Выбор воздухоохладителей

В определяющей степени эффективность работы всей компрессорной установки (КУ) и особенно системы утилизации тепла при охлаждении сжимаемых газов, зависит от выбора теплообменных аппаратов.

На выбор того или иного вида газоохладителя влияет целый ряд требований, которые иногда накладывают взаимопротивоположные ограничения: диапазон производительности КУ; вид и параметры сжимаемого газа; габаритные размеры; вид системы охлаждения.

В настоящее время промышленность выпускает газоохладители в широком диапазоне расходов сжатого газа (до 3000м³/мин) и рабочего давления до 40 МПа. Однако можно отметить, что большая часть из них предназначена на расходы до 250 м³/мин и давления до 4 МПа.

По диапазону рабочих давлений газоохладители принято делить на три группы: 1) низкого давления (до 1,2 МПа); 2) среднего давления (до 4 МПа); 3) высокого давления (свыше 4 МПа).

Конструкция теплообменных аппаратов определяется типом теплопередающего элемента, который выполняется в виде труб или листового материала.

Повышение компактности теплообменников требует использование труб малого диаметра, что приводит к противоречию с требованием уменьшения гидравлического сопротивления. Одним из эффективных и распространенных способов повышения компактности является оребрение труб. В практике в большинстве случаев осуществляется наружное оребрение, которое выполняется как цельнокатаное, литье, ленточное и насадное.

По способу соединения труб в теплообменниках можно выделить следующие основные типы: неподвижные паянные, или развальцованные; подвижные со специальными уплотнениями труб в трубных досках; соединение труб с помощью калачей.

Наиболее многочисленная группа газоохладителей - это аппараты низкого и среднего давления. Охлаждаемой средой является воздух, охлаждающей - обычно вода. Конструкция таких аппаратов должна обеспечивать возможность чистки трактов обоих теплоносителей, коррозионную стойкость, виброустойчивость элементов конструкции, прочность, неизменность формы теплопередающей поверхности.

Наибольшим разнообразием отличаются конструкции трубчатых и кожухотрубчатых теплообменников. Большинство газоводяных кожухотрубчатых аппаратов имеют цилиндрический корпус, трубы заделаны в трубные решетки. Вода подается в трубное пространство, газ - в межтрубное. Это обусловлено относительной простотой очистки внутренней поверхности труб от накипи. Организация нужного режима течения межтрубного теплоносителя достигается установкой перегородок. Основной недостаток такой конструкции - это большая масса и габаритные размеры, а также ограниченные возможности унификации. Снижение массы и габаритных размеров возможно путем использования поперечноребренных труб, что связано с усложнением конструкции.

Использование низкооребренных или гладких труб обусловлено близостью физических свойств теплоносителей (газ - воздух или воздух - воздух). Такие аппараты свободны от недостатков водяных охладителей, однако большие размеры и масса сужают область применения.

По назначению различают промежуточные и концевые воздухоохладители. Промежуточные холодильники осуществляют охлаждение газа между ступенями компрессора. Концевые воздухоохладители устанавливают на выходе воздуха из компрессора.

Определяем количество тепла, отдаваемого сухим воздухом:

 

Q_в = V · r_в · С_в· (t₁ - t₂), (5.7)

 

где V - производительность компрессора, м³/с;

r_в - плотность воздуха при давлении и температуре на входе компрессора, кг/м³;

С_в - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/кг_*⁰С;

t₁ и t₂ - температура воздуха до и после теплообменника, ⁰С.

Температура сжатого воздуха до теплообменника определяется по выражениям (3.3,3.4):

e =  =  = 1,39

t₁ = [ ( t_н + 273 ) + DТ ] · e  = [(20 + 273) + 15] · 1,39 = 332,8 ⁰K;

Температуру сжатого воздуха после теплообменника принимается в пределах (30 ÷ 40) ºС

Температура t₂ численно равна температуре сжатого воздуха t_сж определенной ранее по выражению (3.3) для расчета межцеховых и внутрицеховых сетей промышленного предприятия при условии e = 1.

Т.к. r_в = 1,205 кг/м³; С_в = 1005 Дж/кг, следовательно получим:

Q_в = 24,67 ·1,205 ·1005 · (59,8 – 40) = 591,54 Вт.

Определяем дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара:

 

Q_д = V·r_в· [C_p· (x₁·t₁ - x₂·t₂)+(r₀ - k·t₂)(x₁-x₂)], (5.8)

 

где С_р - средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, Дж/кг⁰С;

r₀ - теплота парообразования при 0 ⁰С, Дж/кг;

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

х₁ и х₂ - влагосодержание воздуха до и после теплообменника, кг/кг

Для расчета воздухоохладителей компрессоров теплофизические величины принимают: С_р = 1880 Дж/кг⁰С; r₀ = 2,5_*10⁶ Дж/кг; k = 2346.

Определяем влагосодержание воздуха при входе в охладитель:

 

х₁ = , (5.9)

где R_в - газовая постоянная воздуха, равная 287,14 кДж/кг·град;

R_п - газовая постоянная водяных паров, равная 462 кДж/кг·град;

P₀ - давление воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

Р_1нас - давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

Р_1нас = 7374,9 Па, принимаем при температуре t₂ = 40 ⁰C; [5]

j₁ - относительная влажность воздуха при всасывании в ступень перед охладителем. (j₁ = 0,8).

Определяем давление после каждой ступени компрессора:

P₁ = P_атм · e = 101,325 · 1,39 = 140,84 кПа

P₂ = P₁ · e = 140,84 · 1,39 = 195,76 кПа

P₃ = P₂ · e = 195,76 · 1,39 = 272,1 кПа

P₄ = P₃ · e = 272,1 · 1,39 = 378,219 кПа

P₅ = P₄ · e = 378,219 · 1,39 = 525,72 кПа

P_кон = P₅ · e = 525,72 · 1,39 = 730,75 кПа

х₁ = = 0,007 кг/кг

Определяем влагосодержание воздуха при выходе из охладителя:

 

х₁ = , (5.10)

 

где Р -давление воздуха в охладителе, Па;

Р_2нас - давление насыщенного водяного пара при температуре газа на выходе из охладителя, Па;

Р_2нас = 7374,9 Па, при температуре t₂ = 40 ⁰C; [5]

j₂ = 1 - относительная влажность на выходе из охладителя;

х₂ = = 0,0062 кг/кг

Q_д = 24,67·1,205·[1880·(0,007·59,8 - 0,0062·40) + 2,5·10⁶ - 2346·40) + (0,007 - 0,0062)] = 66757,4 Вт.

Количество тепла, выделяемого при охлаждении влажного воздуха, можно представить в следующем виде:

 

Q_охл = Q_в + Q_д,(5.11)

 

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

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

Q_охл = 591,54 + 66,757 = 658,297 Вт.

Определяем поверхность теплообмена воздухоохладителя:

 

F = , м²(5.12)

 

где 0,5 - коэффициент, учитывающий улучшение коэффициента теплоотдачи за счет конденсации влаги;

y₁ - коэффициент на загрязнение поверхности охлаждения, принимается в пределах 1,05 ¸1,1;

y₂ - коэффициент использования поверхности охлаждения, равный 0,8 ¸ 0,9;

eDt - поправка: для аппаратов с перекрестным и смешанным потоком рабочих жидкостей менее 1,0; для противотока равна 1,0;

Dt - средний температурный напор, ⁰С;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/м²_*град.

Коэффициент теплопередачи k в теплообменниках со стальной поверхностью теплообмена для теплоносителей воздух - вода, варьируется в пределах 10 ¸ 40 Вт/м²·град.

Средний температурный напор при противотоке:

 

Dt = ,(5.13)

 

где t₁, t₂ - температура воздуха до и после теплообменника соответственно, ⁰С;

t_в.1 - температура охлаждающего теплоносителя на входе в охладитель, принимается в пределах (1 ¸ 30)⁰С;

t_в.2 - температура охлаждающего теплоносителя на выходе из охладителя, ⁰С.

Определяем температуру охлаждающей воды на выходе из теплообменника:

 

t_в.2 = t_в.1 + D,(5.14)

 

где D - зона охлаждения, принимается в пределах (5 ¸ 40)⁰С.

t_в.2 = 10 + 15 = 25 ⁰С

Dt = = 32,3 ⁰С,

F =  = 591 м²

Определяем расход охлаждающей воды в воздухоохладителе:

G = , кг/с,(5.15)

 

где 1,2 - коэффициент запаса, учитывающий также количество воды, находящейся в рубашке охлаждения цилиндра компрессора;

С_ж - теплоемкость охлаждающей воды, определяемая по средней температуре воды, Дж/кг_*град.

Определяем средняя температура охлаждающей воды:

 

t_ср = , ⁰C, (5.16)

 

t_ср = =17,5 ⁰C

по температуре t_ср = 17,5 ⁰С принимаем С_ж= 4,1875 Дж/кг_*град,

G = = 10,7 кг/с.

Выбираем кожухотрубчатый теплообменник сварной конструкции с неподвижными трубчатыми решетками со следующими параметрами:

- диаметр кожуха D_н - 1200 мм,

- давление Р_у - 1 МПа,

- размер труб - 20´2,

- количество ходов по трубам - 4,

- длина труб - 6000 м,

- поверхность теплообмена - 596 м²,

- площадь проходного сечения одного хода по трубам - 790 м²,

- площадь проходных сечений:

в вырезе перегородки - 1730 м²,

между перегородками - 1650 м².

Основные размеры: l = 9000; L= 10300; l₀ = 600; A = 8200; D_y=350; D_y1=350; D_k=1520; H/2=831; h=826; l₁=1050; l₂=1800; l_k=1000; l₃=550; количество перегородок - 14.

Заключение

Для спроектированной системы воздухоснабжения промышленного объекта была рассчитана наиболее сложная ветвь воздухопровода от компрессорной станции до потребителя. Потери давления на этой ветви составили 2,54 %. Также для этой системы были рассчитаны и выбраны следующие компоненты:

- 3 компрессоров марки К-1500-62-2 с производительностью 24,67 м³/с;

- фильтры типа Кд 120 с пропускной способностью 33,33 м³/с – 3 шт;

- 3 воздухосборника типоразмера В-20;

- 3 кожухотрубчатых теплообменников с поверхностью теплообмена - 596 м² ;

- 3 влагомаслоотделителя инерционного типа с объемом - 0,85 м³, по одному на каждый компрессор.

Список использованной литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 575 с.

2. Теплотехнический справочник. Т.1. - М.: Энергия, 1975 – 815 с.

3. Федяев А.А., Федяева В.Н. Система производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий. Задания и методические указания к выполнению курсового проекта - Братск: БрИИ, 1993 – 23 с.

4. Федяев А.А. Система производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий. Расчет системы производства и распределения газообразных энергоносителей. Учебное пособие. - Братск: БрИИ, 1998. – 63 с.

5. Федяев А.А. Система производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий: Лабораторный практикум. - Братск: БрИИ, 1999. – 51 с.