А.М. Парамонов, А. П. Стариков

 

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ВОДООХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

Омск 2008

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

–––––––––––––––––––––––––––––

 

А. М. Парамонов, А. П. Стариков

 

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ВОДООХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к выполнению курсового и
дипломного проектирования по дисциплине «Технологические
энергоносители предприятий» для студентов специальности
140104 – «Промышленная теплоэнергетика»

 

 

Омск 2008

УДК 658.26 (075.8)

 

Расчет конструктивных параметров водоохлаждающих устройств: Методические указания к выполнению курсового и дипломного проектирования по дисциплине «Технологические энергоносители предприятий» / А. М. Парамонов, А. П. Стариков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 33 с.

 

 

Изложены методы конструктивного расчета водоохлаждающих устройств для воздушных компрессорных станций, обеспечивающих производственные технологии сжатым воздухом. Даны принципы выбора оборудования.

Методические указания предназначены для студентов специальности 140104 – «Промышленная теплоэнергетика» при выполнении курсового проекта по дисциплине «Технологические энергоносители предприятий».

 

Библиогр.: 5 назв. Табл. 6. Рис. 3.

 

 

                                               

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение............................................................................................................  4

Задание на курсовой проект............................................................................. 5

1. Расчет водоохлаждающих устройств........................................................... 6

1.1. Общие положения...................................................................................... 6

1.2. Расчет пруда-охладителя........................................................................... 9

1.3. Конструкторский тепловой расчет градирни........................................... 9

1.4. Расчет вентиляции градирен...................................................................... 14

1.5. Поверочный расчет башенной градирни.................................................. 15

1.6. Поверочный расчет вентиляторной градирни........................................  20

1.7. Определение основных размеров брызгального бассейна...................... 20

Библиографический список............................................................................... 22

Приложение 1. Средние значения естественной температуры в водоемах........ 23

Приложение 2. Среднесуточные параметры наружного воздуха, превышае­мые не более пяти раз в году.................................................................................................. 24

Приложение 3. Давление насыщенного водяного пара.................................. 25

Приложение 4. Плотность влажного воздуха…………………………………… 27

Приложение 5. Психометрическая диаграмма………………………………….. 28

Приложение 6. Энтальпия влажного воздуха…………………………………… 29

Приложение 7. Гидравлическая нагрузка……………………………………….. 30

Приложение 8. Коэффициент сопротивления для градирен........................... 31

Приложение 9. Коэффициент А........................................................................ 31

Приложение 10. Расположение сопл в брызгальном бассейне....................... 32

Приложение 11. Кривые охлаждения для брызгальных бассейнов............... 33

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект по курсу "Технологические энергоносители предприятий" является важным видом самостоятельных занятий при подготовке инженеров-промтеплоэнергетиков.

Основные цели курсового проекта:

закрепить и углубить полученные знания на лекционных и практических занятиях путем решения конкретных инженерных задач;

расширить круг знаний студентов, предлагая им для изучения стандарты, справочники, СНиПы и другие источники;

ознакомить студентов с практическими задачами и современными научно-техническими решениями снабжения предприятий водой и воздухом.

Задание по курсовому проекту включает в себя один из следующих разделов курса "Снабжение предприятий водой, воздухом и холодом":

расчет и выбор оборудования воздушной компрессорной станции; расчет водоохлаждающих устройств.

В данных методических указаниях представлена тема "Расчет водоохлаждающих устройств".

Курсовой проект выполняется по индивидуальному заданию под руководством преподавателя и должен состоять из двух разделов:

1) расчетно-пояснительной записки; 2) графической части.

Задание по курсовому проекту выдается на восьмой-девятой неделе учебного семестра. К моменту выдачи задания должна быть прочитана основная часть курса. Выполняется курсовой проект три недели. Руководитель проекта проводит систематические консультации и контроль за работой студента.

Завершенная и полностью оформленная работа сдается преподавателю для проверки. Защита курсового проекта проходит в форме собеседования, во время которого студент должен рассказать о существе работы и ответить на вопросы преподавателя. Оценка по курсовому проекту производится с учетом качества выполнения и оформления работы, степени самостоятельности и уровня ответов при собеседовании.

Задание на курсовой проект

 Выполнить тепловой расчет и определить основные конструктивные размеры водоохлаждающего устройства локальной системы оборотного водоснабжения на воздушной компрессорной станции.

Исходные данные для расчетов принимаются по таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета водоохлаждающего устройства системы оборотного водоснабжения воздушной компрессорной станции. 

Наименование величины	Последняя цифра шифра
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Тип охлаждающего устройства: 1. – пруд-охладитель 2. – башенная градирня 3. – вентиляторная градирня 4. – брызгальный бассейн	1	2	3	4	1	2	3	4	2	3
Гидравлическая нагрузка охладительного устройства	Берется из выполненного расчета и выбора оборудования компрессорной станции
Температура охлажденной воды, °С	22	24	26	25	26	24	27	28	23	24
Температура охлаждаемой воды, °С	35	38	36	39	40	37	42	43	37	38
Температура наружного воздуха, °С	27	28	29	30	31	26	26,5	27,4	27,6	28,5
Относительная влажность воздуха	0,61	0,72	0,59	0,85	0,90	0,56	0,80	0,71	0,50	0,64
Расчетная скорость ветра, м/с	3,0	4,0	3,5	5,0	6,0	2,5	4,4	5,2	6,1	4,2

 

 

 1. РАСЧЕТ ВОДООХЛАЖДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

1.1. Общие положения

 

Основной задачей конструкторского теплового расчета охладителей
является определение их размеров, необходимых для обеспечения заданного охладительного эффекта. В поверочном расчете охладителей предусматривается определение гидравлической нагрузки при заданной температуре воды или обеспечиваемого охладительного эффекта при заданных тепловой и гидравлической нагрузках.

Для теплового конструкторского расчета охладителя должны быть заданы следующие величины:

1) гидравлическая нагрузка G_ж, кг/с, или м³/с;

2) температура охлаждающей воды t ₂, °С;

3) тепловая нагрузка Q, Вт, или ширина зоны охлаждения t = t ₂ – t ₁, где
t ₁ – температура охлаждаемой воды, °С;

4) параметры наружного воздуха – температура , °С, и относительная влажность φ₁;

5) расчетная скорость ветра ω, м/с, если охладитель открытого типа.

В качестве расчетных параметров наружного воздуха принимаются такие среднесуточные значения , и φ₁ летнего периода, которые могут быть превышены не более пяти раз в году. При отсутствии таких данных рекомендуется использовать средние температуру и влажность в течение 13 часов наиболее жаркого месяца.

В настоящих методических указаниях представлены последовательность и особенности расчетов основных типов охладителей.

 

1.2. Расчет пруда-охладителя

 

Действительная площадь зеркала пруда определяется по формуле:

(1)

где  – площадь активной зоны пруда, м²;

 – коэффициент использования пруда.

Значение  при правильной вытянутой форме пруда или с эффективными струенаправляющими и распределительными сооружениями берется 0,8–0,9. При неправильной форме пруда и отсутствии сооружений, способствующих увеличению площади активной зоны,  можно принять равным 0,4–0,5. Среднее значения  и при неправильной форме пруда составляет 0,60–0,75.

Площадь активной зоны [1] подсчитывается по формуле:

(2)

где с – теплоемкость охлаждаемой воды, Дж/(кг × град);

(3)

где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · град);

    – теплота парообразования, Дж/кг;

    – коэффициент массоотдачи, отнесенной к разности парциальных давлений пара, кг/(м² · с · Па);

(4)

где  – коэффициент, определяемый по отношению (6);

    – температура воды в водоеме в естественном состоянии, °С;

   – давление насыщенного пара при температуре , Па;

(5)

   – давление насыщенного водяного пара соответственно при температуре воды  и , Па;

   – давление насыщенного водяного пара при средней температуре воды t _ср = 0,5(  + ), Па.

Значение n, Па/град, для определения коэффициента А в уравнении (2) подсчитывается по выражению:

(6)

Для практических расчетов коэффициента А рекомендуется принять
r = 2,43 × 10⁶ Дж/кг, / = 14,3 · 10⁷ Дж · Па/(кг · град).

Коэффициент массоотдачи , кг/(м² · с · Па), целесообразно рассчитывать по эмпирическим уравнениям [1]. При скорости ветра ω, м/с, на высоте 2 м от уровня земли используется зависимость:

= (0,349 + 0,085 ω) ·10^-7.

(7)

При тепловых расчетах охладителей скорость ветра принимается на высоте 2 м от уровня земли, которая отличается от скорости ветра на высоте флюгера, указываемой в метеорологических справочниках [1]. Пересчет скорости можно провести по приближенной формуле:

(8)

где ω – скорость ветра на высоте h;

   ω₀ – то же на высоте h₀.

Для охлаждающих прудов, обладающих более высокой аккумулирующей способностью, чем другие типы охладителей, можно выбирать по среднемесячным температурам (прил. 1) и принимать несколько более высокие расчетные скорости ветра (до 2–3 м/с) исходя из данных наблюдений для рассматриваемого района.

При заданных значениях площади активной зоны пруда-охладителя и ширины зоны охлаждения  можно определить температуру охлажденной воды по формуле, полученной в результате преобразования уравнения (2):

(9)

1.3. Конструкторский тепловой расчет градирни

 

По температуре наружного воздуха и относительной влажности определяют влагосодержание воздуха, кг/кг:

(10)

где В – барометрическое давление, Па;

   Р_нас – давление насыщенного водяного пара при температуре , Па.

Энтальпия воздуха на входе в градирню, Дж/кг,

(11)

Теоретический (соответствующий полному расширению на выходе из градирни паров воды) относительный расход воздуха через градирню, кг/кг:

(12)

где  – коэффициент, учитывающий долю тепла, отведенного от воды за счет частичного испарения;

    – энтальпия и влагосодержание воздуха на выходе из градирни при φ = 100%, Дж/кг; кг/кг.

Значения  и  определяются по температуре воздуха на выходе из градирни  и относительной влажности φ ₂ = 100 %.

Температура воздуха на выходе из градирни  при относительной влажности φ ₂ = 100 %  рассчитывается по формуле:

(13)

где – упругость пара при температуре воды t ₁ и t ₂ соответственно, Па;

   – парциальное давление водяного пара в воздухе при температуре  и , Па;

(14)

  – упругость пара при средней температуре охлаждаемой и охлажденной воды, Па.

Решение уравнения (13) относительно  производится подбором и построением графика (расчетное) = f ()(принятое). Точка пересечения полученной кривой с прямой линией, проходящей через начало координат под углом 45° к осям, определит искомое значение .

Теоретический расход воздуха, кг/с,

(15)

Действительный расход воздуха в башенных градирнях берется равным теоретическому. В вентиляторных градирнях действительный расход воздуха определяется по технико-экономическим расчетам. Сопоставляются капитальные затраты на поверхность охлаждения и стоимость электроэнергии на привод вентилятора.

Поверхность тепломассообмена, м², градирни с пленочным оросителем определяется по выражению:

(16)

или

(17)

где  – коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений пара, кг/(м² · с · Па).

В уравнении (16) разность теплосодержаний воздуха, Дж/кг, в случае противоточного движения воздуха и охлаждаемой воды

(18)

где  – разность теплосодержаний воздуха на стороне входа воды, Дж/кг;

   – то же на стороне выхода воды, Дж/кг;

  – теплосодержание насыщенного воздуха парами воды у поверхности жидкости при температуре охлаждаемой и охлажденной воды, Дж/кг;

   Дж/кг;

   – теплосодержание воздуха на выходе из градирни, Дж/кг;

   – теплосодержание насыщенного воздуха, Дж/кг, при температуре

Сумма влагосодержаний в уравнении (16)

(19)

где – влагосодержание насыщенного воздуха при температуре охлаждаемой и охлажденной воды, кг/кг;

  х² – влагосодержание воздуха на выходе из градирни, кг/кг.

В выражении (17), Дж/кг,

(20)

где  – разность парциальных давлений пара на стороне входа воды, Па;

   – то же на стороне выхода воды, Па.

Относительный расход воздуха, кг/кг, для расчета поверхности охлаждения по выражению (17) можно определить по уравнению, аналогичному (12):

(21)

где

Коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности давлений, определяется из критериального уравнения:

(22)

где  – эквивалентный диаметр канала, м;

 – коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциального давления, с,

(23)

Т – абсолютная средняя температура воздуха в градирне, К;

А, n – коэффициенты в критериальном уравнении, которые выбираются в зависимости от критерия режима движения  (табл. 1);

 – коэффициент кинематической вязкости воздуха при средней температуре, м²/с.

 

Таблица 1

Зависимость коэффициентов А и n от Re

Re	А	n
Re < 10^4	0,0008	1,18
Re > 10^4	0,028	0,8

 

Эквивалентный диаметр  принимается равным двум расстояниям между соседними щитами – b. Рекомендуется брать b = 0,02 – 0,05 м.

Скорость воздуха определяется относительно поверхности движущейся пленки, т. е. при противотоке, по формуле:

(24)

где  – абсолютная скорость воздуха, м/с;

   – скорость жидкостной пленки, м/с.

Скорость  может быть найдена в зависимости от гидравлической
нагрузки и средней температуры воды на графике (прил. 7). Ориентировочно  = 0,2 – 0,25 м/с.

Выбор скорости воздуха, м/с, производится по формуле:

(25)

где q ≥ 0,0235 кг/(м · с) – удельная гидравлическая нагрузка на один погонный метр каждой стороны щитов (в горизонтальном направлении), соответствующая устойчивому поддержанию пленки жидкости на всей поверхности щитов;

   – плотность воздуха при средней температуре, кг/м³.

Правильность выбора скорости воздуха определяется последующим расчетом высоты оросителя.

Для капельного оросителя градирни рассчитывается объем, м³:

(26)

где  – объемный коэффициент массоотдачи, кг/(м³ · с), определяется по эмпирической формуле:

(27)

где  – плотность орошения, = 0,7–2 кг/(м · с).

Скорость воздуха для расчета  по формуле (27) определяется по зависимости, м/с:

(28)

где, варьируя величиной  и соответственно скоростью воздуха, можно менять расчетную высоту оросителя.

Определяются основные размеры оросителя градирни (рис. 1).

Для противоточной пленочной градирни размеры оросителя подсчитываются по формулам:

живое сечение оросителя (проходное сечение для воздуха), м², –

(29)

 

общая высота оросителя (щитов), м, – 

(30)

активная площадь оросителя при щитовой конструкции, м², –

(31)

где  – коэффициент, учитывающий влияние неравномерности распределения воды и воздуха, принимается равным 1,1–1,3;

   – расход воздуха по тепловому расчёту, кг/с.

Рис. 1. Схематическое изображение оросителя пленочной градирни

Определение конструктивных размеров противоточного капельного оросителя сводится к подсчету его активной площади  и высоты решетника, м:

		(32)
		(33)

где – коэффициент, имеет тот же смысл, что и для пленочного оросителя.

1.4. Расчет вентиляции градирен

 

Полное гидравлическое сопротивление градирни, Па, целесообразно рассчитывать по формуле:

(34)

где  – коэффициент местного сопротивления по градирне в целом (прил. 8).

Потребляемая вентилятором мощность определяется по формуле, кВт:

(35)

где  – плотность воздуха до или после оросителя в зависимости от места установки вентилятора, кг/м³;

n – число устанавливаемых вентиляторов;

h – полный КПД вентилятора.

Принимаем h = 0,6 – 0,7.

В башенных градирнях для преодоления сопротивления движению воздуха используется сила естественной тяги. Для определения высоты вытяжной башни рекомендуется следующая расчетная формула [1]:

(36)

где  – приведенная высота оросителя, м.

 

1.5. Поверочный расчет башенной градирни

 

Задача поверочного расчета башенной градирни (рис. 2) заключается в определении четырех неизвестных величин: G_ж (или t₂), , φ₂ и λ. Используя уравнения теплового баланса, материального баланса, тяги, получаем систему из четырех уравнений, связывающих искомые величины:

(37)   (38)   (39)   (40)

где Н_д = Н_Б + 0,5 Н_ор.

Решить в общем виде систему уравнений (37) – (40) невозможно, поэтому приходится производить подбор значений графическим путем. Ход решения покажем на числовом примере.

Пример. Поверхность щитов пленочной градирни F = 230000 м², площадь живого сечения оросителя F_b = 1240 м² и действующая высота Н_д = 43,3 м. Требуется определить температуру охлажденной
воды при G _ж = 3,06 · 10³ кг/с; Δt = 12°С; = 35°С;
φ₁ = 0,4 и В = 9,94 · 10⁴ Па.

Для заданного состояния наружного воздуха находим: Р₁ = 0,224 · 10⁴ Па; х₁ =0,014 кг/кг;
ρ₁ = 1,114 кг/м³  и i ₁ = 72,0 кДж/кг.

Подставляя в уравнение (38) значения Δt, с и i ₁, получаем (полагая, что k ≈ 1):

(41)

Задаваясь различными i ₂ находим , сводим полученные результаты в табл. 2 и строим зависимость  (рис. 3, а, кривая А).

 

Таблица 2

Значения , рассчитанные по уравнению (37)

i 2, кДж/кг	142	163	184
, кг/кг	0,714	0,551	0,448

 

Затем, задаваясь различными значениями φ₂, подсчитываем  и по уравнению (40) строим график зависимости  (рис. 3, а, кривые В).

Значения  и ρ₁ определяются по диаграммам для влажного воздуха (прил. 6 и 4) по принятым значениям i ₂ и φ₂. Результаты этих подсчетов сведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения , рассчитанные по уравнению (40)

i 2, кДж/кг	142			163			184
φ2	1,0	0,9	0,8	1,0	0,9	0,8	1,0	0,9	0,8
, °С	36,6	38,1	40,2	39,3	41,1	43,0	41,7	43,4	45,5
ρ2, кг/м^3	1,091	1,085	1,080	1,078	1,072	1,066	1,066	1,060	1,057
, кг/кг	0,469	0,518	0,568	0,583	0,629	0,672	0,672	0,710	0,755

 

Полученные данные наносим на график (см. рис. 3, а) в виде трех кривых , каждая из них соответствует определенному значению φ₂
(см. рис. 3, а, кривые В). Точки пересечения кривых В с кривой А (см. рис. 3, а) определяют значения , i ₂ и φ₂, удовлетворяющие уравнениям (37) и (40). Для полученных i ₂ и φ₂ находим из таблиц и диаграмм соответствующие значения , Р₂ и х₂ (табл. 4).

Таблица 4

Параметры уходящего воздуха

, кг/кг	0,57	0,597	0,624	Из рис. 3, а
i 2, кДж/кг	160,0	156,0	152,5	Определяются
φ2	1,0	0,9	0,8	по таблицам
, °С	38,9	40,2	41,6	и
Р2, Па	0,695·10^4	0,67·10^4	0,65- 104	диаграммам
х2, кг/кг	0,0469	0,0450	0,0430

Найденные значения  наносим на график (рис. 3, 6, кривая С) в зависимости от .

Задаемся теперь тремя значениями t ₂, °С: 34, 36 и 39. Затем для каждого из этих значений подсчитываем  по уравнению (38), подставляя в правую часть уравнения значения , Р₂ и х₂ из табл. 4. Результаты этих подсчетов сведены в табл. 5.

Таблица 5

Значения  по уравнению (38)

t 2, °С	34			36			39
, кг/кг	0,570	0,597	0,624	0,570	0,597	0,624	0,570	0,597	0,624
, °С	39,6	38,8	37,1	41,0	39,7	38,6	42,0	40,9	39,9

 

Новые значения , подсчитанные по уравнению (38), также наносим на график в форме трех кривых = , каждая соответствует определенному значению t ₂ (рис. 3, б, кривые Д). Точки пересечения кривых Д с кривой С
(см. рис. 3, б) определяют значения , , φ₂ и t ₂, удовлетворяющие уже трем уравнениям – (37), (38), (40). Найденные значения приведены в табл. 6.

Таблица 6

Значения t ₂, , , φ₂

 

 

 

 

 

t 2, °С	34	36	39	Определяются по рис. 3, б
, кг/кг	0,577	0,592	0,605
, °С	39,2	39,9	40,6
φ2	0,97	0,92	0,87
, кг/(м^2·с·Па)	8,16·10^-8	8,36·10^-8	8,55·10^-8
F, м^2	220,000	165,000	118,000

 

Подсчитываем затем для каждого из принятых значений t ₂ поверхность охлаждения F, пользуясь формулой (39). Коэффициент массоотдачи  рассчитываем по критериальному уравнению (22) каждый раз в соответствии со скоростью воздуха в оросителе при данном . Полученные значения приведены в табл. 6.

По данным табл. 6 строим кривую F =  и для заданной поверхности охлаждения F = 230000 м² находим искомую температуру охлаждения воды –
t ₂ = 33,6°С (рис. 3, в).

 

1.6. Поверочный расчет вентиляторной градирни

 

При поверочном расчете вентиляторной градирни известна характеристика вентилятора и, следовательно, относительный расход воздуха. Задача поверочного расчета сводится к элементарному конструкторскому тепловому расчету. Задаваясь значениями t ₂ в порядке конструкторского расчета, определяем поверхность или объем оросителя, который обеспечивает данную температуру t ₂. Строим график зависимости F _ор (V _ор) = . При заданной поверхности F _ор (V _ор ) на графике определяем искомую температуру охлаждения воды.

 

1.7. Определение основных размеров

брызгального бассейна

 

Расчет требуемого напора воды, числа сопл и основных размеров при
известных гидравлической нагрузке, ширине зоны охлаждения, температуре
охлажденной воды и параметрах наружного воздуха производится в следующей последовательности:

1) по кривым охлаждения для брызгальных бассейнов (прил. 11) при давлении воды Н = 50 кПа и скорости ветра ω = 2 м/с находим температуру охлажденной воды t ₂^' в зависимости от ширины зоны охлаждения и температуры влажного наружного воздуха;

2) определяем поправку к температуре охлажденной воды в зависимости от параметров наружного воздуха. Температура охлажденной воды t ₂^' должна быть увеличена при  = 0,7 на 0,8 °С, при  = 0,6 – на 1,9 °С;

3) по графику (прил. 11) в зависимости от ширины зоны охлаждения
и разности  определяем действительное давление воды Н перед
соплами;

4) по действительному давлению Н для выбранного типа сопла (прил. 9) находим производительность одного сопла по формуле, м³/с:

(35)

где А – коэффициент, определяемый по прил. 9;

5) по заданной гидравлической нагрузке брызгального бассейна , м³/с, общее число надлежащих установке сопл, шт.,

(36)

6) определяем поверхность брызгального бассейна, м²: