7.3 Пример теплового и конструктивного расчетов панельного испарителя открытого типа

Для заданных условий:

холодопроизводительность аппарата Q₀= 180 кВт

температура теплоносителя на входе в аппарат t_S1 = -9ºС,

глубина подохлаждения теплоносителя (рассола) ∆t_S = 2ºС,

холодильный агент аммиак.

Геометрические размеры стандартной панели испарителя:

• шаг каналов (труб) по длине одиночной панели S₁ = 0,038 м;

• расстояние между трубами панели (две высоты ребра) 2h = 0.013 м;

• толщина ребра δ = 0,005 м;

• наружный диаметр канала d_Н = 0,025 м;

• внутренний диаметр канала d_BH = 0,02 м;

• число каналов в панели z = 11 шт.;

• длина панели l = z S₁= 0,42 м;

• высота панели Н = 0,77 м.

Н а рис. 1 приведен элемент стандартной панели панельного испарителя.

Каждая секция испарителя, длиной L=3 м, состоит из шести одиночных панелей (N_П = 6), объединенных двумя общими коллекторами (паровым и жидкостным) диаметром Ф25х2,5 мм. Холодильный агент (аммиак) кипит внутри каналов, образованных сварным соединением штампованных стальных листов.

Рис. 1. Элемент стандартной панели

Температура рассола на выходе из аппарата t_S2 = t_S1 - ∆t_S = -9 – 2 = -11ºС.

Средняя (определяющая) температура рассола t_S = 0,5(t_S1+ t_S2)= 0,5(-9-11)= -10ºС.

Температура кипения аммиака t₀ = t_S –4= -10-5= -15ºС.

Логарифмический температурный напор

θ_Л = (t_S1- t_S2)/In[(t_S1-t₀)/( t_S2-t₀)] = 2/In[(-9+15)/(-11+15)] = 4,93ºC.

Теплофизические параметры хладоносителя (рассола – СаСl₂) определяем из таблиц /2/ при его средней температуре t_S = - 10ºC и концентрации ξ, отвечающей температуре его замерзания t_З = t₀ - (5-8) = -15- 5 = - 20ºC:

ξ = 23,8% - массовая доля соли

ν_S =4,87·10^-6 м²/с - коэффициент кинематической вязкости;

λ_S = 0,523 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности;

с_S = 2,91 кДж/(кг·К) - удельная теплоемкость;

p_S = 1220 кг/м³ - плотность;

Pr _S = 33,0 - число Прандтля.

Из уравнения теплового баланса испарителя определяем массовый расход хладоносителя

G_S = Q₀/c_Р(t_S1- t_S2) = 180/2,91(-9+11) = 30.92 кг/с

Принимая величину скорости хладоносителя в объеме бака ω_S =0,5 м/с, определяем число Рейнольдса

Re _S = ω_S l/ ν_S = 0,5· 0,42/4,87·10^-6 = 43121

Число Нуссельта при турбулентном движении вдоль пластины

Nu_S = 0,037 Re_S ^0,8 Pr _S ^0,43= 0,037· 43121 ^0,8· 33 ^0,43 = 849

Коэффициент теплоотдачи на стороне теплоносителя

α_S = Nu_S ·λ_S / l = 849·0,523 / 0,42 = 1057,2 Вт/(м²К)

В качестве определяющего размера, при определении числа Рейнольдса и α_S, принимаем длину пластины в направлении потока теплоносителя l=0,42 м..

Тепловой поток со стороны рассола, отнесенный к внутренней поверхности панели

q_BH =_S /[(1/α_S+∑δ_І /λ_І) F_BH /F_Н] = _S /[(1/1057,2+0,7·10^-3) 0,02 /0,025] = 759,5_S (*)

де _S - температурный напор между средней температурой теплоносителя и температурой внешней стенки панели, ºС; ∑δ_І /λ_І = 0,7·10^-3 (м²К)/Вт - сумма термических сопротивлений загрязнений и стенки труби.

С учетом уравнения по расчету коэффициентов теплоотдачи при кипении аммиака в вертикальных каналах, плотность теплового потока, отнесенного к внутренней поверхности аппарата, составит:

q_BH = (27,3+0,04 t₀)^1,82d_BH ^-0,436 _A ^1,82 =

[27,3+0,04·(-15)]^1,82 0,02 ^-0,436_A ^1,82 =2172,7_A ^1,82 (**)

где _A-температурный напор между температурами агента и внутренней стенки трубы, ºС.

При совместном решении, графоаналитическим методом, уравнений (*) и (**)

(см. рис 1), определяем плотность теплового потока, отнесенного к внутренней поверхности трубы q_ВН = 2850 Вт/м² и температуру внутренней стенки трубы t_СТ.ВН = t₀ +_A = -15+ 1,2 = - 13,8ºС.

Внутренняя теплопередающая поверхность аппарата

F_ВН = Q₀/q_ВН=180 ·10³/2850 = 63,2 м².

Рис. 1. Зависимость плотности теплового потока, отнесенного

к внутренней поверхности испарителя от температурного напора

1 ряд - q_ВН = f (_S); 2 ряд - q_ВН = f (_A).

Конструктивный расчет аппарата.

Площадь внутренней поверхности одной секции

F₁ = 2F_K + N_Π F_Π

де F_K – внутренняя поверхность двух коллекторов одной секции, м²; N_Π - число панелей в секции; F_Π - площадь внутренней поверхности одной панели, м².

С учетом конструктивных размеров панели приведенное выше уравнение примет вид

F₁ = 2πd_BH L + N_Π· πd_BH H· z = 2·3,14·0,02·3 +6·3,14·0,02·0,77·11 = 3,57 м².

Число параллельных секций в аппарате z_C = 63,2 / 3,57 = 17,7 шт.

Полученное значение округляем до целого, в большую сторону z₁ = 18 шт.

Площадь живого сечения каналов в направлении движения рассола

F_ЖП = G_S /ω_S· p_S = 30,92 /0,5·1220 = 0,05 м²

Ширина канала между секциями B = F_ЖП /H·z₁= 0,05 /0,77·18 = 0,0036 м.

Шаг между осями секций S = d_Н + B = 0,025 + 0,0036 = 0,0286 м.

Гидравлический расчет аппарата.

Гидравлическое сопротивление в панельном испарителе

∆Pи = ∆P_ВХ +∆P_ВЫХ +∆P_К =76,3 + 152,5 + 25254 =25483 Па

где ∆P_ВХ – гидравлическое сопротивление на входе в каналы

∆P_ВХ = ζ_ВХ·ω_S²ρ_S/2 == 0,5·0,5²·1220/2 = 76,3 Па

ζ_ВХ=0,5 – коэффициент местного сопротивления на входе в канал;

∆P_ВЫХ – гидравлическое сопротивление на выходе из канала

∆P_ВЫХ = ζ_ВЫХ·ω_S²ρ_S/2 == 1·0,5²·1220/2 = 152,5 Па

ζ_ВЫХ=1 – коэффициент местного сопротивления на выходе из канала;

∆P_К - гидравлическое сопротивление в волнообразном канале при числе Re= ω_S·d_Н/ ν_S = = 0,5· 0,025/4,87·10^-6 =2567;

∆P_К = z₁· ω_S²ρ_S[0,16·(S₁/B)^0,5+0,04·S₁/B+0,8(S₁/B)·Re^-0,4(z-1) + (t_S1- t_S2)/(z₁·t_S)] =

=18·0,5²·1220[0,16·(0,038 /0,0036)^0,5+0,04·0,038 /0,0036 +

+ 0,8·(0,038 /0,0036)·2567 ^-0,4·(11-1) + (-9+11)/(18·263)] = 25254 Па