Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Абсорбционная холодильная установка с водоохлаждающим устройством

Ермолаев И.Д.



Введение

На основе подъема тяжелой промышленности и сельского хозяйства большое развитие получает пищевая промышленность. Современная пищевая промышленность оснащена самыми разнообразными холодильными установками. В результате развития пищевой промышленности сооружаются новые холодильники и холодильные установки.

Холодильная техника применяется не только в пищевой промышленности. Области применения абсорбционных процессов в промышленности весьма обширны: получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью; разделение газовых смесей на составляющие компоненты; очистка газов от вредных примесей; улавливание ценных компонентов из газовых выбросов.



1. Основная часть

1.1 Выбор и обоснование схемы абсорбционной холодильной установки

Для сжатия паров в абсорбционных холодильных машинах (АХМ) холодильного агента используется термохимический компрессор, для работы которого требуются затраты тепловой энергии. Поэтому АХМ применяют главным образом при наличии вторичных энергоресурсов: отработанного пара; горячей воды, получаемой в результате охлаждения продукции; отходящих газов промышленных печей и других теплоносителей.

В АХМ (рис.1) входят следующие основные аппараты: абсорбер (поглотитель), генератор (кипятильник), насос, конденсатор, регулирующие вентили, испаритель. Для повышения экономичности абсорбционной холодильной машины ее дополняют теплообменником для предварительного подогрева обогащенного в абсорбере раствора горячим слабым раствором, уходящим из генератора.

Для повышения концентрации паров хладоагента после генератора устанавливают ректификатор и дефлегматор.

абсорбционный холодильный генератор конденсатор

Рисунок 1 - Принципиальная схема АХМ: А - абсорбер, Г - генератор, Д - дефлегматор, Др - дроссель, И - испаритель, К - конденсатор, Н - насос, Р - ректификационная колонна, Т - теплообменник, потоки: ов - охлаждающая вода, тн - теплоноситель (пар), хн - хладоноситель

1.2 Расчет процесса получения холода на диаграмме

Принимаем расчетные параметры наружного воздуха для г. Санкт-Петербурга: температура воздуха по сухому термометру ; относительная влажность воздуха ; по диаграмме Id определим температуру мокрого термометра .Температурой конденсации t_К задаются на 5…7 градусов выше температуры охлаждающей воды при выходе последней из конденсатора

= + (5…7),

Температура воды на выходе из охлаждаемых аппаратов на 10…15 градусов выше температуры воды на входе , что соответствует ширине зоны охлаждения соответствующих водоохладителей оборотных систем водоснабжения холодильных станций.

По таблице термодинамические свойства аммиака на линии насыщения при °С, МПа, определяем P_к=1,78 МПа

Давление в генераторе отличается от P_к на величину потерь в трубопроводах. Пренебрегая потерями, принимаем, МПа:

P_г=P_к=1,78 МПа

Давление в генераторе Р_г при упрощенных расчетах принимают равным давлению в конденсаторе Р_К, а давление в абсорбере Р_а - давлению в испарителе Р_о.

Концентрация паров аммиака перед конденсатором во избежание замерзания воды в трубках испарителя должна быть около
0,995 0,997 кг/кг, то есть _d1.

Давление Р_о определяется той же концентрацией паров и низшей температурой агента t_о, которую необходимо достигнуть в испарителе /8/

= - (3…8)

По таблице термодинамические свойства аммиака на линии насыщения при °С, МПа, определяем P_о=0,19 МПа

Высшая температура кипения в генераторе определяется температурой греющего источника с учетом перепада температуры, необходимого для осуществления передачи тепла от греющего теплоносителя раствору в генераторе

= - (7…15)

Низшая температура абсорбции, определяющая концентрацию крепкого раствора, зависит от температуры охлаждающей воды и равна

= + (5…7)



Высшая температура раствора в испарителе

= + (2…5)

= -15 + 10 = -5

Полный цикл абсорбционной холодильной установки в диаграмме
i- представлен на рис. 2. Для построения цикла вначале проводятся линии кипения и конденсации для давлений P_К = 17,8 кгс/смІ в генераторе и конденсаторе и P₀ = 1,9 кгс/смІ в абсорбере и испарителе. Затем строятся изотермы, соответствующие температуре жидкости на выходе из абсорбера t₄ (точка 4) и высшей температуре раствора в испарителе t₈ (точка 8₀).

В нижней части диаграммы (в области жидкости) нанесены линии постоянного давления (Р=const) в интервалах от 0.002 до 2 МПа -линия кипения; здесь же приведены изотермы раствора в интервалах от -70 до 200 °C и линии одинаковых равновесных паросодержаний от 0.1 до 0.99998. В верхней части диаграммы помещены кривые конденсации паров при P=const в диапазоне от 0.002 до 2 МПа. При =0 разность между энтальпиями пара и жидкости равна теплоте парообразования воды, а при =1 - теплоте парообразования аммиака. В верхней части нанесены также вспомогательные линии насыщения. Ниже кривых кипения расположена область переохлажденной жидкости, а выше кривых конденсации - область перегретого пара. Между этими кривыми расположена область влажных паров. Изотермы в области влажного пара - наклонные прямые, соединяющие точки, характеризующие состояние жидкой и паровой фазы, находящиеся в состоянии равновесия.



Рисунок 2 - Построение цикла АХМ

1.2.1 Процессы в генераторе, дефлегматоре и конденсаторе

Параметры жидкой смеси в генераторе соответствуют точке 2, из которой при кипении образуются пары (точка 2^ґ). Эти пары в ректификационной колонне вступают в тепло- и массообмен с флегмой (параметры точки 1₀) и крепким раствором (параметры точки 5). Принимаем, что флегма и крепкий раствор имеют одинаковую концентрацию _КР. Пары обогащаются аммиаком и с параметрами точки 1 поступают в дефлегматор, где они частично конденсируются (точка E); флегма 1₀ поступает в ректификационную колонну генератора, а пары состава 1^ґ направляются в конденсатор, где они полностью конденсируются. Процесс идет при постоянной концентрации раствора _d по линии 1^ґ - 6.

Точка 2^ґ характеризует состояние паров, равновесных со слабым раствором в генераторе. Находится эта точка следующим образом: из точки 2 проводят вверх вертикаль до пересечения со вспомогательной линией, соответствующей заданному давлению в генераторе Р_К. Из точки пересечения проводят горизонталь до линии конденсации паров того же давления. Пересечение этих линий дает искомую точку 2^ґ (линия 2 - 2^ґ представляет процесс кипения раствора в генераторе - изобарно-изотермический процесс). Точку 1^ґ, характеризующую состояние паров, равновесных крепкому раствору, и точку 1 строят аналогичным образом.

Точка 1 соответствует состоянию паров, поступающих в дефлегматор. Можно принять, что она является равновесной промежуточному состоянию раствора, то есть среднему состоянию жидкости в генераторе _ср = 0,5 (_кр + _сл).

2.2.2 Процесс дросселирования

Жидкость после конденсатора дросселируется до давления Р_о (процесс изоэнтальпийный), и так как при этом концентрация парожидкостной эмульсии не изменяется, то точка 7 совпадает с точкой 6 и определяет состояние раствора в конце процесса дросселирования. При этом точке 7 соответствует не жидкость, а влажный пар, то есть смесь жидкости (точка 7₀) и пара (точка 7^ґ) при температуре t_К (точка 7^ґ на рис. 2 не показана).

2.2.3 Процесс в испарителе

Жидкость состояния 7₀ поступает в испаритель, где она кипит при давлении Р_о; при этом ее температура изменяется от t_К до t₈ (точка 8₀, которой соответствует состояние пара в точке 8^ґ). Так как концентрация парожидкостной эмульсии остается постоянной и равной _d , то пересечение изотермы влажного пара t₈ с линией _d = const в точке 8 определяет параметры смеси после кипения ее в испарителе.

2.2.4 Процессы охлаждения в промежуточном теплообменнике и дросселирования

Жидкий раствор после генератора (точка 2) охлаждается в теплообменнике (точка 3) и дросселируется до давления Р_о, а затем поступает в абсорбер. Точка 3₀, характеризующая состояние раствора после дросселирования, совпадает с точкой 3, определяющей состояние раствора до дросселирования, но соответствует очень влажному пару с давлением Р_о и концентрацией смеси в парожидкостной эмульсии _сл.

Температура точки 3 принимается:

= + (10…30),

2.2.5 Процесс абсорбции

Водоаммиачная смесь после перепускного дроссельного вентиля с параметрами, соответствующими точке 3₀, и влажный пар с концентрацией _{d сл} (точка 8) поступают в абсорбер, где и происходит абсорбция паров аммиака. Процесс абсорбции представляется первой фазой смешения - линией 3₀ - С - 8 и второй фазой охлаждения - линией С - 4, что необходимо для конденсации пара из испарителя и пара, образовавшегося при дросселировании жидкости в перепускном вентиле. Теплота абсорбции отводится охлаждающей аппарат водой.

2.2.6 Процесс сжатия жидкости и нагрева в промежуточном теплообменнике

Жидкость из абсорбера с параметрами точки 4 сжимается насосом до давления Р_г, ее энтальпия не изменяется, и точка 4₀ совпадает с точкой 4. Далее она нагревается в промежуточном теплообменнике до параметров, соответствующих точке 5, и поступает в генератор. Этим замыкается рассмотренный цикл работы абсорбционной установки.

Параметры точек, характеризующие жидкость и соответствующие состояния пара, сводят в таблицу1.



Таблица 1 - параметры точек холодильного цикла

Состояние вещества	Номер точки	Температура, t, 0С	Давление, Р, Мпа	Концентрация, , кг/кг	Энтальпия, i, кДж/кг
Жидкая фаза, влажный пар
После кипятильника	2	145	1,78	0,21	460,9
На выходе из абсорбера	4	38	0,19	0,33	-104,75
Слабый раствор после теплообменника	3	60	0,2	0,21	104,75
На выходе из конденсатора	6	50	1,78	0,91	188,55
После испарителя	8	0	0,19	0,91	1089
Крепкий раствор после теплообменника	5	90	0,9	0,33	190,34
Крепкий раствор после насоса	40	38	0,19	0,33	-104,75
Паровая фаза
Равновесная с крепким раствором (и флегмой) в кипятильнике	1ґ	110	1,78	0,91	1631,1
Равновесная со слабым раствором в кипятильнике	2ґ	145	1,78	0,75	1864,5
В конце процесса кипения в испарителе	8ґ	0	0,19	0,995	1382,7
После ректификатора (равновесная жидкости средней концентрации в колонне)	1	130	1,78	0,82	1780,75

1.3 Определение тепловых нагрузок аппаратов и расходов энергоносителей

Для вычисления тепловых потоков аппаратов машины определяются следующие величины:

,



,

Уравнение теплового баланса установки в обозначениях, указанных на рис. 1, 2, имеет вид:

, кДж/кг

В тепловом балансе условно не учитывается работа насоса на сжатие жидкости (перешедшая в тепло) вследствие ее незначительной величины.

Теплота, отводимая в дефлегматоре водой:

, кДж/кг

Энтальпия крепкого раствора после теплообменника:

, кДж/кг

Теплота, отдаваемая слабым раствором в теплообменнике:

, кДж/кг

кДж/кг

Теплота, затрачиваемая в кипятильнике:



Теплота, отдаваемая в конденсаторе:

Теплота, отдаваемая в абсорбере:

Теплота, подведенная в испарителе:

Холодильный коэффициент абсорбционной машины:

Количество хладоагента, проходящее в системе
конденсатор - испаритель:



Количество раствора, поступившего в кипятильник:

Тепло, подведенное в испарителе и генераторе соответственно:
Q_о = 800 кВт (по заданию);

, кВт

Теплопроизводительность аппаратов:

конденсатора, , кВт

абсорбера, , кВт

дефлегматора , кВт

1.4 Расчет и выбор основного и вспомогательного оборудования АХМ

Абсорбционные водоаммиачные холодильные машины в настоящее время серийно не выпускаются и изготавливаются отдельными партиями, в основном для типовых технологических линий в химической промышленности. В соответствии с утвержденным ОСТ 26.03 - 286 - 77 условное обозначение этих машин включает наименование (АВХМ), холодопроизводительность (в тыс. ккал/ч), температуру кипения в испарителе, исполнение генератора в зависимости от греющего источника (I - водяной пар, II - горячая вода, III - парогазовые смеси), указание способа охлаждения конденсатора водой (К) или воздухом (В).

Аппараты абсорбционной машины по принципу действия делят на затопленные и пленочные (оросительные). Конструктивно аппараты выполняются вертикальными и горизонтальными кожухотрубными, кожухозмеевиковыми, элементными и двухтрубными.

1.4.1 Кипятильник - генератор

Назначением генератора является выпаривание хладоагента из крепкого водоаммиачного раствора.

Тепловая нагрузка генератора определяется из предыдущего расчета.

Среднюю разность температур между греющим паром и раствором можно определить как

Приняв коэффициент теплопередачи между раствором и греющим паром определяют поверхность теплообмена кипятильника

Расход пара на кипятильник



где - теплота парообразования греющего пара при давлении.

1.4.2 Дефлегматор

Конструктивно аппарат может быть выполнен горизонтальным кожухотрубным, элементным, кожухозмеевиковым или двухтрубным. Главным критерием выбора конструкции дефлегматора является осуществление в нем противотока между водоаммиачным паром и охлаждающей средой (водой или холодным крепким раствором). Немаловажную роль в эффективности теплообмена играет скорость движения сред, которая для пара не должна быть ниже 1…1,5 м/с, а для охлаждающей среды не ниже 0,4…0,5 м/с. В то же время, во избежание уноса флегмы в конденсатор, скорость пара не должна превышать 2,5 м/с. Для свободного слива флегмы в ректификационную колонну дефлегматор должен быть установлен выше колонны.

Средняя разность температур

где и - соответственно температура охлаждающей воды на входе и выходе из дефлегматора, °C.

Поверхность теплообмена дефлегматора можно определить по упрощенному расчету, задавшись определенным значением коэффициента теплопередачи



1.4.3 Абсорбер

По принципу действия абсорберы делятся на затопленные барботажные и пленочные. По конструкции они бывают кожухотрубные, змеевиковые, элементные и двухтрубные.

Поверхность теплообмена абсорбера может быть определена по уравнению теплопередачи при известной тепловой нагрузке аппарата , рассчитанном температурном напоре и коэффициенте теплопередачи

Средняя разность температур определяется по формуле

, (32)

Определим поверхность теплообмена абсорбера



1.4.4 Испаритель

В абсорбционных водоаммиачных холодильных машинах возможно использование аммиачных испарителей компрессорных машин. Особенностью работы аппарата является необходимость отвода флегмы, которая непрерывно накапливается в испарителе вследствие того, что в него поступает не чистый хладоагент.

Поскольку в испарителе отсутствует загрязнение маслом, коэффициент теплопередачи в нем выше, чем в таком же аппарате компрессорной холодильной машины.

В качестве хладоносителя используем водный раствор хлористого кальция, концентрация которого определяется из условия незамерзания раствора до температур, на 7 - 10 ниже .

Температура начала затвердевания раствора

Находим средний температурный напор в испарителе

Рисунок 3. температурный график



Средняя температура хладоносителя в испарителе

Коэффициент теплопередачи аммиачных кожухотрубных испарителей колеблется в пределах 200 - 580 Вт/(мІК), в зависимости от плотности, температуры и скорости хладоносителя. Для данных условий примем ориентировочно К = 270 Вт/(мІК), тогда плотность теплового потока равна

, Вт/мІ

Необходимая поверхность теплообмена составит

Подбираем аппарат типа ИТГ-630 с площадью поверхности теплообмена аппарата 740 .

1.4.5 Конденсатор

Произведем расчет кожухотрубчатого конденсатора, а также произведем выбор стандартизированного конденсатора из [1]. По межтрубному пространству движутся пары органической жидкости (фреон). В трубках движется хладоноситель (вода).

Исходные данные для расчета:

Ё Органическая жидкость аммиак:

Ш Расход , ;

Ш Температура конденсации, ;

Ш Теплопроводность, ;

Ш Плотность, ;

Ш Коэффициент динамической вязкости,

Ё Хладоноситель - вода:

Ш Температура воды на входе,

Ш Температура воды на выходе,

Ш Плотность, ;

Ш Теплоемкость, ;

Ш Теплопроводность, ;

Ш Коэффициент динамической вязкости, ;

Ш Критерий Прандтля,

Расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата по фомуле [1]:

Расход воды:



Для определения строится температурный график (Рисунок 2).

Рисунок 4 Температурный график.

Определим температурный напор по формуле:

.

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи по [1], . Рассчитываем ориентировочное значение площади теплообмена:



Задаваясь числом Рейнольдса Re = 2300, определим соотношение n/z для конденсатора с диаметром труб :

Исходя из соотношения n/z подбираем конденсатор имеющий наиболее близкую к ориентировочной площадь поверхности теплообмена

Характеристики принятого конденсатора:

- Диаметр труб, ;

- Диаметр кожуха, ;

- Число ходов, ;

- Число труб,

- Длина труб,

- Поверхность теплообмена, .

Действительное число Рейнольдса:

Коэффициент теплоотдачи к воде определим по формуле [1]:



Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара определяется по формуле [1]:

Коэффициент теплопередачи:

где - сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали

Определяем требуемую поверхность теплообмена по формуле (30):

Рассчитаем погрешность:



Выбранный конденсатор подходит с запасом 4,2%.

Гидравлическое сопротивление рассчитывается по формуле [1]:

где л - коэффициент трения определяется по формуле [1]:

где Д - высота выступов шероховатостей,

;

скорость в трубах:

Скорость воды в штуцерах ( ) определяется по формуле [1]:



Рассчитываем гидравлическое сопротивление по формуле (51):

Па

1.3.6 Выбор водоохлаждающего устройства

Для охлаждения циркуляционной воды применяются градирни следующие устройства: брызгальные бассейны с форсунками (охлаждающие пруды),Открытые башенные градирни с естественным продуванием воздуха, вентиляторные градирни.

Брызгальные бассейны применяются для крупных холодильных установок с большим количеством циркулирующей воды.

Для теплового конструкторского расчета охладителя должны быть заданны следующие величины:

ь гидравлическая нагрузка, G_ж, кг/с или м³/с;

ь тепловая нагрузка Q, Вт, или ширина зоны охлаждения

ь параметры наружного воздуха: температура и относительная влажность = 50%.

Определение тепловой нагрузки

Охлаждающая вода используется в дефлегматоре, конденсаторе и абсорбере.

Тепловая нагрузка составляет:

ь дефлегматор

ь конденсатор

ь абсорбер

Общая нагрузка:

Определение гидравлической нагрузки

Расход воды определяется по формуле:

где - ширина зоны охлаждения, ; - теплоемкость воды при средней температуре 4,19 кДж/(кг·К).

Расход воды составит:

ь на дефлегматор

ь на конденсатор

ь на абсорбер

Общий расход воды составит

Объемный расход воды



где - плотность воды при

Расчет вентиляторной градирни

По температуре наружного воздуха и относительной влажности определяем:

Рисунок 5 - распределение потоков влагосодержания и энтальпии воздуха

Определяем количество воды, которое нужно охладить

кг/с

где-температура воздуха на входе в градирню

x₁ - влагосодержание при , рассчитывается по формуле[3]:



x₁=0,622кг/кг

x₂ - влагосодержание при , рассчитывается по формуле [3],

x₂=0,622кг/кг

t₁ = 41,76- температура воды на входе в градирню

t₂=31,76 -температура воды на выходе из градирни

и₂=22,1 -температура воздуха на выходе из градирни

=7374Па-давление водяных паров при t₁

=4649Па-давление при t₂

P₁₌2658Па-давление при и₁

Р₂=4028Па-давление при и₂

=65,5Па-

и₂=22,1+13,710⁴

Энтальпии воздуха при ?=100% и температуре воды:

При : =171 кДж/кг

При : =109 кДж/кг

При : =150 кДж/кг

Задаемся рекомендуемой величиной плотности орошения для вентиляторных градирен [3] в диапазоне =0,6...2,0 кг/(м²/c).

Принимаем кг/(м²/c).

Определяем площадь оросителя по формуле:



Принимаем к установке секционную вентиляторную градирню []:

· Размеры секции в плане - м.;

· Число секций - 1 шт.;

· Высота - 3,8 м;

Тип оросителя - капельный;

Площадь оросителя - 194 м^2;

Тип вентилятора - 2ВГ70

Характеристики оросителя:

- Тип - капельный;

- Высота оросителя - 3,8 м;

- Коэффициент сопротивления сухого воздуха - 10,7 ;

- Коэффициент увеличения сопротивления оросителя при подаче на него воды - 0,137;

Коэффициенты уравнения:

- A=0,293

- n=0,45

- m=0,55

Характеристики вентилятора:

- Диаметр - 7 м;

- Номинальный расход воздуха

- Тип электрического двигателя - BACO 15 - 23 - 34;

- Мощность - 75 кВт;

- КПД - 0,875

Габариты вентилятора:

- Диаметр - 8,4 м.;

- Общая высота - 5,15 м.

Отношение кг/кг.

Тогда расчетный расчет воздуха

При условии получим:

где k - коэффициент, учитывающий долю теплоты, отведенной от воды за счет частичного испарения (принимаем k=0,96);

?t=t₂-t₁=8,31 - ширина зоны охлаждения градирни;

кДж/кг

Средний энтальпийный напор определяется:

в=А

где =кг

Д

д

Д кДж/кг

где

в=0,293

Определяем необходимый объем оросителя градирни:



Расчетная высота оросителя составит:



Заключение

В результате проделанной работы были выполнены расчет процесса холода на диаграмме, определение тепловых нагрузок аппаратов. Было выбрано основное и вспомогательное оборудования АХМ. Произведен выбор водоохлаждающего устройства.

Принимаем испаритель ИТГ-630 с площадью поверхности теплообмена аппарата 740 м². Количество трубок 1059, диаметр трубок и толщина стенки составляет 38х3,5мм.

Принимаем конденсатор с площадью поверхности теплообмена аппарата 404 м². Количество трубок 1072, диаметр трубок и толщина стенки составляет 20х2 мм.

В качестве водоохлаждающего устройства выбрана вентиляторная градирня.



Список используемых источников

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского, 2 - е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. Ї 496с.

2. Расчет и выбор оборудования абсорбционных холодильных установок: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Энергетические комплексы промышленных предприятий». СГТУ: Саратов 2001.

3. Симонов В. Ф. Расчет водоохлаждающих устройств: учебное пособие/ В. Ф. Симонов, А. К. Тверской, Н. В. Долотовская. - Саратов: изд. СГТУ, 1994г - 70 с.

4. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу (ГОССТРОЙ РОССИИ). - М.: 2003.

5. Теплообменные аппараты, приборы автоматизации и испытания холодильных машин /Под ред. А.В. Быкова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 248 с.

6. Теплообменные аппараты холодильных установок/ Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов и др. Под ред. Г. Н. Данилова - Л.: Машиностроение, 1973. - 328 с.

7. Холодильная техника. Свойства веществ: Справочник/ С.Н. Богданов, О.П. Иванов, А.В. Куприянова. Под ред. С. Н. Богданов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru