Расчет рабочего процесса абсорбционной холодильной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"Белгородский государственный технологический университет

им. В.Г. Шухова"

Курсовой проект

Расчет рабочего процесса абсорбционной холодильной установки

Выполнил: Сапов Д.А.

Принял: Зонов В.Д.

Белгород 2017

Введение

Современные предприятия агропромышленного комплекса оснащена самыми разнообразными холодильными установками. В результате интенсивного развития АПК сооружаются новые холодильники и холодильные установки.

Холодильная техника применятся не только на предприятии агропромышленного комплекса. Холодильные машины являются необходимым оборудованием на самых разнообразных предприятиях многих отраслей промышленности: на приборостроительные заводы, испытательные станции, при проходке шахт и пр.

Перспективы развития холодильного оборудования обуславливают непрерывное освоение новых типов абсорбционных холодильных установок при наименьшей затрате труда и времени на изготовление. Конструкции современных холодильных установок отличаются унификацией деталей, узлов и целых компрессоров.

Общие сведения и принцип действия АБХМ

Абсорбция - поглощение газа в объёме, а также частичное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Поглощение происходит либо в результате растворения в абсорбенте, либо в результате химического взаимодействия. В 1-м случае процесс называется физической абсорбцией, во 2-ом - хемабсорбцией.

Абсорбентами служат однородные жидкости, либо растворы активного компонента в жидком растворителе.

К абсорбентам предъявляют следующие требования: высокая абсорбционная способность, низкое давление паров, химическая инертность по отношению к конструктивным материалам, не токсичность, огне- и взрывобезопасность. холодильный абсорбционный газовый

С технологической точки зрения, лучшими являются те абсорбенты, расход которых для процесса наименьший, т.е. в котором растворимость поглощаемого вещества выше.

Физическая абсорбция газа чаще всего сопровождается выделением теплоты, следовательно, что в результате повышения температуры абсорбента возможно резкое понижение растворимости газа. Поэтому для поддержания производительности абсорбента прибегают к его охлаждению.

Принцип действия абсорбционных холодильных установок.

Главное достоинство абсорбционной холодильной установки перед компрессионной является использование для выработки холода тепловой энергии как низкого, так и среднего потенциала, вторичных энергетических ресурсов.

В процессе абсорбции температура пара может быть ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Для процесса важно следующее: необходимо, чтобы концентрация абсорбируемого пара была равна или больше равновесной концентрации этого пара над абсорбентом.

Для возможности применения абсорбента он должен с большой скоростью поглощать хладагент и при одинаковых давлениях их температура кипения должна быть значительно выше температуры кипения хладагента.

Абсорбция жидкого аммиака в воде сопровождается выделением тепла (750кДЖ на 1 кг аммиака). Еще больше аммиака выделяется при растворении паров аммиака, т.к. происходит выделение теплоты парообразования (1250 кДж/кг).

При нагревании водоаммиачного раствора происходит не только выход паров аммиака, но и испарение воды. Пока температура низкая - выделяется в основном пар аммиака. Состав смеси паров первоначальной стадии отличается большим содержанием аммиака, в дальнейшем объем водяных паров начинает расти.

Принципиальная схема абсорбционной холодильной установки.

Рис.1 Принципиальная схема абсорбционной холодильной установки.

В генераторе за счет подогрева происходит выделение аммиачного раствора, в результате чего, образуется пар с незначительной примесью воды. Вследствие чего, содержание аммиака в растворе может уменьшаться, если его не пополнять крепким концентрированным раствором. Полученный пар попадает в конденсатор, где за счет внешнего охлаждения превращается в жидкость. Жидкий аммиак идет в регулирующий вентиль, где происходит понижение давления с частичным испарением жидкого аммиака и понижением его температуры. Далее аммиак поступает в испаритель, где он переходит в паровую фазу за счет тепла, подводимого хладоносителем. Пары аммиака поступают в абсорбер, где поглощаются слабым раствором, поступающим из генератора. В простой абсорбционной установке имеется 2 аппарата, в которых тепло подводится к рабочему телу извне и 2 аппарата, в которых тепло отводится от рабочего тела.

Аппараты абсорбционной холодильной установки.

Генераторы для абсорбционных холодильных установок выполняются в виде горизонтальных или вертикальных кожухотрубных аппаратов или же в виде элементарных двухтрубных аппаратов.

На рис.2 изображен трубчатый генератор с ректификационной колонной, обогреваемой дымовыми газами. В межтрубном пространстве кипит аммиачная смесь. Эта смесь поступает в аппарат через ректификационную колонну.

Если аппарат вертикальный, то газ или греющий пар поступает в межтрубное пространство, а раствор кипит трубах. Исходный раствор поступает в ректификационную колонну, расположенную над греющей поверхностью. Колонны генераторов в качестве насадок используют тарелки или кольца Рашига.

Абсорберы выполняются как горизонтальными, так и вертикальными пленочными. В горизонтальных оросительных абсорберах раствор поступает в аппарат сверху и орошает трубки, внутри которых циркулирует охлаждающая вода. Снизу подается пар, которых поглощается раствором. Крепкий раствор в абсорбере отводится из нижней части.

Термодинамический расчет цикла

Схема абсорбционной холодильной установки изображена на рисунке 1.

Исходные данные следующие:

Т.к. температура охлаждаемого помещения = 20°С средняя температура в г. Белгороде в теплое время года, то принимаем температуры рассола на входе и выходе из испарителя: =-5°C и = -6°C.

Температура испарения:

. = - 5 = -5-5=-10°C

Т.к. температура охлаждающей воды на входе в конденсатор =10°С, то принимаем температуру воды на выходе

= +5=15°С.

Температура конденсации:

= +7=22°С.

По таблицам состояния насыщения для аммиака найдем :

= 0,1 Мпа = 1ama,

= 0,97 Мпа = 9,7 ama

Температура крепкого раствора аммиака на выходе из абсорбера:

= +5=15+5=20°С.

По давлению и температуре определяем концентрацию раствора = и его энтальпию .

= -35ккал/кг,

= = 0,35.

Температура слабого раствора на выходе из генератора, принимаем давление греющего пара = 0,4 Мпа:

=-5=143,61-5=138,4°С

По давлению и по температуре определяем концентрацию слабого раствора = и его энтальпию .

=119ккал/кг,

=0,134,

Кратность циркуляции (т.е. отношение массового расхода крепкого раствора к массовому расходу паров ХА из дефлегматора) :

ѓ = = = .

При правильно организованном процессе дефлегмации и ректификации ? 1, поэтому:

ѓ = = =4.01

Температура пара после дефлегматора должна на Д превышать температуру конденсации чистого агента при давлении .

( > ) = + Д = 15+8=23°С, ( > )

Его энтальпия определяется по диаграмме по ? 1 и .

. =310ккал/кг.

По iо диаграмме определяется параметры пара, равновесного кипящему крепкому раствору.

Жидкость:

= = , ==85°С, =34.3ккал/кг, . = =0.377

=34.3ккал/кг

Пар:

= = , =34.3ккал/кг, = 0.93. = 0.958

Удельный отвод флегмы из дефлегматора (т.е. отношение массового расхода флегмы к массовому расходу пара на выходе из дефлегматора).

Флегмовое отношение:

ц = = = = 0.12. ц = = = 0.07

Удельная тепловая нагрузка дефлегматора, т.е. отвод теплоты из дефлегматора на единицу массового расхода пара из дефлегматора:

= ()+ ц()=(357-310)+0.07(310-34.3)=66.3ккал/кг

Параметры слабого раствора после теплообменника:

==0.28, ==-18.5ккал/кг, =30°С

=+8=30+8=38°С =(-5)ккал/кг

Энтальпия крепкого раствора на входе в генератор, пренебрегаем приростом энтальпии раствора в насосе, вследствие слишком малого значения этой величины, т.е. из условия ==-35ккал/кг.

=+ (-)=-18.5+(119-6) =57ккал/кг

Энтальпия крепкого раствора не должна превышать энтальпию кипящего раствора с концентрацией при давлении .

Энтальпия слабого раствора после теплообменника:

.=+ (-)=119+(34.3-(-35)) =24.5 ккал/кг

Удельная тепловая нагрузка теплообменника:

=(f-1)()=(4.01-1)(119-24.5)=284.445ккал/кг.

Удельная тепловая нагрузка конденсатора:

=()=(357-25)=332ккал/кг,

где= 25ккал/кг по диаграмме.

Температура паров ХА (Холодильный агент) после охлаждения:

-8=24-8=16°С,

- температура жидкого ХА после конденсатора, т.е. .

Удельная тепловая нагрузка охладителя:

=()=(332-322)=10ккал/кг,

Энтальпия пара по диаграмме при и .

Энтальпия жидкого аммиака перед дросселем:

=-=25-10=15ккал/кг,

Удельная холодопроизводительность установки:

==332-15=317ккал/кг,

Удельное количество тепла, отводимое в адсорбере:

=+f()=332+5+4.01(5-(-35))=458ккал/кг.

Энтальпия точки смешения:

=68ккал/кг.

=f()=4.01(68-(-35))=409ккал/кг.

Удельная тепловая нагрузка генератора:

= + ѓ()+ ц(=357-119+4.01(119-57)+0.07(357-34.3)=509.2ккал/кг.

Тепловой баланс установки:

= + , =++,

=598.3+275=873ккал/кг, =450.8+102.2+284=837ккал/кг,

=509.2+317=826ккал/кг, =409+322+66.3=797ккал/кг,

Расхождение баланса. *100 =3.5%

Расход ХА(аммиака):

G = = =1.08* кг/час,

Где =400кВт=344000ккал/час, =317ккал/час=0.37кВт

Тепловые нагрузки аппаратов:

-генератора =G*=1.08*591.9=639кВт/ч

-абсорбера =G*=1.08*409*=513кВт/ч

-охладителя =G*=1.08*10*=12.6кВт/ч

-конденсатора =G*=1.08*322*=404кВт/ч

-дефлегматора =G*=1.08*66.3*=83.3кВт/ч

-теплообменника =G*=1.08*28405*=387кВт/ч

Удельный расход тепла:

===1.73 кВт*ч/

Холодильный коэффициент:

? = = =0.62

Тепловой расчет генератора АБХМ

В качестве исходных данных имеем:

Количество дистиллята =0.347 кг/с,

Массовое содержание аммиака в исходной смеси =0.377,

Массовое содержание аммиака в дистилляте =0.958,

Массовое содержание аммиака в кубовом остатке =0,134,

Флегмовое отношение R=0,07,

Кратность циркуляции f=4,01.

Определяем количество исходной смеси и кубкового остатка по следующим формулам:

Определяем молярные доли аммиака в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке. Молекулярная масса аммиака , воды .

"Таблица равновесия для бинарной смеси аммиак - вода" (Таблица 1)

Таблица 1.

Температура
190	0	0	0	0
160	0,11	0,52	0,116	0,534
140	0,174	0,744	0,199	0,755
125	0,24	0,85	0,25	0,857
111	0,3	0,9	0,31	0,905
80	0,46	0,976	0,474	0,977
60	0,584	0,999	0,6	0,999
40	0,81	0,9999	0,82	0,9999
33	1	1	1	1

Определяем минимальное флегмовое число:

По графику равновесия определяем действительное число тарелок . Одну тарелку используем на насадку.

Принимая КПД тарелки , определяем действительное число тарелок:



Уравнение рабочих линий:

А) верхней части колонны

Б) нижней части колонны:

Средние концентрации жидкости:

А) верхней части колонны

Б) Нижней части колонны

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

А) Верхней части колонны



Б) Нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме:

А) верхней части колонны

Б) нижней части колонны

Средние мольные массы и плотности пара:

А)

Б)

Средняя плотность пара в колонне:

Температура вверху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равняется . Плотность жидкого аммиака при , а воды при .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

Где

Диаметр колонны:

Принимаем диаметр колонны , тогда скорость пара в колонне будет равна:

Высота тарелочной части колонны:

Где - расстояние между тарелками.

Для диаметра колонны принимаем расстояние между тарелками равным Тогда:

Произведем расчет насадочной части колонны. Выбираем насадку из керамических колец Рашига.

Для беспорядочных засыпанных керамических колец Рашига размером 25*25*3 мм: удельная поверхность и свободный объем

Диаметр насадочной части колонны:

Скорость пара определяется следующим путем. Сначала рассчитываем фиктивную скорость пара , в точке захлебывания (инверсии) по уравнению (при :



Где - удельная поверхность насадки, ;

g- ускорение свободного падения, м/;

- свободный объем насадки, ;

- плотности пара и жидкости, кг/;

мПа*с - динамический коэффициент вязкости жидкости;

G и D- массовые расходы жидкости и пара, кг/с;

A=0,125 - для ректификационных колонн в режиме эмульгирования;

, где

,

Определяем рабочую скорость пара для колонн, работающих в пленочном режиме:

Принимаем диаметр насадочной части колонны =1000мм.

Определяем высоту насадочной части колонны:

, где

k- эмпирический коэффициент для большинства органических жидкостей; для керамических колец принимается равным - 88;

- диаметр выбранных колец насадки, мм;

=35 - молекулярная масса разгоряченной смеси;

- плотность флегмы, г/;

- коэффициент, учитывающий смачивание насадки, ;

- средняя температура в колонне, К;

Высота насадочной части:

Определяем высоту колонны:

Расстояние между тарельчатой частью и насадкой примем равной 450 мм. Тогда:

Расчет испарителя АБХМ

Тепловой расчет испарителя для охлаждения жидкого хладоносителя, рассола - раствора NH3 в воде, ведут по формуле:

.

Если заданная холодопроизводительность установки равна Q0, то с учетом тепловых потерь в окружающую среду тепловая нагрузка испарителя определится формулой:

Ки = 400Вт/(м 2К).

Выбираем аммиачный кожухотрубчатый испаритель завода "Компрессор" марки 180-ИКТ.

Количество рассола, циркулирующего в системе испарителя,

где = 2,916 кДж/кг - изобарная теплоемкость рассола,

=-5°C- температура рассола на входе в испаритель, =-6°С - температура рассола на выходе из испарителя.

Скорость движения рассола в трубах испарителя определяется по формуле:

где - плотность рассола,

площадь сечения одного хода по трубам, определяется по формуле:

здесь = 0,021 м - внутренний диаметр труб испарителя,

n = 614 - общее число труб,

z = 8 - число ходов труб испарителя.

Коэффициент теплопередачи испарителя определяется двумя методами, результаты которых сравнивают.

I метод

Коэффициент теплопередачи:



.

где Fи =180м 2 - поверхность теплообмена испарителя; определяется по типоразмеру испарителя,

- средняя разность температур между аммиаком и рассолом,

II метод

Тепловой поток через трубы испарителя находят по формуле:

Коэффициент теплопередачи определяется по выражению:

где - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к аммиаку;

- коэффициент теплоотдачи от рассола к стенке трубы;

- диаметр труб, соответственно внутренний и наружный;

- толщина стенки труб, слоя загрязнения маслом

отложением соли, соответственно;

- коэффициент теплопроводности металла трубы, масла соли.

Для аммиачных испарителей принимаем:

=0,05...0,08мм = 0,14 Вт /(м * К), =0,3..0,5 мм, -0,7 Вт/(м*К)

Термическим сопротивлением стенки трубы в расчете можно

пренебречь. Величина коэффициента , определяется из выражения:

Величина коэффициента находится по формуле:

?p=0,463 Вт/(м^2*K)- коэффициент теплопроводности рассола.

где Nu - критерий Нуссельта;

Значение критерия Нуссельта определяют из критериального уравнения:

Nu =0,023* Re^0,8*Pr^0.4 в котором:

- динамический коэффициент вязкости рассола.



Заключение

В результате проделанного расчета рабочего процесса АБХМ, был выполнен расчет процесса холода, определение тепловых нагрузок. Выбрал основное и вспомогательное оборудование для АБХМ. Произведен выбор водоохлаждающего устройства.

По результатам расчета принимаем испаритель 250ИТГ с площадью поверхности теплообмена аппарата 273 . Количество трубок 616, диаметр трубок и толщина стенки составляет 38Ч3,5мм.

В качестве водоохлаждающего устройства выбрана вентиляторная градирня.

Литература

1. Лебедев П.Д. "Теплообменные сушильные и холодильные установки", "Энергия", 1972г.

2. "Справочник химика", "Химия", 1966г.

3. "Справочник холодильщика", "Машгиз", 1962г.

4. Быков А.В. - Холодильные машины (Холодильная техника) - 1982

Размещено на Allbest.ru

...