2.3 Визначення техніко-економічних показників розрахованої поверхні охолодження даного ферментеру
Техніко-економічний розрахунок поверхні охолодження дозволяє знайти оптимальні умови її роботи з урахуванням капітальних витрат, амортизації обладнання і експлуатаційних витрат.
На інтенсивність теплообміну впливає в першу чергу швидкість руху рідини в поверхні охолодження. З її збільшенням підвищується коефіцієнт теплопередачі, зменшуються поверхня теплообміну і капітальні витрати на виготовлення апарату, віднесені до одного року роботи (амортизаційні витрати). Разом з тим збільшення швидкості руху рідини веде до підвищення гідравлічних опорів і витрат енергії на їх подолання. Внаслідок цього зростає вартість електроенергії, споживаної в рік електродвигуном, який приводить в дію насос для прокачування рідини через поверхні охолодження, а отже, і експлуатаційні витрати.
Оптимальна швидкість руху рідини відповідає мінімуму функції
(2.39)
де КΣ, Ка, Ке – відповідно сумарні, амортизаційні та експлуатаційні витрати, грн./рік.
Амортизаційні витрати
(2.40)
де F – поверхня теплообміну, м2;
СF = 100, вартість 1 м2 поверхні теплообміну апарату, грн./м2;
a = 7, річна частка амортизаційних відрахувань, %.
,
грн/рік
,
грн/рік
,
грн/рік
,
грн/рік
Експлуатаційні витрати
(2.41)
де N – потужність, що необхідна для переміщення теплоносія через апарат, кВт;
Се = 1 – вартість 1 (кВт∙год) електроенергії, грн./(кВт∙год);
τ – кількість годин роботи теплообмінника в рік.
,
год
Потужність, необхідну для переміщення теплоносія через апарат, визначають за формулою
(2.42)
де V = 10,88 – об’ємна витрата рідини, кг/с;
Δp – перепад тиску в апараті, Па;
η = 0,8 – ККД насоса або вентилятора.
Гідравлічний опір апарату складається з втрат тиску на подолання опору тертя Δpтр і на подолання місцевих опорів Δpм.о.:
(2.43)
де λ = 0,01, коефіцієнт опору тертя;
l – довжина труби, м;
d – діаметр труби, м;
ξ
– коефіцієнт місцевого опору (
);
w – швидкість руху рідини, м / с;
,
густина рідини, кг/м3.
Для каналу круглої форми замість діаметру d в формулу підставляють еквівалентний діаметр dекв.
Візьмемо додатково до розрахованої ще три швидкості течії води в каналі: 0,8; 1,2; 1,6 м/с. Розрахуємо для них площі поверхні охолодження.
При таких швидкостях критерій Рейнольдса
,
,
,
режим руху турбулентний, і для розрахунку α2 можна використовувати критеріальне рівняння [14]:
,
де εl – поправочний коефіцієнт, що враховує вплив довжини каналу на коефіцієнт тепловіддачі; оскільки в нашому випадку відношення довжини каналу до еквівалентного діаметру каналу більше 50, впливом довжини каналу нехтуємо: εl = 1; X – коефіцієнт, що враховує кривизну спіралі:
Прийнявши критерій Prст = 5,93 при tст = 27°С, визначаємо критерій Нуссельта:
,
,
,
а потім коефіцієнт α2:
Вт/(м2∙К)
Вт/(м2∙К)
Вт/(м2∙К)
Далі визначаємо коефіцієнт теплопередачі К0:
Вт/(м2∙К)
Вт/(м2∙К)
Вт/(м2∙К)
З урахуванням забруднення поверхні (φн = 0,9) коефіцієнт теплопередачі
К1
= К0φн
=
Вт/(м2∙К),
К2
= К0φн
=
Вт/(м2∙К),
К3
= К0φн
=
Вт/(м2∙К).
Поверхня охолодження
,
м2
,
м2
,
м2
Так як
,
то
, м
, м
, м
, м
Тепер розрахуємо для чотирьох швидкостей за рівнянням 2.43:
,
Па
,
Па
,
Па
,
Па.
Отже, тепер можна розрахувати за рівнянням 2.42:
Вт
Вт
Вт
Вт
Тоді експлуатаційні витрати за рівнянням 2.41:
,
грн/рік
,
грн/рік
,
грн/рік
,
грн/рік
Отже, сумарні витрати
грн/рік
грн/рік
грн/рік
грн/рік
Для заданої витрати рідини будують графіки залежності амортизаційних витрат і експлуатаційних витрат від швидкості руху рідини w. Оптимальну швидкість визначають по їх перетину, яка становить wопт = 0,6.