este udată de soluţie şi contribuie la rectificarea primară a vaporilor de amoniac (CE). Concentrarea vaporilor se continuă în umplutură cu ajutorul refluxului rece ce curge din KR. În spaţiul dintre ţevi fierbe soluţia hidroamoniacală iar în ţevi condensează aburul. Avantajele aparatului constau în sensibilitatea redusă faţă de impurităţi (care se separă în partea inferioară a corpului), curăţirea şi înlocuirea uşoară a ţevilor. Ca dezavantaje se remarcă: valori mici pentru coeficientul de schimb de căldură, placa tubulară nu este acoperită complet cu ţevi (ca ala VMO) şi ca urmare rezultă un gabarit şi un consum de metal mare al aparatului, o cantitate mare de soluţie şi un timp mai mare de intrare în regim de funcţionare a fierbătorului. 4

5 Fierbătoare Aceste fierbătoare se utilizează în special pentru instalaţie cu o putere până la 120 kw, la care consumul de metal şi cantitatea de amoniac pentru umplere nu au o importanţă mare Fierbător multitubular cu autocirculaţie în elemente verticale (FMECV) FMECV - Firma York (SUA) produce acest fierbător de tip Calandria (Figura 19.3). Elementele tubulare verticale în manta (5), legate la un colector, sunt încălzite cu abur. Diferenţa dintre densităţile amestecului de soluţie şi vapori în ţevile elementului şi a lichidului în ţevile coborâtoare (3) determină autocirculaţia soluţiei, ceea ce favorizează o vaporizare mai intensă şi asigură un coeficient de schimb de căldură mai mare. Creşterea intensităţii circulaţiei soluţiei este determinată şi de un amestecător special (4). Vaporii de amoniac se rectifică la început în partea inferioară a coloanei cu ajutorul soluţiei bogate, iar apoi pe talerele superioare cu amoniacul lichid, ce vine printr-un închizător hidraulic de la condensator. Soluţia săracă este trimisă din colectorul general (6) spre schimbătorul de căldură a soluţiilor (SS). Figura 19.3 Fierbător multitubular cu autocirculaţie în elemente verticale. 1. condensator; 2. sifon reflux; 3. conductă recirculare; 4. intrare sol bogată; 5. element încălzire; 6. separator de lichid; 7- coloană de rectificare 5

6 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Fierbător de tip ţeavă în ţeavă (FTT) FTT - În instalaţii de putere mică (până la 35 kw) se folosesc fierbătoare compuse din secţii formate din elemente bitubulare (ţeavă în ţeavă) (Figura 19.4). Fiecare din secţiile fierbătorului legate în paralel constă din elemente bitubulare legate în serie. Soluţia bogată intră în colectorul inferior; soluţia săracă şi vaporii de amoniac ies din colectorul superior în separator. Partea inferioară a separatorului constituie colectorul de soluţie săracă iar partea superioară reprezintă coloana de rectificare. Soluţia fierbe în ţevile interioare, iar în spaţiul inelar condensează aburul de încălzire. Avantajele construcţiei: tehnologie simplă, valori mari ale coeficienţilor de transfer de căldură, gabarit redus şi consum mic de metal. Acest fierbător se combină foarte bine cu SS de tip ţeavă în ţeavă. Izolând termic aceste aparate se obţine un bloc termic compact al instalaţiei. Dezavantajele construcţiei: lipsa rectificării vaporilor de amoniac cu soluţie bogată deoarece au curgere în echicurent; curăţarea suprafeţei de schimb de căldură de partea aburului de Figura 19.4 Fierbător de tip ţeavă în ţeavă 1. ţeavă ext; 2. ţeavă int; 3. distribuitor de abur; 4. colector superior (vap NH 3 şi sol săracă); 5. distribuitor inferior (sol bogată) 6 Figura 19.5 Fierbător multitubular în manta elastică pelicular exterior, vertical. 1. placă tubulară; 2. manta cu compensator; 3. ţevi

7 încălzire şi a soluţiei este posibilă numai prin metode chimice. Fierbătoare Fierbător multitubular în manta elastică pelicular exterior, vertical (FMMEPV) Din unele tehnologii chimice rezultă produse sub formă de gaze fierbinţi sau amestecuri de gaze tehnologice cu vapori, care trebuie separate. Recuperarea căldurii din aceste produse (deşeuri) se poate face într-un fierbător multitubular în manta elastică cu curgere peliculară în exteriorul ţevilor verticale (Figura 19.5). Fierbătorul a fost utilizat într-o IFA cu puterea de 1160 kw la t 0 = -20 C, fiind încălzit cu un amestec de gaze - abur cu presiunea de 80 bar şi temperatura de 170 C. Prin răcirea amestecului până la 150 C se condensează 60 % din abur iar căldura cedată este suficientă pentru fierberea soluţiei Fierbător imersat multitubular în manta, orizontal, încălzit cu gaze (FIMMOG) FMMIOG care utilizează căldură gazelor fierbinţi evacuate din diverse procese tehnologice (Figura 19.6), reprezintă un aparat obişnuit multitubular în manta orizontal, în spaţiul dintre ţevi fierbând soluţia hidroamoniacală încălzită de gazele fierbinţi, care curg prin ţevi. Aparatele încălzite cu gaze fierbinţi cu temperaturi mai mari de 300 C, trebuie să aibă automatizare de protecţie pentru oprirea alimentării cu gaze şi ieşirii soluţiei sărace în cazul opririi funcţionării pompei de soluţie hidroamoniacală. Figura 19.6 Fierbător imersat multitubular în manta, încălzit cu gaze. 1.coloană de concentrare cu talere; 2.coloană de epuizare cu umplutură; 3.manta; 4.ţevi; 5.placă tubulară 7

8 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura 19.7 Fierbător cu elemente orizontale, pelicular. 1. coloana de epuizare; 2. sistem de distribuţie peliculară a soluţiei; 3. ţevi; 4. sistem de încălzire; 5. rezervor de soluţie săracă Fierbător pelicular cu elemente orizontale (FPEO) FPEO încălzit cu apă fierbinte până la 160 C poate fi utilizat în IFA de puteri mari (până la 5000 kw) (Figura 19.7). Fiecare element tubular al aparatului are la partea superioară o tavă perforată, din care soluţia bogată este stropită peste suprafaţa de schimb de căldură. Soluţia bogată alimentează elementul superior. Soluţia săracă se scurge în rezervor din ultimul element. Vaporii de amoniac sunt evacuaţi din elementul superior în coloana de rectificare, unde se concentrează la început cu soluţie bogată în umplutură din inele cilindrice (Rashig), iar apoi cu reflux rece pe talerele de rectificare. Apa fierbinte intră în fasciculul de ţevi a elementului inferior, trece în serie prin elemente şi se evacuează din elementul superior. Avantaje: în acest fierbător suprafaţa interioară a ţevilor se curăţă uşor, ţevile nu se înlocuiesc greu, o cantitate mică de soluţie amoniacală se găseşte practic numai în rezervor, aparatul intră destul de repede în stare de funcţionare. Dezavantaje: coeficienţii de schimb de căldură sunt mici şi, prin urmare rezultă un consum mare de metal pentru aparat. 8

9 Fierbătoare Dimensionare. Schimbul de căldură în fierbătoare. Pentru proiectarea unui fierbător, al cărui sistem constructiv se adoptă este necesară cunoaşterea următoarelor mărimi [1, pg 166], [2 pg 124]: Φ f - fluxul de căldură necesar fierberii soluţiei; t î - temperatura medie a agentului de încălzire (gaze, abur, gaze fierbinţi); t b - temperatura soluţiei bogate; t s - temperatura soluţiei sărace, ξ b, ξ s - concentraţiile celor două soluţii, debitele de soluţie săracă şi bogată. Scopul calculului este determinarea suprafeţei de transfer de căldură: Φ f S f = (1.1) k Δt m Cu toate că temperaturile nu variază liniar, diferenţa medie de temperatură se calculează de obicei cu relaţia cunoscută. În cazul încălzirii cu abur se recomandă ca diferenţa dintre temperatura de saturaţie a aburului şi temperatura finală a soluţiei sărace să fie de 5 8 C. Coeficienul global de transfer de căldură k trebuie calculat ţinând seama de cei doi coeficienţi superficiali de transfer de căldură şi de rezistenţa conductivă a depunerilor pe suprafaţă Coeficientul de convecţie de partea agentului de încălzire Calculul acestuia se face diferit în funcţie de agentul de încălzire: abur, gaze calde sau apă fierbinte [2 pg.124] Încălzire cu abur Pentru condensarea peliculară a vaporilor de apă, în absenţa aerului, pe suprafeţe plane verticale sau pe ţevi verticale la care diametrul este mult mai mare decât grosimea peliculei de condens, valoarea coeficientului mediu convectiv după Nusselt este: 4 r g ρ 2 λ 3 α c = 0,943 ν H (t c - t p ) -1/4 (19.2) 9

10 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura 19.8 Nomogramă pentru calculul coeficientului de transfer de căldură la condensarea aburului pe peretele unei ţevi verticale Punctat exemplu p = 5,54 b, t p = 155 C, t v - t p = 2,2 C, h = 3 m pentru o ţeavă verticală α = 9405 W/m 2 K 10

11 Fierbătoare Figura 19.9 Diagrama pentru determinarea coeficienţilor de convecţie la condensarea aburului pe o ţeavă orizontală (α 1 ) şi pe un fascicul de ţevi (α). Punctat exemplu p = 4 b, t p = 143 C, t v - t p = 7,5 C, d e = 44,5 mm pentru o ţeavă singulară α 1 = W/m 2 K, iar pentru 6 ţevi pe verticală α = W/m 2 K 11

12 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală iar după Kutateladze: 4 r g ρ'(ρ' - ρ")λ 3 α c = 1,13 (t ν H c - t p ) -1/4 (19.3) Pentru ţevi orizontale, după Nusselt: 4 r g ρ 2 λ 3 α c = 0,725 (t ν n c - t p ) -1/4 (19.4) v d e iar după Kutateladze: 4 r g ρ'(ρ' - ρ")λ 3 α c = 0,725 (t ν d c - t p ) -1/4 (19.5) e Prezenţa aerului sau a altor gaze necondensabile duce la reducerea coeficientului de transfer. În Figura 19.8 este prezentată o nomogramă pentru calculul coeficientului de transfer de căldură la condensarea aburului pe peretele unei ţevi verticale, iar în Figura 19.9 o diagramă pentru determinarea coeficienţilor de convecţie la condensarea aburului pe o ţeavă orizontală (α 1 ) şi pe un fascicul de ţevi (α) Încălzire cu gaze calde Calculul coeficientului de convecţie la curgerea prin ţevi se poate face cu relaţia lui Schack: 2 w0 0,75 α c = 1,163 a + b t g c t g d [W/(m 2 grd)] (19.6) i unde: w 0 - viteza medie a gazelor în condiţii normale (p = 760 mm Hg şi t = 0 C), m/s; a, b, c constante în funcţie de natura gazelor Încălzire cu apă fierbinte După Schack, pentru diametre d = mm, coeficientul de convecţie este: α = 3372 w 0,85 (1 + 0,014 t w ) [W/(m 2 grd)] (1.7) unde: w - viteza apei în ţevi, m/s; t w - temperatura medie a apei, C Coeficientul de convecţie de partea soluţiei în fierbere Transferul de căldură în cazul fierberii soluţiei binare apă-amoniac este un proces complex şi pentru calculul lui există relaţii empirice sau semiempirice. 12

13 După Filatkin: Dispozitive de rectificare α s = C q n (1.8) unde C şi n - coeficienţi în funcţie de presiunea p şi concentraţia soluţiei bogate ξ; pentru fierbător imersat: C = 110,5, n = 0,261. Tabelul 19.1 Valori orientative ale coeficienţilor globali de transfer de căldură Tip fierbător Sursa q, W/m 2 k, W/(m 2 K) Multitubular VNIHI oriz înecat Niebergall VNIHI Pelic vertic Borsig La densităţi mici ale fluxului termic (q s < 5800 W/m 2 ), transferul de căldură este determinat de convecţia liberă şi n = 0,28 0,29; la densităţi mari (q s > 5800 W/m 2 ), se produce fierberea globular şi n este în funcţie de ξ având valori de 0,54 0,7. Rezultatele experimentale ale lui Filatkin sunt transpuse într-o nomogramă cu ajutorul căreia se pot calcula fierbătoarele orizontale imersate. Pentru fierbătoarele cu ţevi verticale la care soluţia se distribuie sub formă de peliculă pe pereţii interiori, au fost obţinute rezultate experimentale de către Niebergall, transpuse de asemeni într-o nomogramă. Pentru diverse tipuri constructive de fierbătoare, sunt indicate în Tabelul 19.1 valorile orientative ale coeficienţilor globali de transfer de căldură, după cercetările ruseşti şi cele germane Dispozitive de rectificare Vaporii de NH 3, care se degajă din soluţie în fierbător, conţin o cantitate importantă de apă vapori [1 pg 177]. Separarea vaporilor de apă se realizează în dispozitive speciale de rectificare şi în deflegmatoare: în primele cu ajutorul soluţiei hidroamoniacale sau reflux prin contact direct, iar în cele din urmă cu ajutorul apei de răcire prin intermediul suprafeţei de schimb de căldură. 13

14 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Pentru îmbunătăţirea caracteristicilor energetice ale IFA vaporii de apă se separă în dispozitivele de rectificare cu ajutorul refluxului şi a soluţiei bogate, adică prin intermediul schimbului de căldură şi masă între substanţele de lucru. Prin aceasta pierderile ireversibile de căldură se reduc la minim. Coloana de rectificare (dispozitivul de rectificare) CR este compusă din talere cu clopote dispuse unul sub altul, şi din umplutura din inele cilindrice ceramice (metalice). Talerele cu clopote se prevăd de obicei în acele locuri unde debitul de reflux este relativ mic, de exemplu la rectificarea vaporilor de NH 3 cu reflux rece (condens - flegmă) format în deflegmator (condensator de reflux KR). La rectificarea vaporilor de NH 3 cu soluţie hidroamoniacală bogată se foloseşte umplutură din inele cilindrice. În Figura este prezentată o CR cu umplutură din inele cilindrice (coloană de epuizare-ce) şi trei talere cu clopote (coloană de concentrare- CC). Umplutura de inele cilindrice este amplasată între două discuri perforate în vrac. Aria totală a orificiilor din discul perforat nu trebuie să fie mai mică decât 0,5 S c. Umplutura trebuie să satisfacă următoarele condiţii: suprafaţă mare la unitatea de volum σ [m 2 /m 3 ] volumul liber suficient de mare, în care se realizează contactul dintre lichid şi vapori (V lib ); rezistenţă gazodinamică mică pentru vapori; 14 Figura Coloana de rectificare cu umplutură din inele cilindrice şi trei talere cu clopote. 1. placă superioară perforată; 2. gură încărcare inele ceramice; 3. sită inferioară; 4. corp; 5. umplutură inele ceramice; 6. distribuitor soluţie bogată; 7. taler cu clopote

15 Dispozitive de rectificare stabilitate faţă de acţiunea lichidului şi vaporilor; rezistenţă mecanică mare; densitate aparentă mică; cost redus Aceste cerinţe sunt îndeplinite în mare măsură de inelele confecţionate din ceramică. Caracteristicile inelelor ceramice sunt date în Tabelul Tabelul 19.2 Caracteristicile inelelor ceramice Dimens mm Suprafaţă specif σ, m 2 /m 3 Volum liber V lib, m 3 /m 3 Densit aparentă ρ a, kg/m 3 15x15x , x25x , x35x , x50x , Calculul termic şi constructiv Parametrii soluţiei şi ai vaporilor de amoniac pe înălţimea GV se calculează având în vedere: schema aparatului, circulaţia fluidelor şi ecuaţiile bilanţului de materiale, de componente şi termic. Din bilanţurile pe conturul a (Figura 19.11) rezultă: b.m.: R = V + (F - D) V - R = - (F - D) (1.9) b.c.v.: R ξ' = V ξ" + (F - D) ξ s V ξ" - R ξ' = - (F - D) ξ s (1.10) b.t.: Φ F + R i' = V i" + (F - D) i 6 V i" - R i' = - (F - D) i 6 + Φ F (1.11) Parametrii stării P E (x E,I E ) se obţin r c, i z,ξ c prin împărţirea ecuaţiilor precedente: (1+r c ), i z,ξ c x E = b.c.v./b.m. = ξ s ; I E = b.t./b.c.v. = i 6 - Φ F F - D = i 6 - q F f - 1 (1.12) Considerând conturul fierbătorului rezultă: b.c.v.:(f + r v ) ξ' y = (f - 1) ξ s + (1 + r v ) ξ" y r v +1 = (f - 1) ξ' y - ξ s ξ" y - ξ' y (1.13) CE (1+r a ), i x,ξ x R r a, i x,ξ x V f, i 9a,ξ b F F (1+r v ), i y,ξ y (f+r v ), i y,ξ y (f-1), i 6,ξ s 15 Figura Fluxurile de masă şi parametrii acestora

16 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală b.t.:(f + r v ) i' y + q F = (f - 1) i 6 + (1 + r v ) i" y r v +1 = (f - 1) i' y - i 6 q F i" y - i' + y i" y - i' (1.14) y unde i y şi ξ y sunt parametrii pentru flux şi reflux în secţiunea coloanei deasupra fierbătorului, considerându-se un taler teoretic (inferior) şi care trebuie să se găsească pe aceeaşi dreaptă polară ce trece prin P E. Coloana de rectificare compusă din talere cu clopote este prezentă în Figura Refluxul din deflegmator (KR) sau amoniacul din rezervor se scurge pe talerul superior. Nivelul lichidului se menţine cu ajutorul tubului de preaplin, care iese deasupra talerului. Vaporii de NH 3 intră în racordurile de vapori 1, apoi pe sub clopot, şi trecând prin fante, barbotează prin stratul de lichid; se realizează astfel schimbul de căldură şi masă care asigură rectificarea vaporilor. Vaporii condensaţi împreună cu curentul principal de lichid curge prin ţevile de preaplin pe talerele inferioare. Intrarea şi ieşirea refluxului pe taler sunt dispuse în locuri opuse, deoarece datorită acestei dispoziţii rectificarea se face mai bine. Numărul de clopote dispuse pe taler, de obicei se adoptă. Clopotele se dispun unul faţă de altul la distanţe de circa 1,5 diametre, pentru ca bulele de vapori care ies din clopotele vecine să nu se atingă şi să se unească (micşorând suprafaţa de contact). 16

17 Pentru stabilirea dimensiunilor unei CR trebuie calculate: diametrul coloanei, numărul de talere şi distanţa dintre ele, dimensiunile talerelor cu clopote, precum şi grosimea stratului de umplutură Condensator de reflux (KR) (deflegmator) Aceste aparate [1 pg 186], [2 pg 133] sunt destinate pentru o separare parţială a vaporilor de apă din amestecul de vapori de amoniac şi apă ce vine din coloana superioară de rectificare, în scopul de a mări calitatea vaporilor care intră în condensator (mărirea concentraţiei în amoniac) şi deci micşorării pierderilor prin vaporizare incompletă. În acelaşi timp se asigură şi refluxul în coloana superioară pentru a se realiza rectificarea. IFA de mare putere sunt prevăzute cu KR răcite cu apă. Aceasta asigură o curăţare mai pronunţată a vaporilor Condensator de reflux (KR) (deflegmator) Figura Coloană de rectificare compusă din talere cu clopote. 1. racord vapori; 2. racord; 3. coloană; 4. preaplin; 5. taler; 6. clopot de amoniac într-un interval mai mare de sarcini termice. O primă condensare parţială se poate realiza şi pe o suprafaţă răcită cu soluţie bogată, înainte de intrarea ei în economizorul SS Deflegmator cu elemente Aparatul este format din două elemente în manta (Figura 19.13). Vaporii de amoniac intra în spaţiul dintre ţevi al elementului inferior şi ies din mantaua elementului superior, după ce s-a realizat o condensare parţială. Elementul inferior are o cămaşă de apă, care determină o uniformizare a temperaturii mantalei şi ţevilor. În cazul lipsei mantalei poate să se slăbească îmbinarea prin mandrinare a ţevilor şi deci a etanşeităţii aparatului. 17

18 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura Deflegmator cu elemente cu cămaşă de apă. 1. ţevi; 2. corpul elem superior; 3. corpul elem inferior; 4. cămaşă de apă; 5. cot de legătură pentru cămaşa de apă; 6. flanşă oarbă Apa intră în ţevile elementului superior, în continuare în cele ale elementului inferior şi apoi prin cămaşa de apă a elementului. Condensul, format în deflegmator, curge din elementul superior în cel inferior şi apoi pe talerul superior al coloanei de rectificare a GV. Deflegmatoarele cu elemente au un coeficient global de transmitere a căldurii mare datorită vitezei mari a vaporilor în spaţiul dintre ţevi (până la 3 4 m/s). Viteza vaporilor în racordurile de vapori, prin care în acelaşi timp se scurge condensul, nu trebuie să depaşească 2,5 m/s, pentru a nu se antrena înapoi refluxul în deflegmator Deflegmator nervurat Firma Borsig fabrică IFA cu deflegmatoare, confecţionate din ţevi sub formă de U nervurate, răcite cu soluţie bogată. La aceste instalaţii s-a observat o coroziune puternică a nervurilor şi ca urmare s-a micşorat eficacitatea funcţionării aparatelor. Evident că în acest caz influenţează temperatura mai ridicată a condensului, în care nu se pot introduce inhibitori de coroziune, folosiţi de obicei pentru soluţia hidroamoniacală. Deflegmatoare de acest tip se montează în partea superioară a GV, deasupra coloanei de rectificare cu talere şi formează cu el un singur aparat. 18

19 Deflegmator ţeavă în ţeavă Condensator de reflux (KR) (deflegmator) Figura Deflegmator cu elemente. 1. element cu două sau mai multe ţevi; 2. separator de lichid; 3. deflectoare perforate Deflegmatorul construit din elemente bitubulare este un aparat foarte eficient (Figura 19.14). Numărul de elemente bitubulare, care formează secţii plane separate poate fi diferit. Secţiile sunt legate prin colectoare - distribuitoare de amoniac şi apă. Prin spaţiul inelar circulă Figura Deflegmator de tip înecat. 1. corp; 2. preaplin; 3. cilindru interior; 4. serpentină răcire; 5. barboteur; 6. tub scurgere; 7. umplutură inele ceramice; 8. ţeavă vapori; vaporii de amoniac de sus în jos, iar în contracurent cu ei, prin interiorul ţevilor, circulă apa de răcire. Condensul este trimis în GV printr-un separator prevăzut cu zăvor hidraulic Deflegmator de tip înecat Deflegmatorul cu funcţionare înecată (Figura 19.15) este format dintr-un corp, în partea de jos a căruia se afla o serpentină elicoidală de răcire şi un tambur, care să asigure circulaţia normală a condensului şi vaporilor de amoniac de-a lungul serpentinei. Regulatorul de nivel menţine un nivel constant al lichidului în corp şi reglează evacuarea condensului cel mai fierbinte în GV. Vaporii din GV, printr-un zăvor hidraulic, circulă printr-un barboteur, din care se dirijează sub formă de şuviţe subţiri în lichid. Trecând prin stratul de lichid (răcit cu apă care circulă prin serpentină), vaporii de amoniac se curăţă de o parte din vaporii de apă. Pentru micşorarea circulaţiei soluţiei, spaţiul de lichid se umple cu inele 19

20 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală ceramice. În acest deflegmator poate fi obţinut un grad foarte mare de curăţare a vaporilor de amoniac. Pentru instalaţii mari, deflegmatoarele de acest tip se pot construi şi sub forma de aparate multitubulare în manta în care este posibilă înlocuirea uşoară şi curăţarea ţevilor pe partea apei. Tabelul 19.3 Valorile coeficientilor de transfer de căldură, k, dintre vaporii de amoniac care se rectifică şi apa de răcire Construcţia deflegmatorului Multitubular în manta Temp C Viteza m/s k W/(m 2 K) Condensare Apa la Apa la Apă Vapori intrare ieşire 21,5 22,11 23,88 0,383 0,25 73,85 21,2 21,48 23,64 0,383 0,29 84,65 21,8 22, ,454 0,30 86,53 22,2 23,38 24,35 0,416 0,28 84,18 23,96 25,9 27,41 0,382 0,40 131,42 Cu plăci 25,48 27,3 28,6 0,393 0,41 131,42 25,57 29,7 31,6 0,314 0,50 140,72 24,28 25,1 26,87 0,405 0,53 147,70 33,1 8,3 31,16 0,542 0, ,1 7,7 30,58 0,563 0, ,4 33,9 7,6 26,8 0,57 0, ,7 26,23 23,06 26,61 1,41 0,38 267,5 Multitubular în manta 25,36 21,19 25,12 1,40 0,39 267,5 25,45 21,3 26,18 1,41 0,35 302,4 29,0 21,54 28,52 0,525 0,11 290,7 30,7 21,5 32,02 0,525 0,11 294,2 24,8 12,23 28,37 0,533 0, ,3 25,0 11,53 29,34 0,55 0, ,0 16,7 41,98 0,36 3,82 273,3 Bitubular 27,5 16,5 35,63 0,295 3,58 255,9 27,0 15,8 36,95 0,422 3,81 302,4 27,6 15,6 37,57 0,452 4,07 305, Schimbul de căldură Procesul de schimb de căldură de partea amestecului de vapori de amoniac şi apă este complicat şi puţin studiat. Dacă temperatura apei, care intră în deflegmator, este mai mare decât temperatura de condensare, atunci prin condensare parţială se desfăşoară următoarele procese: 20

21 Condensator de reflux (KR) (deflegmator) răcirea vaporilor supraîncălziţi de amoniac până la o temperatură apropiată de temperatura de condensare; răcirea şi condensarea vaporilor de apă; absorbţia vaporilor de amoniac de către condens - apă (formarea flegmei). Coeficientul de convecţie în acest caz depinde de viteza fluidului. O viteză mai mare măreşte turbulenţa şi vaporii de apă ajung mai uşor pe suprafaţa de răcire. Aceasta îmbunătăţeşte cedarea căldurii de către vaporii de amoniac. La temperaturi ale apei mai mici decât temperatura de condensare atunci, pe lângă procesele susmenţionate, se intensifică şi condensarea vaporilor de amoniac, ceea ce măreşte considerabil coeficientul de convecţie. Viteza fluidului, în acest caz, nu are o influenţă deosebită, factorul hotărâtor (principal) fiind condensarea vaporilor de amoniac, de a cărei intensitate depinde formarea condensului. Valorile coeficienţilor de transfer de căldură, k, dintre vaporii de amoniac care se rectifică şi apa de răcire sunt prezentaţi în Tabelul Ei pot fi folosiţi pentru calcule. În cazul folosirii apei, a cărei temperatură iniţială este mai mare decât temperatura de condensare, se obţin valori mai reduse ale lui k, decât în cazul obişnuit. Astfel, depăşirea temperaturii apei cu numai 1 2 C peste t k, provoacă micşorarea lui k până la W/(m 2 grd), iar la o temperatură mai scăzută a apei, valoarea lui k ajunge până la W/(m 2 grd). La creşterea vitezei vaporilor numai de două ori, k se măreşte cu 60 %. În al doilea caz, creşterea vitezei vaporilor practic nu influenţează asupra mărimii lui k. Condensarea pronunţată a vaporilor de amoniac nu este indicată, întrucât refluxul format se foloseşte pe talerele de rectificare pentru o separare mai completă a vaporilor de amoniac faţă de vaporii de apă (umiditate). Temperatura apei se poate ridica peste temperatura de condensare în cazul alimentării în serie a condensatorului, absorberului şi deflegmatorului (pentru o încălzire mai mare şi o reducere a debitului apei) în acest caz la proiectarea deflegmatoarelor trebuie mărită viteza vaporilor pentru a obţine coeficientul de transfer de căldură mai mare. Creşterea vitezei apei de răcire, practic, nu conduce la creşterea lui k (vezi Tabelul 19.3), datorită faptului că rezistenţa termică principală a aparatului este de partea vaporilor de amoniac rectificaţi. 21

22 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală 19.5 Absorbere Construcţie După principiul de acţiune absorberele se împart în două grupe [1, pg 190], [2 pg133]: peliculare (AP). În absorberele peliculare soluţia săracă curgând peste suprafaţa răcită, absoarbe vaporii de amoniac. Absorberele peliculare (AP) se folosesc de obicei în instalaţii frigorifice de temperatura scăzută la care înălţimea coloanei de lichid are o influenţă mai mare asupra presiunii şi deci a temperaturii de vaporizare. Coeficientul de convecţie la aceste absorbere este mai mare decât al celor cu barbotare şi din acest motiv ele se folosesc şi în acele cazuri când consumul de metal al aparatului are o mare importanţă. După construcţie, AP pot fi: multitubulare în manta (orizontale şi verticale), cu serpentină în manta şi cu elemente. Aparatele multitubulare în manta şi cu elemente se folosesc pentru instalaţii mari, iar cele cu serpentină în manta pentru cele de puteri mici şi medii ( kw). cu barbotare (AB). Suprafaţa de răcire a absorberelor cu barbotare este complet cufundată în soluţie. Vaporii de amoniac sunt trimişi sub nivelul soluţiei şi sunt absorbiţi de către aceasta (uneori termenul de barbotare este impropriu). AB se folosesc în instalaţii de puteri mici şi medii, care funcţionează la temperatura de vaporizare a agentului frigorific până la C şi în acele cazuri când consumul de metal nu are o importanţă deosebită. După construcţie, ele se clasifică în aparate multitubulare în manta şi cu elemente (ţeavă în ţeavă sau tubulare, stropite în exterior cu apă). Există şi un absorber combinat (cu barbotare şi pelicular). Consumul de metal este puţin mai redus decât la cel pelicular, dar utilizarea lui este limitată de temperatura de vaporizare a agentului frigorific, la fel ca în cazul AB. Aparatul poate fi utilizat în instalaţii de diferite puteri. 22

23 Absorbere Absorber pelicular multitubular în manta orizontal (APMMO) Aparatul este confecţionat dintr-un corp cilindric cu două plăci tubulare în care sunt mandrinate (sudate) ţevile prin care circulă în contracurent apa de răcire. Deasupra ţevilor se află cutia de distribuţie, prevăzută cu orificii în corespondenţa şirurilor de ţevi, în care intră soluţia săracă ce va uda suprafaţa de răcire. Vaporii de amoniac intră în spaţiul dintre ţevi. Soluţia bogată din partea inferioară a corpului se scurge în rezervor. Căldura de absorbţie ce se degajă este preluată de apa de răcire. Aparatul pelicular funcţionează eficace dacă intensitatea de stropire a ţevilor cu soluţie este mai mare de l/(m h) (0, ,07 l/(m s)). Ca urmare acest tip de absorber se utilizează în cazul unui factor mare de circulaţie, adică zonă mică de degazare, ceea ce este posibil la temperaturi foarte scăzute de vaporizare a agentului frigorific, la temperaturi ridicate ale apei de răcire şi la temperaturi relativ scăzute ale agentului de încălzire (vapori, apă, etc). Dacă nu se poate realiza intensitatea de stropire a ţevilor într-un corp, atunci se utilizează AP cu mai multe elemente Absorber pelicular cu elemente (APE) Aparatul (Figura 19.16) este constituit din mai multe elemente cilindrice dispuse unul sub altul. Fiecare element are cutia proprie de distribuţie. Soluţia săracă este trimisa în elementul superior şi curgând succesiv peste ţevile celorlalte elemente se imbogateste şi curge în rezervor. Vaporii de amoniac intră în elemente prin distribuitoare speciale. Apa trece prin rezervorul de soluţie bogată unde subrăceşte soluţia şi apoi trece succesiv prin fiecare element, ieşind caldă din elementul superior. Numărul de elemente trebuie să asigure intensitatea de stropire a soluţiei de 250 l/(mh) (0,07 l/(ms)). În acest caz se consideră soluţia cu concentraţia medie în aparat. 23

24 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura Absorber pelicular cu elemente. 1. element multitubular; 2. distribuitor soluţie săracă; 3. distribuitor vapori NH 3 ; 4. gură de vizitare pentru curăţirea plăcii de distribuţie; 5. colector pentru dezaerare; 6. rezervor de soluţie bogată APE cu toate că are o funcţionare eficientă, prezintă şi o serie de dezavantaje: întregul aparat şi elementele trebuie să fie montate în poziţie strict orizontală (în caz contrar va funcţiona numai o parte a aparatului); curăţirea cutiilor de distribuţie este dificilă din cauza aşezării elementelor aproape unul de celălalt; 24

25 Absorbere numărul mare de îmbinări prin flanşe înlesneşte apariţia pierderilor prin neetanşeităţi, în special la funcţionarea aparatului cu depresiune (la temperaturi scăzute de vaporizare a agentului frigorific); folosirea incompletă a suprafeţei plăcilor tubulare pentru dispunerea ţevilor; sensibilitatea aparatului fată de impurităţi, care pot înfunda orificiile din cutia de distribuţie Absorber pelicular multitubular vertical (APMV) Acest aparat cu curgerea în contracurent a soluţiei şi apei este prezentat în Figura Soluţia săracă intră în partea superioară a aparatului şi cu ajutorul unor dispozitive este distribuită pelicular pe suprafaţa interioară a ţevilor verticale. Vaporii de amoniac intră în colectorul de soluţie bogată, amplasat în partea inferioară a aparatului. Apa este trimisă, în contracurent cu soluţia, în spaţiul dintre ţevi. Aceste aparate se folosesc cu o Figura Absorber pelicular multitubular vertical. 1. capac superior; 2. ţevi răcite; 3. manta; 4. colector de soluţie bogată; 5. distribuitor soluţie săracă în ţevi viteză a apei în spaţiul dintre ţevi de cel puţin 0,35...0,4 m/s, obţinânduse un debit mare (de exemplu când din condiţii de tehnologie nu e permisă încălzirea apei mai mult de C sau când aceasta are o 25

26 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală temperatură mare - mai mare de C. În cazul unor debite mai mici de apă, trebuie asigurată curgerea transversală cu ajutorul şicanelor de tip segment, dar încălzirea apei şi pierderile de presiune vor fi mai mari. APMVE (în echicurent - tip BORSIG) - apa şi soluţia curg pelicular în echicurent pe suprafeţele interioară şi exterioară ale ţevilor verticale. Pelicula de apă se formează cu ajutorul unor dispozitive montate în capul fiecărei ţevi, iar pelicula de soluţie cu ajutorul unor sârme înfăşurate la partea superioară pe exteriorul ţevilor (Figura 19.18). Figura Absorber pelicular multitubular vertical - BORSIG. 1. distribuitor apă răcire; 2. ţevi răcite ; 3. distribuitor pelicular soluţie săracă; 4. manta; 5. bazin distribuţie apă Dezavantajele aparatului sunt: imposibilitatea curăţirii impurităţilor de pe suprafaţa exterioară; curgerea în echicurent a apei şi soluţiei conduce la micşorarea 26 Figura Absorber pelicular cu serpentină în manta. 1. manta; 2. distribuitor soluţie săracă; 3. distribuitor pelicular; 4. serpentine; 5. barboteur; 6. racord vapori NH 3

27 Absorbere capacităţii de absorbţie a soluţiei datorită temperaturii mai ridicate; diferenţa medie de temperatură dintre soluţie şi apă mai mică; sensibilitatea mare la impurităţile din soluţia săracă înaintea absorberului (este necesar un filtru); dificultăţi la schimbarea ţevilor. Dintre avantajele aparatului se pot enumera: funcţionarea la temperaturi scăzute ale mediului exterior coeficienţii mari de convecţie de partea apei Absorber pelicular cu serpentină în manta (APSM) Aparatul cu suprafaţă de 8 m 2 este prezentat în Figura Absorberul a fost utilizat în instalaţie cu puterea frigorifică de 17,5 kw la t 0 = -50 C şi t k = 30 C. Aparatul este foarte eficient. În corpul aparatului sunt amplasate două serpentine legate în paralel. Deasupra lor este fixată cutia de distribuţie în care este adusa soluţia săracă care curge peste marginile zimţate pe suprafaţa exterioară a serpentinelor. Prin capacul inferior al corpului trece racordul de intrare al vaporilor de amoniac, prevăzut cu un mic distribuitor (barboteur). Spirele inferioare ale serpentinelor sunt destinate pentru subrăcirea soluţiei bogate care se aduna în partea de jos a aparatului. Nivelul soluţiei se urmăreşte printr-o sticla de nivel. Apa curge în contracurent cu soluţia prin interiorul ţevilor serpentinelor şi iese încălzită pe la partea superioară. APSM se recomandă a fi utilizate în cazul folosirii unei ape de răcire curate şi a unor filtre sigure. În afară de aceasta aparatul trebuie să fie montat perfect vertical Absorber cu barbotare multitubular în manta, orizontal (ABMMO) În ABMO (Figura 19.20) ţevile sunt mandrinate în două placi tubulare, de care se prind şi capacele prevăzute cu pereţi despărţitori pentru asigurarea mai multor treceri pentru apa de răcire. În capace se prevăd racorduri cu ventile pentru evacuarea aerului din circuitul de apă şi scurgerea apei din aparat în vederea prevenirii îngheţării ei. În partea inferioară a mantalei, în interior, se prevăd distribuitoarele (barbotoarele) de vapori de amoniac, care sub formă de şuviţe sau bule sunt distribuite în întreg volumul de soluţie, absorbindu-i. Soluţia săracă se introduce pe la partea superioară iar soluţia bogată este evacuată pe la partea inferioara. Absorberul se umple cu soluţie până la % din înălţime. 27

28 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura Absorber multitubular în manta cu barbotare, orizontal. 1. capac anterior; 2. placă tubulară; 3. corp (manta); 4. ţevi; 5.distribuitor vapori Dintre avantajele aparatului se pot enumera: insensibilitate la impurităţile mecanice, care se acumulează în partea inferioară a mantalei, şi posibilitatea înlocuirii relativ uşor, a ţevilor. Dezavantaje principale pot fi considerate: aparatul funcţionează cu intensitate redusă datorită faptului că barbotarea şi absorbţia se realizează numai în partea inferioară şi deci o mare parte din suprafaţa de schimb de căldură nu se utilizează eficient din cauza mişcării reduse a soluţiei; absorberul are gabarit şi masă mare şi conţine o cantitate mare de soluţie; inerţie termică mare. Acest aparat se utilizează pentru instalaţii de putere mică. 28

29 Absorbere Absorberul cu barbotare cu elemente (ABE) Figura Absorber cu barbotare cu elemente 1. rezervor soluţie bogată; 2. element multitubular; 3. ţeavă preaplin; 4. distribuitor vapori; 5. colector dezaerare Absorberul (Figura 19.21) se utilizează în cazul temperaturi de vaporizare a agentului frigorific de C. Din fiecare element se realizează scurgerea soluţiei printr-un tub de preaplin în elementul următor. Soluţia săracă este trimisă la partea inferioară, într-un capăt, a elementului superior. Ţevile de preaplin sunt astfel sudate pe elemente, încât nivelul soluţiei în ele să se menţină la % din diametru realizându-se şi curgerea de-a lungul elementului. Viteza soluţiei în ţevile de preaplin se adoptă la max. 0,3...0,35 m/s. Trecând succesiv de-a lungul fiecărui element, soluţia se îmbogăţeşte şi apoi se scurge în rezervor. Vaporii de amoniac printr-un distribuitor general sunt trimişi şi absorbiţi în fiecare element, intrând prin câte două racorduri în barbotor şi de acolo în soluţie. Distribuitorul general de vapori este amplasat obligatoriu deasupra primului element, din el plecând ramuri de alimentare pentru fiecare element, pentru a evita ieşirea din funcţie a corpurilor superioare şi a egala căderile de presiune. Apa curge în contracurent cu soluţia. Pentru egalizarea presiunii în elemente şi cu rezervorul de soluţie bogată, spaţiile de vapori se unesc printr-un colector vertical. Prin acest colector se elimina aerul în rezervorul de soluţie bogată şi apoi de acolo în atmosferă sau se aspiră de către pompa de vacuum. Masa absorberului este puţin mai mare decât cea a ABMO, dar înălţimea coloanei de lichid este însă mult mai mică. 29

30 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Aceste absorbere se folosesc în instalaţiile cu o putere de până la 120 kw la t 0 = -35, -40 şi chiar -45 C Absorber ţeavă în ţeavă (ABTT) Absorberul (Figura 19.22) constă din una sau mai multe secţii legate în paralel. Fiecare secţie este formată din mai multe elemente ţeavă în ţeavă legate în serie. În partea inferioară a secţiei este montat un amestecător pentru soluţia săracă şi vaporii de amoniac. Prin ţevile interioare, Figura Absorber ţeavă în ţeavă. 1. amestecător; 2. ţeavă exterioară ; 3. ţeavă interioară; 4. rezervor soluţie bogată în contracurent cu soluţia curge apa de răcire, iar prin spaţiul inelar curge soluţia. Soluţia bogată din partea superioară a secţiilor se scurge în rezervor şi de acolo spre pompa de soluţie hidroamoniacală. Rândurile de ţevi inferioare şi de mijloc funcţionează într-un regim mai intens, în care soluţia absoarbe aproape întreaga cantitate de vapori. Rândurile superioare de ţevi, în care cantitatea şi respectiv volumul vaporilor de absorbit sunt reduse, lucrează într-un regim mult mai puţin intens. În legătură cu aceasta construcţia raţională a unui astfel de tip de absorber impune utilizarea unor elemente din ţevi de diametre diferite. 30

31 Absorber cu stropire prin exterior cu apă (AS) Absorberul (Figura 19.23) este format din una sau mai multe secţii legate în paralel. La partea inferioară a fiecărei secţii este prevăzut un amestecător în care intră soluţia săracă şi vaporii de amoniac. Soluţia bogată din colectorul care leagă ţevile superioare ale secţiilor se scurge în rezervoare. Dezavantajele aparatului sunt asemănătoare cu cele ale ABTT. Absorbere Figura Absorber cu stropire cu apă 1. jgheab distribuţie apă răcire; 2. rezervor de soluţie bogată; 3. serpentină plană; 4. amestecător; 5. tavă colectoare apă Coeficientul de schimb de căldură al absorberului este mai mare decât în cazul ABMO, dar mai mic decât la ABTT. Acest aparat se asamblează uşor cu condensatorul atmosferic (cu ploaie), formând un bloc compact. În afara de aceasta este necesar un debit mare de apă întrucât nu se realizează un grad mare de încălzire. Este indicat ca acest tip de absorber să se utilizeze împreună cu turnuri de răcire. 31

32 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Absorber cu barbotare cu panouri din tablă (ABPT) Figura Absorber cu barbotare cu panouri din tablă. a. schemă; b. dispunerea panourilor. 1. panou ştanţat; 2. ţeava superioară a ramei; 3. capăt obturat; 4. tuburi laterale oarbe ale ramei; 5. ţeava inferioară a ramei pentru soluţie săracă; 6. ţeavă de vapori; 7. distribuitor de vapori; 8. colector de soluţie bogată; 9. distribuitor de soluţie săracă Absorberul (Figura 19.24) este compus din panouri separate, fiecare panou având o ramă din ţevi. Ţevile longitudinale orizontale sunt găurite pe întreaga lungime. Elementul format din tablă ştanţată gofrată se sudează în ramă astfel încât să formeze cu ţevile superioară şi inferioară adiacente un volum închis, în care curge soluţia. Capetele deschise ale tuburilor 2 sunt unite cu colectorul 8. În fiecare ţeavă inferioară 2 a ramei este sudată o ţeavă 6 cu diametrul mai mic; la partea superioară a ei, pe toată lungimea sunt prevăzute orificii. Ţevile inferioare, inclusiv racordurile montate în ele sunt legate între ele prin colectoarele 7 şi 9. Vaporii de amoniac sunt trimişi prin colectorul 7 în ţevile cu diametru mai mic, iar soluţia săracă intră în spaţiul inelar al ţevilor inferioare. Soluţia bogată din colectorul 8 este trimisă în rezervor. Apa de răcire spală panourile unul după altul (în serie). Pentru trecerea ei, în fiecare ramă se prevede o deschizătură. În aparatul montat, deschizăturile din două rame alăturate sunt dispuse la capete opuse. Panourile se etanşează cu garnituri de cauciuc şi sunt presate între două table groase exterioare cu ajutorul şuruburilor. 32

33 În IFA la care apa circulă în serie prin condensator, absorber şi deflegmator, este raţională construcţia unui bloc comun, răcit cu apă (Figura 19.25). Panourile din tablă ale diferitelor aparate sunt presate numai între două table groase exterioare ceea Absorbere Figura Bloc comun condensator, absorber şi deflegmator, răcit cu apă. 1. absorber; 2. condensator; 3, 4. plăci de capăt; 5. deflegmator ce micşorează masa instalaţiei. Apa circulă printre toate panourile condensatorului, apoi spală panourile absorberului şi apoi ale deflegmatorului. Refluxul, după deflegmator, se scurge liber în GV şi din această cauză blocul trebuie montat deasupra lui. Masa blocului este de două ori mai mică decât a unui aparat multitubular în manta Absorber cu barbotare şi pelicular (ABP) Aparatul (Figura 19.26) este format dintr-o manta la capetele căreia sunt sudate plăcile tubulare. Cutia de stropire, care este sudată la interiorul plăcilor tubulare, împarte suprafaţa de transfer de căldură a ţevilor în două părţi. Ţevile situate între manta şi cutie lucrează ca la absorberul cu barbotare, iar cele din interiorul cutiei funcţionează ca la absorberul pelicular. Pe toată lungimea capacului cutiei sunt practicate orificii prin care soluţia se scurge pe ţevi. Soluţia săracă este trimisă deasupra barbotoarelor, sudate de pereţii laterali ai cutiei şi mantalei, ca ulterior sa curgă în partea peliculară din cutie; soluţia bogată se scurge în rezervor. Vaporii de amoniac sunt trimişi sub barbotoare şi sunt parţial absorbiţi în soluţie prin barbotare, şi apoi intră prin tuburile 1 în partea peliculară a aparatului unde sunt absorbiţi complet de către soluţie. Numărul şi diametrul orificiilor de stropire din capacul cutiei se calculează astfel încât nivelul soluţiei deasupra cutiei să fie de mm. 33

34 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Suprafaţa de transfer de căldură a aparatului este amplasată într-un singur corp. Suprafaţa plăcilor tubulare se utilizează aproape complet (înălţimea volumului de vapori este de 0,1 0,05 din diametrul corpului). Suprafaţa peliculară se determină considerând că densitatea de stropire să nu fie mai mică decât 200 l/(m h). Suprafaţa de transfer de căldură a absorberului lucrează foarte intens, întrucât cutia îmbunătăţeşte condiţiile de funcţionare a părţii cu barbotare a aparatului deoarece creşte turbulenţa Figura Absorber cu barbotare şi pelicular. 1. racord intrare vapori în cutie; 2. manta; 3. cutie pentru distribuţie peliculară; 4. barbotoare; 5. tub scurgere sol bogată; 6. distribuitor soluţie săracă soluţiei şi se micşorează zonele moarte sau mai puţin intense. Datorită utilizării mai complete a suprafeţei plăcii tubulare şi a unui coeficient de transfer de căldură mai bun, masa aparatului este puţin mai mică decât a APE. Subrăcirea soluţiei bogate în acest tip de absorber este aproximativ aceeaşi cu cea din cel pelicular: 1,5 2 C Dimensionarea absorberelor. Schimbul de căldură la absorbere Pentru proiectarea unui absorber [2 pg 138], al cărui sistem constructiv se adoptă, este necesară determinarea suprafeţei de transfer de căldură: S a = Φ a k Δt m (1.15) Diferenţa medie de temperatură Δt m nu se poate calcula întotdeauna ca medie logaritmică între soluţie şi apă. Apa se încălzeşte în general uniform, dar soluţia săracă nu se răceşte uniform. Când soluţia săracă 34

35 Absorbere intră subrăcită în absorbitor, la început se încălzeşte şi apoi se răceşte. Pentru calculul exact al diferenţei trebuie determinate grafic cele două temperaturi ale agenţilor de-a lungul suprafeţei de transfer de căldură. Diferenţa reală poate fi mai mare sau mai mică decât cea medie logaritmică. Coeficientul global de transfer de căldură al absorberului depinde de rezistenţa termică de partea soluţiei absorbante şi de partea apei de răcire. Cu cât sunt mai mici aceste rezistenţe termice, cu atît mai eficient va lucra suprafaţa de transfer de căldură. Se vor considera şi rezistenţele termice ale depunerilor. Cel mai greu aparat al IFA este absorberul, şi din această cauză, creşterea intensităţii de funcţionare a suprafeţei lui de transfer de căldură are o importanţă deosebită. În afară de aceasta, printr-o cedare mai intensă a căldurii de absorbţie se micşorează simţitor subrăcirea lichidului, care, după cum este cunoscut, provoacă absorbţia incompletă şi în legătură cu aceasta creşterea factorului de recirculare a soluţiei. Prin aceasta se înrăutăţesc performanţele energetice, creşte puterea pompei de circulaţie a soluţiei, ş.a.m.d Convecţia de partea apei Pentru răcirea absorberelor se foloseşte apă: de adâncime (8 14 C), de rîu (vara) (20 25 C), de turn (25 30 C), de mare (20 25 C). Viteza apei în absorbere se adoptă de obicei între 0,5 1,5 m/s. Vitezele mai mari determină pierderi mai ridicate de presiune, ceea ce duce la un consum mai ridicat de energie electrică pentru recircularea apei; totuşi micşorarea rezistenţei termice de partea apei este neînsemnată. Coeficientul de convecţie de la perete la apă în curgere turbulentă în ţevi se calculează cu relaţia lui Kraussold: Nu = α w d i λ = 0,024 Re0,8 Pr n (1.16) Experimental, n = 0,37 la încălzirea lichidului şi n = 0,30 la răcire. În absorber are loc întotdeauna încălzirea apei şi în acest caz coeficientul de convecţie este: α w = 0,024 λ d i Re 0,8 Pr 0,37 (1.17) Dacă se consideră valorile proprietăţilor termofizice ale apei (λ,ν, şi a), atunci în intervalul de temperatură 0 60 C se poate considera: α w = 2070 w 0,8 /d i 0,2 [W/(m 2 grd)] (1.18) 35

36 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală În absorberele în care apa curge pelicular pe suprafaţa de răcire, coeficientul de convecţie se poate calcula cu: relaţia lui Adams pentru stropirea ţevilor orizontale: α wp = K Γu 0,39 0,61 d (1.19) unde: Γ u - coeficient de stropire, kg/(m h), K - constantă ce depinde de diametrul ţevii: pentru d = 1": K = 762, pentru d = 2 4": K = 948. Domeniul de aplicabilitate al relaţiei este pentru temperaturi ale apei de C, Γ u = kg/(m h); s-au obţinut valori ale lui α = W/(m 2 grd)] relaţia lui Sexauer pentru curgere peliculară pe/în ţevi verticale: Nu = K Re 0,5 Pr 0,15 (H/H 0 ) 0,935 (1.20) unde Re = Γ u ; pentru ţevi din oţel K = 137, iar pentru ţevi din cupru K = η 189. Înlocuind în relaţia lui Sexauer valorile proprietăţilor termofizice ale apei (λ,ν, şi a), atunci în intervalul de temperatură 0 40 C se poate considera: pentru ţevi din oţel: α wp = 2675 Γ u 0,5 H -0,05 (1+0,01442 θ) [W/(m 2 grd)], pentru ţevi din cupru: α wp = 3675 Γ u 0,5 H -0,05 (1+0,01442 θ) [W/(m 2 grd)] unde: Γ u - densitatea de stropire a ţevilor (după suma periferiilor tuturor ţevilor), kg/(m s); H - înălţimea ţevilor, m; θ = t p - t w - diferenţa de temperatură dintre perete şi apă. În Figura d = ct se 160 C 10 C prezintă d creste t = ct. dependenţa lui α wp în funcţie de Γ u, temperatura t creste apei de răcire, materialul lungimea ţevii. Nomograma este şi construită după relaţia 10 mm 0.5 mm otel cupru α wp, W/(m 2 K) w v creste Γ u, kg/(mh) Figura Nomogramă pentru determinarea coeficientului de convecţie de la perete la apă la curegerea peliculară în ţevi verticale 36

37 Absorbere (1.20) pentru α wp, aplicabilă la valori ale lui Re mai mari decât cel critic. În intervalul de temperatură indicat, Re cr 580. Liniile continui corespund domeniului de curgere turbulentă a peliculei, iar cele punctate curgerii laminare sau tranzitorii a peliculei, linii care nu pot fi utilizate pentru determinarea lui α wp. Astfel, la o temperatură a apei de 25 C, densitatea minimă de stropire la care se poate folosi relaţia (1.20) este de 1500 kg/(m h). Pentru ţevi din oţel cu înălţimea de 5 m şi t w = 25 C se obţin valorile din Tabelul Tabelul 19.4 Γ u kg/(m h) α wp W/(m 2 grd) Convecţia de partea soluţiei absorbante Aceasta este mult mai intensă în aparatele peliculare decât în alte tipuri constructive. Rezistenţa termică de partea soluţiei este întotdeauna mai mare decât de partea apei. La curgerea soluţiei sub formă de peliculă valoarea lui α s depinde de densitatea de stropire Γ u, care determină regimul de curgere (turbulent, tranzitoriu sau laminar) şi gradul de udare a suprafeţei. Pentru Γ u mai mic de 140 l/(m h) este posibil să apară ruperea peliculei şi dezgolirea suprafeţei de transfer de căldură. Din această cauză, în absorberele peliculare Γ u se adoptă mai mare de 200 l/(m h), dar nu mai mic de 160 l/(m h). Pentru determinarea lui α s de la soluţie la peretele absorberului pelicular cu ţevi verticale se pot utiliza nomograme. Coeficientul de convecţie depinde aici de concentraţia şi temperatura soluţiei, de densitatea de stropire şi de înălţimea ţevilor. La concentraţia ξ = 30% şi temperatură constantă, valoarea lui α s este minimă. Creşterea sau micşorarea lui ξ faţă de 30% conduce la creşterea lui α s, fapt legat de reducerea viscozităţii soluţiei hidroamoniacale. La creşterea densităţii de stropire se măreşte turbulizarea peliculei, ceea ce contribuie la un schimb de căldură mai bun. Influenţa lui Γ u asupra lui α s în funcţie de ξ, este prezentată în la 48 Conc, %=ct. 20 la Gama u, kg/(mh) Figura Influenţa lui Γ u asupra lui α s în funcţie de ξ, la temperatura soluţiei de 30 C şi lungimea ţevii de 1 m 37 30

38 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Figura Pentru aceeaşi valoare a lui Γ u mărimea lui α s este maximă pentru amoniac şi minimă pentru ξ = 30%. Creşterea lui α s în funcţie de Γ u într-o diagramă logaritmică are un caracter liniar. La creşterea înălţimii ţevii convecţia de partea soluţiei se înrăutăţeşte întrucâtva. În absorberele peliculare verticale ale firmei Borsig, densitatea de stropire de partea apei este de kg/(m h), iar de partea soluţiei kg/(m h). Valorile lui α s la curgerea peliculară a soluţiei pe ţevi orizontale nu au fost determinate nici teoretic, nici experimental. Valorile lui α w la curgerea peliculară a apei, care se cunosc, dau pentru soluţie rezultate oarecum mai mari. α s = ϕ Γ u 0,4 [W/(m 2 grd)] (1.21) unde ϕ depinde de diametrul ţevii; pentru Φ = 1"/2"/4": ϕ = 125/112/75,6. Domeniul de variaţie a lui Γ u = kg/(m h). În afară de aceasta, după datele lui van der Pfleg, pentru apa pură: α w = 172 (Γ u /d e ) 1/3 [W/(m 2 grd)] (1.22) Considerând proprietăţile termofizice ale soluţiei: α s = α w c λ s w λ w ρ w η s unde indicele "s" se referă la soluţie iar "w" la apă. c s 0,4 ρ s 0,67 0,33 η w (19.23) Pentru absorberele cu barbotare coeficientul de convecţie de la soluţie la peretele ţevii depinde de densitatea de flux termic q s. Este cunoscută următoarea relaţie: α s = 23,12 q s 0,425 [W/(m 2 grd)] (1.24) În acest caz q s a variat între W/m 2. Valorile coeficientului global de transfer de căldură k, intre soluţie şi apă, pentru diferite tipuri de absorbere sunt prezentate în Tabelul Tabelul 19.5 Valorile coeficientului global de transfer de căldură k pentru diferite tipuri de absorbere Tip absorber Dens de stropire, Γ u Dens de flux termic q s W/m 2 Coef global TQ, k W/(m 2 grd) Obs. Absorber 550 l/(m h) 581 w w = 0,7 0,8 m/s pelicular ţevi Φ38x3,5 cu serpentină în manta ξ s = 0,13 0,21 38

39 Economizoare - schimbătoare de căldură pentru soluţii (APSM) ξ b = 0,17 0,30 Absorber 50 kg/(m h) 349 w w = 1,4 1,8 m/s pelicular elem cu cite 182 ţevi cu elemente ţevi Φ25x3 şi l = 6 m orizontal ξ s = 0,13 0,17 (APE) ξ b = 0,17 0,25 Absorber 130 l/(m h) 372 w w = 0,45 m/s cu barbotare ţevi Φ38x3 şi pelicular ξ s = 0,22 0,25 (ABP) ξ b = 0,27 0, w w = 0,45 0,65 m/s Absorber elem 99 ţevi Φ25x3 cu barbotare ξ s = 0,126 0,245 cu elemente ξ b = 0,163 0, Tip absorber Tabelul 19.6 Valorile lui k după Plank Viteza apei, w m/s Dens de stropire, Γ u kg/(m h) Dens de flux termic, q s W/m 2 Coef global TQ, k W/(m 2 grd) 0, Bitubular 1, , Cu barbot oriz 0, Vertical pelicular cu Γ u = kg/(m h) pe partea apei Economizoare - schimbătoare de căldură pentru soluţii Rol: Preîncălzirea soluţiei bogate înainte de intrarea în generatorul de vapori până la o temperatură apropiată de temperatura de fierbere şi răcirea soluţiei sărace înainte de intrarea în absorber [1 pg 210]. Scop: se micşorează sarcina termică a GV şi deci consumul de abur de încălzire în GV, (suprafaţa, dimensiunile şi masa GV). creşte coeficientul de performanţă (frigorific-ε) şi randamentul exergetic (η ex ); se micşorează sarcina termică şi deci suprafaţa de schimb de căldură, masa, gabaritul şi consumul de apă de răcire pentru absorber (respectiv pentru TR). 39

40 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Construcţie Figura SC cu elemente 1. corp element; 2. ţeavă; 3. element Aparatele se construiesc sub formă de SC cu elemente sau ţeavă în ţeavă. SC cu elemente (SCE) se folosesc când în fiecare element se pot asigura soluţiilor săracă şi bogată viteze de minim (0,5 0,6) m/s. Pentru viteze mai mici se folosesc SC ţeavă în ţeavă în contracurent. Pentru micşorarea pierderilor termice şi obţinerea unor viteze mai mari soluţia săracă fierbinte (care are şi debit masic şi volumic mai mic) circulă prin ţevi, iar soluţia bogată (mai rece) circula prin spaţiul dintre ţevi (de obicei longitudinal). La factori mici de circulaţie este posibilă fierberea soluţiei bogate şi din această cauza alimentarea aparatului se face la elementul inferior şi se scoate la elementul superior (în acest caz sensurile de curgere a amestecului lichid - vapori şi a soluţiei coincid). Dacă SC este format din mai multe secţii legate în serie, atunci soluţia bogată va circula astfel încât în ultima secţie, unde este posibilă începerea fierberii direcţia de curgere a soluţiei să fie de jos în sus. Soluţia săracă circulă în contracurent cu soluţia bogată. SCE (Figura 19.29) este format din elemente multitubulare în manta separate, legate în serie. În element sunt dispuse nu mai puţin de 5 7 ţevi, mandrinate în placa tubulară. Fiecare din cele 5 secţii ale aparatului are 5 elemente fixate cu coliere de rame, sudate din oţel cornier. Soluţia bogată intră în spaţiul dintre ţevi, parcurge în serie fiecare element începând cu secţia inferioară până la secţia superioară a SC. 40

41 Economizoare - schimbătoare de căldură pentru soluţii Soluţia săracă curge prin interiorul ţevilor în contra curent cu soluţia bogată de sus în jos. Un SCE pentru o instalaţie cu puterea de 580 kw (la t 0 = -45 C şi t k = 32 C) este format din două secţii verticale, în fiecare din ele existând câte opt elemente. Într-un element sunt dispuse 42 ţevi cu Φ23x2 mm, diametrul corpului 273x7 mm şi lungimea de 7000 mm. Suprafaţa de schimb de căldură a aparatului este 312 m 2, masa: 12 t. SC ţeavă în ţeavă (SCTT) pentru o IFA cu putere de 58 kw (t 0 = -40 C, t k = 30 C) este format din trei secţii legate în paralel. Diametrul ţevilor exterioare 57x3,5, iar al celor interioare 38x3. Gabaritul aparatului; lungimea 4090 mm; laţimea 510 mm; înălţimea 3210 mm. Soluţia bogată circulă în spaţiul inelar de jos în sus, iar soluţia săracă circulă în contracurent prin ţevile interioare. În instalaţiile unde deflegmarea vaporilor de amoniac se realizează cu soluţia bogată rece, nu se reuşeşte să se răcească suficient soluţia săracă în SC. Ca urmare se măreşte sarcina termică a absorberului. În acest caz se foloseşte un răcitor cu apă pentru soluţie săracă, ceea ce conduce la îmbunătăţirea procesului de absorbţie (se măreşte forţa sa motrice) şi se micşorează consumul de metal al instalaţiei (coeficientul global de schimb de căldură al răcitorului este cu mult mai mare decât al absorberului). Subrăcitoare cu apă pentru soluţia bogată se folosesc în cazul când este posibilă apariţia fierberii (degazării), având ca urmare întreruperea (distrugerea, funcţionării normale a pompei de soluţie hidroamoniacală şi a întregii instalaţii. În acest caz se măreşte consumul de abur de încălzire şi, prin urmare, se micşorează eficienţa instalaţiei, dar, în acelaşi timp, creşte siguranţa ei în funcţionare. 41

42 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală 42

43 Subrăcitoare Calculul aparatului Coeficientul de convecţie de partea soluţiilor (săracă şi bogată) se determina cu relaţia lui Kraussold: α s = 0,024 λ d i Re 0,8 Pr n (19.25) Valorile lui n sunt: 0,37 pentru soluţia bogată şi 0,3 pentru soluţia săracă. Parametrii fizici pentru soluţie se adoptă în funcţie de concentraţie şi temperatura medie. Niebergall a construit o nomogramă pentru determinarea lui α. Cunoscând temperatura iniţială şi finală, concentraţia, diametrul echivalent şi viteza, se poate determina după diagramă, coeficientul de convecţie de partea soluţiei sărace sau bogate (Figura 19.30). În condiţii egale, mărimea lui α s va fi mai mică pentru ξ = % ca urmare a valorii maxime a viscozităţii soluţiei. Cu cât sunt mai mari vitezele şi mai ridicate temperaturile la intrarea şi ieşirea soluţiilor şi cu cât este mai mic diametrul echivalent, cu atât α s este mai mare Subrăcitoare Figura Subrăcitor cu elemente cu vapori reci. 1. nervuri longitudinale; 2. cot; 3. ţeavă interioară; 4. ţeavă exterioară Rol: subrăcirea amoniacului lichid înaintea ventilului de laminare pe baza supraîncălzirii vaporilor reci la ieşirea din vaporizator (schimbător intern regenerator de frig). Scop: Se măreşte capacitatea frigorifică specifică a agentului fără a consuma agent de încălzire; creşte coeficientul frigorific, randamentul energetic; se micşorează debitele de agent frigorific şi de soluţii în instalaţie; creşte sarcina termică a absorberului, debitul de apă de răcire, suprafaţa de schimb de căldură, masa şi gabaritul aparatului. 43

44 Instalaţii frigorifice cu absorbţie cu soluţie hidroamoniacală Construcţie Aparatele SC se construiesc sub formă de elemente multitubulare în manta sau "ţeavă în ţeavă" care funcţionează în contracurent. Aparate mai compacte şi cu consum mai redus de metal sunt cele cu elemente bitubulare cu nervuri longitudinale ale ţevilor interioare. Se poate astfel mări şi viteza agentului frigorific lichid (NH 3 ), având ca rezultat creşterea coeficientului global de schimb de căldură. Subrăcitorul de agent pentru o IFA de 580 kw este format din două elemente bitubulare legate în serie (Figura 19.31). Pe ţeava interioară cu dimensiunile de Φ 89x4 mm sunt sudate 18 nervuri longitudinale cu grosimea de 1,5 mm şi înălţimea de 80 mm. Diametrul ţevii exterioare este de 273x7 mm. Masa aparatului este 1055 kg. Suprafaţa de schimb de căldură a nervurilor şi ţevilor interioare este de cca 68 m 2. Figura Subrăcitor cu elemente cu vapori reci. 1. element; 2. corp; 3. ţeavă Un subrăcitor cu elemente pentru o IFA cu puterea de 116 kw (Figura 19.32) este format din 6 elemente legate în serie, fiecare element, cu dimensiunile de 133x4 mm, având 7 ţevi cu diametru de 25x3 mm. Suprafaţa totală a aparatului este 13 m 2, iar masa de 860 kg. 44