2.3.2. Тепловой расчет испарителя судовой холодильной установки

Рассмотрим методику расчета кожухотрубного испарителя с кипением хладагента на наружной поверхности оребренных труб.

Исходными данными для расчета испарителя являются:

— холодопроизводительность испарителя, Q_и, кВт

— температура кипения (испарения), t_и = –36°C

— температура рассола на входе в испаритель определяется из условия, что обычно рассол охлаждается в испарителе на (4…5)°C, а температура рассола на выходе из испарителя примерно на Δt_р2 = 2…4°C выше температуры кипения;

— охлаждение рассола в испарителе, Δt_р (обычно (4…5)°C);

— скорость рассола внутри трубок, w (обычно 2…4 м/с), принимаем w = 2,5 м/с

— оребрение трубок с наружной стороны (обычно 2,8–4, стандартное оребрение β = F_ор/F_вн = 3,5)

— трубки — в отечественных фреоновых кожухотрубных испарителях используются медные трубки d = (20x3) или (13,2x2,5) мм с накатанными наружными ребрами; принимаем медные трубки с внутренним диаметром d_вн = 20 мм; (в аммиачных испарителях средней производительности с поверхностями до 300 м² используются бесшовные гладкие стальные трубки 25х2,5 мм; число ходов охлаждаемого рассола 4–8).

— холодильный агент R22.

Пример теплового расчета испарителя для рассчитанной выше холодильной установки.

1. Холодопроизводительность испарителя

   Qи = Q0 + ΔQ0 = 1,05·Q0 =1,05·72,0 = 75,6 кВт

2. Температура рассола на выходе из испарителя

   tр2 = tи + Δtр2 = –36 + 3 = –33°C

3. Температура рассола на входе в испаритель

   tр1 = tр2 + Δtр = –33 + 4 = –29°C

4. Среднелогарифмическая разность температур

5. Средняя температура рассола

   tр,ср = tи + θ = –36 +4,72 = –31,28°C

6. В качестве рассола выбираем раствор хлористого кальцияCaCl₂ (х_CaCl2 = 27,5% с температурой замерзания минус 38,6°C). Методом интерполяции табличных данных [2] (табл. 63, стр.174–175) определяем теплофизические свойства рассола при его средней температуре (–33,21°C):

— коэффициент интерполяции

– плотность ρ_р = 1260 кг/м³

– изобарная теплоёмкость

Ср' = k·(Ср'б – Ср'м) + Ср'м = 0,744·(2,742 – 2,721) + 2,721 = 2,7366 кДж/(кг·К)

– коэффициент теплопроводности

λ = k·(λ 'б – λ 'м) + λ 'м = 0,744·(0,492 – 0,486) + 0,486 = 0,49046 кДж/(кг·К)

–– коэффициент кинематической вязкости

ν = k(ν 'б – ν 'м) + ν 'м = {0,744·(13,6 – 17,10) + 17,10}·10-6 = 14,496·10-6 м2/с

6. Коэффициент теплоотдачи со стороны рассола

где поправочный коэффициент ε_пер рассчитан из соотношения

(1)

а число Рейнольдса – по формуле

Так как рассчитанное число Рейнольдса <1·10⁴, то поправочный коэффициент ε_пер рассчитывается по вышеприведенной формуле (1). Если рассчитанное число Рейнольдса будет >1·10⁴, то ε_пер = 1.

7. Записываем выражение для плотности теплового потока со стороны рассола с учетом термического сопротивления теплопроводности загрязненных трубок испарителя . Принимаем по работе [3], табл.3.1, стр.69

Тогда

8. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи со стороны кипящего хладагента, отнесенный к внутренней поверхности трубки

9. Плотность теплового потока от наружной поверхности трубок к кипящему хладагенту, отнесенная к внутренней поверхности трубки

10. Определяем среднелогарифмические температурные напоры со стороны кипящего хладагента θ_а и со стороны рассола θ_p исходя из условий, что q_a = q_p и θ_а + θ_р = θ. Используя соответствующие уравнения для q_a и q_p, полученные выше, и условие θ_а + θ_р = θ, получаем трансцендентное уравнение вида

2,369·θ_а^1,82 + 1,04758·θ_а – 4,9446 = 0

Из этого уравнения можно определить средне логарифмический температурный напор между кипящим хладагентом и стенкой, θ_а графическим способом, либо методом итераций (например, методом половинного деления). Мы использовали последний метод, как более точный. На одиннадцатом расчетном итерационном шаге получили значение, θ_а = 1,2633 при невязке Δ = 0,00382. Тогда

— плотность теплового потока со стороны хладагента

— плотность теплового потока со стороны рассола

Тогда среднее значение теплового потока q_вн = 3,62308 кВт/м².

9. Внутренняя теплопередающая поверхность испарителя

10. Наружная теплопередающая поверхность испарителя

11. Объемный расход рассола, циркулирующего в системе одного испарителя

12. Количество трубок в одном ходу рассола

Принимаем 28 трубок в одном ходу рассола, тогда действительная скорость рассола

13. Общая расчетная длина труб испарителя

где F₁ = π·d·1 = 3,14·0,02·1 = 0,0628 м² – площадь внутренней поверхности трубки длиной в 1 м.

15. Общее количество теплообменных трубок

16. Число ходов рассола

.

По рассчитанному значению наружной теплопередающей поверхности испарителя (77,031м²) и табл.2.17, стр.152 [6] либо соответствующему приложению этого пособия подбираем испаритель кожухотрубный марки МИТР-110 со следующими данными:

— площадь поверхности теплообмена 110 м²

— размеры теплообменных трубок (20х3х3000) мм

— диаметр кожуха испарителя 616 мм

— масса 2000 кг.

Кроме указанного испарителя устанавливаем один резервный той же марки