Розрахунок кожухотрубного конденсатора теплового насосу

У якості вхідних даних для розрахунку конденсатора приймаємо попередньо геометричні характеристики теплообмінника, як і для підігрівача газу ПГПТ-30 (за даними підприємства-виробника):

- Трубки зі сталі діаметром 20 × 2 мм,

- Довжина труб у пучку - 4 м, загальне число трубок - 122 шт.,

- Кількість ходів - 2, отже число труб в одному ході - 61 шт.

- Розташування труб шахове, крок труб - 26 мм.

Малюнок 4.2 Трубний пучок підігрівача газу ПТПГ-30 в розрізі

(за даними підприємства-виробника)

Планується виконати конструкторський розрахунок з визначенням площі теплообмінної поверхні, компонуванням трубного пучка і підбором кількості підігрівачів.

Газ, який нагрівається, проходить по трубках, конденсація холодоагенту здійснюється на зовнішній поверхні трубок.

Теплопродуктивність конденсатора Q_kI = 534.726 кВт (прийнято з попередніх розрахунків енергетичних характеристик теплового насосу при роботі на холодоагенті R600а).

Температура конденсації R600а t_н =55 ºС, температура газу на вході в теплообмінник t_г1 = 3 ºС і на виході t_г2 = 45 ºС.

Розрахунок:

1. Середня логарифмічна різниця температур в теплообміннику розраховується за формулою:

, (4.8)

де Δt_бта Δt_м- більша і менша різниці температур між теплоносіями біля кінців теплообмінного апарату. За протиточною схемою руху теплоносіїв без зміни їх агрегатного стану значення Δt_бта Δt_мзручно визначати за мал. 4.3.

Малюнок 4.3 Зміна температур теплоносіїв в теплообміннику за протиточною схемою руху середовищ

Визначаємо середньологаріфмічну різницю температур. Схема руху теплоносіїв:

55 ºС	→ конденсація холодоагенту →	55 ºС
45 ºС	← холодний теплоносій (природний газ)←	3 ºС
Δtм=10 ºС		Δtб=52 ºС

≈ 25.5 °C

Середня температура газу 29.5 ºС.

2. Визначення коефіцієнта тепловіддачі до газу, що підігрівається, який рухається всередині трубного пучка.

Щільність природного газу при параметрах в теплообміннику t_ср=29.5 ºС. та Р=2.5 МПа, якщо відома густина за стандартних умов (Т_ст=293 К та Р_ст=1.013·10⁵ Па) :

, (4.9)

тут z - коефіцієнт стисливості, який залежить від наведених тиску і температури:

(4.10)

(4.11)

Критичні параметри для природного газу (приймаємо як для метану) Т_кр=190.55 К та Р_кр=4.64 МПа.

Для природного газу коефіцієнт стисливості можна розрахувати за наступною формулою:

. (4.12)

.

.

.

.

Об'ємна витрата природного газу при та Р=2.5 МПа.

. (4.13)

Швидкість руху газу в трубному пучку:

= . (4.14)

Отримана швидкість виявилася вище рекомендованої для газів (12-16 м/с), тому для зменшення швидкості газового потоку приймаємо замість двоходового руху потоку - одноходовий. При цьому число трубок, по яких буде рухатися газ склав 61х2 = 122 трубки.

Тоді швидкість руху газу в трубному пучку:

= . (4.14*)

Отримана швидкість є допустимою для газових потоків в теплообмінниках.

Далі для обчислення числа Рейнольдса необхідно визначити в'язкість газу. Вважається, що для більшості газів в'язкість, при тисках від 0 до 5 МПа, практично не залежить від тиску (змінюється на ~ ±10%). Тому, за [25] визначаємо динамічну в'язкість при =>μ=1.02·10^-7 Па·с.

Залежність кінематичної в'язкості газу від температури і тиску виражається наступною формулою:

, (4.15)

де С – постійна, що залежить від властивостей газу, для метану С= 164 [8]; R=8314 Дж/(кмоль·К)– універсальна газова стала.

Тоді кінематична в'язкість при :

.

Число Рейнольдса:

. (4.16)

Для тепловіддачі при турбулентному режимі руху рідин і газів у трубах справедлива наступна емпірична формула для числа Нуссельта [20]:

. (4.17)

Pr – число Прандтля:

, (4.18)

де а – температуропровідність, м²/с.

Температуропровідність можна виразити через інші властивості газу:

, (4.19)

Визначаємо теплопровідність газу по середньому тиску і температурі в теплообміннику по [25]: λ=0.036241 Вт/(м·К).

,

.

Поправка , яка враховує відміну властивостей газу при середній температурі і при температурі більше гарячої тепловіддаючої поверхні (трубки теплообмінника), для газів приблизно дорівнює одиниці .

.

Тоді коефіцієнт тепловіддачі від гарячої трубки теплообмінника до природного газу, що нагрівається:

. (4.20)

3. Коефіцієнт тепловіддачі холодоагенту, який конденсується на пучку горизонтальних труб, при відсутності впливу швидкості руху пару:

, (4.21)

Значення властивостей холодоагенту R600а при t_н =55˚С [20]:

кДж/кг;

кг/м³;

Вт/(м·К);

.

Поправочний коефіцієнт, враховує вплив натікання конденсату з вище розміщених труб на ті, які пролягають нижче.

(4.22)

,

де n – кількість трубок по вертикалі. За мал. 4.2 n=12 шт.

θ_a – різниця між температурами холодоагенту і стінки.

Так як температура стінки невідома, то подальші розрахунки проводяться графоаналітичним способом. Задаємося чотирма значеннями температури стінки (числові значення приймаються в інтервалі між температурою конденсації холодоагенту і середньою температурою газу). При цих температурах виконується розрахунок чотирьох числових значень коефіцієнта тепловіддачі з боку холодоагенту:

Таблиця 4.1 Залежність коефіцієнтів тепловіддачі і щільності теплового потоку в теплообміннику від t_ст.

tст, ˚С	Θа, ˚С	,Вт/(м^2·К)	qа, Вт/м^2	Θв, ˚С	,Вт/(м^2·К)	qв, Вт/м^2
				20.5
				15.5
				10.5
				5.5

Θ_а= t_к - t_ст;(4.23)

Θ_в= t_ст- t_{ср.газа;}(4.24)

t_к=55˚С;

t_{ср.газа}=29.5˚С.

Вт/(м²·К);

Вт/(м²·К);

Вт/(м²·К);

Вт/(м²·К).

Визначаємо щільність теплового потоку від холодоагенту, що конденсується, до газу, віднесену до внутрішньої поверхні труб F_вн.

При передачі тепла від зовнішньої стінки труби з температурою t_ст до газу (з урахуванням термічного опору стінки):

, (4.25)

Вт/м²,

Вт/м²;

Вт/м²;

Вт/м².

Щільність теплового потоку від R600а до зовнішньої поверхні труб:

(4.26)

Вт/м²;

Вт/м²;

Вт/м²;

Вт/м².

Будуємо графіки q_в = f (θ_в) та q_a = f (θ_a) – наведено в додатку. За графіком визначено значення q.

q=9900 Вт/м².

Вт

5. Площа поверхні конденсатора:

м² (4.27)

Приймаємо стандартний конденсатор [Иоффе] з площею теплообмінної поверхні 70 м², з d_кожуха=600 мм, l_трубок=3 м, d=20×2 мм. Загальна кількість трубок n=370, число ходів z=2. Для підтримки необхідного гідродинамічного режиму течії газу в трубах і для зменшення площі теплообмінника, кількість трубок в ньому можна зменшити.

Дата добавления: 2015-07-13