Расчет теплоотдачи компрессора холодильной установки

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

1. Описание цикла

В компрессоре К сжимается 1 кг газа в интервале давлений от р1 до р2 при температуре Т10 = const (процесс 1 — 2); теплота сжатия qк передаётся в окружающую среду. Затем поток охлаждается в теплообменнике Т1 в интервале температур от Т2 до Т2'', после чего теплота отводится сжиженным хладагентом (G0) в ванне В, и температура снижается от Т2″ до Т2'. Дальнейшее охлаждение происходит в теплообменнике Т2 (от Т2' до Т3); поток дросселируется в вентиле ДВ (процесс 3 — 4) и частично ожижается. В рефрижераторном режиме к сосуду С подводится теплота qx.

Обратный поток в количестве 1 кг проходит теплообменники Т1 и Т2, подогревается и выходит из цикла. Охлаждающая жидкость G0 обеспечивает температуру предварительного охлаждения Т2' = Тп на уровне Т1 неполнота рекуперации составляет ДТ1, на уровне Тп = Т2' — ДТ2 соответствующие притоки теплоты из окружающей среды — qс1 и qс2.

Рис. 1. Цикл с дросселированием и предварительным внешним охлаждением:

а — схема; б — диаграмма Т — s

2. Исходные данные

1. Рабочее вещество — водород;

2. Хладагент — азот;

3. Давление прямого потока р2 = 12 МПа;

4. Давление обратного потока р1 = 0,11 МПа;

5. Начальная температура Т1=300 К;

6. Температура предварительного охлаждения Т2' = 83 К;

7. Теплоприток из окружающей среды qс1 = qс2 = 6 кДж/кг [1]

8. Холодопроизводительность Qx = 126, 3 Вт

3. Расчёт

1. ДТ1 = 0,03 * 300 = 15 К (по рекомендациям [1])

ДТ2 = 0,03 * 83 = 2,5 примем ДТ2 = 3 К

2. По известным температурам и давлениям определим энтальпии в узловых точках цикла по [2]

Параметр

1

1'

2

2'

5'

6

6'

7

7'

8

Р, МПа

0,11

0,11

12

12

0,11

0,11

0,11

0,1

0,1

0,1

Т, К

300

285

300

83

21

83

80

77,2

77,2

285

i, кДж/кг

4239

4024,2

4294,5

1219,8

724,7

386,7

1354,2

125,7

325,5

543,17

Ср, кДж/(кг К)

14,31

10,8

3. Полезная удельная холодопроизводительность при Gп = 1 кг

qx = ДiT2' — (Cp2ДT2 + qc2),

где ДiT2' = i6' — i2' - изотермический эффект дросселирования при температуре Т2' = Тп

ДiT2' =1354,2 — 1219,1 = 166,9 кДж/кг

qx = 166,9 — (10,8 * 3 + 6) = 128,5 кДж/ кг

4. Расход водорода в цикле:

GH2 =

GH2 = кг/с

Объёмный расход — производительность компрессора

VH2 =

VH2 = 0. 0121 м3/с = 43,6 м3

5. Удельный тепловой поток, отводимый N2

q0 = G0 * (i8 — i7) = (ДiT2' — ДiT1') + (Cp1ДT1 — Cp2ДT2) + qc2

q0 =(166.9 — (-55. 5)) + (14. 31 * 15 — 10.8 * 3) + 6 = 410. 15 кДж/(кг сжат. Н2)

6. Удельный расход N2 на кг сжатого Н2

G0 =

G0 = 0. 98

7. Расход азота в цикле

GN2 = G0 * GH2

GN2 = 0. 98 * 0. 98 = 0. 96 кг/с = 3, 457 кг/ч

3.1 Расчёт теплообменника дроссельной ступени

Прямой поток:

· р = 12 МПа

· Gп = 0,98 кг/с

· Тн = 83 К

Обратный поток:

· р = 0,11 МПа

· Gп = 0,98 кг/с

· Тн = 21 К

Составим энергетический баланс для теплообменника, чтобы определить параметры точки 3.

Gn *i2' + Gn * i5' + qc2 * Gn = Go * i3 + Go * i6'

Так как режим рефрижераторный и, соответственно, Gn = Go, то

i3 = i2' + i5' + qc2 - i6'

i3 = 1219,8 + 724,7 + 6 — 1354,2 = 596,3 кДж/кг

Тогда по [2] определим температуру в точке 3 — Т3 = 41 К

Теплоприток из окружающей среды мал, и его можно не учитывать; значения давлений приняты средние, без учета Др.

1. Тепловой поток, отнесённый к обратному потоку.

Q = Gn * (i6' — i5')

Q = 0,98 * (1354,2 — 724,7) * 103 = 604,32 Вт

2. Среднюю разность температур определяем с помощью графического построения в координатах q — T

Тв

Тн

dT

0

1219,8

1354,2

83

80

3

1

1157,45

1291,25

78,8

74,1

4,7

2

1095,1

1228,3

74,61

68,2

6,41

3

1032,75

1165,35

70,38

62,3

8,08

4

970,4

1102,4

66,5

56,4

10,1

5

908,05

1039,45

65,53

50,5

15,03

6

845,7

976,5

58,53

44,6

13,93

7

783,35

913,55

54,51

38,7

15,81

8

721

850,6

50,37

32,8

17,57

9

658,65

787,65

45,998

26,9

19,098

10

596,3

724,7

41

21

20

ДТср. инт. =

3. По справочным данным [2] определяем теплофизические параметры прямого (индекс 1) и обратного (индекс 2) потоков при заданных давлениях и средних температурах

Тср1 = Тср2 =

Параметр

Прямой поток

р = 12 МПа,

Тср = 62 К

Обратный поток

р = 0,11 МПа,

Тср = 50,5 К

с, кг/м3

46,18

0,489

л, мВт/(м*К)

104,846

37,5

з*107, Па*с

56,28

24

Ср, кДж/(кг*К)

14,79

10,48

4. Принимаем величины, необходимые для расчёта аппарата:

· для прямого потока трубки размером 6,5×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 65 кг/(м2*с) [1]

· для обратного потока трубки размером 14×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 9 кг/(м2*с) [1]

5. Вычисляем площадь сечения трубки

f =

f1 = 1,59*10-5 м2

f2 = 1,13*10-4 м2

6. Число трубок

n =

n1 =, принимаем n = 1

n2 =, принимаем n = 1

7. Линейная скорость в трубках

щ =

щ1 = м/с

щ2 = м/с

8. Определяем коэффициенты теплоотдачи.

Для прямого и обратного потоков в трубах число Нуссельта находим по формуле с учётом влияния кривизны канала (Rср 90 мм)

Nu = 0. 023 * Re0. 8 * Pr0. 4 * (1 + 1. 77 * dB / Rср)

· Число Рейнольдса для прямого и обратного потоков

Re =

Re1 =

Re 2 =

· Число Прандтля для прямого и обратного потоков

Pr =

Pr1 =

Pr2 =

· Число Нуссельта для прямого и обратного потоков

Nu1 = 0. 023 * 49 8480. 8 * 0,790. 4 * (1 + 1. 77 * 4,5 / 90) = 130,5

Nu2 = 0. 023 * 44 9880. 8 * 0,670. 4 * (1 + 1. 77 * 12/ 90) = 127,84

· Коэффициент теплооотдачи

б = Nu *

б1 = 130,5 * = 3040,53 Вт/(м2*К)

б1 = 127,84 * = 1065,3 Вт/(м2*К)

9. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внешней поверхности трубок

к =

к = Вт/(м2*К)

10. Определяем площадь поверхности теплообмена и конструктивные параметры аппарата.

F =

F = м2

11. Длина трубок с 15%-ным запасом

lср = 1,15 *

lср1 = 1,15 *

lср2 = 1,15 *

12. Высота навивки

Н =

H = = 0. 35 м

13. Для прямого и обратного потоков в трубках потери давления определим с учётом кривизны навивки. Для этого вычисляем отношения

dв1/ Dср = 4,5/ 60 = 0,075 и Re1 =

dв2/ Dср = 12 / 60 = 0,2 и Re 2 =

далее по рис. 3 находим фактор трения f1 = 0. 0075 и f2 = 0. 009

Рис. 3. Зависимость фактора теплоотдачи и сопротивления от числа Re при различной кривизне канала (1−0,2035, 2−0,0983, 3−0,0493, 4−0,0244, 5 — 0,1 235, 6 — прямая труба)

Др = 4* f *

Др1 = 4*0. 0075 * = 1692 Па

Др1 = 4*0. 009 * = 812 Па

3.2 Расчёт теплообменника ступени предварительного охлаждения

Составим энергетический баланс для теплообменника, чтобы определить параметры точки 2".

Gn *i2 + Gn * i6' + qc2 * Gn + Gо * i7' = Go * i8 + Gп * i2''+ Gn *i1'

i2''=

i2''=кДж/кг

Тогда по [2] определим температуру в точке 2" — Т2″ = 96,75 К

Для удобства расчёта представим трехпоточный теплообменник в виде двух двухпоточных теплообменников.

Составим энергетические балансы для определения долей потоков на каждый из ТОА

G'H2 + G''H2 = Gn

G'H2 *i2 + qc2 * G'H2 + Gо * i7' = Go * i8 + G'H2 * i2''

G''H2 *i2 + GoH2 * i6' + qc2 * G''H2 = G''H2 * i2''+ GoH2 *i1'

G'H2 = Go *(i8 — i7') / (i2 + qc2 — i2'')

G'H2 = 0,96 * (543,17 — 325,5) / (4294,5 + 6 — 1417,27) = 0,72 кг/с

G''H2 = Gn — G'H2

G''H2 =0,98 — 0,72 = 0,908 кг/с

Для проверки полученных результатов подставим все во второе уравнение

0,908 * 4294,5 + 0,98 * 1354,2 + 6 * 0,908 — 0,908 * 1417,27 — - 0,98 * 4024,2 = -0,0009

3.2.1 Расчёт теплообменника 1

Прямой поток водород:

· р = 12 МПа

· Gп = 0,72 кг/с

· Тн = 300 К

Обратный поток азот:

· р = 0,1 МПа

· Gп = 0,96 кг/с

· Тн = 77,2 К

1. Тепловой поток, отнесённый к обратному потоку.

Q = Gо * (i8 — i7')

Q = 0,96 * (543,17 — 325,5) * 103 = 208,96 Вт

2. Среднюю разность температур определяем с помощью графического построения в координатах q — T

Тв

Тн

dT

0

4294,5

543,17

300

285

15

1

4006,78

521,403

280,27

264,22

16,05

2

3719,06

499,636

260,46

243,44

17,02

3

3431,34

477,869

240,56

222,66

17,9

4

3143,62

456,102

220,55

201,88

18,67

5

2855,9

434,335

200,38

181,1

19,28

6

2568,18

412,568

179,98

160,32

19,66

7

2280,46

390,801

159,35

139,54

19,81

8

1992,74

369,034

138,49

118,76

19,73

9

1705,02

347,267

117,52

97,98

19,54

10

1417,3

325,5

96,75

77,2

19,55

ДТср. инт. =

3. По справочным данным [2] определяем теплофизические параметры прямого (индекс 1) и обратного (индекс 2) потоков при заданных давлениях и средних температурах

Тср1 =

Тср2 =

Параметр

Прямой поток

р = 12 МПа,

Тср = 198,375 К

Обратный поток

р = 0,1 МПа,

Тср = 181,1 К

с, кг/м3

13,47

1,867

л, мВт/(м*К)

146,74

17,21

з*107, Па*с

69,975

117,72

Ср, кДж/(кг*К)

13,99

1,044

4. Принимаем величины, необходимые для расчёта аппарата:

· для прямого потока трубки размером 6,5×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 65 кг/(м2*с) [1]

· для обратного потока трубки размером 20×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 8 кг/(м2*с) [1]

5. Вычисляем площадь сечения трубки

f =

f1 = 1,59*10-5 м2

f2 = 2,54*10-4 м2

6. Число трубок

n =

n1 =, принимаем n = 1

n2 =, принимаем n = 1

7. Линейная скорость в трубках

щ =

щ1 = м/с

щ2 = м/с

8. Определяем коэффициенты теплоотдачи.

Для прямого и обратного потоков в трубах число Нуссельта находим по формуле с учётом влияния кривизны канала (Rср 90 мм)

Nu = 0. 023 * Re0. 8 * Pr0. 4 * (1 + 1. 77 * dB / Rср)

· Число Рейнольдса для прямого и обратного потоков

Re =

Re1 =

Re 2 =

· Число Прандтля для прямого и обратного потоков

Pr =

Pr1 =

Pr2 =

· Число Нуссельта для прямого и обратного потоков

Nu1 = 0. 023 * 41 7530. 8 * 0,670. 4 * (1 + 1. 77 * 4,5 / 90) = 106,06

Nu2 = 0. 023 * 12 2180. 8 * 0,710. 4 * (1 + 1. 77 * 18/ 90) = 50,52

· Коэффициент теплооотдачи

б = Nu *

б1 = 106,06 * = 3458,5 Вт/(м2*К)

б1 = 50,52 * = 48,3 Вт/(м2*К)

9. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внешней поверхности трубок

к =

к = Вт/(м2*К)

10. Определяем площадь поверхности теплообмена и конструктивные параметры аппарата.

F =

F = м2

11. Длина трубок с 15%-ным запасом

lср = 1,15 *

lср1 = 1,15 *

lср2 = 1,15 *

12. Высота навивки

Н =

H = = 0. 2 м

13. Для прямого и обратного потоков в трубках потери давления определим с учётом кривизны навивки. Для этого вычисляем отношения

dв1/ Dср = 4,5/ 158 = 0,028 и Re1 =

dв2/ Dср = 18 / 158 = 0,1 и Re 2 =

далее по рис. 3 находим фактор трения f1 = 0. 007 и f2 = 0. 013

Др = 4* f *

Др1 = 4*0. 007 * = 14 808 Па

Др1 = 4*0. 013 * = 244 Па

3.2.2 Расчёт теплообменника 2

Прямой поток водород:

· р = 12 МПа

· Gп = 0,908кг/с

· Тн = 300 К

Обратный поток водород:

· р = 0,1 МПа

· Gп = 0,98 кг/с

· Тн = 80 К

1. Тепловой поток, отнесённый к обратному потоку.

Q = Gо * (i1' — i6')

Q = 0,98 * (4024,2 — 1354,2) * 103 = 2616,6 Вт

2. Среднюю разность температур определяем с помощью графического построения в координатах q — T

Тв

Тн

dT

0

4294,5

4024,2

300

285

15

1

4006,777

3757,2

280,22

264,5

15,72

2

3719,054

3490,2

260,46

244

16,46

3

3431,331

3223,2

240,56

223,5

17,06

4

3143,608

2956,2

220,55

203

17,55

5

2855,885

2689,2

200,38

182,5

17,88

6

2568,162

2422,2

179,87

162

17,87

7

2280,439

2155,2

150,27

141,5

8,77

8

1992,716

1888,2

138,48

121

17,48

9

1704,993

1621,2

117,52

100,5

17,02

10

1417,27

1354,2

96,75

80

16,75

ДТср. инт. =

3. По справочным данным [2] определяем теплофизические параметры прямого (индекс 1) и обратного (индекс 2) потоков при заданных давлениях и средних температурах

Тср1 =

Тср2 =

Параметр

Прямой поток

р = 12 МПа,

Тср = 198,375 К

Обратный поток

р = 0,1 МПа,

Тср = 182,5 К

с, кг/м3

13,47

0,133

л, мВт/(м*К)

146,74

122,87

з*107, Па*с

69,975

63

Ср, кДж/(кг*К)

13,99

13,26

4. Принимаем величины, необходимые для расчёта аппарата:

· для прямого потока трубки размером 6,5×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 65 кг/(м2*с) [1]

· для обратного потока трубки размером 14×1 мм, массовая скорость внутри трубки щм = 9 кг/(м2*с) [1]

5. Вычисляем площадь сечения трубки

f =

f1 = 1,59 * 10-5 м2

f2 = 1,13 * 10-4 м2

6. Число трубок

n =

n1 =, принимаем n = 1

n2 =, принимаем n = 1

7. Линейная скорость в трубках

щ =

щ1 = м/с

щ2 = м/с

8. Определяем коэффициенты теплоотдачи.

Для прямого и обратного потоков в трубах число Нуссельта находим по формуле с учётом влияния кривизны канала (Rср 90 мм)

Nu = 0. 023 * Re0. 8 * Pr0. 4 * (1 + 1. 77 * dB / Rср)

· Число Рейнольдса для прямого и обратного потоков

Re =

Re1 =

Re 2 =

· Число Прандтля для прямого и обратного потоков

Pr =

Pr1 =

Pr2 =

· Число Нуссельта для прямого и обратного потоков

Nu1 = 0. 023 * 41 7530. 8 * 0,670. 4 * (1 + 1. 77 * 4,5 / 90) = 106,06

Nu2 = 0. 023 * 17 143,10. 8 * 0,680. 4 * (1 + 1. 77 * 12/ 90) = 59,43

· Коэффициент теплооотдачи

б = Nu *

б1 = 106,06 * = 3458,5 Вт/(м2*К)

б1 = 59,43 * = 608,5 Вт/(м2*К)

9. Коэффициент теплопередачи, отнесённый к внешней поверхности трубок

к =

к = Вт/(м2*К)

10. Определяем площадь поверхности теплообмена и конструктивные параметры аппарата.

F =

F = м2

11. Длина трубок с 15%-ным запасом

lср = 1,15 *

lср1 = 1,15 *

lср2 = 1,15 *

12. Высота навивки

Н =

H = = 0. 33 м

13. Для прямого и обратного потоков в трубках потери давления определим с учётом кривизны навивки. Для этого вычисляем отношения

dв1/ Dср = 4,5/ 190 = 0,024 и Re1 =

dв2/ Dср = 12 / 190 = 0,063 и Re 2 =

далее по рис. 3 находим фактор трения f1 = 0. 0065 и f2 = 0. 008

компрессор теплообменник теплоотдача охлаждение

Др = 4* f *

Др1 = 4*0. 0065 * = 19347 Па

Др1 = 4*0. 013 * = 13 117 Па

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой