Система воздухоснабжения промышленного предприятия. Учебное пособие
.pdf4.5 Гидравлический расчет системы воздухоснабжения
4.5.1 Общие положения
Исходя из необходимого количества сжатого воздуха и номинальных давлений у потребителей, осуществляется предварительный подбор типа и марки компрессоров.
Скорость воздуха в нагнетательном трубопроводе не должна превышать
10 15 м/с для центробежных компрессоров и поршневых компрессоров двойного действия и не должна превышать 6 м/с для поршневых компрессоров простого действия. Если длина трубопровода более 200 м, то допускается увеличение скорости до 20 м/с.
Для расчета трубопровода межцеховой воздушной сети предварительно выделяют расход воздуха по потребителям. Составляется схема сети, и находятся длины расчетных участков. Затем расставляется арматура, и определяются расходы воздуха на участках. Расчет производится для наиболее протяженной магистрали.
Магистрали кольцевой сети принимаются одного диаметра, который определяется по расходу в одном направлении в размере 70 % от общего расхода всех потребителей, охватываемых кольцом. Таким образом, основным недостатком кольцевой сети является большая металлоемкость:
V |
расп |
0,7 VКС . |
(4.19) |
|
max |
|
Для расчета коэффициента трения в качестве Vном используется:
Vном V m, |
(4.20) |
где V – производительность компрессора, м3/мин; m– количество компрессоров (без учета резерва).
При расчетедиаметра трубопровода Vном Vрасп .
31
4.5.2 Порядок расчета |
|
|
|
|
|
|
|
|
Задаемся |
оптимальной |
скоростью |
воздуха |
в |
зависимости |
от |
||
типа компрессоров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Определяется площадь сечения трубопровода, м2: |
|
|
|
|||||
|
|
F |
Vном |
, |
|
|
|
(4.21) |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
w |
|
|
|
|
|
где Vном – номинальный расход воздуха, рассчитанный на номинальное давление у потребителя, м3/мин.
Определяется внутренний диаметр трубопровода, м:
d |
4F |
. |
(4.22) |
|
|||
|
|
|
|
Внутренний диаметр трубопровода округляется до стандартного.
Уточняется скорость воздуха, м/с:
w |
Vном |
. |
(4.23) |
|
|||
|
F |
|
|
Определяем суммарную эквивалентную длину местных сопротивлений, м:
lэкв ln , |
(4.24) |
где ln – эквивалентная длина i-го местного сопротивления, м.
Коэффициент трения:
32
|
|
|
|
|
0,142 |
|
, |
(4.25) |
|
|
|
|
1,274 V |
||||
|
|
|
|
lg( |
ном |
) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
где k – абсолютная шероховатость труб; для стальных труб k 0,0001; |
|
|||||||
– кинематическая вязкость воздуха при температуре нагнетания, м2/с. |
|
|||||||
Потери напора на трение и местные сопротивления, м: |
|
|||||||
h |
h |
|
i (li lэквi ) |
w2 , |
|
(4.26) |
||
|
|
|||||||
тр |
трi |
|
2 g di |
i |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
где li – длина i-гo участка, м;
g– ускорение свободного падения, м/с2.
Потери давления на трение и местные сопротивления в наиболее
протяженной ветви, Па:
Pтр hтр ном g , |
(4.27) |
||||
где pном – плотность воздуха, кг/м3: |
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
, |
(4.28) |
ном |
|
||||
|
|
TR |
|
||
– молярная масса воздуха, кг/кмоль; |
|
|
|
|
|
R– универсальная газовая постоянная, Дж/(кмольК). |
|
||||
Располагаемое давление воздуха на КС, Па: |
|
||||
Pрасп Pвс Pтр Pизб Pн , |
(4.29) |
||||
33
где Pвс – потери давления на трение и сопротивление в трубопроводе КС,
принимаются равными 3 5кПа;
Pтр – потери давления на трение и местные сопротивления в наиболее протяженной ветви трубопровода КС, Па;
Pизб – избыточное или резервное давление принимается равным 0,5 кПа;
Pн - номинальное давление воздуха у потребителя, Па.
Если располагаемое давление воздуха на КС Pрасп в результате расчета получилось меньше, чем давление на нагнетании Pкомпр , создаваемое компрессором, то предварительно выбранные тип и марка компрессоров подходят.
Если сеть тупиковая, то первые семь пунктов расчета выполняются для каждого участка сети в отдельности (см. пример 2).
Иногда у пневмоприемников на ответвлениях сети возможно превышение давления над номинальным. Избыток давления может быть сработан на увеличенном гидравлическом сопротивлении ответвления за счет уменьшения диаметра труб. Если уменьшенного диаметра недостаточно для срабатывания избыточного давления, то устанавливают диафрагмы.
4.6 Определение диаметров всасывающих патрубков
4.6.1 Основные требования
Определение диаметров всасывающих патрубков производится исходя из условий:
- потери должны быть не более 30 50 мм в.ст;
-скорость воздуха должна быть не более 10 12 м/с для центробежных и поршневых компрессоров двойного действия;
-длина трубопровода должна быть менее 10 м;
-радиусы скруглений должны быть более 3D.
34
4.6.2 Порядок расчета |
|
|
|
|
|
|
|
Задаемся |
оптимальной |
скоростью |
воздуха |
в |
зависимости |
||
от типа компрессоров. |
|
|
|
|
|
|
|
Определяется площадь сечения трубопровода, м2: |
|
|
|||||
|
|
F |
V |
, |
|
|
(4.30) |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
w |
|
|
|
|
где V – производительность компрессора, м3/с; w– скорость воздуха, м/с.
После этого определяется внутренний диаметр трубопровода, м:
d |
4F |
. |
(4.31) |
|
|||
|
|
|
|
Внутренний диаметр трубопровода округляется до стандартного.
Уточняется скорость воздуха, м/с:
w |
V |
|
4V |
. |
(4.32) |
F |
|
||||
|
d2 |
|
|||
Коэффициент трения:
|
|
0,142 |
|
, |
(4.33) |
|
1,274 V |
||||
|
lg( |
ном |
) |
|
|
|
|
|
|||
k
где k – абсолютная шероховатость труб; для стальных труб k 0,0001;
– кинематическая вязкость воздуха при температуре нагнетания, м2/с.
Эквивалентная длина местных сопротивлений, м:
35
lэкв |
м.с |
d |
, |
(4.34) |
|
||||
|
|
|
|
|
где м.с – сумма |
коэффициентов местных |
сопротивлений; для |
||
плавного отвода круглого сечения: |
|
|||
|
A B, |
(4.35) |
||
где A,B– коэффициенты.
Потери напора на трение и местные сопротивления, м:
h |
h |
|
i (li lэквi ) |
w2 |
, |
(4.36) |
|
||||||
тр |
трi |
|
|
i |
|
|
|
|
|
2 g di |
|
|
|
где li – длина i-гo участка, м;
g– ускорение свободного падения, м/с2.
4.7Расход воды на охлаждение воздуха в промежуточном охладителе (ПО)
иконцевом охладителе (КО)
4.7.1 Определение расчетных параметров воздуха
Тепловой расчет компрессорной установки (КУ) производится для трех наиболее характерных температурных режимов зимнего, летнего и среднего.
Для среднего режима можно принять температуру воздуха, равную 15 °С.
Расчетная минимальная температура наружного воздуха принимается из условий ее стояния в течение 200 - 300 ч/год. Расчетная максимальная температура принимается по максимальной температуре окружающего воздуха в заданной местности.
С учетом принятой схемы водоснабжения (прямоточная, оборотная) и типа
36
водоохлаждающего устройства определяется температура охлаждающей воды на входе в воздухоохладители. Подогрев воды в охладителях воздуха обычно выбирают от 5
до 10°С. Затем задаются температурами воздуха на выходе из охладителей и с помощью балансовых уравнений определяют расходы охлаждающей воды на каждый охладитель и на установку в целом. В среднем удельный расход воды на охлаждение воздуха составляет в поршневых компрессорах 4 - 8 л/м3, в турбокомпрессорах - от 6 до 12 л/м3.
В первую очередь необходимо составить расчетную схему системы охлаждения
(рисунок 3.1.).
Рисунок 3.1 - Расчётная схема охлаждения
Определяется массовый расход воздуха, кг/с.
G PV ,
RT
где P– давление на всасывании, Па;
V – производительность компрессора, м3/с;
T 293K (в каталоге производительность указана при 20 °С).
Определяется степень повышения давления:
1 |
0,95 |
Pк |
, |
|
Pн |
||||
|
|
|
(4.37)
(4.38)
37
где Pк – давление воздуха на нагнетании (конечное), Па;
Pн – давление воздуха на всасывании (начальное), Па.
Определяется давление после первой ступени, Па:
P1 1 Pн .
Для адиабатного процесса соотношение параметров:
T2 (P2 )kk1 ,
T1 P1
где k – показатель адиабаты для воздуха.
Определяется температура воздуха после первой ступени, К:
(4.39)
(4.40)
|
|
P |
|
k 1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
T |
T ( |
) k , |
(4.41) |
||||
1 |
|||||||
P |
|||||||
1 |
н |
|
|
|
|
||
|
|
н |
|
|
|
|
|
где Tн – температура воздуха на входе в первую ступень; принимается равной 303 К;
P1– давление воздуха после первой ступени, Па;
Pн - давление воздуха на входе в первую ступень, Па.
Определяется температура воздуха после второй ступени, К:
T T ( |
P |
k 1 |
|
|
||
к |
) k , |
(4.42) |
||||
|
||||||
к |
2 |
P |
|
|||
|
|
1 |
|
|
|
|
где T2 – температура после ПО, К; принимается на 5 C выше, чем Tн ;
Pк – давление воздуха на выходе из второй ступени, Па.
38
4.7.2 Расчёт расхода воды на ПО
Составляем уравнение теплового баланса:
Gв |
cв(T1 |
T2) Gводы |
cводы |
(tокл |
tохл) , |
(4.43) |
|
|
|
|
|
|
|
где Gв – расход воздуха, кг/с; cв – теплоемкость воздуха (приложение В),
Дж/(кг·К); определяется по средней температуре:
T |
T1 T2 |
, |
(4.44) |
|
ср.в
2
– кпд ТОА; принимается равным 95%;
Gводы – расход воды на охлаждение воздуха в ПО, кг/с;
cводы – теплоемкость воды (приложение B), Дж/(кг·К); определяется по средней температуре воды:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
tохл |
tохл |
|
, |
|
(4.45) |
||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
ср.воды |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
tохл |
– температура охлаждающей |
воды на входе |
в ПО; принимается |
||||||||
равной |
25 C; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tохл – |
температура охлаждающей воды на выходе из ПО; принимается на |
|||||||||||
15 C выше, чем tохл . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Определяется расход воды на охлаждение воздуха в ПО: |
|
|||||||||||
|
|
G |
|
Gв cв(T1 T2) |
, |
(4.46) |
||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
воды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cводы(tохл |
tохл) |
|
|||||
|
|
|
|
39 |
|
|
|
|
|
|||
4.7.3 Расчет расхода воды на КО
Составляется уравнение теплового баланса:
G c (T |
T ) G |
воды |
c |
(t |
t |
), |
(4.47) |
||||
в в к |
|
3 |
|
воды |
охл |
охл |
|
|
|||
где Gв – расход воздуха, кг/с; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cв – теплоемкость воздуха (приложение B), Дж/(кг К); |
определяется |
||||||||||
по средней температуре: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
T3 |
Tк |
|
, |
|
|
|
|
(4.48) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ср.в |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T3 – температура воздуха после КО; принимается равной 313 К;
– кпд ТОА; принимается равным 95%;
Gводы – расход воды на охлаждение воздуха в КО, кг/с;
cводы – теплоемкость воды (приложение B), Дж/(кг-К); определяется по средней температуре воды:
|
|
|
|
|
|
T |
|
tохл |
tохл |
, |
(4.49) |
|
|
||||
ср.воды |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
где tохл – температура охлаждающей воды на входе в КО; принимается равной
25 C; |
|
|
|
|
tохл – температура охлаждающей воды на выходе из КО; |
принимается на |
|||
15 C выше, чем tохл . |
|
|
|
|
Определяется расход воды на охлаждение воздуха в КО: |
|
|||
G |
Gв cв (Tк |
T3 ) |
, |
(4.50) |
|
|
|||
воды |
|
|
|
|
|
cводы (tохл |
tохл ) |
|
|
|
40 |
|
|
|