Теплонасосная установка для утилизации тепла низкопотенциального источника энергии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Энергосбережение и возобновляемые источники
«ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ И
ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ»
Тема проекта: «Теплонасосная установка для утилизации тепла низкопотенциального источника энергии»
по курсовому проектированию
Тема проекта Теплонасосная установка для утилизации тепла
низкопотенциального источника энергии
Сроки сдачи студентом законченного проекта - 10 января 2014 г.
Исходные данные к проекту:
Назначение - теплоснабжение промышленного предприятия
Тип установки - компрессионная
Хладагент фреон (R-142)
Низкопотенциальный источник - вода из системы технологического охлаждения.
Средний расход воды в системе охлаждения – Gн = 12 тч
Температура воды из системы охлаждения - tн' = 33 оС
Расчет провести для зимнего режима
при температуре воды в системе теплоснабжения:
прямой- tсп = 80 оС;
обратной- tсо = 40 оС.
Содержание расчетно-пояснительной записки:
Литературный обзор по теории и технологии трансформации теплоты (включая обзор по современному аппаратурно-технологическому оформлению процесса).
Обоснование выбора и описание технологической схемы теплонасосной установки.
Определение температурного режима установки. Внедрение мероприятия по повышению эффективности теплового насоса (ТН) за счет охлаждения конденсата рабочего тела.
Определение теплопроизводительности ТН.
Расчет и выбор компрессора.
Тепловой расчет и выбор испарителя.
Тепловой расчет и выбор конденсатора.
Список использованной литературы.
Перечень графического материала
Принципиальная технологическая схема установки с указанием основных параметров (заданных и определенных) а также характеристик основного оборудования - 1 лист (А3)
Общий вид теплообменных аппаратов (конденсатора и испарителя) с необходимыми разрезами сечениями - 2 листа (А3)
Консультант по проекту - ст. преподаватель кафедры «Промышленная
теплоэнергетика и теплотехника»
Календарный график работы над проектом на весь период
Введение п.1 расчетно-пояснительной записки - 02.09 – 10.10.2013
2-3 п.п.- « -- 11.10 - 15.11.2013
4-6 п.п.– « -- 16.11 - 05.12.2013
7-8 п.п. графическая часть проекта- 06.12 – 30.12.2013
Защита проекта - 10.01 – 20.01.2014
Литературный обзор по теории и технологии трансформации теплоты .6
Обоснование выбора и описание технологической схемы теплонасосной установки ..11
Определение температурного режима установки. Внедрение мероприятий по эффективности теплового насоса за счет охлаждения конденсата рабочего тела 14
Расчет цикла теплового насоса . .14
Определение теплопроизводительности теплового насоса 18
Расчет и выбор компрессора ..19
Расчет и выбор испарителя .20
Тепловой расчет и выбор конденсатора 23
Список использованной литературы 28

Схема установки.cdw

Назначение - теплоснабжение промышленного предприятия
Тип установки - компрессионная
Хладагент - фреон (R142)
Средний расход воды в системе охлаждения - 12 тч
Температура воды из системы охлаждения - 33 С
Температурв прямой воды в системе теплоснабжения - 80 С
Температура обратной воды в системе теплоснабжения - 40 С
Давление в конденсаторе - 1
Давление в испарителе - 0
Темпепратура конденсации - 85 С
Температура испарения - 7
Расход воды в системе теплоснабжения - 1
Расход хладогента - 2
Тип компрессора - 2хЗГП 1235
Тип испарителя - кожухотрубный теплообменник с плавающей
Диаметр кожуха - 325 мм
Поверхность теплообмена - 20 м2
Тип конденсатора - кожухотрубный теплообменник с плавающей
Диаметр кожуха - 600 мм
Поверхность теплообмена - 87 м2
Режим эксплуатации - зимний
Принципиальная технологическая
Контур системы охлаждения
Контур системы теплоснабжения
система теплоснабжения

Конденсатор.cdw

КУРСОВОЙ.docx

Основное направление работы современной науки и техники в области теплоснабжения - это решение вопроса по снижению уровня потребления источника первичной энергии например топлива с сохранением или увеличением получаемой энергии за счет рациональности его и преобразования. Идет непрерывный процесс разработки и совершенствования новых систем отопления зданий. Ситуация такова что данные системы потребляют высококачественное топливо которое выделяют при сгорании энергию до 1500оС а в помещения передается тепло с температурой ниже 100оС для воды и ниже 50оС для воздуха. В худшем случае данные системы потребляют электричество.
Наиболее рационально с точки зрения термодинамики используется топливо на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Здесь наиболее эффективно используется высокотемпературное тепло от сгорания топлива для получения электроэнергии. Для теплоснабжения используется теплоноситель с необходимой температурой.
Не всегда возможно получать тепло от ТЭЦ. Например в случаях когда наблюдается высокое рассредоточение потребителей. В таких ситуациях используют индивидуальные котельные или электронагревательные приборы. Тепловые насосы в полной мере могут заместить отопительные огневые и электронагревательные установки.
Сегодня в мире наблюдается активное развитие теплонасосных установок. Из 100-летней загадки термодинамики они превратились в популярное средство теплоснабжения. Это уникальное средство в машиностроениии и энергетике которое понижает затраты первичной энергии для нужд теплоснабжения и позволяет отказаться от потребления органических энергоносителей.
При этом зимой теплонасосную установку возможно применять для отопления а летом – для кондиционирования (охлаждения) воздуха помещения. Рабочие тела тепловых насосов могут быть взрыво- и огнебезопасными неядовитыми иметь высокую температуру конденсации и сравнительнонизкое давление в конденсаторе. К эффективным рабочим телам относятся например хладагенты R11R12 R113 R114 R142 RC318 R124 R125 R134a.
Литературный обзор по теории и технологии трансформации теплоты.
Тепловые насосы- это компактные экономичные и экологически чистые системы отопления позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения и отопления за счет использования тепла низкопотенциального источника путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.
В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:
тепло земли (тепло грунта);
подземные воды (грунтовые артезианские термальные);
В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать:
удаляемый вентиляционный воздух;
канализационные стоки (сточные воды);
промышленные сбросы;
тепло технологических процессов;
бытовые тепловыделения.
Рис.1.1 - Принцип действия теплового насоса.
Стандартные объекты обогрева:
Офисно-торговые центры
Производственные помещения.
Тепловой насос перекачивает низкопотенциальную тепловую энергию грунта воды или даже воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления объекта. Примерно 23 отопительной энергии можно получить бесплатно из природы и только 13 энергии необходимо затратить для работы теплового насоса. Иными словами владелец теплового насоса экономит 70% средств затрачиваемых регулярно на дизтопливо или электроэнергию для отопления традиционным способом. Затратив 1кВт электроэнергии в приводе насоса можно получить 3-4кВт тепловой энергии. Тепловые насосы применяют для отопления охлаждения или вентиляции помещений а также для горячего водоснабжения.
Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. По их оперативным функциям насосы делятся на две основные категории:
тепловые насосы только для отопления иили горячего водоснабжения применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении иили приготовления горячей санитарной воды;
интегрированные системы на основе тепловых насосов обеспечивающие отопление помещений охлаждение приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.
Тепловые насосы предназначенные исключительно для приготовления горячей санитарной воды зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды но равным образом могут использовать и отводимый воздух.
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода» «вода—вода» «воздух—вода» «грунт—воздух» «вода—воздух» «воздух—воздух». Почти все вновь выходящие на рынок устройства используют тепло выпускаемого из помещения воздуха. Также фильтруют и увлажняют при необходимости всасываемый извне воздух.
Тепловой насос состоит из:
Теплообменник передачи тепла земли внутреннему контуру
Теплообменник передачи тепла внутреннего контура системе отопления
Дроссельное устройство для понижения давления
Рассольный контур и земляной зонд
Контур отопления и ГВС
Тепловой насос - это прибор позволяющий получать тепловую энергию от низкотемпературных источников (воздуха воды и земли) и использовать ее для обогрева зданий. Экологический эффект от использования этой технологии состоит в том что она позволяет полностью избежать местных выбросов парниковых газов образующихся при сжигании топлива. Поэтому замена старых котлов использующих газ или жидкое топливо на системы в основе действия которых лежит тепловой насос становится приоритетной задачей. Ее решение позволит не только сократить потребление ископаемого топлива но и значительно снизить выброс в атмосферу диоксида углерода.
Применение тепловых насосов различной тепловой мощности является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезона и условий работы достигать максимальной эффективности. С ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде использование тепловых насосов в качестве отопительной системы в домах является наиболее актуальным решением проблемы теплоснабжения. Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10 - 15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы. Срок окупаемости оборудования не превышает 2 - 3 отопительных сезона.
Преимущества. Основные достоинства тепловых насосов:
) Экономичность. Тепловой насос использует введенную в него энергию на голову эффективнее любых котлов сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (Кпт) среди других его названий встречаются коэффициенты трансформации тепла мощности преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру Кпт = 35 означает что подведя к машине 1 кВт на выходе мы получим 35кВт тепловой мощности то есть 25кВт природа предлагает нам безвозмездно.
) Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке вдали от газовых магистралей и линий электропередач - везде этот агрегат раздобудет для себя "пищу" чтобы бесперебойно отапливать ваш дом не завися от капризов погоды поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помеха. Для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые движки.
) Экологичность. Тепловой насос не только сэкономит деньги но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо значит не образуются вредные окислы типа CO СO2 NOх SO2 PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной азотистой фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов - благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны.
) Универсальность. Тепловые насосы обладают свойством обратимости . Он "умеет" отбирать тепло из воздуха дома охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна.
) Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива нет открытого огня опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности тепловой насос опасен не более чем холодильник.
Ограничения применимости тепловых насосов
Основным недостатком теплового насоса является обратная зависимость его эффективности от разницы температур между источником теплоты и потребителем. Это накладывает определенные ограничения на использование систем типа «воздух — вода». Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР=2.0 при температуре источника 20°C и порядка СОР=4.0 при температуре источника +7°C. Это приводит к тому что для обеспечения заданного температурного режима потребителя при низких температурах воздуха необходимо использовать оборудование со значительной избыточной мощностью что сопряжено с нерациональным использованием капиталовложений (впрочем это касается и любых других источников тепловой энергии). Решением этой проблемы является применение так называемой бивалентной схемы отопления при которой основную (базовую) нагрузку несет тепловой насос а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником (газовый или электрокотел). Оптимальная мощность теплонасосной установки составляет 60 70% от необходимой установленной мощности. В этом случае тепловой насос обеспечивает не менее 95% потребности потребителя в тепловой энергии за весь отопительный сезон. При такой схеме среднесезонный коэффициент преобразования энергии для климатических условий Центральной Европы равен порядка СОР=3. Коэффициент использования первичного топлива для такой системы легко определить исходя из того что КПД тепловых электростанций составляет от 40% (тепловые электростанции конденсационного типа) до 55% (парогазовые электростанции). Соответственно для рассматриваемой теплонасосной установки коэффициент использования первичного топлива лежит в пределах 120% 165% что в 2 3 раза выше чем соответствующие эксплуатационные характеристики газовых котлов (65%) или систем центрального отопления (50 60%). Понятно что системы использующие геотермальный источник теплоты или теплоту грунтовых вод свободны от этого недостатка. Следствием этого же недостатка является необходимость использования низкотемпературных систем отопления. Однако это ограничение касается только устаревших радиаторных систем отопления практически не находящих применения в современных технологиях строительства.
Рис.1.2 - Схема работы: а – теплового насоса б – холодильной машины
Рис.1.3 - Принципиальная схема работы теплового насоса
– компрессор 2 – конденсатор 3 – дроссельный вентиль
– испаритель 5 – отапливаемые помещения 6 – насосы.
Обоснование выбора и описание технологической схемы теплонасосной установки.
В качестве рабочего тела в расчетной теплонасосной установке применяется фреон R-142. Согласно Монреальскому протоколу подписанному в 1987 году этот фреон относится к экологически безопасным фреонам. Данный фреон относится к гидрохлорфторуглеродам (HCFC) характеризующимся низкой озоноразрушающей способностью. Применение более озонобезопасных фреонов ограничивает их большая стоимость (например стоимость килограмма фреона R22 составляет 5 R410A – 33 R407С – 30) более высокие рабочие давления (соответственно 16 26 и 18 бар) необходимость применения для смазки высокогигроскопических полиэфирных масел а не минеральных. Большинство озонобезопасных фреонов представляют собой смесь из двух-трех компонентов. Поэтому они характеризуются неизотропностью то есть при разгерметизации сначала испаряются более легкие компоненты и состав и свойства фреона изменяется. Поэтому даже в случае незначительной утечки весь оставшийся хладагент необходимо полностью слить и заменить его новым. Кроме того важным свойством фреонов является хладопроизводительность – теплота фазового перехода. Чем выше этот показатель тем ниже будет расход фреона а значит и стоимость теплообменников и компрессора. У применяемого фреона данный показатель 220кДжкг. Что является достаточно высоким показателем для своей группы.
Таким образом применение фреона R-142 обеспечит удовлетворяющие показатели по экологической безопасности расходу требованиям к прочности деталям установки смазки и т.д. А это снизит общую стоимость установки затраты на ее обслуживание стоимость вырабатываемой энергии.
В качестве теплонасосной установки выбран парокомпрессионный тепловой насос с переохладителем. Это позволит поле полно использовать энергию хладогента но и не усложнит технологическую схему дополнительными теплообменниками. А также увеличит надежность работу дросселя т.к. на вход будет исключена подача парожидкостной среды.
Принципиальная схема простейшего теплового насоса представлена на рисунке 2.1. Ниже приведен принцип ее работы.
Рис. 2.1 – Принципиальная схема простейшего теплового насоса
В испаритель 1 поступает вода или воздух (а – вход энергоносителя в – выход энергоносителя) из низкопотенциального источника тепла. За счет тепла охлаждения этой воды (или воздуха) в испарителе происходит кипение хладагента (процесс изобарический). Пары хладагента поступают в компрессор 2 где происходит их сжатие с повышением температуры и давления (процесс политропный). Затем сжатые пары хладагента поступают в конденсатор 3 и конденсируются под влиянием охлаждающей среды – теплоносителя (процесс изобарический). Вход теплоносителя – с выход теплоносителя d. Термодинамический цикл теплового насоса завершается дросселированием жидкого хладагента в регулирующем вентиле 4 (дросселе) после которого хладагент со сниженным давлением поступает в испаритель 1 (процесс дросселирования практически изоэнтальпийный). Таким образом с помощью теплового насоса возможна передача тепловой энергии от источника теплоты с низкой температурой к приемнику теплоты с высокой температурой при подводе механической (электрической) энергии для привода компрессора.
Рис. 2.2 – Технологическая схема расчетного теплового насоса
В расчетной схеме помимо испарителя (И) и конденсатора (К) имеется переохладитель (ПО) в котором и производится первоначальный подогрев воды и дальнейшее охлаждение рабочего тела. На рисунке 2.2 также обозначены основные точки состояния воды и фреона.
Определение температурного режима установки.
Внедрение мероприятий по повышению эффективности теплового насоса за счет охлаждения конденсата рабочего тела.
Универсальность теплового насоса заключается в возможности работать не только в холодный период но теплый. В «летний» период тепловой насос работает как кондиционер воздуха забирая тепло от воздуха внутри помещения и отдавая его улице (охладителю). В данном курсовом проекте расчет теплонасосной установки будет выполнен для зимнего режима работы.
В данном режиме работы теплонасосная установки «отбирает» теплоту у низкопотенциального источника энергии в нашем случае это вода из оборотной системы технологического охлаждения и «отдает» воде в системе теплоснабжения. Подогревая ее с 40 до 80°C.
Для повышения эффективности использования энергии рабочего тела и надежности работы установки в технологическую схему добавлен охладитель перегрева. Так как давления из-за трения в соединительных трубопроводах между конденсатором и дросселем вызывают частичное испарение фреона. А если на вход дросселя поступает парожидкостная смесь эффективность его работы снижается. Поэтому жидкость после конденсатора дополнительно переохлаждаем так чтобы точка состояния фреона находилась не на линии насыщения а левее ее. Это также улучшает работу теплового насоса так как снижает долю пара поступающего в испаритель что приводит к меньшему расхода фреона в цикле. Переохлаждение жидкости в конденсаторе невозможно так как это требует более высокого температурного напора между фреоном и горячим теплоносителем а значит снижения температуры горячего теплоносителя (что невозможно по требованиям к получаемому теплоносителю) или повышения давления и температуры конденсации фреона (что значительно удорожит стоимость основного компонента теплового насоса – компрессора). Перегрев пара в испарителе также невозможен так как температуру холодного теплоносителя изменить нельзя поэтому для перегрева необходимо понижать температуру испарения а значит увеличивать степень повышения давления в компрессоре. Переохлаждение жидкости происходит в отдельном теплообменнике который устанавливается после конденсатора.
Расчет цикла теплового насоса.
Принимаем конечную разность температур в испарителе
Задаемся температурой охлаждающей воды на выходе из испарителя tн2= 10ºС.
Находим температуру испарения
Задаемся конечной разностью температур в конденсаторе
Определяем температуру конденсации
С использованием pi-диаграммы (рис.4.2) и прил.2 (стр.122 [2]) находим параметры рабочего агента в характерных точках схемы. Данные заносим в таблицу 4.1.
Параметры рабочего тела
Рис. 4.1 – Расчетная схема
Рис. 4.2 – Характерные точки работы теплового насоса в pi-диаграмме
Состояние перегретого пара (точка 1) перед входом в компрессор определяем по таблице перегретого пара и ненасыщенной жидкости при t1=75°С и р1=р0=019МПа. Состояние перегретого пара на выходе из компрессора (точка 2) находится на пересечении адиабаты s1=s2=17715кДж(кг·К) и изобары р соответствующей температуре конденсации (насыщения) tк=85°С. Процесс 1-2 – изобара с подъемом температуры до перегрева t2. Перегрев на 510 и более градусов предусматривается в расчете схемы для обеспечения надежной работы компрессора. Далее происходит сжатие в компрессоре (процесс 2-3). Параметры сухого насыщенного пара (точка 3) и кипящей жидкости (точка 4) определяются по таблицам. Точка 5 после регулирующего вентиля лежит на изотерме t5 = t1= 75 °С.
Энтальпия рабочего агента на выходе из компрессора при внутреннем
адиабатном КПД компрессора i=08.
Внутренняя работа компрессора
Удельная тепловая нагрузка испарителя
Удельная тепловая нагрузка конденсатора
Удельная тепловая нагрузка охладителя
Энергетический баланс
Массовый расход рабочего агента
Q – теплота получаемая хладагентом в испарителе
где сp – теплоёмкость воды ср=42 кДж(кг·К)
Объемная производительность компрессора
Расчетная тепловая нагрузка испарителя
Расчетная тепловая нагрузка охладителя
Принимая электромеханический КПД компрессора эм=09 определяем удельную работу компрессора
Удельный расход электроэнергии на единицу выработанного тепла
Электрическая мощность компрессора
Коэффициент трансформации
Средняя температура низкотемпературного теплоотдатчика
Средняя температура полученного тепла
Коэффициент работоспособности тепла с потенциалом Тв.ср.
Эксергетический коэффициент полезного действия теплонасосной установки
Определение теплопроизводительности ТН.
Теплопроизводительность - количество теплоты передаваемое нагреваемому объекту в единицу времени. Измеряется в Вт (ккалч). Теплопроизводительность зависит от мощности основного оборудования установки температурных условий её работы и конструкции.
В рассчитываемом тепловом насосе отдача теплоты происходит в конденсаторе и переохладителе. Что соответствует точкам 234 на рисунке 4.1 и процессу 2-4 на рисунке 4.2. Где в процессе конденсации рабочего тела и дальнейшего его охлаждения происходит нагрев воды системы теплоснабжения.
При теплопроизводительности Qт=3699кВт установка способна обеспечить требуемый нагрев 1.9 кгс воды.
Расчет и выбор компрессора.
Массовый часовой расход хладагента
Объемный расход хладагента
Принимаем относительную величину мертвого пространства с = 45%.
Коэффициент видимых объемных потерь λ при депрессии на нагнетании Δр=001МПа:
Коэффициент подогрева:
Объем описанный поршнем:
Адиабатная мощность для R142 Vh=1800м3ч компрессора:
Индикаторная мощность
Принимаем удельное давление трения pтр=06 бар и определяем мощность трения
Эффективная мощность
Согласно расчетным данным принимаем компрессор ЗГП-1235 [4] в количестве 2 штук работающих параллельно.
Характеристики компрессора ЗГП-1235:
Завод-изготовитель – Краснодарский компрессорный завод г.Краснодар;
Размер мм – 3006х1620х2650;
Массовый расход охлаждающей воды м3ч (не более) – 15;
Мощность привода кВт – 132;
Избыточное давление кгссм2 – 35;
Пргоизводительность м3мин – 12.
Тепловой расчет и выбор испарителя.
Рис. 7.1 – Схема теплообмена в испарителе
Удельный тепловой поток q2 от низкопотенциального теплоносителя к внутренним стенкам труб имеет вид
а удельный тепловой поток от наружных стенок к фреону отнесенный к 1 м2 внутренней поверхности трубы
tв.ср – средняя температура низкопотенциального теплоносителя tв.ср=2945 К;
tcт – температура стенки;
tи – температура испарения фреона tи=t0=75ºС;
α2 – коэффициенты теплоотдачи от низкопотенциального теплоносителя к стенке;
В связи с законом сохранения энергии тепловые потоки должны быть равны друг другу. Расчет теплообменников заключается в решении уравнения q1=q2 и нахождении неизвестной температуры стенки tcт и определении удельного теплового потока в испарителе qи=q1=q2. В расчетах термическим сопротивлением медной стенки можно пренебречь так как оно составляет менее 1% от термического сопротивления теплообменников.
Определяем среднелогарифмический температурный напор
Из табл. 20 [2] выбираются теплофизические свойства воды при температуре tв.ср.
Кинематическая вязкость vв·106 м2с
Коэффициент теплопроводности λв·102 Втм·К
Критерий Прандля Prв
Принимаем скорость теплоносителя в трубах в=1мс (от 1 до 25 мс). Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренним стенкам труб определяем по критериальному уравнению
где критерий Нуссельта
где d2 – внутренний диаметр труб d2=002м (табл.19 [2]).
Определяем коэффициент k:
F1 и F2 – площадь поверхности соответственно наружной оребренной и внутренней поверхности трубы F1=019м2 F2=0068м2 (табл.19 [2])
nтр.в – число вертикальных труб в испарителе от 5 до 15. Принимаем nтр.в=10.
pкр – давление фреона в критической точке (рис.16 [2]) pкр=4МПа.
Температура стенки находится решением уравнения q1=q2. Для этого при разных температурах стенки от tи до tв.ср рассчитываются несколько значений q1 и q2 строятся зависимости q1(tст) и q2(tст) пересечение которых соответствует равенству тепловых потоков а значит и искомой температуре стенки (рис. 7.2).
Температура стенки ºС
Рис.7.2 – Графическое определение температуры стенки
Температура стенки tст=125ºС.
По найденной температуре стенки рассчитывается удельный тепловой поток в испарителе:
Теплоотдающая поверхность
где Qи – тепловая нагрузка испарителя Qи=3217 кВт.
Число труб в теплообменнике должно обеспечивать принятую ранее скорость низкопотенциального теплоносителя (воды).
Число труб в одном ходе округленное до целого числа:
Длина труб в одном ходе
где m – число ходов для упрощения конструкции теплообменника
должно быть минимальным m=2.
Получаемая длина труб в одном ходе Lx должно быть от 2 до 6 м.
Согласно расчетным характеристикам выбираем теплообменник с плавающей головкой ГОСТ 14246-79 и ГОСТ 14247-79 (табл.2.4 [3]) с следующими характеристиками:
Диаметр кожуха мм – 325;
Диаметр труб мм – 25х2;
Поверхность теплообмена (м2) при длине труб 6м – 20.
Тепловой расчет и выбор конденсатора.
В конденсаторе теплота передается от конденсирующейся на наружно стороне труб пленки фреона к воде идущей в трубах.
Рис. 8.1 – Схема теплообмена в конденсаторе
Среднелогарифмический температурный напор для конденсатора
Средняя температура воды
Температура пленки конденсата фреона на наружной поверхности труб
Рассчитываем параметр В
ρ – плотность жидкого фреона при температуре tпл ρ=9684кгм3 (прил.2 [2]);
λ – коэффициент теплопроводности жидкого фреона при температуре tпл λ=64 мВт(м·К) (прил.2 [2]);
– динамический коэффициент вязкости пара при температуре tпл =1228 мкПа·с (прил.2 [2]).
Определяем тепловой поток от фреона к наружным стенкам труб
p – коэффициент p=193 (табл.19 [2]);
– коэффициент =05 (рис.29 [2]);
r – теплота парообразования фреона r=14647.
Удельный тепловой поток q2 от внутренних стенок труб к воде
где α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.
Из табл. 20 [2] выбираются теплофизические свойства воды при температуре tк.
Температура стенки tст определяется по уравнению q1 = q2. Для этого по температурах от tв.ср до tк рассчитываются несколько значений q1 и q2 и строятся графики тепловых потоков. По точке их пересечения определяется температура стенки tст (рис. 8.2).
Рис.8.2 – Графическое определение температуры стенки
Температура стенки tст=687ºС.
По найденной температуре стенки рассчитывается удельный тепловой поток в конденсаторе
где Qк– тепловая нагрузка конденсатора.
где Gв – расход воды в конденсаторе:
где m – число ходов m=6.
Согласно расчетным характеристикам выбираем конденсатор с плавающей головкой ГОСТ 14246-79 и ГОСТ 14247-79 (табл.2.4 [3]) с следующими характеристиками:
Диаметр кожуха мм – 600;
Поверхность теплообмена (м2) при длине труб 6м – 87.
По данным условиям мы рассчитали теплонасосную установку для утилизации тепла низкопотенциального источника энергии. Так же по приведенным данным произвели расчет материального и теплового балансов процесса сушки с помощью I–d диаграммы. По расчетам выбрали компрессор испаритель и конденсатор.
Список использованной литературы
Васьков Е.Т. Термодинамические свойства тепловых насосов СПб.гос.архит.-строит-ун-т.-СПб.2007.-127с;
Трубаев П.А. Тепловые насосы: Учебное пособие П.А.Трубаев Б.М.Гришко. - Белгород: Изд-во БГТУ им.В.Г.Шухова 2009.-142с.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию Г.С.Борисов В.П.Быков Ю.И.Дытнерский и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского 2-е изд. перераб. и дополн. М.: Химия 1991.-496с.

Испаритель.cdw