1.1 Расчет производительности компрессорной станции и выбор компрессоров

Расчет установленной производительности и вариантов компрессорной станции (давление сжатого воздуха 0,6МПа).

Таблица 1. Выбор оптимального количества компрессоров и распределения нагрузки

Показатели	Ед. изм		1 вариант		2 вариант		3 вариант
Макс. длительная нагрузка на компрессорную станцию:
В первую смену		м3/мин		110	110	110
Во вторую смену		м3/мин		90	90	90
В третью смену		м3/мин		0	0	0
Производительность компрессора:
Марки А		м3/мин		23,5	22,1	22,1
Марки В		м3/мин		–	–	23,5
Количество установленных компрессоров при одном резервном:
Марки А		шт.		6	6	4
МаркиВ		шт.		–	–	2
Установленная производительность компрессорной станции		м3/мин		141	132	135,4
Обеспечение макс. длительной нагрузки		%		106,8	100,4	101,7
Использование компрессоров длительной нагрузки во вторую смену		%		96	101,8	100,2
Возможная производительность компрессорной станции		м3/мин		23,5; 47; 70,5; 94; 117,5; 141.	22,1; 44,2; 66,3; 88,4; 110; 132,6.	22,1; 44,2; 66,3; 88,4; 23,5; 47; 111,9; 135,4.

Второй вариант наилучший, так как обеспечивается максимальная длительная нагрузка в первую смену, максимальное использование компрессоров во вторую смену и наиболее гибкая работа компрессорной станции при изменении нагрузок.

Примечание: из–за отсутствия поршневого компрессора удовлетворяющего требованиям курсовой работы, был принят винтовой компрессор Spitzenreiter KS–175A, производительностью от 0,8 до 23,5 , максимальное давление 7–13 бар.

1.2 Расчёт воздушных фильтров

Необходимая поверхность фильтра: (1)

где V – производительность компрессорной станции, то есть количество всасываемого воздуха, пропускаемого через фильтр, м³/мин

К_ф – удельная нагрузка фильтра на 1 м² площади лобовой поверхности в (м³/с)/м² или скорость воздуха, протекающего через фильтр, м/с.

Принимаем К_ф= 1,1 (м³/мин)/м²

По таблице 4 [1] находим:

1. F_тр= 0,546м²

2. Количество ячеек: всего – 4, в вертикали – 4 в горизонтали – 1

3. Действительная нагрузка на фильтр: 0,51(м³/с)/м²

4. Максимальная пропускная способность фильтра: 0,416м³/с

1.3 Расчёт воздухоохладителя

По СНиПу 23–0,1–99 – строительная климатология для города Магадана: – средняя максимальная температура воздуха наиболее тёплого месяца; – относительная влажность воздуха.

Расчёт промежуточного холодильника

Количество тепла, выделяемое воздухом:

(2)

,где

V – часовая производительность по воздуху =0,368 м³/с

c_в– теплоемкость газа при постоянном давлении, равная 1005Дж/кг·К

– плотность воздуха принимаем 1,22 кг/м³

По таблицам выбираем V и Q.

температура воздуха до и после теплообменника, °С

°С (3)

температура воды на входе в теплообменник:

°С (4)

°С – температура мокрого термометра

∆ °С– ширина зоны охлаждения вентиляторной градирни

Температура воды на выходе из теплообменника:

°С (5)

(6)

; (7)

(8)

K

где: K

МПа;

МПа; Так как:

тогда:

°C (9)

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара:

[Вт] (10)

Влагосодержание воздуха до охладителя:

, где

R_в – газовая постоянная воздуха, равная 288Дж/кг °С;

R_п– газовая постоянная водяного пара, равная 462 Дж/кг °С;

P_1,нас – давление насыщения водяного пара при температуре всасывания в ступени перед холодильником;

P_1,нас – давление насыщения водяного пара при температуре газа на выходе из холодильника

P – давление воздуха в охладителе, Па;

– относительная влажность воздуха при всасывании в ступень перед охладителем;

– относительная влажность воздуха на выходе из охладителя, равна 1,0, так как зависимость для справедлива в случае конденсации водяного пара в охладителе (при отсутствии конденсации ).

P₀– давление всасывания во всасывающем патрубке ступени перед холодильником, Па.

Влагосодержание воздуха на выходе из охладителя:

Количество тепла, выделяемое влагой:

(13)

,где

– производительность компрессора;

=1880 – средняя теплоёмкость пара при постоянном давлении;

=215,7 – теплота парообразования при ;

=1,22 – плотность воздуха при температуре и давлении на всасе в компрессор;

k=2346 – коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования с повышением температуры конденсации;

– влагосодержание воздуха до и после теплообменника;

– температуры воздуха до и после охладителя.

Тогда получим:

(14)

Поверхность теплообмена промежуточного теплообменника:

где:

– общий тепловой поток который получает вода;

– коэффициент теплоотдачи

=0,7 – поправка для аппаратов с перекрёстным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды в данном случае)

Рис. 1. График температурного напора

Ориентировочно коэффициент теплопередачи примем 61 Вт/м² °С

По справочным данным выбираем кожухотрубный теплообменник типа ХН (теплообменник с неподвижными трубными решетками).

Площадь поверхности нагрева F=39,668 м²; внутренний диаметр кожуха D_в = 0,63 м; диаметр труб 25x2 мм; длина труб l=3м; число ходов 2; число труб 85; расстояние между перегородками h=0,3 м; шаг труб t=0,032 м

,где

– средний диаметр;

− длина труб;

число ходов.

Внутренний диаметр труб:

=0,025∙2∙0,002=0,021 м (19)

Площадь сечения трубного пространства:

Расход охлаждающей воды в теплообменнике:

количество тепла выделившееся при охлаждении воздуха;

теплоёмкость воды;

температуры воды да входе и выходе из теплообменника.

Скорость воды в трубном пространстве:

,где

ρ_ж=993,67 кг/м³– плотность воды при ∆t=23,574 ;

расход охлаждающей воды в теплообменнике;

плотность воды;\

– площадь сечения трубного пространства.

Критерий Рейнольдса:

– кинематическая вязкость воды при

∆t = 23,574 °С;

– скорость воды в трубном пространстве.

Так как Re<2300 , следовательно, режим течения ламинарный.

Критерий Грасгофа:

где:

коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве.

– коэффициент динамической вязкости.

Критерий Прандтля:

– коэффициент теплопроводности.

Определим произведение: (26)

При значение Re<2300 и применим следующую формулу для Нахождения критерия Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи:

где – коэффициент теплопроводности

Площадь сечения межтрубного пространства:

расстояние между перегородками;

шаг труб.

Скорость в межтрубном пространстве:

где – плотность воздуха при

Критерий Рейнольдса:

Критерий Нуссельта:

(32)

Коэффициент теплоотдачи:

, где

= коэффициент термического загрязнения.

Расчетная площадь концевого теплообменника:

Погрешность выбора теплообменника:

Следовательно, расчет произведён верно, принимаем ранее выбранный теплообменник.

Расчет конечного теплообменника

Количество тепла, отдаваемое сухим воздухом:

(37)

,где

V– производительность компрессора 0,368 м³/с

c_в– теплоемкость газа при постоянном давлении, равная 1017 Дж/кг·К

– плотность воздуха принимаем 1,22 кг/м³

По таблицам выбираем V и Q.

температура воздуха до и после теплообменника, °С

°С

температура воды на входе в теплообменник:

°С

Температура воды на выходе из теплообменника:

°С

МПа

; (38)

(39)

K

где: K

тогда:

°C

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара:

Вт] (40)

где средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, Дж/кг°C

теплота парообразования, при 0 °C

коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования, с повышением температуры конденсации.

влагосодержание воздуха до и после теплообменника;

- температуры воздуха до и после охладителя.

Влагосодержание воздуха до охладителя:

где R_в – газовая постоянная воздуха, равная 288 Дж/кг °С;

R_п– газовая постоянная водяного пара, равная 462 Дж/кг °С;

P_1,нас– давление насыщения водяного пара при температуре всасывания в ступени перед холодильником;

P_2,нас – давление насыщения водяного пара при температуре газа на выходе из холодильника

P– давление воздуха в охладителе, Па;

– относительная влажность воздуха при всасывании в ступень перед охладителем;

– относительная влажность воздуха на выходе из охладителя, равна 1,0, так как зависимость для справедлива в случае конденсации водяного пара в охладителе (при отсутствии конденсации ).

P₀– давление всасывания во всасывающем патрубке ступени перед холодильником, Па.

Влагосодержание воздуха на выходе из охладителя:

Количество тепла, выделяемое влагой:

(43)

Тогда получим:

(44)

Поверхность теплообмена промежуточного теплообменника:

где:

ε_∆t=0,7 – поправка для аппаратов с перекрестным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды)

ориентировочно коэффициент теплопередачи примем 61 Вт/м² °С

По справочным данным выбираем кожухотрубный теплообменник типа ХН (теплообменник с неподвижными трубными решетками).

Площадь поверхности нагрева F=27,108 м²;внутренний диаметр кожуха D_в = 0,63 м; диаметр труб 25x2 мм; длина труб l=3м; число ходов 2; число труб 58; расстояние между перегородками h=0,3 м; шаг труб t=0,032 м

Внутренний диаметр труб:

d_вн =0,025∙2∙0,002=0,021 м

Площадь сечения трубного пространства:

Расход охлаждающей воды в теплообменнике:

Скорость воды в трубном пространстве:

где ρ_ж=993,67 кг/м³– плотность воды при ∆t=35,774

Критерий Рейнольдса:

– кинематическая вязкость воды при ∆t = 35,774 °С

Так как Re<2300 , следовательно, режим течения ламинарный.

Критерий Грасгофа:

где:

коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве.

– коэффициент динамической вязкости.

Критерий Прандтля:

Определим произведение:

При значение Re<2300 и применим следующую формулу:

Коэффициент теплоотдачи:

где – коэффициент теплопроводности

Площадь сечения межтрубного пространства:

Скорость в межтрубном пространстве:

где – плотность воздуха при

Критерий Рейнольдса:

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи:

Расчетная площадь концевого теплообменника:

Погрешность выбора теплообменника:

Следовательно, расчет произведен верно, принимаем ранее выбранный теплообменник.

Определение расхода охлаждающей воды.

Общий расход охлаждающей воды:

(63)

,где

– расход воды на охлаждение воздуха в промежуточном теплообменнике;

- расход воды на охлаждение воздуха в конечном теплообменнике;