РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЗДУШНОГО ГАЗООХЛАДИТЕЛЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КАЧЕСТВЕ ХЛАДАГЕНТА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЗДУШНОГО ГАЗООХЛАДИТЕЛЯ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КАЧЕСТВЕ ХЛАДАГЕНТА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Косарев Артем Романович

бакалавр, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

CALCULATION AND DESIGN OF AN AIR GAS COOLER FOR COOLING CARBON DIOXIDE USED AS A REFRIGERANT OF A REFRIGERATION DEVICE

Artem Kosarev

Bachelor, Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье приведен расчет аппарата воздушного охлаждения. Посчитаны диаметры и толщина трубок теплообменника, а также их количество. Найдены геометрические размеры теплообменного аппарата. Рассчитаны гидравлические сопротивления со стороны охлаждаемого и охлаждающего газа.

ABSTRACT

The article presents the calculation of the air cooling device. The diameters and thickness of the heat exchanger tubes are calculated, as well as their number. The geometrical sizes of the heat exchanger are found. Hydraulic resistances from the cooled and cooling gas are calculated.

Ключевые слова: аппарат воздушного охлаждения, воздушный газоохладитель.

Keywords: air cooling device, air gas cooler.

Введение

Теплообменный аппарат – это техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющие разные температуры. В рекуперативных теплообменниках движение горячий и холодный потоки взаимодействуют посредством стенки, которой они разделены.

В данной работе рассматривается трубчато-пластинчатый теплообменный аппарат, также называемый ламельным. Особенность его конструкции состоит в том, что он представляет из себя пучок труб, на которые надеты пластины, также именуемые ламелями (отсюда и название - ламельный теплообменник). Для перехода газа между трубками они соединены между собой попарно соединительными калачами. Герметичность между трубками и калачами обеспечивается пайкой. В зависимости от конструкции и условий применения трубчато-пластинчатый теплообменник может иметь одну или несколько входных трубок. В первом случае движение охлаждаемого газа осуществляется по трубкам, соединенным калачами в единую изогнутую трубу. Во втором случае таких трубок может быть несколько, поэтому для распределения горячего потока между входными трубками используют коллекторы.

Чаще всего ламельные газоохладители – это воздушные теплообменные аппараты, в которых нагретый газ охлаждается потоком холодного воздуха, подаваемого вентилятором, встроенным в боковую стенку теплообменника. Сам вентилятор является покупным изделием и подбирается для конкретного теплообменника по таким параметрам, как габаритные размеры и производительность.

На рисунке 1 представлен пример исполнения трубчато-пластинчатого теплообменного аппарата со встроенным вентилятором.

Рисунок 1. Ламельный теплообменник со встроенным вентилятором

Расчет газоохладителя

Рассчитываемый воздушный газоохладитель обеспечивает охлаждение диоксида углерода, используемого в качестве хладагента в холодильном транскритическом цикле, воздухом из окружающей среды.

При расчете газоохладителя используется следующая литература: [1][2][3][4][5].

Исходные данные:

Давление после компрессора: Р = 106 бар

Расход хладагента в компрессоре:

Температура воздуха на входе в газоохладитель:

Заданная температура воздуха на выходе из газоохладителя:

Температура хладагента на входе в теплообменник:

Температура хладагента после теплообменника:

Тепловая производительность газоохладителя:

                                              (1)

где h₂ =521,05   и h₃ = 306,12  – энтальпия хладагента (диоксида углерода) на входе и выходе из теплообменника [6].

Выбираем диаметр трубок, для этого производим прочностной расчет. Определяем внутренний диаметр:

                                                  (2)

где   – толщина стенки трубки,

 – допускаемое напряжение меди,

 – коэффициент сварного шва,

Р = 106 бар – давление после компрессора.

Примем , тогда находим наружный диаметр трубок:

                                           (3)

Параметры оребрения:  – толщина ребра,

 – шаг ребер.

         Выбираем коридорный пучок труб:

 – поперечный и продольный шаги.

Находим расход воздуха через баланс теплообменника: по известным температурам   находим энтальпии воздуха в этих точках: , тогда расход воздуха:

                                                (4)

Далее интервал температур разбиваем на десять участков. Находим для каждого из них температуры:

                                         (5)

где  – количество участков,

i – индекс участков.

Затем с помощью специализированного ПО находим энтальпии для каждого из участков.

Находим энтальпию потока воздуха для участков:

                                                  (6)

где  – энтальпия хладагента для конкретного участка,

 – энтальпия хладагента предыдущего участка,

 – энтальпия воздуха на предыдущем участке.

Находим тепловые нагрузки на участках:

                                                   (7)

Находим средний логарифмический температурный напор на участках:

                                             (8)

где  – температура хладагента на данном участке,

 – температура воздуха на предыдущем участке,

 – температура хладагента на предыдущем участке,

 – температура воздуха на данном участке,

j – индекс от 1 до 10.

Принимаем начальные скорости хладагента и воздуха:

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к основной поверхности трубы:

                        (9)

Задаем параметры потока для каждого участка: плотность, динамическую вязкость, число Прандтля и коэффициент теплопроводности.

Изменение массовой скорости хладагента по участкам (из постоянства массовой скорости):

                                                (10)

где   – плотность хладагента на первом участке,

 – массовая скорость на первом участке,

 – плотность на остальных участках.

Величина массовой скорости:

                 (11)

Далее определяем число Рейнольдса, число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи со стороны хладагента.

Коэффициент оребрения:

                                         (12)

Рассчитываем коэффициент теплопередачи для каждого участка:

                                                 (13)

где   – теплопроводность медной стенки,

 – КПД ребра.

Суммарная площадь теплообмена:

                                      (14)

Общая длина труб:

                                 (15)

Средняя плотность воздуха:

Объемный расход воздуха:

                                          (16)

Площадь живого сечения:

                                        (17)

Площадь живого сечения на один метр трубы:

                                         (18)

Тогда число труб в первом слое:

                                           (19)

Длину одной трубки примем: .

Общее число труб: .

Общая длина труб в первом слое:

                                        (20)

Количество трубок поперек движения воздуха:

                         (21)

Трубок вдоль движения потока воздуха:

                         (22)

Высота теплообменного аппарата:

                                (23)

Ширина теплообменника:

                                (24)

Коэффициент сопротивления трения в трубках на участках:

                                             (25)

Гидравлическое сопротивление:

                                          (26)

С помощью специализированного ПО находим суммарное гидравлическое сопротивление по всей длине труб.

Получаем:

Находим относительную величину гидропотерь со стороны хладагента:

                                            (27)

Находим величину гидропотерь со стороны воздуха:

Коэффициент сопротивления:

Величина гидравлических потерь со стороны воздуха:

                                         (28)

Список литературы:

1. А.М. Архаров. Криогенные системы, том 2, основы проектирования аппаратов, установок и систем/ А.М. Архаров. - Москва. Изд-во «Машиностроение», 1999. – 719 с.
2. В.Г. Бакланова. Теплообменные аппараты низкотемпературных установок и систем термостатирования часть 1: учебное пособие/ В.Г. Бакланова. – Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 64 с.
3. И.А. Сакун. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин: Учеб. Пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки»/ Е.М. Бамбушек, Н.Н. Бухарин, Е.Д. Герасимов и др.: под общ. ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 423 с.: ил.
4. Расчет воздушного конденсатора холодильной установки: Методические указания к самостоятельной работе для студентов всех специальностей факультетов холодильной техники, криогенной техники и кондиционирования воздуха очной формы обучения. - Санкт-Петербург, 2010. – 25 с.
5. Банных О.П. Основные конструкции и тепловой расчет теплообменников. Учебное пособие. СПбНИУ ИТМО, 2012. – 42 с.
6. А.Р. Косарев. Расчет оптимального рабочего давления транскритического холодильного цикла на диоксиде углерода // Интернаука: электрон. научн. журн. 2023. № 28(298). URL: https://internauka.org/journal/science/internauka/298 (дата обращения: 09.08.2023).