Расчет холодильной установки

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Холодильная установка представляет собой комплекс машин и аппаратов, используемых для получения и стабилизации в охлаждаемых объектах температур ниже, чем в окружающей среде. Установка состоит из одной или нескольких холодильных машин, оборудования для отвода тепла в окружающую среду, системы распределения и использования холода.

В зависимости от тепловой нагрузки на холодильную установку, разнообразия объектов охлаждения, типа холодильных машин и вида потребляемой энергии применяют либо централизованную, либо локальную систему хладоснабжения. Централизованная система предполагает использование единого комплекса машин и аппаратов для выработки холода различных параметров и его распределения. Система может включать отдельные агрегатированные холодильные машины или представлять комбинацию холодильного оборудования, имеющего общие или взаимозаменяемые элементы (например, блок конденсаторов, ресиверы, коммуникации рабочего тела холодильной машины). Как правило, при проектировании централизованной холодильной установки применяют систему охлаждения технологических объектов промежуточным теплоносителем. Такой вариант хладоснабжения предполагает некоторое увеличение энергозатрат (по сравнению с непосредственным охлаждением потребителей холода рабочим телом холодильной машины), однако позволяет упростить технологическую схему, обеспечивает удобство монтажа и обслуживания оборудования, безопасность и надежность его эксплуатации. Изолированность контура рабочего тела холодильной машины допускает применение аммиака как наиболее дешевого и термодинамически эффективного рабочего тела.

Для отвода тепла в  окружающую среду обычно применяют  систему оборотного водоохлаждения. В целом централизованная система  хладоснабжения обеспечивает высокую  степень надежности при меньшем

 

резерве оборудования и меньшей численности обслуживающего персонала.

При небольших тепловых нагрузках, существенной разбросанности объектов охлаждения, а также при  непосредственном включении элементов  холодильного цикла в схему основного  производства, например при газоразделении, целесообразно использование локальной системы получения холода с непосредственным охлаждением объектов рабочим телом холодильной машины. При этом несколько снижаются энергетические затраты.

В холодильных установках, применяемых в химической промышленности, используют почти все типы холодильных машин, но наибольшее распространение получили паровые компрессионные и абсорбционные. Как показывает технико-экономический анализ [1—3], применение абсорбционных холодильных машин обосновано при использовании вторичных энергетических ресурсов в виде дымовых и отработанных газов, факельных сбросов газа, продуктов технологического производства, отработанного пара низких параметров. В ряде производств экономически выгодно комплексное использование машин обоих типов при создании энерготехнологических схем.

Расчет холодильной  установки включает следующие стадии: расчет холодильного цикла, тепловые расчеты, подбор холодильного оборудования и  расчет коммуникаций контура рабочего тела, расчет систем хладоносителя и оборотного водоохлаждения, расчет тепловой изоляции низкотемпературных аппаратов и трубопроводов, опенку энергетической эффективности холодильной установки на ее технико-экономический анализ.

В настоящем пособии приведен расчет двух холодильных установок — на основе паровой компрессионной и абсорбционной холодильных машин — и дан сравнительный технико-экономический анализ этих вариантов хладоснабжения.

 

1. КОМПРЕССИОННАЯ ПАРОВАЯ  ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Задание на проектирование. Рассчитать компрессионную холодильную установку для конденсации паров бензола из газовой смеси бензол — азот  при следующих условиях:

массовый расход газовой смеси  m_г — 8,0 кг/с;

температура, давление и состав исходной смеси соответственно t = 90°С, Р_г — 0,1 МПа, x = 0,06 мол. долей бензола; степень извлечения бензола α_и>0,75;

система охлаждения технологических  аппаратов — централизованная с  промежуточным хладоносителем,

система водоохлаждения — оборотная  с вентиляторными градирнями;

климатические данные местности (г. Тамбов): среднемесячная температура воздуха в июле t= +20 °С; средняя относительная влажность φ = 0,68;

рабочее тело холодильной машины —  аммиак;

вид энергии и источник энергоснабжения  — электроэнергия конденсационной  электростанции (КЭС).

Схема установки. Схема холодильной установки включает три контура: контур промежуточного хладоносителя для отвода тепла от охлаждаемых технологических объектов; аммиачный контур холодильной машины; систему оборотного водоохлаждения для передачи тепла атмосферному воздуху (рис. 12.1).

Процесс выделения бензола из парогазовой  смеси осуществляют конденсацией паров  при охлаждении потока исходной смеси  до температуры t**, при которой обеспечена заданная степень извлечения а_и. Жидкая фаза, в данном случае состоящая только из бензола, выделяется в конденсаторе при t**<t<t*, где t* и t** — температуры, соответствующие условиям насыщения при исходном и конечном составах газовой фазы.

Если t*> t_в1 и t**<t_в1  (где t_в1  — температура охлаждающей воды из градирни), то необходимо провести процесс конденсации в две стадии: сначала в аппарате, охлаждаемом водой, а далее — используя холодильную установку. В данном случае парциальное давление паров бензола в исходной смеси хР_r — 0,06*0,1 =6*10-³ МПа, температура насыщения t*(х, Р_г) = 34,2 °С, температура охлаждающей воды t_в1 = 26,7 °С. Поскольку разность температур t* и t_B1 не превышает температурных напоров в теплообменных аппаратах для охлаждения газов, очевидно, что процесс конденсации следует провести в конденсаторе I, охлаждаемом с помощью холодильной установки.

Обедненная газовая  смесь из конденсатора направляется в теплообменник II, охлаждая исходную смесь до температуры t*. Жидкая фаза из конденсатора поступает в емкость хранения при температуре t**. Аппараты I и II установлены в помещениях основного производства и связаны коммуникациями хладоносителя с машинно-аппаратным отделением холодильной установки, размещенной в специальном здании.

Рис. 1. Схема компрессорной  холодильной установки для выделения  толуола из парогазовой смеси:

1—4 — состояние рабочего тела в узловых точках цикла; I — конденсатор бензола; II — теплообменник газовых потоков; III — испаритель аммиака;  IV — сепарационное устройство: V — компрессор; VI — маслоотделители; VII — обратный клапан; VIII - конденсатор

аммиака; IX- вентиляторная градирня; X — насос для циркуляции воды; . XI — ресивер; XII — дроссельное устройство; XIII — насос для циркуляции хладоносителя

Контур рабочего тела аммиачной компрессионной холодильной  машины включает основное холодильное  оборудование (компрессоры, конденсаторы, испарители, автоматические дроссельные устройства) и вспомогательные аппараты (сепарационные устройства, маслоотделители, ресиверы, приборы автоматического регулирования и контроля, арматура). Пары аммиака из испарителя III отсасываются компрессором V и нагнетаются в конденсатор VIII, где сжижаются, отдавая тепло охлаждающей воде. Жидкий аммиак через дроссельное устройство XII подается в испаритель, где превращается в пар, воспринимая тепло.

Поток пара, уходящий из испарителя, обычно содержит капли жидкого аммиака: попадание их в цилиндры компрессоров создает опасность аварийного режима работы, особенно при пуске установки или при резком возрастании тепловой нагрузки. Чтобы предотвратить всасывание влажного пара, на линии между испарителем и компрессором установлено сепарационное устройство IV (отделитель жидкости). В потоке пара из компрессора содержится значительное количество смазочного масла. Масляная пленка, попадающая на поверхности теплообменных аппаратов, заметно ухудшает интенсивность теплообмена. В маслоотделителе VI большая часть масла задерживается и по мере накопления возвращается в картер компрессора.

Обратный клапан VII разгружает компрессор от высокого давления нагнетания при автоматической остановке, а также защищает от прорыва аммиака в рабочее помещение при авариях. Расположенный ниже конденсатора линейный ресивер является сборником конденсата и выполняет две функции: сохраняет теплообменную поверхность конденсатора незатопленной и создает запас рабочего тела для компенсации неравномерности расхода жидкости при колебаниях тепловой нагрузки.

 

Автоматическое дроссельное  устройство XII постоянно обеспечивает оптимальное заполнение испарителя жидкостью, обычно на уровне верхнего ряда труб. Тепло конденсации аммиака отводится охлаждающей водой, циркулирующей в оборотной системе. Подогретую в конденсаторе воду подают на орошение насадки вентиляторной градирни IX; охлажденную воду откачивают насосом' X и подают в трубное пространство конденсатора VIII.

 

1.1. Определение холодильной мощности и температурного режима установки

Тепловая нагрузка холодильной  установки определяется тепловым потоком Q_I отводимым в конденсаторе паров бензола. Примем, что температуры газовых потоков на входе и выходе конденсатора определяются условиями насыщения для газовой смеси исходного и конечного составов, т. е. t* (х, Р_г) и t** (х’, Р_г).Температуру жидкого бензола на выходе из аппарата I (см. рис. 1) примем равной температуре обедненного газового потока t**(x', Р_г). Процесс в конденсаторе принят изобарным, давление в аппарате равно давлению исходной смеси Р_r. При заданных значениях температуры и давления газовую фазу будем рассматривать как идеальную газовую смесь (что позволит при расчете энтальпии пренебречь эффектом смешения и влиянием давления).

Величину Q_I  находим из уравнения баланса энергии для парогазового пространства конденсатора:

Q_I = l,05 [m_ri_r (t*,x) - (т_г — т_ж)t_r (t**, x’) — m_жi_ж (t**) +m_жr (0 °С)],

где 1,05 — коэффициент, учитывающий приток тепла из окружающей среды за счет несовершенства тепловой изоляции конденсатора; i_r (t*, х), t_r (t**, х') и i_ж (t**) — энтальпии газовых и жидкой фаз, отсчитанные от 0 °С; r (0 ^СС) —теплота парообразования бензола при 0 °С.

Температуры t* и t**, соответствующие условиям насыщения парогазовой смеси при давлении P_r и составах х и х’, рассчитываем по уравнению Антуана:

lnP_v = A-B / (T+C).

Для насыщенных паров бензола A=15,9008; B=2788,51; C=-52,36 [4] при размерности единицы давления мм рт.ст.

Для  смеси  исходного  состава   P^*_v=xP_r, =0,06*0,1=6*10^-3 МПа,   t* = +34,2°С.

Примем температуру выходных потоков  газа и жидкости t** = -13,5 °С; тогда по уравнению Антуана находим давление насыщенных паров бензола P_V** (t**) =11,58 мм рт.ст., что соответствует составу газовой фазы на выходе из конденсатора x'=0,015 мол. доли. Вычислим достигаемую при этом степень извлечения бензола:

Таким образом, охлаждение смеси до -13,5 °С обеспечивает заданную степень извлечения бензола (a_и>0,75).

При вычислении энтальпии можно, учитывая малый интервал изменения температуры и линейную форму зависимости C_p(t), использовать в качестве средних значений теплоемкостей их истинные значения при температурах 0,5t* и 0,5t**:

I_г (t**, х) = [хС_рг (t*/2,x=1 ) + (1-x) С_рг (t*/2, х = 0)]t*;

i_г(t**, x)= [x' C_pr (t**/2, x=1) + (1-x') C_pr (t**/2,x’=0)t**;

i_ж(t**) = C_pж (t**/2, х=1) t*.

В указанных соотношениях х и х' — массовые доли  бензола в газовых фазах (х=0,262 и х' = 0,008); С_рг (t/2, х=1) и С_рж (t/2, х=1) — удельные теплоемкости бензола в паровой и жидкой фазах; С_рг (t/2, х=0) — удельная теплоемкость газообразного азота. По данным [4, 5],

при 0,5t* = 17,1 °С, С_рг (х=1) = 1,25 кДж/(кг*К), С_рг (х = 0) = 0,88 кДж/(кг*К);

при 0,5t** = -6,75 °С, С_рг (х=1) = 1,25кДж/(кг*К), С_рж (х = 1) = 1,66 кДж/(кг*К), С_рг (x = 0) = 0,88 кДж/(кг*К).

Значения энтальпии  газовых и жидкой фаз равны:

i_r(t*,x) = 33,41 кДж/кг; i_r (t**, x’) = -12,28 кДж/кг; t_ж(t**) = -22,41 кДж/кг.

Теплота парообразования  бензола r(0°С) = 448,3 кДж/кг [5].

Массовый расход жидкого бензола, извлекаемого из газовой смеси, составит

m_ж = а_н х т_r = 0,7544*0,262*8 = 1,58 кг/с.

Тепловой поток, отводимый хладоносителем в конденсаторе бензола, равен:

Q_I=1,05 [8*33,41 - (8-1,58) (-12,28)-1,58 (-22,41)+1,58*448,3]= =1144,33кВт.

Холодильная мощность, необходимая для выделения бензола в заданных условиях, должна учитывать теплопритоки из окружающей среды в контуре циркуляции хладоносителя и рабочего тепла холодильной машины, которые обычно составляют 10—15 % от тепловой нагрузки технологических аппаратов:

Q₀=1,1Q_I= 1,1*1144,33=1258,763 кВт.

Если условно отнести  все притоки тепла извне в  аммиачном контуре к испарителю, то величина Q_o определяет тепловой поток, подводимый к рабочему телу в аппарате III.

Режим работы холодильной  установки определяется, прежде всего, внешними условиями: температурами охлаждаемого объекта, стабильностью тепловой нагрузки и параметрами окружающей среды.

Интервал изменения  температуры технологического потока в конденсаторах бензола определяется температурами t* и t**. Примем минимальную разность температур в аппарате t равной 10 °С; тогда температура хладоносителя на входе в конденсатор бензола составит

t_х,2 = t**— t_min=  -13,5 — 10= — 23,5 °С.

Следует заметить, что  минимальный температурный напор  в технологических аппаратах оказывает большое влияние на общую энергетическую и экономическую эффективность низкотемпературных процессов и должен определяться в результате технико-экономической оптимизации технологического режима установки.