Расчет аппарата воздушного охлаждения

      В трубном пучке каждая труба может  иметь индивидуальный прогиб. Для  исключения контакта ребер верхнего ряда труб с ребрами труб нижнего  ряда между соседними рядами в  нескольких местах по длине трубы  помещают дистанционные прокладки  5 шириной около 15 мм из алюминиевой ленты толщиной 2 мм.

 
 
 
 

      Рисунок 1.3 – Схемы аппаратов воздушного охлаждения АВЗ:

а — шатровый; б — зигзагообразный 

      Крышки  6 крепят к трубным решеткам теплообменных секций при высоком давлении неразъемно или на шпильках. Если секция аппарата многоходовая, крышки снабжают перегородками, которые делят трубный пучок на ходы. Съемные крышки обычно выполняют литыми из стали.

Как указано, трубы в аппаратах воздушного охлаждения имеют оребрение по наружной поверхности, поскольку коэффициент  теплоотдачи на наружной поверхности  труб примерно на порядок меньше коэффициента для внутренней поверхности.

      В аппаратах воздушного охлаждения используют вентиляторы с диаметром колеса до 7 м. Колеса вентиляторов изготовляют сварными из алюминия или из стеклопласта, диффузор — из листовой стали толщиной 2 мм. Холодильники АВГ с трубами длиной 8 м комплектуют двумя одинаковыми вентиляторами и электродвигателями (по одному вентилятору и двигателю на каждые 4 м длины труб).

      Электродвигатели  привода могут быть одно- и двухскоростными. При использовании двухскоростных электродвигателей с понижением температуры окружающей среды можно  работать при меньшей частоте

вращения  вентилятора.

Рисунок 1.4– Теплообменная секция АВО

      2 Тепловой расчет 

      2.1 Тепловой баланс и расчет тепловой  нагрузки аппарата 

      Поскольку трубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить  на две зоны: конденсации и охлаждения конденсата. В зоне конденсации температуру  можно принять постоянной и равной T_вх, а в зоне охлаждения конденсата теплофизические свойства определяются при средней его температуре. Все свойства конденсата удобно представить в таблице 2.1:

      Таблица 2.1 – Теплофизические свойства конденсата

 

      Зависимость плотности от температуры выражается линейным уравнением: 

     ,     (2.1) 

где – соответственно плотности при искомой температуре t и 20 °С, г/см³;

       a – температурный коэффициент по линейной зависимости от , находится по формуле:

    (2.2) 

; 

 кг/м³; 

 кг/м³. 

     Тепловую  нагрузку аппарата Q определим по формуле: 

   Q = Q₁ + Q₂.   (2.3) 

     Для этого определим количество тепла Q1, выделяющегося при конденсации,               по формуле:

 Q₁ = G ×r,      (2.4)  

Q₁ = 5800 ×490∙10³ =2,842∙10⁹ Дж/ч. 

     Количество  тепла Q₂, выделяющегося при охлаждении конденсата, по формуле: 

Q₂= G ∙c₂∙(Т_вх−Т_вых),    (2.5) 

Q₂ = 5800 ∙2550∙(170 −58)= 1,656∙10⁹ Дж/ч, 

Q = Дж/с. 

      Определяем  необходимую площадь поверхности  теплообмена F по формуле (2.6). При предварительном подборе аппарата воздушного охлаждения выбираем величину теплонапряженности, отнесенную к оребренной поверхности. Для всех типов АВО величина теплонапряженности принимается равной от 1000 до 2100 Вт/м².Примем q = 1100 Вт/ м². 

      ,      (2.6)

    F м². 

    По  таблицам приложения Б в соответствии с полученным значением поверхности F подбираем аппарат воздушного охлаждения.

    Выбираем  аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа с поверхностью теплообмена 1770 м². Коэффициент оребрения 9, длина труб 8 м, количество рядов труб 4, количество ходов по трубам 4, общее количество труб в аппарате 282 шт., в секции 94 шт., в одном ходу 24 шт., внутренний диаметр трубок 0,022 м. 

2.2 Определение  коэффициента теплоотдачи со  стороны воздуха 

    Приведенный коэффициент теплоотдачи, отнесенный к наружной поверхности,  условно неоребренной трубы для труб с накатанными ребрами при коэффициенте оребрения 9 определяем по формуле: 

      a_пр =   ,   (2.7) 

      где w_уз – скорость воздуха в узком сечении пучка труб, м/с;

      λ_в,ρ_в,υ_в – свойства воздуха при средней температуре;

      с₁, с ₂ – множители, которые в зависимости от коэффициента оребрения имеют следующие значения при φ _ор=9, с₁=0,83 и с₂=0,5; при φ _ор =14,6, с₁=0,65 и с₂=0,48.

     Скорость  воздуха в узком сечении  определяем по формуле (2.8), при этом принимаем наименьшую площадь сечения межтрубного пространства fм при коэффициенте оребрения φор =9 и длине труб l=8м равной 11,02 м². 

      w_уз=V_в/f_м  ,      (2.8)

где Vв – расход воздуха, м³/c. 

    Расход  воздуха V_в определяем при средней температуре воздуха t_ср из уравнения теплового баланса.     

    Температура воздуха на входе в аппарат T3 принимаем  как среднюю температуру сухого воздуха в 13 часов дня наиболее жаркого месяца в году города Тюмень, T3=22,4 ºС . Температуру на выходе из аппарата T4 принимаем на 15 ºС выше конечной температуры охлаждаемой жидкости, но не более 60 ºС, T4=60 ºС. Среднюю температуру воздуха определим по формуле: 

    t_ср = 0.5∙( T₃ + T₄),      (2.9) 

    t_ср = 0,5∙(22,4 + 60) =41,2 ºС=314,2 K. 

    Объемный  расход воздуха V_в :

     ,     (2.10)

     . 

    Скорость  воздуха в узком сечении  :

     = 29,3/11,02 = 2,6 м/с.

          Коэффициент теплоотдачи:

    a_пр = 0,83·0,5·0,027·(2,6/17,1·10^-6)^0,6·0,711^0,35 = 12,7 Вт/м²К. 

    2.3 Определение коэффициента теплоотдачи  при  конденсации продукта 

    Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта будет иметь одно и то же значение как в случае использования гладкой  наружной поверхности трубы, так  и в случае оребренной. Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны конденсирующихся паров продукта определяют по формуле: 

     ,     (2.11) 

где К_L – поправочный коэффициент;

С – поправочный  коэффициент (для вертикальных труб С=1,15);

l – определяющий геометрический параметр (для вертикальных труб l=1);

t_s – температура конденсации, ˚С;

t_w – температура стенки, на которой конденсируется пар, ˚С.

    Так как коэффициент теплоотдачи  α_к зависит от перепада температур в пленке конденсата Δt_кон= t_s – t_w = Т₁ – t_ст1, то тепловой расчет должен проводиться методом подбора температуры стенки t_ст1 со стороны конденсирующегося пара. Этот расчет сопряжен с решением системы уравнений: 

     ,   (2.12) 

где r_з1, r_з1 – термические сопротивления загрязнений от углеводородов и от воздуха соответственно (таблица 7, приложения);

δ_ст – толщина стенки;

λ_ст – теплопроводность материала стенки.

    Расчет  удобнее проводить по следующим  упрощенным формулам:

     ;    (2.13) 

      ;    (2.14) 

;     (2.15) 

     .     (2.16)

 

    Таблица 2.2 – Результаты расчета температур в зоне конденсации

 

     Добившись удовлетворительной сходимости 1,5 % между  значениями и (при температуре стенки 160,5°С), определяем необходимую площадь поверхности теплообмена в зоне конденсации  по формуле: