Розрахунок холодильнику конденсатору для холодильної установки помірного холоду

Дніпродзержинський технологічний коледж

Дніпродзержинського Державного технічного університету

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до розрахункової частини курсового проекту з предмету “Процесі і апараті хімічних виробництв”

з теми

Розрахунок холодильнику конденсатору для холодильної установки помірного холоду

3 РОЗРАХУНКИ

Вихідні дані

Масові витрати розчину NaCl, m_t = 6 кг/с

Масова частка NaCl у розчині, ;

Температура розчину NaCL,

- початкова - кінцева мінус 1 ^оС;

Температура холодильного агенту (NH₃),

- у конденсаторі - у випарувачі мінус 10 ^оС;

Температура води у конденсаторі,

- початкова - кінцева 25 ^оС;

Переохолодження холодильного агенту,

3.1 Матеріальний розрахунок

АТ1 КД1

4 3 2

ВД1 КМ1

5 ИП1 1

Розчин NaCl

Рисунок 2.1 Схема реальної компресійної машини

Холодильна потужність установки, яка потрібна для охолодження розчину NаCl з масовою часткою 15 % від 4^оС до мінус 1^оС, визначається як тепловий потік, що підводиться до холодильного агенту – аміаку в випарувачі, тобто за формулою:

де с – питома теплоємкість розчину NaCl, Дж/(кг К)

с = 3543 Дж/(кг К)

Вт

Користуючись тепловою діаграмою в координатах Т – S, визначаємо параметри холодильного агенту – амоніаку в характерних точках циклу (дивись рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 Т – S діаграма для аміаку.

Перерахунок вСИ: 1 кгс/см² = 9,81· 10⁴ Па; 1 ккал/кг = 4,19 · 10³ Дж/кг

Таблиця 2.1 – Параметри холодильного агенту в характерних точках циклу

Параметри			2`
t, oC	- 10					- 10
P,МПа	0,1891	1,6100	1,6100	1,6100	1,6100	0,1891
і, кДж/кг

Питомий об»єм сухої пари аміаку

- при мінус 10^оС та 0,1891МПа - м³/кг

- при 30^оС та 1,6100 МПа - м³/кг [6, табл. 1.5]

Питома холодопотужність 1 кг аміаку

кДж/кг

Масові витрати аміаку, що циркулює:

кг/с або 338 кг/год

Об»ємні витрати аміаку, що всмоктується компресором,

м³/с або 0,5 кг/год

Тепловий еквівалент роботи стискання у компресорі:

кДж/кг

Холодильний коефіцієнт установки:

3.2 Технологічний розрахунок конденсатору

3.2.1 Вибір конструкції, пристрій та принцип дії конденсатору

У конденсаторі пари аміаку зріджуються. Теплота перегріву й конденсації відводиться водою. Виходячи з призначення процесу для його проведення потрібний поверховий теплообмінник.

Поверхневі теплообмінники класифікують по способі утворення поверхні теплопередачі, розрізняють трубчасті, пластинчасті, трубчасті реброві теплообмінники, теплообмінники «труба у трубі» й інші види. Найбільш широке застосування для охолодження й конденсації пару одержали теплообмінники із трубчастою поверхнею – кожухотрубчаті теплообмінники. Вони компактні, не металоємні, у них можливе досягнення високих швидкостей теплоносія при невеликій їхній витраті, вони прості в обслуговуванні й ремонті, тому в курсовому проекті приймаємо саме цей тип теплообмінника.

Кожухотрубчаті теплообмінники уявляють собою пучок труб, закріплений у трубних ґратах шляхом розвальцьовування, пайки або зварювання. Пучок труб розміщають у середині загального кожуха. Зверху й знизу корпуса, за допомогою фланцевих з'єднань до нього кріпляться кришки. Кришки й внутрішня поверхня труб утворять трубний простір, а простір між кожухом і зовнішньою поверхнею труб називається міжтрубним. Один теплоносій рухається по трубному просторі, а інший теплоносій - по міжтрубному. Для збільшення швидкості руху теплоносія як у трубному, так й у міжтрубному просторі встановлюють перегородки, що дозволяють збільшити шлях руху теплоносія, а тим самим час його перебування в апарату. Для компенсації температурних подовжень труб, у випадку значної різниці температур між теплоносіями, в апарату можуть бути передбачені різного роду компенсатори.

Приймаємо до розрахунку горизонтальний кожухотрубчатий конденсатор. Напрямок руху теплоносіїв; аміак – у міжтрубний простір, а вода, що охолоджує – у трубний.

3.2.2 Тепловий розрахунок та елементи конструктивного розрахунку апарату

Розглянемо температурні умови процесу на рисунку 2.3

t₂

t₃ аміак

Q₁

t_к

Q₂

t_п вода

зона охолодження зона конденсації

Рисунок 2.3 Розрахунок поверхні теплообміну конденсатору

Теплове навантаження конденсатору

Вт

Вт

Вт

Масові витрати води, яка охолоджує:

кг/с

де - питома теплоємкість води, Дж/(кг К).

Температурні умови процесу. Температура воді на початку зони конденсації складає:

^оС

Знаходимо середню різницю температур по зонам:

- зона охолодження

112 ® 30

25 24

87 6

^оС

- зона конденсації

30 ® 30

24 20

6 10

^оС

Визначимо режим руху води у трубах. Розрахуємо кількість труб діаметром 25 Х 2,5 мм потрібно на один хід у трубному просторі при турбулентному русі води. Із формул:

й

визначаємо

де Па с – динамічна в»язкість води при середній
температури:

^оС

Приймаємо до розрахунку восьмі ходовий конденсатор типу КТГ

з n = 27, n_заг = 216 та D_вн = 600 мм [9, с 45 - 46]

Знаходимо критерій Рейнольдса:

=

Отже режим руху стійкий турбулентний.

Визначимо коефіцієнт тепловіддачі для води.

[1, с. 283]

Для зони охолодження ^оС

Вт/(м К) [7, рис Х]

[7, рис ХІІІ]

Вт/(м² К)

Для зони конденсації ^оС

Вт/(м К) [7, рис Х]

[7, рис ХІІІ]

Вт/(м² К)

Визначимо коефіцієнти тепловіддачі для аміаку

Зона охолодження перегрітої пари:

м²

Швидкість парів аміаку: м/с

Еквівалентний діаметр міжтрубного простору:

м

Розрахуємо термодинамічні константи аміаку при середній температурі

^оС

кг/м³

Па с [9, с. 822]

Вт/(м К) [9, с. 822]

Дж/(кг К) [9, с. 822]

Критерій Рейнольдса:

Так яка режим руху перехідний, то розрахунок коефіцієнту тепловіддачі ведемо за формулою:

[7, с. 154]

Для газів , а , так як кут атаки складає 90^оС

Вт/(м² К)

Зона конденсації.

Коефіцієнт тепловіддачі для аміаку, що конденсується на пучку горизонтальних труб

[7, с.139]

де e - поправочний коефіцієнт, що залежить від розташування труб у
пучку, та кількості труб у кожному ряду;

e_t - поправочний коефіцієнт, що враховує залежність фізичних
властивостей конденсату від температури;

l - теплопровідність аміаку при температурі конденсації, Вт/(м К);

r - густина аміаку при температурі конденсації, кг/м³;

r - теплота конденсації аміаку, Дж/кг;

m - в»язкість аміаку при температурі конденсації, Па с
Dt – різниця температур конденсації й поверхні стінки, ^оС;

d – зовнішній діаметр труб, м.

При орієнтовної кількості труб в кожному ряду пучка горизонтальних труб конденсатора шахового розташування

[2, с.241]

поправочний коефіцієнт [7, с.139], де D _вн – внутрішній діаметр конденсатора, мм; 1,4 ∙ 25 – прийнятий шаг між трубами, мм.

Аміак має невелику в»язкість, тому приймаємо [7, с.138]

В умовах роботи аміачних конденсаторів різниця температур між температурою конденсації та температурою стінки не перевищує 30…40 К, тому з достатньої точністю при технічних розрахунках можна брати значення констант при температурі конденсації. Фізико-хімічні константи конденсату аміаку при ^оС

кг/м³ [8, с. 804]

Па с [8, с. 806]

Вт/(м К) [8, с. 810]

Дж/(кг К) [8, с. 822]

кДж/кг [6, с. 26]

Вт/(м² К)

Визначаємо термічний опор стінки з урахуванням забруднень

де r – термічний опор накипу зі стороні води, (м К)/Вт, r = , (м К)/Вт

d_ст – товщина стінки трубки, м;

l_ст – теплопровідність сталі, Вт/(м К), l_ст = 17,5 Вт/(м К) [7, с. 512]

(м К)/Вт

Визначаємо коефіцієнти теплопередачі та необхідні поверхні теплообміну.

Зона охолодження перегрітого пари:

Вт/(м² К)

м²

Зона конденсації:

або

Рівняння вирішуємо графічно, задаючись значенням t_ст1 (табл. 2.2); Y – ліва частина рівняння

Таблиця 2.2 – Визначення t_ст1

tст1			Y
	1,68 2,83 3,83 4,76	1,19 1,41 1,56 1,68	- 8,00 1,64 8,86 15,40 21,65

По даним таблиці 2.2 (інтерполяцією даних) маємо, що Y = 0 при ^оС

Коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м² К)

м²

Загальна площа поверхні теплообміну конденсатору

м²

Відповідно проведеним розрахункам приймаємо кожухотрубний горизонтальний конденсатор марки 40 КТГ [9, с 45 - 46] з площею поверхні теплообміну 40 м².

Запас поверхні складає:

3.2.3 Розрахунок діаметру штуцерів

Діаметри штуцерів розраховуються за формулою:

де V – об’ємні витрати теплоносія, м³/с;

m – масі витрати теплоносія, кг/с;

ω – швидкість руху теплоносія, м/с;

ρ – густина теплоносія, кг/м³.

Приймаємо штуцера для введення и виведення води однаковими, а швидкість руху води в штуцері 2 м/с [1, с.187], тоді

м

Приймаємо стандартний штуцер 25 ´ 2 мм, та розрахуємо дійсну швидкість води у штуцері

м/с

Приймаємо швидкість руху парів аміаку 35 м/с і розраховуємо густину парів аміаку:

кг/м³

Тоді штуцер для їх виведення:

м

Приймаємо стандартний штуцер 70 ´ 3 мм, та розрахуємо дійсну швидкість пари аміаку в штуцері

м/с

Приймаємо швидкість руху конденсату 0,3 м/с і розраховуємо штуцер для виведення конденсату

м

Приймаємо стандартний штуцер 25 ´ 2 мм, та розрахуємо дійсну швидкість пари аміаку в штуцері

м/с

3.2.4 Розрахунок гідравлічного опору апарату

Гідравлічний опір апарату по трубному простору визначаємо за формулою:

ΔР = ΔР_тр + ΔР_м.с

де ΔР_тр – втрати тиску на тертя, Па;

ΔР_м.с – втрати тиску на місцевий опір, Па.

Втрати тиску на тертя розраховуємо за формулою:

де w - швидкість руху води в трубах, м/с

м/с

С урахуванням експлуатації труб приймаємо труби з незначної корозією, для котрих середня шорсткість стінки складає е = 0,2мм. При d/е = 21/0,2 = 105 и Re = 14734 λ = 0,039 [2, с.19]

Па

Втрати тиску на місцевий опор розраховуємо за формулою:

де - сума коефіцієнтів місцевого опору.

Для визначення місцевого опору котрий виникає в місцях раптового розширення або звуження необхідно знати площу перетину вузьких и широких міст.

Розрахуємо площу перетину штуцера входу и виходу води:

м²

Розрахуємо площу перетину приймальної й витратної камер:

м²

По даним [2, с.505] визначаємо коефіцієнти місцевого опору:

вихід із штуцера в коробку, що розподіляє (раптове розширення)

S₁/S₂ = 0,0005/0,018 = 0,03 ξ₁ = 0,95;

- Вхід в трубу с гострими краями ξ₂ = 0,5;

- Вихід із труби ξ₃ = 1,0;

- Вхід в трубу с гострими краями ξ₄ = 0,5;

- Вихід із труби ξ₅ = 1,0;

Вихід із коробки, що розподіляє, в штуцер (раптове звуження)

S₁/S₂ = 0,0005/0,08 = 0,03 ξ₁ = 0,48

Швидкість руху води в штуцері w =18 м/с:

Па

Гідравлічний опір конденсатору:

ΔР = 17224 + 11677 = 28901 Па

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической

технологии. - М.: Химия, 1973 – 752 с.

2. Чечель П.С., Гагаринова Е.П. Процессы и аппараты химической

технологии – Киев.: УМК, ВО 1992, – 279 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии / Под ред.

Ю.И.Дытнерского. М.: Химия, 1991 – 496 с.

4. Червяков С.С. Кулаковский А.И, Основы холодильного дела – М.: Высшая школа, 1988. – 144 с.

5. Справочник химика, т ІІІ /Под ред Б.Н.Никольского. – М., Химия, 1964. – 1008 с.

6. Справочник азотчика І том / Под ред. Е.Я. Мельникова – М.: Химия, 1986. – 512 с.

7. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1981. – 624 с.

8. Плановский А. Н., Рамм В.М., Каган С.З Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968. – 848 с.

9. Холодильные машины и аппараты. Каталог, ч 3 – М.: Центихимнефтемаш, 1988, – 80 с.

10. Справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя и А.М.Пономаревой – Л.: Химия, 1983. – 232 с.

11. Кондрашова Н.Г., Лашутина Н.Г. Холодильно - компрессорные

машины и установки. – М.: Высшая школа, 1973. – 384 с.
12. Покровский Н.К. Холодильные машины и установки. – М.:

«Пищевая промышленность», 1969. – 324 с.

13. Комаров Н.С. Справочник холодильщика. – М.: Машгиз, 1962. –
419 с.