Аппараты воздушного охлаждения и их расчет

Аппараты воздушного охлаждения (воздухоохлаждаемые теплообменники) представляют собой охладители с механической прокачкой воздуха или естественной тягой (сухие градирни).

В охладителях с механической прокачкой воздух может нагнетаться или засасываться с помощью вентилятора. При нагнетании в вентилятор поступает холодный воздух, при всасывании — нагретый. Следовательно, при одинаковых объемных расходах воздуха массовая скорость и эффективность охлаждения в теплообменниках с нагнетательным вентилятором будут выше. Для достижения такой же эффективности охлаждения как и в охладителях с нагнетательным вентилятором, в охладителях с вытяжным вентилятором необходимо увеличить объемный расход воздуха, что потребует больших затрат мощности на прокачку. Несмотря на эти недостатки, охладители с вытяжным вентилятором часто выбираются в силу таких преимуществ, как более равномерное распределение воздуха в пучке и защита теплообменной поверхности от повреждений при ливневых дождях, снегопадах, выпадении града.

В воздушных охладителях с естественной тягой охлаждающий воздух всегда отсасывается из теплообменника. Прокачка воздуха в градирнях высотой 100… 150 м осуществляется за счет разности плотностей воздуха, нагретого в градирне, и окружающей среде.

При большой высоте градирни и высокой температуре воздуха на выходе из теплообменника скорость воздуха может достигать значительных величин, а удельный расход воздуха может быть такой же, как для охладителей с механической прокачкой (при использовании вентиляторов).

Относительно более низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны воздуха по сравнению с коэффициентами теплоотдачи охлаждаемых или конденсируемых технологических жидкостей могут быть частично компенсированы за счет увеличения поверхностей со стороны воздуха, что возможно при применении пучков оребренных труб.

За счет оребрения теплообменная поверхность может быть увеличена в 10. .25 раз по сравнению с поверхностью гладких труб. Степень развития поверхности оптимизируется с учетом экономической целесообразности и технологии изготовления.

Оценка коэффициентов теплоотдачи в трубах. В соответствии с заданием на проектирование начальные значения коэффициентов теплоотдачи могут быть найдены с помощью табл. 18.2, 18.3. Приведенные значения относятся к типичным условиям, в которых работают воздушные охладители и конденсаторы.

Если условия течения в трубах (например, скорость и температура жидкости или разность температур при конденсации или испарении) известны либо заданы, то коэффициенты теплоотдачи в трубах могут быть определены более точно.

Скорость охлаждающего воздуха задается в узких пределах, поскольку потери давления со стороны воздуха пропорциональны квадрату скорости, и, вследствие низкого статического давления (100…200 Па), обеспечиваемого вентилятором, скорость изменяется от 2 до 4 м/с. Скорость воздуха зависит от наружной поверхности, числа рядов труб п, допустимого и возможного подогрева воздуха.

После определения а, и скорости воздуха может быть найден коэффициент теплопередачи для выбранных пучков оребренных труб. Если необходимо учитывать термическое сопротивление отложений в трубах, то определяются действительные коэффициенты теплоотдачи.

Мощность /V, потребляемая вентилятором часто составляет 10… 13% тепловой мощности теплообменника. Для грубой оценки может служить выражение.

Таблица 18.2. Коэффициенты теплоотдачи, а для жидкостей в трубах (скорость жидкости около I м/с).

где Q — объемный расход воздуха, м³/с; tj — коэффициент полезного действия вентилятора (Ч = 0,6…0,7); АРст ~ статическая разность давлений, Па; ДР_я — динамический напор в проходном сечении вентилятора, Па.

АР а определяется по аэродинамическим характеристикам вентилятора (рис. 18.20) или рассчитывается по объемному расходу и эффективной площади проходного сечения Fq вентилятора:

Обычно АРа = 40. .60 Па; р — плотность воздуха.

При выборе мощности вентилятора по аэродинамическим характеристикам необходимо иметь в виду, что эти характеристики применяются только до определенной температуры и что мощность необходимо привести к температуре воздуха в поперечном сечении вентилятора. На.

Рис. 18.20. Динамическая характеристика вентилятора: V — объемный расход воздуха; Р — статическое давление; N — затраты энергии; D_v ~ 3,65 м; D_w= 1,2 м, 6 лопастей; число оборотов двигателя — 2880 об/мин) рис. 18.20 показана типичная аэродинамическая характеристика осевого вентилятора. Для уменьшения объема работ аэродинамические характеристики построены с учетом динамического напора и мощности вентилятора. Поэтому необходимо знать только статический напор и объемный расход воздуха, чтобы определить потребляемую мощность и угол наклона лопастей.

Градирни. При мощности теплообменника свыше 100 МВт затраты энергии на прокачку вентиляторами становятся очень большими, что в большинстве случаев экономически более целесообразно использование градирен.

Расход воздуха в градирнях с естественной конвекцией определяется движущим напором горячего воздуха в градирне высотой Н Движущий напор равен гидравлическому сопротивлению градирни APj плюс сопротивление пучков труб (ДPi):

где Ар — разность плотностей воздуха, кг/м³; g — ускорение свободного падения; Н — эффективная высота градирни, равная разности высот центра пучка труб и выходного отверстия градирни; АР — потери давления в градирне, включая потери на трение, потери из-за смены направления потока, и потери на выходе. Эти потери давления часто достигают значений такого же порядка, как и статическая разность давлений в пучке труб АР₂ охладителя.