Расчет и проектирование двухступенчатой фреоновой холодильной установки

Расчет и проектирование двухступенчатой фреоновой холодильной установки

1. Выбор температурного режима

Назначаем температуру хладагента в испарителе:

°С. (1.1)

Начальная температура воды:

Расчетная температура атмосферного воздуха находится по среднемесячной температуре июля с учетом максимальных температур ([2], с. 521):

°С, (1.2)

Расчетную относительную влажность наружного воздуха находим по расчетной температуре и влагосодержанию, определенному по среднемесячным значениям параметров атмосферного воздуха для июля (для Минска:°С,)% ([2], с. 521 табл. XL), используя для этой цели диаграмму Рамзина (диаграмма I-x влажного воздуха) ([2], c. 413). При кг/(кг с. в.) и имеем

Температура воды, охлаждённой в градирне и подаваемой в конденсатор холодильной машины:

°С, где (1.3)

— температура наружного воздуха по мокрому термометру (по I-x диаграмме при °С и); - температура охлаждения воды в вентиляторных градирнях (обычно в пределах 3,5−5 °С); - коэффициент эффективности водоохлаждающего устройства (для вентилляторных градирен 0,75−0,85).

Конечная температура воды:

°С. (1.4)

Температура конденсации хладагента:

°С. (1.5)

Температура переохлаждения хладагента:

°С°С. (1.6)

Данные по тепловому режиму сводим в таблицу 1

Таблица 1

2. Построение холодильного цикла, расчёт хладопроизводительности, определение параметров хладагента в узловых точках цикла

По температурам испарения и конденсации хладагента на диаграмме i-p для фреона-12 находим давления испарения и конденсации:

°Сат

°Сат

Промежуточное давление:

(2.1)

где, — давление паров хладагента в испарителе;

— давление паров хладагента в конденсаторе.

Аналогично строим для стандартного цикла (°С, °С, °С):

Таблица характеристических точек стандартного цикла

3. Определение расхода хладагента и электроэнергии

Расход хладагента в первой ступени:

Рабочая холодопроизводительность:

(3.1)

где — расход рассола, кг/ч; кДж/(кгК) — теплоёмкость рассола NaCl при

(3.2)

где, — рабочая хладопроизводительность.

— энтальпия 1-ой и 8-ой узловых точек.

Расход хладагента во второй ступени:

Определяется из уравнения теплового баланса промежуточного сосуда:

(3.4)

Расход электроэнергии включает расход на привод компрессора НД, компрессора ВД и привод насоса подачи рассола в испаритель:

4. Подбор компрессоров

Компрессор низкого давления.

а) Стандартная холодопроизводительность:

([2], c. 444), (4.1)

где — хладопроизводительность для рабочего цикла, кДж; - объемные холодопроизводительности для стандартного и рабочего цикла соответственно, кДж/м; - коэффициенты подачи компрессора для стандартного и рабочего циклов соответственно.

кДж/м; (4.2)

Удельная массовая хладопроизводительность в стандартном цикле:

кДж/м, (4.3)

— удельные объёмы хладагента на входе в компрессор в рабочем и стандартном цикле соответственно.

Отсюда находим коэффициенты подачи компрессоров для фреона-12 в зависимости от степеней сжатия ([1], рис. 12.3):

(4.4)

(4.5)

По формуле (4.1) найдем:

кВт.

б) Требуемая мощность:

(4.6)

где — изоэнтропная теоретическая работа компрессора, кДж; - КПД компрессора.

кВт; (4.7)

(4.8)

где — индикаторный КПД при ([1], рис. 12.4); - механический КПД; - КПД передачи; - КПД двигателя.

По формуле (4.6) найдем:

кВт.

Определим установочную мощность компрессора

(4.9)

кВт.

— коэф. запаса мощности ([2], таб. 2.1);

По справочнику Промышленная теплоэнергетика и теплотехника под ред. Григорьева В. А., Зорина В. М. выбираем компрессор (т. 4, с. 250 табл. 5.4):

Таблица 4

Компрессор высокого давления.

а) Объём описываемый поршнем:

(4.10)

где — расход хладагента во второй ступени кДж; - удельный объём хладагента на входе во второй компрессор 1/; - коэффициент подачи компрессора:

(4.11)

По формуле (4.10) найдем:

м/с.

б) Требуемая мощность:

(4.12)

По формуле (4.8) найдем:

;

кВт.

Определим установочную мощность компрессора

По формуле (4.9) найдем:

кВт.

=1,2;

По справочнику Холодильные компрессоры под ред. Быкова А. В. выбираем компрессор (с. 54 табл. 1−10):

Технические характеристики компрессора низкого давления.

Таблица 5

5. Расчёт и подбор испарителя

Охлаждения рассола NaCl осуществляется в кожухотрубчатом испарителе с паровым пространством. В межтрубное пространство испарителя подаётся холодильный агент — фреон -22 при температуре °С. В трубное пространство, с температурой °С поступает рассол, который на выходе имеет температуру °С.

Тепловая нагрузка на испаритель:

(5.1)

кВт.

Средний температурный напор в испарителе ([1], ф. 12.14):

(5.2)

°С.

Средняя температура рассола в испарителе:

По формуле (3.2) найдем:

°C

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи Вт/мК ([1], c. 360).

Ориентировочное значение поверхности теплопередачи испарителя:

(5.3)

м.

По ГОСТ 14 248–79 подбираем кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством: ([[1], с. 59 табл. 2.10)

Параметры кожухотрубчатого испарителя сводим в таблицу

Таблица 6

Уточнённый расчёт.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для рассола, движущегося по трубному пространству испарителя. Критерий Рейнольдса:

(5.4)

где — расход рассола, кг/с; - внутренний диаметр трубок, м; - число трубок;? — динамический коэффициент вязкости рассола при температуре °С.

ламинарный режим

При ламинарном режиме течения жидкости в прямых трубах круглого сечения рекомендуется пользоваться формулой Михеева для определения Нусельта ([2], c. 188):

(5.5)

где — коэффициент, который зависит от отношения ;

([2], табл. 4.4)

Примем °С, тогда °С

Критерий Грасгофа:

(5.6)

По формуле (5.5) найдем критерий Нусельта:

(5.7)

где — коэф. теплопроводности для NaCl;

Вт/мК.

Теплофизические свойства рассола NaCl взяты в литературе c. 146, 148 при °С.

Коэффициент теплоотдачи от кипящего фреона к трубе ([1], с. 54):

(5.8)

где? пара — плотность паров фреона-12 при К — температура кипения фреона; q — удельная тепловая нагрузка, рассчитываемая по формуле для случая кипения в большом объёме:

(5.9)

кг/м

(5.10)

гдеповерхностное натяжение жидкости.

Вт/м.

Подставим все известные данные в формулу (5.8).

Вт/мК.

Теплофизические свойства фреона-12 взяты в литературе табл. 36 при

Определяем коэффициент теплопередачи по уравнению аддитивности:

(5.11)

где ?rзагр — сумма термических сопротивлений загрязнений, (мК / Вт) ([2], с. 506 табл. XXXI);? — толщина стенки трубок, м;? — коэффициент теплопроводности стали, Вт/мК ([2], с. 504 табл. XXVIII).

По формуле (5.11) найдем:

Вт/мК.

Определяем плотность теплового потока в зоне испарения фреона:

(5.12)

Вт/м.

Вычисляем ориентировочные значения температур стенки со сторон обоих теплоносителей:

(5.13)

°С;

(5.14)

°С

°С;

Поскольку, то:

°С; (5.15)

°С. (5.16)

Введём поправку в коэффициент теплопередачи, определив точное значение :

;

(5.17)

Вт/мК.

Определяем коэффициент теплопередачи по формуле (5.11):

= Вт/мК.

Поверхность теплопередачи определяем по формуле (5.3):

м2.

По ГОСТ 14 248–79 выбираем испаритель с параметрами ([1], с. 59 табл. 2.10):

Параметры кожухотрубчатого испарителя сводим в таблицу

Таблица 7

6. Расчёт и подбор конденсатора

Для охлаждения и конденсации паров хладагента используется водяной конденсатор состоящий из трех зон: зоны охлаждения, зоны конденсации, зоны переохлаждения.

Расход воды, затрачиваемой в конденсаторе, для охлаждения, конденсации и переохлаждения хладагента определим по уравнению:

=, (6.1)

где t, t — температуры охлаждающей воды на входе и выходе конденсатора; - расход хладагента 2-ой ступени, кг/с, — энтальпии хладагента в соответствующих точках холодильного циклак, кДж/кг; - теплоёмкость воды (кДж/(кг К)) при средней температуре её в конденсаторе ([2], с. 512 табл. ХХХIХ):

По формуле (3.2) найдем:

°С,

кг/с.

Уточнённый расчёт.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для воды, протекающей по трубному пространству конденсатора определяем по формуле (5.4):

Критерий Рейнольдса:

где — расход охлаждающей воды, кг/с; - внутренний диаметр трубок, м;? — динамический коэффициент вязкости воды, Па.

турбулентный режим.

При развитом турбулентном движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения используем следующую формулу для определения Нусельта ([1], с. 49):

; (6.4)

Принимаем отношение 1.

Критерий Прандтля Pr:

. (6.5)

Коэффициент теплоотдачи от трубы к воде определяем по формуле (5.7):

Вт/мК.

Теплофизические свойства воды ([1], c. 512 табл. ХХХIХ) взяты при температуре °С.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для фреона-12, проходящего через межтрубное пространство конденсатора.

Критерий Рейнольдса:

(6.6)

где? — динамическая вязкость паров фреона-12, Па; - эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м:

(6.7)

м.

— турбулентный режим.

При движении хладагента в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с сегментными перегородками Нусельт определяется по формуле (6.4):

Принимаем отношение 1.

Критерий Прандтля определяется по формуле (6.5):

;

.

Коэффициент теплоотдачи от паров фреона-12 к трубе определяется по формуле (5.7):

Вт/мК.

Теплофизические свойства паров фреона-12 ([3], табл. 37) взяты при температуре °С.

Определяем коэффициент теплопередачи по формуле (5.11):

где ?rзагр — сумма термических сопротивлений загрязнений труб с двух сторон ([2], c. 506 табл. ХХХI), мК / Вт;? — толщина стенки трубок, м;? — коэффициент теплопроводности стали, Вт/мК.

Вт/мК.

Определяем плотность теплового потока в зоне охлаждения паров фреона по формуле (5.12):

Вт/м.

Вычисляем ориентировочные значения температур стенки со сторон обоих теплоносителей:

По формуле (5.13) найдем:

°С;

По формуле (5.14) найдем:

°С;

°С.

Так как, то:

По формуле (5.15) найдем:

°С;

По формуле (5.16) найдем:

°С.

Введём поправку в коэффициент теплопередачи, определив точное значение :

По формуле (6.5) найдем:

где с, ?,?-теплофизические свойства воды при .

По формуле (5.17) найдем:

Вт/мК.

Аналогично для фреона-12:

По формуле (6,5) найдем:

где с, ?,?-теплофизические свойства паров фреона-12 при .

По формуле (5.17) определим:

Вт/мК.

Определяем точное значение коэффициента теплопередачи по формуле (5.11):

Вт/мК.

Поверхность теплопередачи найдем по формуле (5. 3):

м.

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 9

Расчет зоны конденсации паров фреона

1) Определим температуру воды на входе в зону конденсации. Количество теплоты, отводимое водой во второй зоне найдем по формуле (6.2):

°С.

б) Средняя разность температур во второй зоне составляет:

поэтому

°С.

2) Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи Вт/мК ([2], c. 175 табл. 4−6).

Ориентировочное значение поверхности теплопередачи зоны конденсации найдем по формуле (5. 3):

м.

По ГОСТ выбираем кожухотрубчатый конденсатор со следующими характеристиками ([1], табл. 2.3):

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 10

3) Уточнённый расчёт.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для воды, протекающей по трубному пространству конденсатора.

Критерий Рейнольдса определяется из формулы (5. 4):

переходный режим.

Для переходной облаcти воспользуемся приближенным уравнением:

(6.9)

Критерий Pr найдем по формуле (6,5):

.

По формуле (6,9):

Коэффициент теплоотдачи от трубы к воде найдем по формуле (5.7):

Вт/мК.

Теплофизические свойства воды взяты при температуре:

°С.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров фреона к трубе:

Сначала определим коэффициент теплоотдачи для одиночной горизонтальной трубы ([1], c. 53):

(6.10)

где r — теплота конденсации фреона-12, Дж/кг, гравитационная постоянная, м/с, — наружный диаметр трубы, м.

 — температура стенки со стороны феона-12, °С.

Зададимся величиной °С с последующей проверкой.

Так как °С<30−40 °С, то теплофизические свойства пленки конденсата фреона-12 берем при °С ([3], табл. 36)

найдем коэф. теплоотдачи по формуле (6,10):

Вт/мК.

Коэффициент теплоотдачи для пучка горизонтальных труб:

где усредненный для всего пучка труб коэффициент, зависящий от расположения труб в пучке и от числа труб в каждом вертикальном ряду;

Приближенно можно принять при n>100 ([1], с. 53).

Вт/мК.

Определяем коэффициент теплопередачи по уравнению аддитивности определим по формуле (5.11):

Вт/мК.

Определяем плотность теплового потока в зоне конденсации паров фреона по формуле (5.12):

Вт/м.

Вычисляем ориентировочные значения температур стенки со сторон обоих теплоносителей определяем по уравнению (5.13):

°С;

По формуле (5.14) найдем:

°С.

°С;

Поскольку, то:

По формуле (5.15) найдем:

°С;

По формуле (5.16) найдем:

°С.

Введём поправку в коэффициент теплопередачи, определив точное значение :

Критерий Pr найдем по формуле (6,5):

где с, ?,?-теплофизические свойства воды при .

По формуле (5.17) определим:

Вт/мК.

Для фреона-12:

°С

По уравнению (6.10) найдем коэф. теплоотдачи для одиночной горизонтальной трубы:

Вт/мК

Вт/мК

Определяем коэффициент теплопередачи по уравнению (5.11):

= Вт/мК.

Поверхность теплопередачи определяем по формуле (5.3):

м.

По ГОСТ выбираем кожухотрубчатый конденсатор со следующими характеристиками ([1], табл. 2.3):

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 11

Расчет зоны переохлаждения конденсата фреона.

Средняя разность температур в третьей зоне составляет:

°С.

Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи Вт/мК ([2], c. 175).

Ориентировочное значение поверхности теплопередачи зоны конденсации:

м

По ГОСТ выбираем кожухотрубчатый конденсатор со следующими характеристиками ([1], табл. 2.3):

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 12

Уточнённый расчёт.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для воды, протекающей по трубному пространству конденсатора. Критерий Рейнольдса найдем по формуле (5.7):

где — расход охлаждающей воды, кг/с;? — динамический коэффициент вязкости воды в интервале температур, Па? с.

турбулентный режим

При развитом турбулентном движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения используем формулу (6.11) для определения Нусельта ([1], с. 49):

;

Принимаем отношение 1.

Критерий Прандтля Pr найдем по формуле (6.5):

.

Коэффициент теплоотдачи от трубы к воде формула (5.7):

Вт/мК.

Теплофизические свойства воды ([2], табл. ХХХIХ) взяты при температуре °С.

Рассчитываем коэффициент теплоотдачи для хладагента (фреона-12), проходящего через межтрубное пространство конденсатора.

Критерий Рейнольдса найдем по формуле (6.6):

где? — динамическая вязкость паров фреона-12, Па; - эквивалентный диаметр межтрубного пространства найдем по формуле (6.7), м:

м.

— турбулентный режим.

При движении хладагента в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника с сегментными перегородками Нусельт определяется по следующей формуле (2, с. 50):

Принимаем отношение 1.

Критерий Прандтля найдем по формуле (6.5):

;

.

Коэффициент теплоотдачи от паров фреона-12 к трубе найдем по формуле (5.7):

Вт/мК.

Теплофизические свойства паров фреона-12 (3, табл. 36) взяты при температуре °С.

Определяем коэффициент теплопередачи по уравнению аддитивности (5.11):

Вт/мК.

Определяем плотность теплового потока в зоне охлаждения паров фреона по формуле (5.12):

Вт/м.

Вычисляем ориентировочные значения температур стенки со сторон обоих теплоносителей:

°С;

°С;

°С.

Так как, то:

°С;

°С.

Введём поправку в коэффициент теплопередачи, определив точное значение :

Критерий Прандтля найдем по формуле (6.5):

где с, ?,?-теплофизические свойства воды при .

Вт/мК.

Аналогично для фреона-12:

хладагент электроэнергия компрессор фреоновый

где с, ?,?-теплофизические свойства паров фреона-12 при .

Вт/мК.

Определяем точное значение коэффициента теплопередачи по формуле (5.11):

=

Вт/мК.

Поверхность теплопередачи из формулы (5.3):

м.

Требуемая поверхность теплопередачи:

м.

По ГОСТ ([1], табл. 2.3) выбираем кожухотрубчатый конденсатор.

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Под ред. д. т. н. проф. Дытнерского Ю.И.М., «Химия», 1991.

2. Павлов К. Ф., Романков П. Г, Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., «Химия», 1976.

3. Богданов С. Н., Иванов О. П., Куприянова А. А. Холодильная техника.

4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Под ред. Григорьева В. А., Зорина В. М. Книга 4-я, М., 1991.

5. Холодильные компрессоры. Под ред. Быкова А.В.М., 1981.