Испарители · Принцип работы

Принцип работы кожухотрубного испарителя

Фазовый переход хладагента, зоны кипения, схемы затопленного и DX-испарителя — детальный разбор с формулами и примером расчёта

S22 · Теплообменное оборудование Обновлено: март 2026 Читать: 16 мин

800–1800Вт/м²·К — K затопленного

400–900Вт/м²·К — K DX-испарителя

3–8°Cперегрев хладагента на выходе

70–80%заполнение межтрубного пространства

Что происходит в испарителе

Кожухотрубный испаритель — теплообменный аппарат, в котором жидкий хладагент при низком давлении кипит и испаряется, поглощая тепло от охлаждаемой среды (воды, рассола). Процесс основан на фазовом переходе: при кипении хладагент поглощает теплоту испарения — в 5–10 раз больше, чем при жидкостном охлаждении на ту же разницу температур.

Хладагент поступает в испаритель после расширительного устройства (ТРВ или EEV) при низком давлении — давлении кипения. Здесь он встречает трубки с горячей охлаждаемой средой и начинает кипеть. Пар уходит к компрессору, который повышает давление и направляет его в конденсатор — цикл замыкается.

Ключевое отличие от охладителя

В охладителе оба теплоносителя — жидкости, нет фазового перехода. В испарителе хладагент кипит при постоянной температуре T_кип, что обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи и компактность аппарата.

Два типа: затопленный vs DX

Затопленный (Flooded)

Хладагент: в межтрубном пространстве
Среда: внутри трубок
Коэффициент K: 800–1800 Вт/м²·К
Заполнение: 70–80% жидкостью
Управление: поплавковый клапан
Заправка: больше хладагента
Перегрев: 0–2°C (паровое пространство)
Применение: промышленные чиллеры, NH₃

Сухое расширение (DX)

Хладагент: внутри трубок
Среда: в межтрубном пространстве
Коэффициент K: 400–900 Вт/м²·К
Заполнение: постепенное испарение
Управление: ТРВ / EEV по перегреву
Заправка: меньше хладагента
Перегрев: 3–8°C (контролируется ТРВ)
Применение: чиллеры до 500 кВт, HFC

Зоны кипения в DX-испарителе

В испарителе с сухим расширением хладагент проходит три зоны:

Зона охлаждения жидкости (subcooling → flash)

На входе паро-жидкостная смесь после ТРВ (x ≈ 0,15–0,25). Быстрое испарение flash-газа. Зона занимает 10–15% длины трубки. Коэффициент теплоотдачи α₁ = 2000–4000 Вт/м²·К.

Зона кипения (nucleate/convective boiling)

Основная зона — 70–80% длины. Смесь жидкость+пар кипит в режиме пузырькового и плёночного кипения. Коэффициент α₂ = 2500–8000 Вт/м²·К (пузырьковое кипение). Степень сухости x растёт от 0,2 до 0,95.

Зона перегрева пара (superheating)

Последние 10–15% — хладагент уже в виде пара, перегревается на 3–8°C выше T_кип. Коэффициент α₃ = 200–600 Вт/м²·К (значительно ниже). ТРВ регулирует перегрев по датчику температуры.

Важно: зона перегрева снижает эффективность

Зона перегрева с низким коэффициентом теплоотдачи занимает ту же поверхность, что и зона кипения с высоким K. Для минимизации — поддерживать минимально безопасный перегрев 3–5°C. При перегреве 15°C и выше — значительные потери эффективности.

Расчёт: пример для чиллера 500 кВт

F = Q / (K × LMTD)

Основная формула расчёта площади теплообмена испарителя

Q — тепловая нагрузка (кВт) K — коэффициент теплопередачи (Вт/м²·К) LMTD — средний логарифмический температурный напор (К) F — площадь теплообмена (м²)

Исходные данные

Тепловая нагрузка Q

500 кВт

охлаждение воды

Хладагент

R134a

затопленный тип

T кипения

+2°C

давление 3,12 бар

Вода вход/выход

12→7°C

расход 86 м³/ч

Расчёт LMTD

Для затопленного испарителя хладагент кипит при постоянной T_кип = 2°C:

ΔT₁ = 12 − 2 = 10 К; ΔT₂ = 7 − 2 = 5 К

LMTD = (10 − 5) / ln(10/5) = 5 / 0,693 = 7,2 К

Расчёт площади

F = 500 000 / (1200 × 7,2) = 57,9 ≈ 60 м²

K = 1200 Вт/м²·К — для затопленного испарителя на R134a

Плюс запас 20–25%: принимаем F_расч = 72–75 м² → типоразмер с площадью ~80 м²

Расход воды

G = Q / (c × ρ × ΔT) = 500 / (4186 × 1 × 5) = 23,9 кг/с = 86 м³/ч

Сравнительные характеристики хладагентов

Хладагент	T_кип при 1 атм, °C	Теплота испарения, кДж/кг	Давление кипения (2°C), бар	Применение
R134a	−26,4	196	3,1	Чиллеры, кондиционеры
R410A	−51,5	218	9,8	Кондиционеры, чиллеры
R407C	−43,8	209	5,9	Чиллеры (замена R22)
R717 (NH₃)	−33,3	1370	5,8	Промышленные холод. установки
R744 (CO₂)	−78,4	321	39,7	Низкотемпературные, транскрит.
R1234ze	−19,0	184	3,0	Экологические чиллеры

Коэффициенты теплопередачи: справочные данные

Тип испарителя	Хладагент	Охлаждаемая среда	K, Вт/м²·К	Примечание
Затопленный (flooded)	R134a	Вода в трубках	1000–1800	Трубки с накатным профилем
Затопленный (flooded)	NH₃	Вода в трубках	1200–2000	Высокая теплота испарения
DX	R134a	Вода в межтрубном	500–900	Гладкие трубки
DX	R410A	Вода в межтрубном	600–1000	Высокое давление → лучший теплообмен
Рассольный	NH₃	Рассол в трубках	600–1000	Вязкость рассола снижает α

Уровень хладагента в затопленном испарителе

Правильный уровень жидкого хладагента — ключевой параметр затопленного испарителя. Управляется поплавковым клапаном или электронным регулятором.

Уровень заполнения	Последствия	Решение
Менее 60%	Верхние трубки оголены, снижение площади теплообмена, рост T выхода воды	Увеличить подачу хладагента, проверить ТРВ
70–80% (норма)	Оптимальная работа. Все трубки омываются жидким хладагентом	—
Более 85%	Захват капель жидкого хладагента паром → гидроудар в компрессоре	Снизить подачу, проверить поплавок, осушитель

Влияние накипи и загрязнений

Накипь на трубках испарителя — главный враг коэффициента теплопередачи. Тонкий слой накипи резко снижает эффективность:

Толщина накипи, мм	λ накипи, Вт/м·К	Дополнительное сопр. Rf, м²·К/Вт	Снижение K, %
0,1	1,5 (карбонат)	6,7×10⁻⁵	≈8%
0,3	1,5	2×10⁻⁴	≈19%
0,5	1,5	3,3×10⁻⁴	≈28%
1,0	1,5	6,7×10⁻⁴	≈45%

При загрязнении испарителя температура кипения хладагента снижается (компрессор вынужден работать при более низком давлении для поддержания температуры воды), расход электроэнергии растёт на 2–4% на каждые 1°C снижения T_кип.

Подбор кожухотрубного испарителя

Рассчитаем площадь, выберем типоразмер, подготовим КП

Запросить подбор

Часто задаваемые вопросы

В испарителе давление хладагента поддерживается ниже давления насыщения для данной температуры. Хладагент поступает после дросселирования (расширительного клапана) при низком давлении и начинает кипеть, отнимая тепло испарения от охлаждаемой среды.

Теплота испарения (latent heat) — количество тепла, поглощаемое при переходе жидкости в пар при постоянной температуре. Для R134a это около 200 кДж/кг, для аммиака — 1370 кДж/кг. Это в 5–10 раз больше теплоёмкости при жидком охлаждении, поэтому испарители очень компактны.

Затопленный (flooded): хладагент кипит в межтрубном пространстве, охлаждаемая среда в трубках. Коэффициент теплопередачи K = 800–1800 Вт/м²·К. DX (dry expansion): хладагент кипит в трубках, охлаждаемая среда снаружи. K = 400–900 Вт/м²·К. Затопленный эффективнее, DX — проще и дешевле.

Степень сухости x — доля пара в паро-жидкостной смеси хладагента (от 0 — чистая жидкость, до 1 — сухой пар). На входе в DX-испаритель x ≈ 0,15–0,25, на выходе x = 1,0–1,05 (перегрев 3–5°C). В затопленном испарителе на выходе x = 0,95–0,98.

Перегрев на 3–8°C гарантирует полное испарение хладагента перед компрессором — жидкий хладагент в компрессоре вызывает гидроудар и разрушение клапанов. Контролируется терморегулирующим вентилем (ТРВ/EEV) по температуре и давлению на всасывающем трубопроводе.

F = Q / (K × LMTD), где Q — тепловая нагрузка (кВт), K — коэффициент теплопередачи (Вт/м²·К), LMTD — средний логарифмический температурный напор (К). Для затопленного чиллера: Q=500 кВт, K=1200 Вт/м²·К, LMTD=5 К → F = 500000/(1200×5) = 83 м².

Обмерзание трубных решёток снаружи происходит при температуре хладагента ниже 0°C и влажном воздухе. Для водяных испарителей обмерзание исключено, если T_кип выше 0°C. При рассольных системах T_кип = -10 до -20°C — антифризный рассол защищает от замерзания охлаждаемой среды.

В испарителе хладагент кипит при постоянной температуре T_кип. Поэтому LMTD = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), где ΔT₁ = T_вода_вх − T_кип, ΔT₂ = T_вода_вых − T_кип. Пример: вода 12→7°C, T_кип = 2°C: ΔT₁=10, ΔT₂=5 → LMTD = 5/ln(2) = 7,2 К.

В затопленном испарителе хладагент подаётся снизу, кипит и поднимается вверх в виде паро-жидкостной смеси. Паровое пространство в верхней части кожуха (10–20% объёма) позволяет отделить пар от жидкости. Жидкость рециркулирует или удерживается уровнем, пар уходит к компрессору через верхний патрубок.

Коэффициент заполнения — отношение объёма жидкого хладагента к объёму межтрубного пространства. Для затопленных испарителей: 70–80%. Слишком высокий уровень (более 85%) → захват капель жидкости компрессором. Слишком низкий (менее 60%) → оголение верхних трубок → снижение КПД.