Расчет и проектирование двухступенчатой фреоновой холодильной установки

 

 

 

 

 

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.

6.1.) Расчет зоны охлаждения. 

а)Определяем  температуру  воды на входе в зону охлаждения:

                                                                                                           

 

 

Количество теплоты, отводимое  водой в первой зоне:

               (6.2)

 

°С.

б)Средняя разность температур в первой зоне:

              (6.3)

°С.   

6.2) Ориентировочно принимаем коэффициент теплопередачи Вт/м К ([2], с. 175 табл.4-6).

    Ориентировочное  значение поверхности теплопередачи  зоны охлаждения конденсатора определяем по формуле (5.3):

м .

По ГОСТ  выбираем кожухотрубчатый  конденсатор со следующими характеристиками ([1], с. 51 табл.2.3):

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 8

Диаметр кожуха D,мм	325
Диаметр труб d, мм	20х2
Общее число труб n, шт	100
Число ходов, z	2
Длина труб l, м	2
Площадь самого узкого сечения в межтрубном пространстве f, м	0.011
Поверхность теплообмена F, м	11

 

6.3) 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;  μ- 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/м К.

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 μ- 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/м К.

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

Определяем коэффициент  теплопередачи по формуле(5.11):

,

где Σrзагр- сумма термических  сопротивлений загрязнений труб с двух сторон([2] , c. 506 табл.ХХХI), м К/Вт ; δ- толщина стенки трубок, м; λ - коэффициент теплопроводности стали, Вт/м К.

Вт/м К.

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,μ,λ-теплофизические  свойства воды при  .

По формуле (5.17) найдем:

 Вт/м К.

Аналогично для фреона-12:

По формуле (6,5) найдем:

,

где с,μ,λ-теплофизические  свойства паров фреона-12 при .

По формуле (5.17) определим:

 

 Вт/м К.

Определяем точное значение коэффициента теплопередачи по формуле (5.11):

Вт/м К.

Поверхность теплопередачи найдем по формуле (5. 3):

м .

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 9

Диаметр кожуха D,мм	325
Диаметр труб d, мм	20х2
Общее число труб n, шт	100
Число ходов, z	2
Длина труб l, м	2
Площадь самого узкого сечения  в межтрубном пространстве f, м	0.011
Поверхность теплообмена F, м	11

 

 

6.2. 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/м К ([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

Диаметр кожуха D,мм	400
Диаметр труб d, мм	25 2
Общее число труб n, шт	100
Число ходов, z	2
Длина труб l, м	3
Площадь самого узкого сечения  в межтрубном пространстве f, м	0.02
Поверхность теплообмена F, м	24

 

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/м К.

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/м К.

Коэфициент 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/м К.

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

Вт/м К.

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,μ,λ-теплофизические  свойства воды при  .

По формуле (5.17) определим:

Вт/м К.

Для фреона-12:

°С

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

 Вт/м К

 Вт/м К

Определяем коэффициент  теплопередачи по уравнению (5.11):

= Вт/м К.

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

Диаметр кожуха D,мм	400
Диаметр труб d, мм	25 2
Общее число труб n, шт	100
Число ходов, z	2
Длина труб l, м	4
Площадь самого узкого сечения  в межтрубном пространстве f, м	0.02
Поверхность теплообмена F, м	31

6.3. Расчет зоны переохлаждения конденсата фреона.

Средняя разность температур в третьей зоне составляет:

°С.

Ориентировочно принимаем  коэффициент теплопередачи  Вт/м К ([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

Диаметр кожуха D,мм	273
Диаметр труб d, мм	20 2
Общее число труб n, шт	61
Число ходов, z	1
Длина труб l, м	1,5
Площадь самого узкого сечения  в межтрубном пространстве f, м	0.007
Поверхность теплообмена F, м	6

 

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; μ- динамический коэффициент вязкости воды в интервале температур , Па·с [3].

 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/м К.

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 μ- 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/м К.

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

Определяем коэффициент  теплопередачи по уравнению аддитивности (5.11):

 Вт/м К.

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,μ,λ-теплофизические  свойства воды при  .

 Вт/м К.

Аналогично для фреона-12:

,

где с,μ,λ-теплофизические  свойства паров фреона-12 при .

 Вт/м К.

Определяем точное значение коэффициента теплопередачи по формуле (5.11):

=

Вт/м К.

Поверхность теплопередачи из формулы (5.3):

 м .

Требуемая поверхность  теплопередачи:

 м .

 

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

Параметры кожухотрубчатого конденсатора сводим в таблицу

Таблица 13

Диаметр кожуха D,мм	600
Диаметр труб d, мм	20 2
Общее число труб n, шт	334
Число ходов, z	2
Длина труб l, м	2
Площадь самого узкого сечения  в межтрубном пространстве f, м	0.041
Поверхность теплообмена F, м	47

 

 

7. Рассчёт и подбор насоса для подачи рассола.

 

Учитывая широкое распространение  центробежных насосов в промышленности ввиду достаточно высокого КПД, компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выберем для подачи рассола NaCl в  испаритель именно такой насос.

1) Подача:

Насос должен обеспечить необходимый расход рассола 20 т/ч (по заданию):

 

м /с,

где – плотность рассола при температуре на входе в испаритель °С ([3], c.146].