Расчет воздухоохладителя. 
Проектирование воздушных компрессорных станций

По назначению различают промежуточные и концевые воздухоохладители. Промежуточные воздухоохладители осуществляют охлаждение воздуха между ступенями компрессора. Концевые воздухоохладители устанавливаются на выходе воздуха из компрессоров.

В качестве концевых воздухоохладителей при низких давлениях воздуха (менее 3 МПа) используем кожухотрубчатый теплообменник с противоточной схемой движения сред. Температура воздуха t₁ на входе в охладитель принимаем равной 150 °C. Расход воды V_кх через охладитель выбирается исходя из нормы 3,0 литра на 1 м³/мин всасываемого воздуха.

Температура охлаждающей воды t_в2 на выходе из цилиндров компрессора и концевых охладителей не должна быть выше 40 °C, а температура выходящего из охладителя сжатого воздуха t₂ не должна превышать температуру выходящей воды более чем на 20°.

Количество тепла, выделяемого при охлаждении влажного воздуха, рассчитывается по формуле.

Вт, (11).

где Q_в — тепловой поток при охлаждении сухого воздуха, Вт;

Q_д — дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара, Вт.

Количество тепла, выделяемого при охлаждении влажного воздуха для компрессора ВП50/8.

Qохл = 92,78 + 805 141 = 805 233,78 Вт Количество тепла, выделяемого при охлаждении влажного воздуха для компрессора 2Р-20/8.

Qохл = 37,04 + 321 477 = 321 514,04 Вт Количество тепла, отдаваемого сухим воздухом, определяется по уравнению.

Вт, (12).

где V — производительность компрессора, м³/с;

_в — плотность воздуха при давлении и температуре на во всасывающем патрубке компрессора, 1,225 кг/м³;

c_{p в} — теплоемкость воздуха при постоянном давлении, 1,009 Дж/(кг · °С);

t₁, t₂ — температура воздуха до и после охладителя, °С.

Количество тепла, отдаваемого сухим воздухом для компрессора ВП50/8.

Qв = 0,834×1,225×1,009 х (150−60) = 92,78 Вт Количество тепла, отдаваемого сухим воздухом для компрессора 2Р-20/8.

Qв = 0,333×1,225×1,009 х (150−60) = 37,04 Вт Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара рассчитывается по равенству.

(13).

где c_pm — средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, 1,8 Дж/(кг· °С);

r₀ — теплота парообразования, 2,5*10 ⁶ Дж/кг;

k — коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования с повышением температуры конденсации, 2346;

x₁, x₂ — влагосодержание воздуха до и после воздухоохладителя, кг/кг.

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара для компрессора ВП50/8.

Qд = 0,834×1,225 х [1,8 х (0,35×150 — 0,016×60) + (2,5*10⁶ — 2346×60) х (0,35 — 0,016)] = 805 141 Вт Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара для компрессора 2Р-20/8.

Qд = 0,333×1,225 х [1,8 х (0,35×150 — 0,016×60) + (2,5*10⁶ — 2346×60) х (0,35 — 0,016)] = 321 477 Вт.

Для расчета производительности и выбора воздухоохладителей компрессоров необходимо принять следующие значения теплофизических величин: c_pm = 1,8 Дж/(кг · °С); r₀ = 2,5 · 10⁶ Дж/кг; k = 2346.

Влагосодержание воздуха до и после охладителя вычисляется по формулам:

; (14).

(15).

где R_в — газовая постоянная воздуха, 287 Дж/(кг · °С);

R_п — газовая постоянная водяных паров, 461 Дж/(кг · °С);

р₀ — давление воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, 784 000Па;

р — давление воздуха в охладителе, 784 000Па;

р_1нас — давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, 475 750Па;

р_2нас — давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха на выходе из охладителя, 19 932Па;

• 1 — относительная влажность воздуха на входе в ступень компрессора перед охладителем, 0,59;
• 2 — относительная влажность воздуха на выходе из охладителя (в случае конденсации водяного пара в охладителе ₂ = 1, при отсутствии конденса-ции х₁ = х₂).

Влагосодержание воздуха до и после охладителя.

Площадь поверхности теплообменника воздухоохладителя, м², рассчитывают по уравнению.

м², (16).

где k — коэффициент теплопередачи, 50 Вт/(м²· °С);

_t — поправка для аппаратов с перекрестным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды) [3];

Площадь поверхности теплообменника воздухоохладителя.

t — средний температурный напор при противотоке, °С,.

(17).

здесь t_в1, t_в2 — температура охлаждающего теплоносителя (воды) соответственно на входе и выходе из охладителя, °С.

Температура воды после концевого охладителя.

Средний температурный напор при противотоке.

Расчет коэффициента теплопередачи воздухоохладителей следует проводить по методике, изложенной в курсе «Тепломассообменные процессы и аппараты» [11]. Конструкция воздухоохладителя зависит от производительности компрессора, давления охлаждаемого воздуха и охлаждающей среды (вода, воздух) и может быть выполнена в виде кожухотрубных элементов типа «труба в трубе», U-образных змеевиков или радиаторов. Охладители всех типов, кроме змеевиковых и U-образных, могут быть гладкотрубными или с трубами, имеющими поперечные и продольные ребра.

Компрессорные воздухоохладители для давления до 3,0−3,5 МПа выполняются преимущественно кожухотрубными, а для более высокого — кожухо-трубными типа «труба в трубе» или U-образными. Радиаторные охладители применяются при охлаждении воздухом.

Выбор типовых воздухоохладителей производится по каталогам на основании конструктивного расчета.

Коэффициент теплопередачи для некоторых водоохлаждающих устройств вычисляется по формуле:

(18).

где мтр — коэффициент теплоотдачи от воздуха к охлаждающей поверхности в межтрубном пространстве, Вт/(м2· °С);

_тр — коэффициент теплоотдачи от охлаждающего теплоносителя к поверхности теплообмена, Вт/(м²· °С);

— толщина стенки труб теплообменника, м;

— коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м · °С);

R_з — термическое сопротивление загрязнений, (м² · °С)/Вт.

После выбора воздухоохладителя выполняется его проверочный расчет.

Кожухотрубные воздухоохладители имеют в межтрубном пространстве поперечные перегородки, что позволяет увеличить скорость воздуха и повысить коэффициент теплоотдачи _мтр.

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждаемого воздуха рассчитывается по критериальному уравнению:

при Rе < 1000 для коридорных и шахматных пучков.

; (19).

при Rе > 1000 для коридорных пучков.

; (20).

для шахматных пучков.

. (21).

В уравнениях (19)-(21) определяющая температура — средняя температура воздуха, определяющий размер — наружный диаметр трубы.

Расчетная скорость воздуха в межтрубном пространстве вычисляется по формуле.

(22).

где V — расход воздуха, м³/с;

S_b — площадь поперечного сечения межтрубного пространства между перегородками, м².

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающего теплоносителя при течении в трубах теплообменника рассчитывается также по критериальному уравнению:

при Rе_тр < 2300.

(23).

(24).

здесь d_вн — внутренний диаметр трубок, м;

• — средняя температура теплоносителя (воздуха) в межтрубном пространстве, °С;
• — средняя температура теплоносителя (воды) в трубном пространстве, °С;

_тр — коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве, 1/°С;

_тр — плотность воды, кг/м³;

_тр — коэффициент динамической вязкости, Па · с;

при 2300 < Rе < 1· 10⁴

(25).

где — поправочный коэффициент, рассчитывается как функция Re_тр путем интерполяции данных [4], приведенных в табл. 6; при Rе > 1· 10⁴

. (26).

Таблица 6

Данные для расчета коэффициента.

Коэффициенты теплоотдачи _мтр и _тр определяются по формуле.

(27).

где — коэффициент теплопроводности теплоносителя (в межтрубном пространстве — _мтр, в трубном — _тр), Вт/(м · °С).

Расход охлаждающей воды в воздухоохладителе вычисляется по уравнению, кг/с:

(28).

где с_ж — теплоемкость воды, 4,182 Дж/(кг · °С).

Расход охлаждающей воды в воздухоохладителе.

Количество охлаждающей воды, подаваемой в рубашку цилиндра компрессора, определяется по справочным данным при выборе типа компрессора. Общий расход охлаждающей воды есть сумма количества воды в воздухоохладителе и в рубашке цилиндра компрессора. По расходу воды и ее параметрам производятся выбор и расчет водоохлаждающего устройства.