Расчет горизонтального аппарата воздушного охлаждения для охлаждения керосинового дистиллята

Определим физические параметры керосина при его средней  температуре в холодильнике:

      (7)

.

Коэффициент теплопроводности:

    (8)

.

Теплоемкость:

    (9)

.

Относительная плотность:

,    (10)

где - средняя температурная поправка на 1 К, определяемая по таблице  
[9. с.34].

Кинематическую вязкость керосина при Т_ср.1 = 346 К примем по практическим данным: .

Определим теперь минимальную линейную скорость движения керосина в трубах холодильника, при  которой обеспечивается устойчивый турбулентный поток, т.е. при которой .

     (11)

откуда:

        (12)

.

Обычно при  расчете теплообменников скорость жидкости внутри труб принимается от 0,5 до 2,5 м/с. Для проектируемого холодильника выбираем скорость керосина . Тогда по формуле (11):

При для определения коэффициента теплоотдачи со стороны керосина воспользуемся формулой [4, с.186]:

   (13)

где - критерий Прандтля при температуре ;

- критерий Прандтля при температуре  стенки трубы со стороны керосина  ;

- поправочный коэффициент, учитывающий отношение длины трубы L к ее диаметру [4, с. 186], в нашем случае равный единице.

Найдем критерий Прандтля при температуре  :

    (14)

Предварительно  принимаем (с последующей проверкой) температуру стенки трубы со стороны керосина . Аналогично, как это сделано выше, находим физические параметры керосина при этой температуре по формулам (8), (9), (10):

;

;

;

.

 

Тогда критерий Прандтля при  :

и коэффициент  теплоотдачи со стороны керосина:

.

 

4. Определение коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха.

 

В целях правильного  выбора расчетной формулы для  , следует определить значение критерия Rе для воздуха при поперечном обтекании им шахматного пучка труб холодильника.

Примем, что  фронтальное к потоку воздуха  сечение аппарата будет (рис. 10) с шагом труб по ширине пучка S₁ = 0,052 м. Шаг труб по глубине пучка S₂ найдем следующим образом:

     (15)

Определим число n труб в одном горизонтальном ряду пучка из формулы:

.     (16)

Преобразовав  формулу (16), получим:

,      (17)

где d₃ – внешний диаметр гладкой трубы (см. рис 9).

.

Рисунок 5 – Схема размещения труб в воздушном холодильнике

В дальнейшем уточним это число расчетом отдельных секций пучка. Примем число рядов труб по вертикали одной секции п_в = 6.

Определим площадь  сжатого (наименьшего) сечения в  пучке труб, через которое проходит воздух:

;             (18)

Скорость воздушного потока в сжатом сечении:

,     (19)

где V_Д – действительный секундный расход воздуха (берется из паспортных данных на вентилятор.

Средняя температура  воздуха:

,     (20)

.

По таблице 2.1 [1, с.107] находим интерполяцией кинематическую вязкость воздуха при его средней температуре:

.

Теперь определим  величину критерия Рейнольдса:

;         (21)

.

Коэффициент теплоотдачи  определим из уравнения [4, с.191], справедливого при :

         (22)

Получим: 

,    (23)

где - поправочный коэффициент, учитывающий угол атаки, принимается по таблице [4, с.190];

    - коэффициент теплопроводности воздуха при его средней температуре [1, стр107].

 
5. Коэффициент теплопередачи для пучка гладких труб.

 

Для биметаллических  труб (латунь - алюминий) и загрязненной поверхности теплообмена (внутренней и наружной) этот коэффициент определяется по формуле:

   (24)

где - тепловое сопротивление внутреннего слоя загрязнения, принимаем для прямогонного керосина равным 0,00035 (м²·К)/Вт (см. приложение 5)  
[5, с.336];

         - тепловое сопротивление латунной стенки трубы при и ;

         - тепловое сопротивление алюминиевого слоя трубы при и ;

  - тепловое сопротивление наружного слоя загрязнения - выбираем в пределах 0,00017 – 0,00086 [6], для дальнейшего расчета эта величина принята равной 0,0006 (м²·К)/Вт.

Подставив эти  значения в формулу (24), получим:

 

 

6. Определение среднего температурного напора

 

При многоходовом потоке теплоносителя в трубном пространстве холодильника (в нашем случае - керосин) и одноходовом потоке теплоносителя в межтрубном пространстве (в нашем случае - воздух) средний температурный напор определяется по методу Белоконя [7, с. 561]:

,     (25)

Здесь - средний температурный напор, К;

 и  - соответственно большая и меньшая разность температур, определяемая по формулам:

,     (26)

,     (27)

где - разность среднеарифметических температур горячего и холодного теплоносителей:

      (28)

   - характеристическая разность температур.

Рассчитаем  по формуле:

,    (29)

где - перепад температур в горячем потоке;

    - перепад температур в холодном потоке;

    Р  – индекс противоточности. В  нашем случае  [7, с.562].

Имеем:

Тогда:

Температуру стенки трубы со стороны керосина найдем по формуле:

     (30)

Полученная  температура близка к ранее принятой

 

7. Расчет поверхности теплообмена холодильника и аэродинамического сопротивления.

 

Находим поверхность  теплообмена холодильника с гладким трубами:

          (31)

Количество  труб:

,      (32)

где F₁ – поверхность теплообмена одной трубы:

Определим число труб для одного хода керосина при принятой ранее скорости движения керосина :

    (33)

.

Для удобства монтажных  работ пучок труб распределим  на три секции, в каждой секции разместим по 164 трубы. Схема компоновки пучка одной секции аппарата показана на рисунке 6 а.

Рисунок 6 – Схема движения керосина в трубном пучке (а) и компоновка трубных пучков (б).

Из этой схемы  видно, что охлаждаемый продукт - керосин последовательно делает 8 ходов в секции, причем в каждом из них движется одновременно по 20 и 21 трубам.

Такая схема  теплообмена называется смешанно-перекрестным током. Индекс противоточности для  нее Р = 1. Выше при расчете было принято Р = 0,98. Это не вносит сколько-нибудь заметной погрешности в определение величины .

 

8. Аэродинамическое  сопротивление пучка труб.

 

Аэродинамическое  сопротивление пучка труб (в Па) определяем по формуле [8, с.93]:

,   (34)

где - плотность воздуха при его начальной температуре;

- скорость воздуха в сжатом  сечении трубного пучка;

- число горизонтальных рядов  труб в пучке (по вертикали);

- наружный диаметр трубы.

Критерий Рейнольдса отнесенный к диаметру труб :

     (35)

Выбранный выше вентилятор ЦАГИ УК-2М развивает  напор до 403 Па, поэтому он с известным запасом по производительности и напору обеспечит работу холодильника.

 

9. Определение величин эксергий нагреваемого и охлаждаемого потоков.

 

Определим величины эксергий теплоносителей для заданных температур

     (36)

     (37)

     (38)

     (39)

где  - температура окружающей среды, равная 293 К;

- температура горячего теплоносителя  на входе

- температура горячего теплоносителя  на выходе

- температура холодного теплоносителя  на входе;

- температура холодного теплоносителя  на выходе

  - эксергия горячего теплоносителя при начальной температуре ;

  - эксергия горячего теплоносителя при конечной температуре ; 

  - эксергия холодного теплоносителя при начальной температуре ;

  - эксергия холодного теплоносителя при конечной температуре ;

;

;

Определим изменение эксергий:

;      (40)

,      (41)

где - изменение (уменьшение) эксергии горячего теплоносителя;

  - изменение (увеличение) эксергии холодного теплоносителя;

;

.

Запишем уравнение  эксергетического баланса:

,         (42)

где - сумма потерь в аппарате.

Преобразовав, получим:

          (43)

.

Эксергетический КПД рассчитывается по формуле:

     (44)

На рис. 7 приведена  диаграмма эксергетических потоков  процесса теплообмена.

Рисунок 7 – Диаграмма эксергетических потоков процесса теплообмена

 

  Составим диаграмму  энергетических потоков через  холодильник. Для этого воспользуемся  формулами [1 с. 97]:

         (45)

         (46)

            (47)

,          (48)

 

где - энтальпия керосина при температуре 377 К;

  - энтальпия керосина при температуре 315 К;

Энтальпии находятся  по приложении 2 [1, стр. 328].

Теплота керосина на входе    ;

Теплота керосина на выходе  ;

Теплота воздуха на входе   ;

Теплота воздуха на выходе   .

Определим изменение  энергий:

;             (49)

,             (50)

где - изменение (уменьшение) энергии горячего теплоносителя;

  - изменение (увеличение) энергии холодного теплоносителя;

;

.

          (51)

.

 

 

 

На рисунке 8 приведена диаграмма энергетических потоков процесса теплообмена для  данного аппарата.

Рисунок 8 – Диаграмма энергетических потоков процесса теплообмена

 

 

Вывод: в данной работе был проведен расчет аппарата воздушного охлаждения по заданным параметрам (температуре теплоносителя, хладагента, производительности). В результате расчета был подобран АВО горизонтального типа, с длиной труб 4 метра, по отраслевому стандарту для аппаратов воздушного охлаждения горизонтального типа. Стоит отметить, что применяемые в АВО гладкие трубы хуже, чем оребренные, т.к. существенно снижена поверхность теплообмена (см. рис. 4), в результате чего требуется большее число гладких труб, чем оребренных.

 

 

 

 

 

 

Список  использованных источников

 

1. Кузнецов А. А. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Изд. 2-е, пер. и доп. Л., «Химия», 1974.

2. Гребер Г. Основы учения о теплообмене, М., 1958. 566 с.

3. Шмеркович  В. М. Аппараты воздушного охлаждения  для технологических установок нефтеперерабатывающих и химических заводов, М., ЦИНТИХИМНефтемаш, 1967. 131 с.

4. Павлов К.  Ф. Примеры и задачи по курсу  процессов и аппаратов химической  промышленности. Изд. 7-е. Л., «Химия», 1970. 624 с.

5. Интернет ресусры: www.energomash.ru, www.unikc.ru, www.cotlomash.ru, www.siec-brn.ru.

6. Барановский  Н.В. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М, «Машиностроение», 1973. 288 с.