Автоматизированный расчет трубчатых конденсаторов-испарителей: Методические указания по курсовому и дипломному проектированию

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский  государственный  университет  низкотемпературных  и  пищевых  технологий

Кафедра криогенной техники

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ТРУБЧАТЫХ КОНДЕНСАТОРОВ-ИСПАРИТЕЛЕЙ

Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов, бакалавриантов и магистрантов специальностей 140400, 140401 (070200), 140500, 140501 (101700) всех форм обучения

Санкт-Петербург  2007

УДК 621.59

Автоматизированный расчет трубчатых конденсаторов-ис-парителей / Е.И. Борзенко, Л.А. Акулов, А.В. Зайцев, Л.Г. Кузнецов: Метод. указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов, бакалавриантов и магистрантов специальностей 140400, 140401 (070200), 140500, 140501 (101700) всех форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2007. – 33 с.

Приведена методика расчета конденсаторов-испарителей, изготовленных из гладких и напыленно-оребренных труб. Даны указания по применению расчетных программ, составленных для пользователей персональных компьютеров на языке Фортран. По каждому из видов теплообменных аппаратов приведены подробные описания программ, примеры ввода исходных данных и получения результатов расчета конденсаторов-испарителей различных конструкций.

Рецензент

Доктор техн. наук, проф.  Н.Н. Бухарин

Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом уни-верситета

Ó Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых  технологий, 2007

Ó  Е.И. Борзенко, Л.А. Акулов, А.В. Зайцев,

Л.Г. Кузнецов, 2007

ВВЕДЕНИЕ

Процессы теплообмена при кипении и конденсации связаны с фазовыми превращениями вещества и сопровождаются поглощением и выделением теплоты фазового перехода. Эффективность теплообмена при фазовых превращениях связана весьма сложной зависимостью с геометрическими характеристиками и состоянием поверхности теплообмена, теплофизическими свойствами рабочих веществ и режимными факторами.

В аппаратах воздухо- и газоразделительных установок кипение осуществляется в условиях естественной конвекции на поверхности, погруженной в жидкость. Процесс кипения характеризуется тремя режимами: пузырьковым, переходным и пленочным. В криогенных конденсаторах-испарителях процесс кипения преимущественно протекает в условиях направленного движения жидкости и в режиме пузырькового кипения, несмотря на то, что последний может существовать в сравнительно узком диапазоне температурных напоров. При снижении температурного напора пузырьковое кипение сменяется конвективным теплообменом, при его увеличении – режимом пленочного кипения. Наибольшая интенсификация процесса теплопередачи в трубчатых конденсаторах-испарителях достигается при развитии наружной поверхности трубок, на которой происходит кипение, пористым покрытием и внутренней поверхности – оребрением.

методика расчета трубчатых

конденсаторов-испарителей

Методика расчета трубчатого конденсатора-испарителя

с гладкими трубками и межтрубным кипением жидкости

Наиболее часто технические расчеты выполняются по приближенным методикам, описанным в литературе [1–3].

При проектном расчете, целью которого является определение площади поверхности конденсатора-испарителя и его конструктивных характеристик, в качестве исходных данных принимаются следующие:

– тепловой поток, давление на стороне кипения и температурный напор в верхней части аппарата;

– состав пара над кипящей жидкостью и состав конденсата;

– некоторые конструктивные характеристики аппарата.

Расчетная схема определения площади поверхности конденсатора-испарителя такова. Температурный напор в верхней части аппарата DТ_верх зависит от давления и состава вещества на сторонах кипения и конденсации, т. е.

, где T_конд – температура конденсации, К; T_кип – температура кипения, К.

где p_конд – давление конденсации, Па; p_кип – давление кипения, Па; x – объемное содержание компонентов многокомпонентной смеси.

Температурная депрессия, обусловленная влиянием гидростатического давления столба кипящей жидкости на температуру кипения

,                                        (1)

где Н – относительный кажущийся уровень, м; l – высота столба светлой жидкости, м; r_ж, r_п – плотность жидкости и пара соответственно, кг/м³; r– теплота фазового перехода, Дж/кг [4].

Относительный кажущийся уровень кипящей жидкости в случае межтрубного кипения можно определить как

.                                   (2)

Здесь w_пр – приведенная скорость паров, м/с,

,                               (3)

где s – шаг размещения труб в трубной решетке, м; d_н – наружный диаметр труб, м; – плотность теплового потока на стороне кипения, Вт/м², определяемая по приближенной зависимости  (см. [2]).

С учетом температурной депрессии средний температурный напор

,                    (4)

где DT_кип – температурный напор на стороне кипения, К; DT_конд – температурный напор на стороне конденсации, К.

Из равенства тепловых потоков с обеих сторон рабочей поверхности следует

,                         (5)

где  – коэффициенты теплоотдачи на стороне кипения и конденсации, соответственно, Вт/(м²·К); F_кип, F_конд – поверхности теплоотдачи при кипении и конденсации, м². Отсюда с учетом (4)

.                          (6)

Коэффициент теплоотдачи на стороне кипящей жидкости при 500 < < 3∙10⁴ для труб с соотношением l/ d_э > 80

.                      (7)

Показатель степени m находят по функциональным зависимостям  (см. [2]).

Эквивалентный диаметр при кипении жидкости на наружной поверхности труб определяют по формуле

.

Интенсивность теплоотдачи при конденсации определяют по формулам, выбор которых зависит от отношения

, где – кинематическая вязкость жидкости, м²/с. При этом в качестве определяющей принимается температура

.

При

,                          (8)

где – теплопроводность жидкости, Вт/(м∙К); g – ускорение силы тяжести, м/с².

Из баланса

имеем

.

Если

, то

.                             (9)

Подставив зависимости для определения  в уравнение (6), получим следующее:

в области применимости формул (7) и (8):

  (10)

в области применимости формул (7) и (9)

.          (11)

Численно уравнения (10) и (11) могут быть решены с помощью любой итеративной процедуры, например, методом половинного деления (см. [3]). После определения ΔТ_кип и ΔТ_конд рассчитывают действительную плотность теплового потока. Зная полный тепловой поток в конденсаторе-испарителе и его плотность, вычисляют F_кипи F_конд.

Ниже по тексту (прил. 1) приводится программа RKIMT расчета конденсатора-испарителя, которая разработана на языке программирования Фортран 90.

Термодинамические, теплофизические и транспортные свойства определяются по программе KRIAG. При этом делаются допущения, что в аппарате используются чистые вещества и при реализации приближенного алгоритма (1) – (11) это допущение