Расчет аппарата воздушного охлаждения Последовательность расчета (стр. 2 из 6)

- внутренние трубы – сталь 10Х17Н13М3Т ГОСТ 9941-81;

- наружные трубы – сплав АД1 ГОСТ 18475-82;

- трубные решетки– сталь 10Х17Н13М3Т ГОСТ 9941-81;

- крышки – сталь 10Х18Н9ТЛ ГОСТ 977-88,

- прокладки – паронит;

- шпильки – сталь 35Х ГОСТ 1050-88.

3. Технологический расчет аппарата воздушного охлаждения

3.1 Исходные данные

Мощность установки G = 24 т/сут;

рабочая среда – уксусная кислота;

давление (абсолютное) насыщенных паров рабочей среды Р = 0,22 МПа;

температура конденсации - t_н = 144^о С [1, с. 565];

место расположения аппарата – г. Уфа;

коэффициент оребрения К_ор = 14,6;

конечная температура конденсата уксусной кислоты t_к = 60^оС.

3.2 Тепловой и материальный баланс

Массовый расход уксусной кислоты в кг/с:

G = 24000/3600 = 6,67 кг/с.

Трубное пространство аппарата разделяем на две зоны: зону конденсации и зону охлаждения.

По всей зоне конденсации температура постоянна и равна t_н = 144^о С, при данной температуре конденсат имеет следующие теплофизические свойства:

плотность ρ₁₄₄ = 904 кг/м³ [3, c. 556];

теплопроводность λ₁₄₄ = 0,149 Вт/м^.К [2, c.95];

динамический коэффициент вязкости μ₁₄₄ = 0,00028 Па^.с [2, c.54];

удельная теплоемкость с₁₄₄ = 2514 Дж/кг^.К [1, c.544];

удельная теплота конденсации r₁₄₄ = 372643 Дж/кг [2, c.215].

Теплофизические свойства конденсата в зоне охлаждения определяем по средней температуре:

t_ср = (t_н + t_к)/2; (1)

t_ср = (144 + 60)/2 = 102^о С:

плотность ρ₁₀₂ = 958 кг/м³ [3, c. 556];

теплопроводность λ₁₀₂ = 0,156 Вт/м^.К [2, c.95];

динамический коэффициент вязкости μ₁₀₂ = 0,00044 Па^.с [2, c.54];

удельная теплоемкость с₁₀₂ = 2346,4 Дж/кг^.К [1, c.544].

Тепловая нагрузка аппарата:

- для зоны конденсации:

Q₁ = G^.r; (2)

Q₁ = 6,67^.372643 = 2485500 Вт = 2485,5 кВт;

- для зоны охлаждения:

Q₂ = G^.(с₁₄₄^.t_н - с₁₀₂^.t_к); (3)

Q₂ = 6,67^.(2514^.144 – 2346,4^.60) = 1475600 Вт = 1475,6 кВт.

За начальную температуру воздуха принимаем температуру на 2-3^оС выше средней июльской температуры t_н^в = 22^оС [4, с. 74].

Выбираем значение теплонапряженностей:

- для зоны конденсации при разности t_н - t_н^в = 144 – 22 = 122 К q₁ ≈ 3000Вт/м² [4, с. 94];

- для зоны охлаждения при разности t_к - t_н^в = 60 – 22 = 38 К q₁ ≈ 860 Вт/м² [4, с. 94].

Ориентировочная поверхность холодильника-конденсатора:

F_ор = Q/q; (4)

- для зоны конденсации: F_ор1 = 2485500/3000 = 828,5 м²;

- для зоны охлаждения: F_ор2 = 1475600/860 = 1716 м².

Общая ориентировочная поверхность теплообмена:

F_ор = F_ор1 + F_ор2; (5)

F_ор = 828,5 + 1716 = 2544,5 м².

Согласно [4, с. 129] выбираем аппарат АВГ с площадью теплообмена 2500 м².

3.3 Уточненный расчет аппарата воздушного охлаждения

Параметры выбранного АВГ [1, с. 129]:

поверхность теплообмена F = 2500 м²;

площадь сечения одного хода секции F_с = 0,0142 м²;

число ходов по трубам n_x = 2;

длина труб L = 8 м;

количество рядов труб z = 4;

общее количество труб в секции N_с = 82;

количество секций n_с = 3;

коэффициент увеличения поверхности ψ = 19,6 [4, с. 14];

площадь свободного сечения перед секциями аппарата F_св = 30 м² [4, с. 79].

Данный аппарат снабжен двумя вентиляторами с пропеллером диаметром D = 2800 мм, число лопастей 8, угол установки лопастей γ = 10…30^о, частота вращения колеса 213 об/мин.

Рабочая точка А находится на пересечении линии сопротивления АВГ для четырехрядных секций и кривой аэродинамического напора вентилятора при γ = 30^о [4, с. 39]. данной точке соответствуют следующие рабочие параметры, отнесенные к нормальным условиям:

- подача V_ном = 178000 м³/ч;

- напор принимаем на 50% больше (по анализу аэродинамической характеристики вентилятора и секций АВЗ), так как коэффициент оребрения К_ор = 14,6: Р_ном= 110 + 0,5^.110 = 165 Па;

- КПД η = 0,7.

Фактические параметры вентилятора при условиях t_н^в = 22^оС,

р_атм = 101,6 кПа:

- подача:

, (6)

где ρ_о = 1,293 кг/м³ плотность воздуха в нормальных условиях,

ρ_в – фактическая плотность воздуха:

, (7)

где р_о = 101,3 кПа нормальное атмосферное давление,

кг/м³,

м³/ч;

- напор:

, (8)

Па.

Массовая подача воздуха вентилятором:

G_в = 2V_вρ_в, (9)

G_в = 2^.192275,7^.1,197 = 460308 кг/ч.

Конечная температура воздуха:

, (10)

где с_в = 1005 Дж/(кг^.К) средняя теплоемкость воздуха,

^оС.

Условие t_к^в < t_к выполняется.

Принимаем следующую схему распределения температур между теплоносителями в зонах конденсации и охлаждения:

Зона конденсации Зона охлаждения

t_н = 144^оС ↔ t_конд=144^оС t_конд=144^оС → t_к = 60^оС

t_к^в = 52,8^оС ← t_н^в = 22^оС t_к^в = 52,8^оС ← t_н^в = 22^оС

Δt_М1 = 91,2 ^оС Δt_Б1 = 122 ^оС Δt_Б2 = 91,2 ^оС Δt_М2 = 38 ^оС

Так как Δt_Б1/Δt_М1<2, движущая сила в зоне конденсации находится по формуле (11):

Δt_ср1 =

, (11)

Δt_ср1 =

^оС.

В зоне охлаждения Δt_Б2/Δt_М2>2, следовательно:

Δt_ср2 =

, (12)

Δt’_ср2 =

^оС.

В зоне охлаждения в действительности будет смешанное движение, для которого определяем поправочный коэффициент ε. В данном случае при числе ходов n_х = 2:

, (13)

где

определяется в зависимости от значений вспомогательных величин R и Р:

, (14)

;

, (15)

.

По [4, с. 73]

= 0,94, тогда

.

В этом случае в зоне охлаждения средняя движущая сила

Δt_ср2 = Δt’_ср2^.ε, (16)

Δt_ср2 = 60,8^.0,955 = 58,1.

Средняя температура воздуха в пределах аппарата:

t_ср^в =

, (17) t_ср^в = ^оС,

Среднее давление воздуха:

р_ср^в = р_атм + 0,5^. Р_в, (18)

р_ср^в = 101,6 + 0,5^. 152,75 = 101675 Па.

Средняя плотность воздуха:

, (19)

кг/м³.

Средний объемный расход воздуха:

V_ср^в =

, (20)

V_ср^в =

м³/с.

Скорость воздуха в самом узком сечении межтрубного пространства:

w_уз =

, (21)

где η_с = 0,38 при К_ор = 14,6 [4, с. 79],

w_уз =

м/с.

Приведенный коэффициент теплоотдачи со стороны холодного потока (воздуха) для аппарата исполнения Б4 [4, с. 81]:

α_в = 52,2^.lg w_уз – 0,035t_ср^в – 3,84, (22)

α_в = 52,2^.lg 9,826 – 0,035^.37,4 – 3,84 = 46,65Вт/(м^2.К).

Коэффициент теплопередачи для зоны конденсации со стороны конденсирующегося потока:

, (23)

где K_L = 0,6 для труб длиной L = 8 м [4, с.78],

с_Т = 0,72 – для горизонтальных труб,

d_вн = 0,021 м – внутренний диаметр биметаллической трубы [4, с. 13],

g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения,

. (20)

Тепловой поток от стенки к охлаждаемому воздуху:

q₁ = K_р1Δt_ср1, (24)

где K_р1 – коэффициент теплопередачи:

K_р1

, (25)

где 1/r_Т = 0,0002 м^2.К/Вт тепловое сопротивление загрязнений со стороны уксусной кислоты,

1/ r_ст = 0,000186 м^2.К/Вт тепловое сопротивление материала стенки,