8. Розрахунок та підбір горизонтального кожухотрубного конденсатора

Вихідні дані:

– холодопродуктивність 20043 кВт;

– температура конденсації 38 ˚С;

– температура охолоджуючої води 28 ˚С.

Теплоту конденсації визначимо наступним чином.

Q_k = Q₀ + N

Q_k = 20+7.5= 27.5 кВт

В якості поверхні теплопередачі вибираємо шаховий пучок з мідних труб з накатними ребрами:

– внутрішній діаметр труби d_вн = 11,5 × 10^-3 м;

– діаметр ребра D_р = 16,6 × 10^-3 м;

– діаметр по колу западин d₀ = 13,5 × 10^-3 м;

– крок ребер u = 1,27 × 10^-3 м;

– товщина основи ребра d_осн.р = 0,8 × 10^-3 м;

– товщина вершини ребра d_т = 0,3 × 10^-3 м.

коефіцієнт оребрення:

Знайдемо среднелогаріфміческурізницю температур qm.

= (33 – 29) / [ln (38 – 29) / (38 – 33)] = 6.8 ˚С

Витрата води через конденсатор:

= 27.5 / 4,19 × 4 = 1,64 кг/с

Приймаємо швидкість води в апараті w_w = 1,35 м/с.

Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі з боку води визначаємо числа Рейнольдса і Нуссельта:

де n_w – кінематична в'язкість води, м²/с; n_w = 0,8854 × 10^-6 м²/с.

Для турбулентного режиму:

де Pr – число Прандтля для води при Dt_wср.

Коефіцієнт тепловіддачі з боку води:

где l_w – коефіцієнт теплопровідності води.

Приймемо сумарний термічний опір стінки труби і забруднень рівним S (d_i / l_i) = 0,5 ×10^-3 (м²×°С)/Вт і складемо рівняння для визначення щільності теплового потоку з боку води:

q_w= 6,8-θa/[1/6,008+0,5*10^-3]= 1500,5*(6,8- θa)

где q_а- Різниця температур конденсації і стінки труби.

Коефіцієнт тепловіддачі з боку конденсирующегося холодильного агента R-134 а, віднесений до внутрішньої поверхні труб:

де Di - різниця ентальпій пари на вході в конденсатор і рідини, на виході з нього, 230 кДж/кг;

r_а – щільність насиченоі рідини холодильного агента R-134а при температурі 30 ˚С, кг/м3; rа = 1179, 1 кг/м3;

l_а – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×°С); l_а = 0,0820 Вт/(м×°С);

m_а – коефіцієнт динамічної в'язкості, Па × с; m_а = 3,985 × 10^-4 Па×с;

g – прискорення вільного падіння, м/с², g = 9,81 м/с²;

n – середнє число труб по вертикалі; n = 4;

b – коефіцієнт оребрення; b = 3,97;

Y_р – коефіцієнт, що враховує різні умови конденсації на горизонтальних і вертикальних ділянках поверхні труби.

де F_в – площа поверхні вертикальних ділянок ребер на 1 м трубки конденсатора, м²/м;

F_н – площа зовнішньої поверхні 1 м трубки, м²/м;

Е_р – ефективність ребра; для низьких накатних ребер; Е_р = 1;

F_г – площа поверхні горизонтальних ділянок ребер на 1 м трубки конденсатора, м²/м;

h_р – приведена висота ребра, м;

где d₀ – діаметр по колу западин, d₀ = 13,5 × 10^-3 м;

D_р – диаметр ребра, D_р = 16,6 × 10^-3 м;

, м

Підставляємо дані у формулу іотримуємо:

Підставляємо дані у формулу,отримуємо:

 α_a=0,72 *[(230*1179,1²*0,00820³*9,81)/(1,22*10^-4*13,5*10^-3)]^1/4*3^-0,167*3,97*θ_a^-0,25*1,579=3092, θ_a^-0,25 Вт/(м²*С)

Щільність теплового потоку з боку конденсирующегося агента:

q_a=α_a*θ_a=3093,8 * θ_a^+0,75Вт/ м²

Таким образом, отримана система з двох рівнянь для визначення щільності теплового потоку:

q_w= 1500,5*(6,8- θ_a)

q_a= 3093,8* θ_a^0,75

Для побудови даних залежностей обчислюємо значення q для ряду значень q_а.

Таблиця6.2. Результати розрахунків системи рівнянь

θa, °С	0,0	1	2	3	4	5	6	6,8
qw	10203,4	8702,9	7202,4	5701,9	4200,9	2700,9	1260,4	0
qa	0,0	3093,8	5197,5	7050	8748	10342	11857	13027

Зацими даними побудовані криві q_w = f (qа) и q_а = f (q_а).

Рисунок 6.2. Графоаналитичне визначення щільності теплового потоку в горизонтальному кожухотрубному конденсаторі

Точка перетину кривих визначає значення q_f =6400Вт/м².

Більш точне значення q_fзнаходять по ітераційному вираженню:

где q^’=1500,5*(θ_m-0,3* θ_m)= 7142,38 Вт/м²;

;

A=1500,5; B=8702,9; θ_m=6,8

q_f1=[(1,333-1)*(7142,38)^1,333+6,8*8702,9^1,333]/

[1,333*7142,38^1,333-1+8702,9^1,333/1500,5]=8911,10 Вт/м²

Підставляючи у вихідний вираз замість q’ q_f1, отримаємо:

q_f2 = [(1,3331)*8911,7^1,333+1213615,2]/[1,333*8911,1^0,333+173681/1500,5]=

=8944,49 Вт/м²

Відносна похибка:

Δq=(q_f1-q_f2)/q_f2= | (8911,10-8944,49)/8944,49 | =0,003

Dq = 0,09 %

Визначимо поверхню теплообміну конденсатора:

= 27,5 / 8,9 = 3,08 м²

За обчисленими даними,обираемо водяний кожухотрубний конденсатор фірми Альфа-Лаваль модель 111-XS-4P