Расчет и проектирование криогенной воздухоразделительной установки, предназначенной для одновременного получения газообразного азота и кислорода, страница 5

Массовая скорость потока внутри трубки:

W_м1=200м/(м²·с);

Линейная скорость воздуха в трубках:

W₁=

Площадь проходного сечения трубки:

f= 

Число трубок:

n=

Округляем это число в большую сторону, следовательно, количество трубок принимаем равным 34.

Массовая скорость азота внутри трубки:

W _м2=15м/(м²·с);

Линейная скорость азота в межтрубном пространстве:

W _м2=;

Cсредняя площадь сечения свободного объема в межтрубном пространстве:

F _с.о.=

Площадь поперечного (фронтального) сечения межтрубного пространства для данного типа навивки при fуд=

F_ф =;

Диаметр сердечника принимаем Dс=(10…20) ·dн=12·10=120мм=0,12м;

Тогда наружный диаметр навивки:

D_н =

4. Коэффициенты теплоотдачи.

1) Для прямого потока:

Re ₁==- число Рейнольдса;

Pr ₁= - число Прантдля;

Считаем Nu с учетом кривизны змеевика: Rср=(Dн+Dc)/4=(245+120)/4 = 92 мм;

Nu₁ =0,023·Re·Pr· (1+1,77·=0,023·90772·0,789· (1+1,77·=219,74;

Коэффициент теплоотдачи:

Вт/(м²·К).

2) Для обратного потока:

Эквивалентный диаметр d_э=2,42 мм;

Re₂==

Pr₂=

Фактор теплоотдачи:

J=StPr=0,168Re=0,1682712=0,0157, где Pr= 1,030=1,020, тогда St=

Коэффициент теплоотдачи:

;

Коэффициент теплопередачи определяем без учета термического сопротивления стенки, КПД ребра η_р=1 (вследствие его малой длины):

K₁=, где F₁/F₂=2,96.

5. Площадь поверхности теплообмена и конструктивные размеры аппарата.

Площадь:

F₁= , где тепловой поток Q;

Q=

Средняя длина трубок с 20% запасом:

l _ср =1,2 

Расчетное число слоев навивки z_р определяем при средних значениях шагов:

t₂=d _н +1,5d _п =10+1,51,6=12,4мм,

t₁=0,866t₂ =0,86612,4=10,74мм,

Принимаем действительное число слоев Zр=6, так как число слоев навивки округляется до целого числа, пересчитываем D_н и находим, насколько полученное значение проходного сечения отличается от ранее полученного в расчете.

Уточненный наружный диаметр навивки:

D`_н =мм;

,

При ‹ 3% , расчет выполнен верно, пересчет не производиться и скорость W₂ не меняется.

Средний диаметр навивки:

D _ср =0,5 (D _н +D _с)=0,5 (245+120)=182,5 мм.

Теоретическая высота навивки:

Н==478мм;

Отношение высоты теплообменника к наружному диаметру должно лежать в пределах:

= (1,5…3,5).

В расчете - лежит в нужных пределах, расчет выполнен верно.

6. Потери давления.

Для потока в трубках  при  и числе Re1=90772, находим фактор трения f₁=0,0055 и определяем:

Для потока в межтрубном пространстве находим фактор трения:

 ₂ =2,65 Re=2,652712=0,247;

Потери давления:

Где F₂= - по таблице из (2);

При окончательной конструктивной компоновке теплообменника необходимо обеспечить примерно одинаковую длину трубок по слоям. Для этого следует увеличить число трубок в слое с увеличением диаметра слоя.

, где N- номер слоя намотки.

Среднее число витков в каждом слое:

Таблица навивки:

N	Средний диаметр ряда, м	Число заходов	Общее число витков в каждом ряду	Число витков одной трубки в каждой	Длина каждого змеевика в ряду,  м
1	0,1332	4	33,5	8,375	3,502
2	0,1547	5		6,700	3,254
3	0,1762	5		6,700	3,707
4	0,1976	6		5,580	3,462
5	0,2191	6		5,580	3,934
6	0,2406	7		4,780	4,102

Расчет удельного расхода энергии.

При комплексном разделении воздуха, когда из него выделяются два и более продукта, распределение затрат электроэнергии на каждый из продуктов производиться путем использования энергетического метода. Расчет производится по рекомендации из [2].

1. Суммарный расход энергии.

При наличии в схеме установки воздушного компрессора, жидкостного насоса и детандера суммарный расход энергии без учета эксплуатационных затрат составит: