конструкции Гипронефтемаша

Расчет конденсатора воздушного охлаждения

 

Выполнил: Крутько М.В.

 

Проверил: доцент кафедры КХМУ

Максименко В. А.

 

 

Омск 2010

Исходные данные

Q_o= 180 кВт

Температура, °С:

наружного воздуха t₁=+45 °С

конденсации t_к=+55 °С

Холодильный агент: NH₃

Разность энтальпий холодильного агента на входе и вы­ходе из конденсатора

∆i=1281 кДж/кг

Выбираем конструкцию Гипронефтемаша. Теплообменная по­верхность представляет собой шахматный пучок, составленный из биметаллических труб с наружным оребрением, имеющим следующую характеристику:

внутренний диаметр d_вн = 0,021 м;

диаметр окружности по основанию ребер d₀= 0,028 м;

диаметр ребер D = 0,049 м;

наружная оребренная поверхность 1 м длины трубы F_op = 0,79 м²,

шаг ребер u=0,0035 м;

средняя толщина ребра δ_ор = 0,0085 м.

шаг труб в пучке во фронтальном сечении по воздуху Sф_Р = 0,052 м;

продольный шаг труб по ходу воздуха S_пр = 0,045 м.

 

Принимаем нагрев воздуха ∆t_в = 8 °С, тогда t₂ = t₁+8 = 53 °С.

 

Средняя логарифмическая разность темпе­ратур:

 

θm=(t₂-t₁)/ln[(t_к-t₁)/(t_к-t₂)]= (53-45)/ln[(55-45)/(55-53)]=5 °С.

 

Q_k=Q_o+Ni=180+51,8+11,2=243 кВт.

 

Массовый G_в и объемный V_в расходы воздуха:

G_в=Q_к/с_в(t₂-t₁)=243000/[1007·(53 – 45)]=30,16 кг/с

V_в= G_в/ρ_в=30,16/1,29=23,38

 

Для определения истинного (конвективного) коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха воспользуемся уравнением

 

Nu=cc_zc_s(d₀/u)^-0,54(h/u)^-0,14 Reⁿ

 

Критерий Рейнольдса при скорости воздуха в узком сечении ω_в=9 м/с:

 

Re= ω_вd_вн/v=9·0,021/(15,8·10^-6) = 11962

 

Коэффициенты n, c, c_z, c_s выбираются в зависимости от типа и геометрических параметров пучка:

 

n=0,65, c=0,23- для шахматных пучков;

c_z=0,95- при принятом числе рядов труб в направлении потока воздуха z = 5.

 

c_s=(S_фр-d₀)^0,2/(S’₂-d₀)^0,2=1

 

где S’₂=0,052 м- диагональный шаг труб в пучке

 

Высота ребра h=0,5(D-d₀)= 0,5 (0,049 – 0,028) = 0,0105 м.

Тогда критерий Нуссельта равен:

Nu=0,23·0,95·1·(28/3,5)^-0,54·(10,5/3,5)^-0,14·11962^0,65 = 27,2

 

Конвективный коэффициент теплоотдачи к воздуху

α_н=Nuλ_в/u= 27,2·2,67·10^-2/(3,5·10^-3)=207,5 Вт/(м²К)

 

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, приведенный к полной оребренной поверхности:

 

α_пр= α_н[(F’_p/F’_op)Eψ+F’_мр/F’_op]= 64,9[(0,752/0,79) 1·0,85 + 0,038/0,79] =178 Вт/(м²К),

где поверхность ребер:

F’_p=(1/u)(2π/4)(D²-d_o²)+(1/u)πDδ= 1/(3,5·10^-3)(2π/4)(0,049² – 0,028²) +

[1/(3,5·10^-3)]π·0,049·0,6·10^-3 = 0,752 м²;

поверхность межреберных участков F’_мр= F’_op- F’_p=0,79-0,752 = 0,038 м²;

коэффициенты E и ψ приняты равными соответственно 1 и 0,85.

 

Плотность теплового потока со стороны воздуха:

 

q_в.ор= (θ_m-θ_a)/[1/α_пр+(δ_ст/λ_ст+δ_ал/λ_ал)(F’_оp/F’_сp)]= (5- θ_a)/[1/178 + (0,002/45,3+0,0015/203,5)(0,79/0,077)] = 162,7(5- θ_a),

 

δ_ст=0,002 м- толщина стенки стальной трубы;

λ_ст=45,3 Вт/(мК)-теплопроводность стали;

δ_ал=0,0015 м- толщина стенки алюминиевой трубы;

λ_ал=203,5 Вт/(мК)-теплопроводность алюминия;

Средняя поверхность:

F’_сp=(F_вн+F₀)/2=(6,6·10^-2+8,8·10^-2)/2 = 0,77 м²

 

Коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося холодильного агента

 

α_а=0,56(∆iρ²λ³g/(μd_внθ_а))^0,25= =6311∙ θ_а^-0,25

 

ρ=1132,6 кг/м³-плотность жидкости

λ=0,0772 Вт/(мК)-теплопроводность жидкости

μ=2,19*10^-4 Па·с- динамическая вязкость жидкости

 

Плотность теплового потока со стороны NH₃

q_a.op= α_а θ_а F_вн/F’_op=6311 θ_а^-0,25 ∙θ_а6,6·10^-2/0,79 = 527,2 θ_а^0,75

Определяем значение q_op методом последовательного приближения по уравнениям

 

q_в.ор= 162,7(5- θ_a) q_a.op=527,2 θ_а^0,75

Принимаем θ_а=1,22 °С, тогда q_в.ор=616 Вт/(м²·К);

q_a.op=612 Вт/(м²·К);

 

Принимаем θ_а=1,23 °С, тогда q_в.ор=615 Вт/(м²·К);

q_a.op=614 Вт/(м²·К)

 

 

Окончательно принимаем q_op=614 Вт/(м²·К).

 

Полная оребренная поверхность аппарата F_op=Q_k/q_op=243000/614=396 м².

 

Суммарная длина труб конденсатора L= F_op/F’_op=396/0,79=501 м.

 

Общее число труб при длине одной трубы l=3м: n=L/l=501/3=167

Принимаем число рядов труб по ходу воздуха n_p=3, тогда число труб во фронтальном сечении n_фр=n/ n_p=55.

 

Проверяем скорость воздуха в узком сечении.

Площадь живого сечения для 1 м длины трубы:

f_ж.с.=S_фр-[d₀+(D-d₀)δ_ср/u] = 0.052 – [0.028+(0.049-0.028)/3.5·10^-3·0.85·10^-2]=1.89·10^{-2 м2}.

Живое сечение аппарата по воздуху

F_ж.с. = n_фр l f_ж.с=55·3·1,89·10^-2 = 3,12 м²

 

Скорость воздуха ω’_в= V_в/ F_ж.с.=23,38/3,12=7,5 м/с;

Увеличиваем объемный расход воздуха до значения V_в= ω_в F_ж.с.=9∙3,12=28,1 м/с;

Этому расходу соответствует нагрев воздуха

∆t_в=Qk/(V_вρ_вс_в)= 243000/(28,1·1,29·1007) = 7,8 ^оС.

 

Температура воздуха на выходе из аппарата t₂ = t₁+ 7,8= 52,8 ^оС.

Средняя логарифмическая разность темпе­ратур:

θ_m = 7,8/ln [(t_к – t₁)/(t_к – t₂)] = 7,8/ln [(55-45)/(55-52,8)] = 5,15 ⁰С

Расхождение с первоначальным значением составляет 3%, поэтому полученные размеры конденсатора можно считать окончательными.