Теплообмен при конденсации пара в каналах пластинчатых конденсаторов

Наибольшего прироста теплоотдачи можно достичь с увеличением скорости теплоносителя, особенно в условиях турбулентного течения. С увеличением скорости потока, а соответственно и числа Re значительно возрастает коэффициент теплоотдачи по периметру трубы. Вместе с тем для достижения больших скоростей потока теплоносителя приходится затрачивать большие мощности энергии на его прокачку. Поэтому применяются искусственные способы интенсификации теплоотдачи.

Методы интенсификации конвективного теплообмена можно разделить на пассивные, активные и сложные.

К пассивным методам относятся: применение оребренных и других развитых поверхностей теплообмена на стороне теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи, использование разных турбулизирующих планок, завихрителей или шероховатых поверхностей теплообмена, уменьшающих толщину пограничного слоя или разрушающих его.

Активные методы требуют применения дополнительной внешней энергии.

Сложные методы имеют место при одновременном использовании не менее двух отдельных методов интенсификации конвективного теплообмена, например в случае применения шероховатых труб со вставками, закручивающими поток, вибрирующих оребренных труб и т. д.

Одним из эффективных путей интенсификации теплообмена является искусственная турбулизация потока. Турбулизация потока значительно сказывается на теплообмене при ламинарном пограничном слое. Вместе с тем с развитием турбулентного пограничного слоя уменьшается вихревая зона отрыва и гидравлическое сопротивление падает. При турбулентном течении применение прямой турбулизации потока менее выгодно. Например, турбулизатор в трубе в несколько раз сильнее увеличивает перепад давления, чем теплоотдачу, а протяженность зон действия этого турбулизатора не превышает 10--12 диаметров.

Важным фактором на пути увеличения теплосъема является подбор оптимальной геометрии и типа теплообменной поверхности. Технология обработки алюминия и других металлов дает возможность сконструировать каналы любых форм, и в настоящее время наиболее качественным примером этого служат пластинчатые теплообменники.

Если коэффициент теплоотдачи одного теплоносителя значительно превышает коэффициент теплоотдачи другого теплоносителя, то следует применять оребрение. В настоящее время разработано много конструкций оребренных труб как с поперечными, так и с продольными ребрами. Эффективными являются ребра, которые дают малое гидравлическое сопротивление.

Все шире применяются шероховатые трубы. Суть интенсификации теплообмена посредством применения шероховатых поверхностей заключается в разрушении элементами шероховатости вязкого подслоя при турбулентном движении, а также в повышении неустойчивости пограничного слоя, вследствие чего при прочих равных условиях переход из ламинарного течения в турбулентное на шероховатой поверхности наступает при меньшем числе Re, чем на гладкой.

Для интенсификации теплообменных процессов в компактных аппаратах с продольно-обтекаемыми пучками труб предложено использовать трубы с поперечными кольцевыми канавками, изготовленными накаткой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Продольный разрез трубы с канавками

d -- наружный диаметр труб, d_l -- диаметр кольцевой канавки, t -- шаг кольцевых канавок

Преимущества этого способа интенсификации теплообмена по- сравнению с другими способами следующие: а) образующиеся внутри трубы диафрагмы после накатки снаружи кольцевых канавок существенно интенсифицируют теплообмен в трубе, б) технологически способ осуществляется несложно, к тому же не надо менять существующую технологию сборки трубчатых теплообменников, в) он применим при больших удельных тепловых потоках и в тесных пучках труб, поскольку не увеличивает наружного диаметра труб. Применение данного способа интенсификации теплообмена наиболее целесообразно в диапазоне относительных шагов труб s/d = 1,1 ?1,3. В пучках с s/d >l,3 оптимальная интенсификация в межтрубном пространстве обеспечивается при высотах кольцевых диафрагм внутри трубы выше оптимальных и, следовательно, при значительных потерях давления внутри трубы. Оптимальная же интенсификация теплообмена внутри трубы дает незначительную его интенсификацию снаружи труб.

В кожухотрубных теплообменниках для интенсификации теплообмена применяются винтообразно закрученные продольно- и поперечно-обтекаемые трубы. Установлено, что причинами интенсификации теплоотдачи являются сложные течения в межтрубном пространстве от ядра потока к стенке и от стенки в ядро, приводящие к непрерывному обмену массами теплоносителя в поперечном сечении пучка, а также существенная турбулизация потока по сравнению с гладкотрубным пучком, обусловленная еще и неравномерностью скорости в ядре потока.

На рис. 2.2 представлена схема кожухотрубного теплообменного аппарата повышенной эффективности, предназначенного для использования на предприятиях химической промышленности, где требуется обеспечить высокую интенсификацию процессов теплообмена и перемешивание теплоносителей при их циркуляции по трубам и в межтрубном пространстве. Аппарат состоит из винтообразно закрученных профильных труб (1), закрепленных прямыми круглыми концами в трубных досках (2). Профиль труб выполнен в виде овала. Трубы соприкасаются в местах максимального размера овала, что обеспечивает высокую вибропрочность конструкции аппарата. При циркуляции теплоносителей по трубам и в межтрубном пространстве осуществляется спиральная закрутка потоков. Теплоотдача теплообменника данной конструкции на 50% выше, а объем на 30% меньше по сравнению с гладкотрубным теплообменник

В кожухотрубных аппаратах, особенно типа «жидкость--газ», для обеспечения в трубах и межтрубном пространстве одинаковых предельных значений коэффициентов теплоотдачи в межтрубном пространстве устанавливаются перегородки, а внутри труб -- разные вставки, которые турбулизируют пристенный слой потока и тем самым снижают термическое сопротивление. Применяются вставки разных типов: в виде дисков, колец, диафрагм, спиралей, винтообразно закрученной проволоки и т.д.

Влияние на теплообмен трубы и пластины ультразвуковых волн частотой 27--697 кГц, перпендикулярных потоку, при вынужденной конвекции экспериментально исследовалось. Скорость потока воды или масла изменялась от 0,07 до 1,0 м/с. Максимальное увеличение теплоотдачи, достигавшее 80%, было получено на тонкой пластине в условиях стоячих волн, где с увеличением интенсивности ультразвука теплообмен повышается, а с ростом скорости потока при той же интенсивности ее влияние понижается. Анализ результатов, полученных при частоте 697 кГц, показал, что теплообмен улучшается вследствие турбулизирующего действия микротечений у поверхности теплообмена. С увеличением скорости потока турбулизирующее действие поля ультразвуковых волн становится незначительным по сравнению с турбулизирующим действием самого потока. Поэтому применение ультразвука для интенсификации конвективного теплообмена имеет смысл только при низких скоростях потока.

3. Стенд для исследования теплообмена при конденсации хладоагентов в каналах пластинчатого конденсатора

Исследование теплообмена при конденсации аммиака в модели вертикального пластинчатого конденсатора, образованного серийно выпускаемыми промышленностью пластинами будет проводиться на экспериментальном стенде, схема которого представлена на рис. 3.1.

Экспериментальная установка включает в себя следующие основные элементы: экспериментальный конденсатор -(I), кипятильник -(2), мерные емкости для измерения расхода хладагента-(3) и воды -(4),термостат -(5),водяной насос-(6), аммиачный насос-(7)систему трубопроводов и комплекс измерительной аппаратуры, а так же Х.М. для охлаждения воды в летнее время.

Экспериментальный конденсатор представляет собой модель вертикального полуразборного пластинчатого теплообменника, он состоит из восьми прямоугольных пластин с гофрами. Пластины собираются в пакет. Две внутренние пластины свариваются по боковым образующим(по хладоагенту). Наружные пластины уплотняются через резиновые прокладки. Весь пакет сжимается с помощью прижимных плит.

Конденсация осуществляется внутри сварной конструкции аппарата: конденсат собирается в жидкостном коллекторе и, проходя через мерную емкость, стекает в кипятильник. Хладоноситель подаётся по двум смежным каналам образованным наружными пластинами. Движение потоков хладагента и хладоносителя -противоточное.

Тепловая нагрузка в кипятильнике создается с помощью двух электронагревателей общей мощностью 12 кВт, один из которых включается в цепь однопостового сварочного трансформатора СТЭ-34-У с регулятором тока, второй - в цепь регулятора напряжения PH0-250-I0. Мощность определяется в первом случае по показаниям амперметра типа 959. кл. 0,5, подключаемого через трансформатор тока УТт-6, и астатического вольтметра типа АМВ, кл. 0,5; во втором -- по показаниям ампервольтваттметра типа Д 522. кл. 0,5.

Пар из кипятильника поступает в паровой коллектор конденсатора, предварительно перегреваясь на I - 2°С выше температуры насыщения в дополнительном пароперегревателе, тепловую нагрузку которого необходимо учитывать в тепловом балансе. Тепло конденсации отводится охлаждающей водой, подаваемой из термостата (4) насосом (6). Постоянство температуры воды, поступающей в конденсатор, в опытах поддерживается автоматически при помощи электронного реле и системы электронагревателей, при необходимости воду в баке можно охлаждать холодильной установкой.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки

1-эксперементальный конденсатор; 2-кипятильник; 3-мерная ёмкость для аммиака; 4-мерная ёмкость для воды; 5-термостат; 6-водяной насос; 7-образцовые манометры; 8-запорные вентили.

В экспериментах измеряются следующие режимные параметры: объемные расходы образующегося конденсата и хладоносителя, температуры воды на входе и выходе из конденсатора_, температуры жидкости и пара в кипятильнике, температуры пара в паровом коллекторе и конденсата - в жидкостном, температура стенки сварной конструкции экспериментального конденсатора.

Измерение расхода конденсата производится объемным способом при закрытом вентиле, соединяющем мерную емкость (3) с кипятильником (2).

Для измерения температур используются медь -константановые термопары с диаметром провода 0,2 мм.

Возникающая термо-э.д.с. измеряется по компенсационной схеме с помощью потенциометра Р-306, гальванометра М 195/I и нормального элемента Вестона второго класса. Кроме того, измерительная схема позволяет записывать показания термопар на диаграммную ленту двух электронных автоматических самопишущих потенциометров типа КСП-4 с пределами измерения 0 - 25^вС и 25 - 55°С. Потенциометры КСП-4 должны быть отградуированы совместно с термопарами. Холодные спаи термопар помещаются в сосуд Дьюара с мелкодробленым льдом.

Температура стенки определяется как средняя арифметическая из показаний термопар, расположенных симметрично по обеим сторонам сварной конструкции конденсатора. Термопары укладываются в пазы глубиной 0,5 и шириной 1 мм, профрезерованные на боковых поверхностях гофр. После этого пазы заполняются эпоксидной смолой. Корольки горячих спаев термопар припаиваются к стенке. Термопары, измеряющие температуры насыщения и перегрева пара на входе в паровой коллектор, помещаются внутри тонких капилляров из нержавеющей стали, заполненных трансформаторным маслом.

Температура насыщения, определяемая по показаниям термопар, контролируется также по давлению насыщения, измеряемому двумя образцовыми манометрами класса 0,4. Отличие температуры насыщения, измеряемой при помощи термопар, от искомой величины, соответствующей давлению насыщения и определяемой по показаниям манометров (с учетом барометрического давления), не должно превышать в опытах 0,3°С.

Характеристика условий проведения экспериментов:

t_н =+15 +20 +30 °С. щ_щ =0.5; 1; 2.5 м/с. ?_к =10 кВт.

4. Расчет площади поверхности теплопередачи и количества пластин пластинчатого конденсатора

Исходные даннные t_k=30?C; W_w=0.7 ; Q_k=10кВт.

Приняв перегрев воды в конденсаторе Дt_w=13 ?C, определяю среднюю логарифмическую разность температур:

?м = ==10,15 ?C;

Расход охлаждающей воды

G_w = Qk /(Дt_w c_w) ==0,18 кг/с;

c другой стороны

G_w=с_w•w_w•F_сеч=995,7•0,7•=0,2 кг/с;

поэтому следует принять для водяного контура трубу с внутренним диаметром d_вн=0,02 м.

Определяем теплофизические свойства воды при средней температуре пленки:t_w=(t_w1+t_w2)/2=(12+25)/2=18,5 ?C

Кинематическая вязкость н=1,0545•10^-6 м²/с;

динамическая вязкость µ=1049•10^-6 Па/с;

теплопроводность л=0,51805 Вт/(м•К);

число Прандтля Pr=7,287.

Принимаю зазор между пластинами равным д=4 мм, тогда d_экв=2 д=2•4=8мм.

В качестве теплообменныой поверхности выбираю стальные пластины для разборных теплообменников фирмы «Alfa Laval» марки T5-MFG, с размерами пластин 636х184мм и площадью поверхности F=0,117 м².

Определяю число Рейнольдса для воды:

Re_w=w_wd_экв/ н=0,7•0,008/1,0545•10^-6=5310,57.

Число Нуссельта со стороны воды:

Nu=0,021•Re^0,8Pr^0,43=0,021•5310,57^0,8•7,29^0,4=44,4.

Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:

б_w= Nu• л/d_экв=44,4•0,51805/0,008=2875,17 Вт/(м²•К)

Приняв суммарное термическое сопротивление ?(д_i/ л_i)=2,6•10^-4 м²•К/Вт;

составлю уравнение для определения плотности теплового потока со стороны воды:

q_w= = =1645(10,15-?_a);

Для нахождения числа Рейнольдса со стороны аммиака необходимо знать расход и скорость пара:

G_пара=Q_кд/Дi=10000/(1785,3-641,3) •10^-3=0,00874 кг/с,

G_пара= с_пара•w_пара•f_сеч•n, где f_сеч=В• д, площадь попечного сечения канала;n-число каналов. Из этого уравнения: w_пара= G_пара/ n• с_пара• f_сеч=

=0,00874/4•9,054•0,736•10^-3=0,328 м/с

Число Рейнольдса для аммиака: Re = =0,328•0,553/1,0545•10^-6= =1,72•10⁵,где l-длина пластины(высота);

Полученное значение числа Рейнольдса удовлетворяет условию 1,5 •10⁵? Re?4,5 •10⁶, поэтому для нахождения коэффициента теплоотдачи следует применить уравнение:

б=0,2б_n(Re)^0,12(Pr)^-0,33, где б_n=1,15

б_n=1,15=

=10826?_a^-0,25.

б=0,2•10826•?_a^-0,25 (1,72•10⁵)^0,12(1,4)^-0,33=8233 ?_a^-0,25.Отсюда плотность теплового потока со стороны аммиака: q= б•?_a= 8233 ?_a^-0,25• ?_a= 8233 ?_a^0,75;

Таким образом получены уравнения для нахождения плотности теплового потока:

q_w=1645(10,15-?_a);

q_а= 8233 ?_a^0,75;

Данная система уравнений является трансцендентной относительно q и ?_a. Наглядный и достаточно точный результат дает графоаналитический метод, основанный на том факте, что в установившемся режиме работы аппарата имеет место равенство q_w = q_а =q_вн. Это позволяет определить фактическое значение плотности теплового потока q_вн как ординату точки пересечения графических зависимостей q_w=1645(10,15-?_a) и 8233 ?_a^0,75 в координатных осях ?_a -q. Для построения упомянутых зависимостей предварительно вычисляют значение q для ряда значений ?_a

?_a, ?C….......0,8 1,0 1,9 2,0 3,0

q_w, Вт/м²… 15380,75 15051,75 13571,25 13406,75 11761,75

q_а, Вт/м²……6964,27 8233 13323,65 13846,2 18767,18

По этим данным построены кривые q_w=f(?_a) и q_а =ц(?_a) рис. 4.1.Точка пересечения кривых определяет значение q_вн=13515 Вт/м².

Площадь внутренней поверхности теплообмена F_вн=Q_k/ q_вн=10000/13515=

=0,74 м².Общее число пластин будет равно n= F_вн/ F_1пласт=0,74/0,117=6,3 шт.

Применяю 8 пластин марки T5-MFG. => Q_max=12650 Вт.

5. Расчет и подбор оборудования

5.1 Расчет трубопроводов

Расход охлаждающей воды

G_w = Qk /(Дt_w c_w) ==0,18 кг/с.

С другой стороны G_w=с_w•w_w•F_сеч; отсюда можно найти площадь сечения и диаметр трубы для воды, он будет равен d_вн= =0,02м

Расход пара аммиака равен расходу жидкого аммиака, который можно измерить объемным методом. Его так же можно найти из выражения:

G_пара=Q_кд/Дi=10000/(1785,3-641,3) •10^-3=0,00874 кг/с

Зная или задавшись скоростью пара на входе в конденсатор, можно определить внутренний диаметр трубы, при скорости пара 1,36 м/с,диаметр трубы составит 30мм. Из того условия что расходы жидкого и газообразного аммиака одинаковы, можно вычислить внутренний диаметр трубы на выходе из конденсатора, он будет равен 10 мм.

5.2 Расчет насосов

Расчет и подбор аммиачных насосов производят по необходимой производительности и напору. Производительность насоса должна быть больше или равна необходимой производительности, а напор должен быть несколько большим,чем посчитанный по суммарным местным падениям давления и падениям давления по длине.

Учитывая то, что перекачивается парообразный аммиак и высота подъема мала, выбираю насос с самыми близкими характеристиками по производительности- центробежный насос АНМ-Е 8/40-А-55 подача=8 м³/ч; Н=40м; N=4кВт.

Для воды выбираю КМ50-32-125:подача 12,5 м³/ч, напор 20 м, мощность 2,2 кВт.

5.3 Подбор холодильной машины

Для охлаждения теплоносителя подбираю компрессорно-конденсаторный агрегат на t_о= -5 ?С, производительностью Q = 12 кВт, марки AК9-2-2

6. Методика проведения и обработки результатов экспериментов

В опытах исследуется конденсация технически чистого аммиака. Перед заправкой аммиака в экспериментальную установку последняя тщательно вакуумируется. Заправка осуществляется методом конденсации. Поправка на теплопотери в окружающую среду в расчетах не учитывается. Измерения производятся при установившемся ражиме, достижение которого определяется но постоянству параметров работы установки в течение 10-I5 минут.

После вывода экспериментальной установки на заданный режим работы и установления его стационарности производятся измерения: давления насыщения, мощности, потребляемой электронагревателями, температурного режима работы стенда, расходов хладоагента и хладоносителя.

Средние коэффициенты теплоотдачи при конденсации определяются из выражения

б = q/(t_н - t_ст) (6.1)

здесь

q = Q_k / F_k - средняя плотность теплового потока (6.2),

Q_k - средний тепловой поток в конденсаторе. Величину Q_k находят как среднюю, определяемую тремя независимыми способами:

по мощности, потребляемой электронагревателями, установленными в кипятильнике и пароперегревателе, -

Q_L=?W_эл;

по теплу, отданному сконденсировавшимся аммиаком, -

Q_k =V_L •с_L•r (6.3)

где

V_L - объемный расход конденсата, м³/c

по теплу, воспринятому охлаждающей водой

Q_w=с_wG_w(t_wвых-t_wвх)

Несходимость баланса тепла, определяемого этими способами для большинства опытов не должна превышть 4%.

F_k =8bh - полная поверхность конденсатора, где

b - ширина, h - высота поверхности конденсации

t_ст - средняя арифметическая из показаний всех термопар температура стенки (с учетом поправки на глубину залегания королька термопары)

t_ст= .

Расчетная температура стенки определяется из выражения

t_iрасч= t_iизм+q•, (6.4)

здесь

t_iизм - измеренная температура стенки;

_, - соответственно толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки;

а- глубина паза под термопару.

С некоторым допущением оказывается возможным принять линейное изменение температуры воды по высоте канала и постоянство по поверхности плотности теплового потока q. Учитывая это обстоятельство, локальную величину коэффициента теплоотдачи в данном сечении, можно рассчитать, зная температуру стенки

б=q/(t_н-t_расч) (6.5)

7. Оценка погрешности измерений

Если измеряемая величина является функцией нескольких переменных, то есть

y=f(x₁, x₂……..x_n),

то максимально возможное значение абсолютной величины у определится арифметической суммой частных погрешностей

Дy=±(Дx₁ +Дx₂ +……….. Дx_n). (7.1)

а относительная погрешность измеряемой величины выразится соотношением

± = ± =±(Дx₁ +Дx₂ +……….. Дx_n).(7.2)

Рассчитаем относительные погрешности при определении средних коэффициентов теплоотдачи б.

7.1 Погрешность измерений б

Относительная погрешность измерении мощности, потребляемой электронагревателями

W_полн=W₁+W₂+W₃

В опытах используются ваттметры Д-522 кл. 0,5. Наименьшая измеряемая ими мощность 117,5 Вт (по шкале 250Вт); наибольшая - 2140 Вт (по шкале 7500 Вт). Мощность электронагревателя пароперегревателя измеряется ваттметром кл. 0,5 со шкалой 30 Вт. Максимальная относительная погрешность измерения мощности, в соответствии с выражением (7.2), определится

()_max= = 0,0119

()_min= = 0,0110

Погрешность при расчете тепла, отданного конденсирующимся

аммиаком, определяется следующим образом.

Величина Q_к рассчитывается по уравнению (6.3), при этом объемный расход хладоагента V_L измеряется с помощью мерной емкости с точностью до 10 мл. Количество конденсата при замере -1000мл. Время ф определяется по секундомеру с точностью 0,1 с. Отсюда

() = + + + .

Эта погрешность соответствует наибольшим плотностям теплового потока: для меньших q ф возрастает и величина уменьшается.

В расчете погрешности необходимо учесть и ошибку, вносимую из-за пренебрежения величинами перегрева пара на входе в конденсатор С_рvДt_пер (Дt_пер=2?С) и переохлаждения конденсата на выходе (Дt_вых<0,5 ?С). Общая относительная погрешность составит

0,0094 + 0,0034 =0,0128.

Таким образом,

= + + + + 0,0128.

Погрешность в определении Q_k

Q_k=

При максимальной нагрузке

= .

Расчет относительной погрешности при определении q согласно (7.2),

= + + .

Ширина канала В измеряется штангенциркулем с точностью ДВ= 0,1 мм

= 0,1/В

Высота канала Н определяется при помощи металлической линейки с ценой деления 1мм

= 1/Н

Погрешность при измерении температур при помощи термопар не должна превышать 0,1 ?С.

Толщина стенки канала измеряется микрометром, а глубина паза микрометрическим глубиномером, отсуда

.

Погрешность при определении средних коэффициентов теплоотдачи

Из(6.1) и (7.2) имеем

= + +

Минимальная погрешность при расчете средних коэффициентов теплоотдачи должна соответствовать максимальной разности температур Дt=t_н-t_ст т.е. значительным плотностям теплового потока

8. Экономика

Для оценки тепловой эффективности пластинчатого конденсатора, необходимо произвести его сопоставление с широкораспространённым кожухотрубным конденсаторам типа КТГ.

Пластинчатый конденсатор представляет собой сварной пластинчатый аппарат, каналы для движения рабочих сред которого образованы плоскими пластинами из нержавеющей стали. Каналы компонуются путем сварки двух смежных пластин по боковые образующим и присоединения их к соответствующим коллекторам. Каналы для течение охлаждающей среды образуются двумя соседними парами пластин.

Условия сопоставления: холодильный агент -NH₃. Производительность 100 кВт. Температура насыщения t_н=30 ?С. Среднелогарифмический перепад температур ?_m=5,46 ?С. Скорость охлаждающей воды в конденсаторе w_w=0,7 м/с.

Оценка эффективности производится по энергетическому коэффициенту Е, представляющему собой отношение плотности теплового потока q к мощности, затрачиваемой на прокачивание теплоносителя, отнесенной к 1м² поверхности аппарата N_f.

Для КТГ коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося аммиака находится по:

б_а=0,72 n^-0,167-0,25=

=0,72 4^-0,167-0,25 => q_а=10018^0,75

коэффициент теплоотдачи со стороны воды:

Nu=0,021•Re^0,8Pr^0,43; б_w= Nu• л/d_вн => q_w=1587,2(5,46-?_а)

Для нахождения q можно воспользоваться графоаналитическим методом, => q_вн=7600 Вт/м².

Для пластинчатого конденсатора, коэффициент теплоотдачи со стороны конденсирующегося аммиака находится по:

б=0,2б_n(Re)^0,12(Pr)^-0,33, где б_n=1,15

б_n=1,15=

=10826?_a^-0,25.

б=0,2•10826•?_a^-0,25 (7,5•10⁵)^0,12(1,4)^-0,33=9824 ?_a^-0,25. =>

плотность теплового потока со стороны аммиака: q= б•?_a= 9824 ?_a^-0,25• ?_a= 9824 ?_a^0,75

Число Нуссельта со стороны воды:

Nu=0,021•Re^0,8Pr^0,43=69,5.

Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:

б_w= Nu• л/d_экв=69,5•0,549/0,005=7631,1 Вт/(м²•К)

плотность теплового потока со стороны воды:

q_w=2557(5,46-?_a);

Из графоаналитического метода q_вн=10625 Вт/м².

Мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителя через каналы конденсатора, рассчитывается следующим образом

Для конденсатора КТГ по уравнению

N_f=0,125(о_L+0,015)с_LV_L³=0,125•(0,026+0,015)1000•2,9³=35 Вт/м²

где о_L-коэффициент гидравлического сопротивления по длине, определенный из выражения

о_L==1/(1.8lg18906.6-1.5)²=0.026

Для пластинчатого конденсатора по уравнению

N_f= =0,004•17643/8(2•0,117) =38 Вт/м²

где ДP=(4/Re^0.25)•(h/d_экв)•(сw²/2)=(4/6084^0.25)•(636/4)•(1000•0.7²/2)=17643 Па

n-число каналов по воде.

Для КТГ Е=7600/35=217, для пластинчатого аппарата Е=10625/38=279

Сопоставление по массогабаритным показателям показало, что использование в пластинчатом аппарате тонкостенных пластин (от 0,5 до 1 мм) дает ощутимое преимущество над кожухотрубными, в которых используются более массивные трубы. Коэффициенты теплоотдачи пластинчатых аппаратов больше чем у кожухотрубных, что так же способствует уменьшению массы и габаритов в сравнении с кожухотрубными аппаратами. К плюсам этих аппаратов так же можно отнести возможность их разбора и прочистки от водяного камня.

К минусам можно отнести несколько большие затраты на прокачку теплоносителя при большом количестве пластин и образованных ими каналов, однако преимущества по массогабариным и тепловым показателям, а также возможность легкой очистке в конечном счете делает эти аппараты более привлекательными нежели кожухотрубные, поэтому все больше и больше предприятий стараются заменить имеющиеся кожухотрубные аппараты на пластинчатые.

Для наглядного представления преимуществ пластинчатых аппаратов прилагается лист экономики в котором представлен график зависимости Е=f(N_f) для различных типов конденсаторов, работающих на фреоне 22. При одной и той же величине энергетического коэффициента (соответствующей скорости воды в конденсаторе типа КТР примерно 1,5 м/с) определены значения N_f каждого конденсатора. Найденные таким образом N_f использованы для сопоставления массовых (М_эт/М_с)и габаритных(V_эт/V_с) показателей аппаратов (таблица 8.1).

За эталон при сравнении выбран горизонтальный кожухотрубный конденсатор с медными оребренными трубами КТР.

9. Гражданская оборона

Краткая характеристика аммиака.

Аммиак (NH3) широко распространен в качестве хладагента. Его применяют в машинах средней и крупной производительности, как правило, для получения средних температур охлаждения. Уже к концу XIX века аммиак практически вытеснил другие холодильные агенты, такие как хлористый этил, сернистый ангидрид, хлористый метил, диоксид углерода. Достоинствами аммиака являются хорошие термодинамические свойства, высокая объемная холодопроизводительность, относительно невысокие давления конденсации, давления кипения, близкие к атмосферному. Большую опасность представляет жидкий аммиак при попадании в глаза и на поверхность кожи. Он прекрасно растворяется в воде, образуя нашатырный спирт, не растворяет смазочные масла.

-- Воспламеняемость.

Самовоспламенение аммиака возможно при температуре выше 651°C, и как хладагент он относится к группе B2 (низкая воспламеняемость). Аммиак способен гореть только в замкнутых пространствах, в силу чего классифицируется как неогнеопасный при использовании на открытом воздухе.

Для воспламенения аммиака требуется гораздо большая энергия, чем для возгорания других горючих веществ (14 мДж против 0,26 мДж для метана, этана и пропилена и 0,02 мДж - для газообразного водорода). Энергии разрядов в трехфазных электрических системах напряжением 440 Вольт недостаточно для воспламенения аммиака, и это является причиной отсутствия каких-либо требований по взрывобезопасности электрооборудования холодильных аммиачных систем.

-- Токсичность

Физиологическое воздействие аммиака на организм человека

Концентрация газа, ppm	Воздействие на человека без средств защиты	Реакция организма	Продолжительность воздействия и установленные уровни воздействия
200	Сильный запах	Не опасен	Предельная ядовитая концентрация
300	Человек, имеющий опыт работы с аммиаком, стремится покинуть производственный участок	Не опасен, но опытный персонал считает неприемлемым продолжение работы	концентрация считается представляющей непосредственную опасность для жизни или здоровья. При концентрациях ниже этого предела использование защитных масок не является обязательным.
400-700	Мгновенное раздражение глаз и дыхательной системы. Даже привыкший человек не может оставаться в помещении		В нормальных условиях какого-либо вреда здоровью нет, даже при продолжительности воздействия 30 мин
1700	Кашель, спазм голосовых связок, серьезное раздражение слизистой носа, глаз и дыхательной системы		При продолжительности воздействия 30 мин - опасность для здоровья, оказание срочной медицинской помощи
2000-5000	Кашель, спазм голосовых связок, серьезное раздражение слизистой носа, глаз и дыхательной системы		При продолжительности воздействия 30 мин и даже менее возможен смертельный исход
7000	Потеря сознания, дыхательная недостаточность		Смерть в течение нескольких минут

Предотвращение аварий на объектах, использующих аммиак.

Вновь поступающие рабочие основных профессий и специальностей должны проходить обязательный предварительный, а затем и периодический медицинский осмотр в установленном порядке.

Все лица, работающие на объекте, обязаны проходить инструктаж и обучение по безопасности труда в соответствии с ГОСТ 12.0.0004-90 ССБТ. Организация обучения работающих безопасности труда. Общие положения:

Инженерно-технические работники должны сдавать экзамен на знание правил, норм и инструкций по технике безопасности, обязательные для применения на данном рабочем месте, не реже одного раза в три года. Основные рабочие -ежегодно.

Для каждого объекта должен быть разработан план локализации аварийных ситуаций.

Запрещается допускать к работе лиц, не ознакомленных с планом локализации аварийных ситуаций и не знающих его в части, относящейся к месту работы.

В процессе обучения персонала знания правил, норм и инструкций по технике безопасности инженерно- технической и производственной персонал должен:

-- знать токсичные свойства аммиака

-- основные производственные неполадки и методы их устранения

-- план локализации аварийных ситуаций и личные действия в процессе ликвидации аварий

-- действии, которые необходимо предпринять для профилактики и в случае выброса аммиака

-- уметь правильно пользоваться средствами индивидуальной защиты от поражения аммиаком, оказывать первую медицинскую помощь пострадавшим, применять первичные средства пожаротушения.

Весь персонал должен быть обеспечен промышленными фильтрующими противогазами с коробкой защиты от аммиака марки КД, самоспасателями, специальной одеждой, спецобувью в соответствии с типовыми отраслевыми нормами, без которых он не может быть допущен на рабочее место. Для ликвидации аварии должен храниться запас изолирующих костюмов, противогазов, защитных перчаток, обуви и других средств защиты. На территории объекта должны быть фонтанчики для промывания глаз и аварийные душивые для смыва жидкого аммиака.

Задача

При аварии произощел разрыв емкости с аммиаком, хранившимся под давлением. Общее количество NH₃ в емкости 80т. Разлив произощел в поддон. Высота слоя 0,8 м. Температура окружающее среды 0?С. Подвижность воздуха 5км/ч, инверсия. Расстояние до населенного пункта 1,6 км. Оценить максимальный масштаб заражения.

1. Количество выброшенного при аварии химического вещества (ХВ) принимается равным всей его массе в емкости Q₀=80 т.

2. Расчет эквивалентного количества ХВ по первичному облаку:

Q_э1=к₁к₃ к₅ к₇ Q₀ = 0,18•0,04•1•1,0•80=0,576 т;

где к₁- коэффициент, зависящий от условий хранения ХВ, для этой формулы он принимается равным 0,18;

к₃- коэффициент, равный отношению пороговой токсодозы хлора к пороговой токсодозе данного АХОВ. Для аммиака он равен 0,04;

к₅- в условиях инверсии равен 1,0;

к₇- зависит от температуры воздуха, при 0?С он равен 1,0.

3. Расчет времени испарения АХОВ и продолжительности его поражающего действия:

T= = = 21,8 ч;

где к₂- коэффициент, зависящий от физико-химических свойств ХВ; для аммиака он равен 0,025;

К₄- коэффициент, учитывающий скорость ветра; при малой подвижности воздуха 1 м/с он равен 1,0;

h- высота разлива ХВ;

d- плотность сжиженного NH₃=0,68;

к₇- равен 1,0.

4. Расчет эквивалентного количества АХОВ по вторичному облаку:

Q_э2=(1-к₁)к₂ к₃ к₄ к₅ к₆ к₇ = (1-0,01)0,025•0,04•1•1•3,03•1• =0,44 т

к₂ -при разливе в поддон равен 0,01;

к₆ = B^0,8=4^0,8=3,03; B=4 при Т>4

5. Определения глубины зоны заражения а) первичным б) вторичным облаком проводится в зависимости от эквивалентного количества АХОВ с интерполяцией:

а) глубина 3,4 км;

б) глубина 2,93 км;

6. Расчет полной глубины зоны заражения: Г_полн=Г_б+Г_м=3,4+0,5•2,93=4,86 км.

7. Расчет предельно возможной глубины переноса воздушных масс:

Г_пр=В•v=4•5=20 км

где v- скорость ветра (5км/ч)

8. Определения окончательной расчетной глубины зоны заражения по наименьшему значению Г_{полн или} Г_пр: 4,86 км.

9. Определение времени перемещения облака зараженного воздуха на расстояние х:

х/5 км/ч = 1,6/5= 0,32 ч= 19,2 мин

10. Определение площади зоны заражения:

а) возможного

З_в =8,72•10^-3Г²ц=8,72•10^-3•4,86 ²•180=37 км²

где ц- угловой размер зоны возможного заражения, при скорости ветра 1м/с он равен 180?

б) фактического

З_ф=к_вГ²В^0,2=0,081•4,86 ²•4^0,2=2,52 км²

где к_в- коэффициент, зависящий от степени вертикальной устойчивости воздуха. Здесь он 0,081

10. БЖД

Анализ опасных и вредных факторов

В соответствии с ГОСТ 12.0.003-91 "Опасные и вредные производственные факторы" все возникающие в производственных условиях опасные и вредные факторы подразделяются по природе действия на следующие группы: биологические, психологические, физические, химические.

При работе холодильного оборудования и систем вентиляции и кондиционирования стоит выделить физические и химические факторы. Самым основными вредным физическим факторам, при работе холодильного оборудования являются шум и вибрация. Одним из видов химически опасных и вредных веществ является аммиак.

Шум и вибрация

Шум ухудшает условия труда, оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума [выше 80 дБ(А)] на слух человека приводит к его частичной или полной потере.

В табл. 7.3 указаны предельные уровни звука в зависимости от категории тяжести и напряженности труда, являющиеся безопасными в отношении сохранения здоровья и работоспособности.

Таблица 7.3 Предельные уровни звука, дБ, на рабочих местах

Категория напряженности труда	Категория тяжести труда
	I. Легкая	II. Средняя	III. Тяжелая	IV. Очень тяжелая
I. Мало напряженный	80	80	75	75
II. Умеренно напряженный	70	70	65	65
III. Напряженный	60	60	-	-
IV. Очень напряженный	50	50	-	-

Уровень шума, создаваемый компрессором возможно снизить до 70 дБА путем создания специальных кожухов. Звукопоглощение в компрессорных помещениях обеспечивается облицовкой стен и потолка звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в в компрессорных помещениях быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.

Аммиак

При нормальных условиях бесцветный газ с характерным резким запахом ("нашатырного спирта"), почти в два раза легче воздуха. При выходе в атмосферу дымит. При обычном давлении затвердевает при температуре -78°С и сжижается при -34°С. С воздухом образует взрывоопасные смеси в пределах 15-28 объёмных процентов. Аммиак используют при получении азотной кислоты, азотосодержащих солей, соды, мочевины, синильной кислоты, удобрений, диазотипных светокопировальных материалов. Жидкий аммиак широко применяется в качестве рабочего вещества (хладагента) в холодильных машинах и установках.

Вызывает поражение дыхательных путей. Признаки: насморк, кашель, затрудненное дыхание, удушье, учащается сердцебиение, нарастает частота пульса. Пары сильно раздражают слизистые оболочки и кожные покровы, вызывают жжение, покраснение и зуд кожи, резь в глазах, слезотечение. При соприкосновении жидкого аммиака и его растворов с кожей возникает обморожение, жжение, возможен ожог с пузырями, изъязвления.

Если поражение аммиаком все же произошло, следует немедленно вынести пострадавшего на свежий воздух. Транспортировать надо в лежачем положении. Необходимо обеспечить тепло и покой, дать увлажнённый кислород. При отеке легких искусственное дыхание делать нельзя.

Наличие и концентрацию этого газа в воздухе позволяет определить универсальный газоанализатор УГ-2.

В случае аварии необходимо опасную зону изолировать, удалить людей и не допускать никого без средств защиты органов дыхания и кожи. Около зоны следует находиться с наветренной стороны. Место разлива нейтрализуют слабым раствором кислоты, промывают большим количеством роды. Если произошла утечка газообразного аммиака, то с помощью поливомоечных машин, авторазливочных станций, пожарных машин распыляют воду, чтобы поглотить пары.

Анализ пожаро- и взрывоопасности.

Самовоспламенение аммиака возможно при температуре выше 651°C, и как хладагент он относится к группе B2 (низкая воспламеняемость). Аммиак способен гореть только в замкнутых пространствах, в силу чего классифицируется как неогнеопасный при использовании на открытом воздухе.

Для воспламенения аммиака требуется гораздо большая энергия, чем для возгорания других горючих веществ (14 мДж против 0,26 мДж для метана, этана и пропилена и 0,02 мДж - для газообразного водорода). Энергии разрядов в трехфазных электрических системах напряжением 440 Вольт недостаточно для воспламенения аммиака, и это является причиной отсутствия каких-либо требований по взрывобезопасности электрооборудования холодильных аммиачных систем.

Мероприятия по устранению вредных и опасных факторов.

Для снижения или предотвращения влияния опасных и вредных факторов необходимо соблюдать технику безопасности при работе с холодильным оборудованием. Для снижения опасных факторов в помещении стенда применены следующие положения

1) применена установка с малым содержанием аммиака

2) обеспечен необходимый уровня контроля параметров, автоматической защиты и управления;

3) разработка система аварийной вентиляции в случаи утечки аммиака;

4) все электрическое оборудование тщательно изолировано и заземлено

5) лаборатория является помещением без повышенной опасности (отсутствуют условия, создающие повышенную опасность)

Параметры микроклимата должны соответствовать следующим значениям:

Температура воздуха в помещении должна быть:

в холодный период не более 22-24 °С;

в теплый период не более 23-25° С;

относительная влажность 40-60%;

скорость движения воздуха в помещении не более 0.2м/с. Освещение должно соответствовать расчетному.

Требования безопасности перед началом работы

-- Проверить место вокруг установки. Убедиться, что оно освещено и не загромождено посторонними предметами.

-- Проверить наличие и исправность:

-средств пожаротушения (огнетушители, ящика с песком);

-ограждений электроприводов (муфт, ремней);

-наличие и исправность заземления компрессоров, двигателей, пусковых устройств;

-манометров и предохранительных клапанов;

-вытяжной и приточной вентиляции;

Требования безопасности в аварийных ситуациях

При обнаружении неисправности немедленно обесточить все электрооборудование, оповестить администрацию. Продолжение работы возможно только после устранения неисправности.

При обнаружении оборвавшегося провода необходимо немедленно сообщить об этом администрации, принять меры по исключению контакта с ним людей. Прикосновение к проводу опасно для жизни.

Во всех случаях поражения человека электрическим током немедленно вызывают врача. До прибытия врача нужно, не теряя времени, приступить к оказанию первой помощи пострадавшему.

Необходимо немедленно начать производить искусственное дыхание, наиболее эффективным из которых является метод рот в рот или рот в нос, а также наружный массаж сердца.

Искусственное дыхание пораженному электрическим током производится вплоть до прибытия врача.

На рабочем месте запрещается иметь огнеопасные вещества. В помещениях запрещается:

а) зажигать огонь;

б) включать электрооборудование, если в помещении пахнет газом;

в) курить;

г) закрывать вентиляционные отверстия в электроаппаратуре Источниками воспламенения являются:

а) искра при разряде статического электричества

б) искры от электрооборудования

в) искры от удара и трения

При возникновении пожароопасной ситуации или пожара персонал должен немедленно принять необходимые меры для его ликвидации, одновременно оповестить о пожаре администрацию.

Помещения с электрооборудованием должны быть оснащены огнетушителями типа ОУ-2 или ОУБ-3

Расчет освещения рабочего места.

Описание помещения, в котором располагается рабочее место.

Помещение, в котором находится рабочее место оператора, имеет следующие характеристики:

длина помещения 5 м;

ширина помещения 4 м; -высота 4м;

число окон 2;

количество рабочих мест 5;

- окраска интерьера: белый потолок, светло-коричневые стены,

пол деревянный.

Расчет освещения рабочего места.

В помещении, где находится рабочее место, используется смешанное освещение, т.е. сочетание естественного и искусственного освещения.

В качестве естественного - боковое освещение через окна. Искусственное освещение используется при недостаточном естественном освещении. В данном помещении используется общее искусственное освещение.

Расчет его осуществляется по методу светового потока с учетом потока, отраженного от стен и потолка.

Нормами для данных работ установлена необходимая освещенность рабочего места Ен=300лк (средняя точность работы по различению деталей размером от 1 до 10 мм).

Общий световой поток определяется по формуле:

теплообмен конденсация пар пластинчатый конденсатор

F=

F - рассчитываемый световой поток, Лм;

Е - нормированная минимальная освещенность, Лк (определяется по таблице). Работу, в соответствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точных работ, следовательно, минимальная освещенность будет Е = 300Лк;

S - площадь освещаемого помещения (в нашем случае S = 20м2);

Z - отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1,1…1,2, пусть Z = 1,1);

К - коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение зависит от типа помещения и характера проводимых в нем работ и в нашем случае К = 1,5);

n - коэффициент использования, (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единицы; зависит от характеристик светильника, размеров

помещения, окраски стен и потолка, характеризуемых коэффициентами отражения от стен (РС) и потолка (РП)), значение коэффициентов РС и РП были указаны выше: РС=40%, РП=60%. Значение n определим по таблице коэффициентов использования различных светильников. Для этого вычислим индекс помещения по формуле:

, где

S - площадь помещения, S = 20 м2;

h - расчетная высота подвеса, h = 3.4 м;

A - ширина помещения, А = 4 м;

В - длина помещения, В = 5 м.

Подставив значения получим:

Зная индекс помещения I, по таблице находим n = 0,22

Подставим все значения в формулу для определения светового потока F:



Для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1, световой поток которых F = 4320 Лк.

Рассчитаем необходимое количество ламп по формуле:

N - определяемое число ламп;

F - световой поток, F = 45000 Лм;

Fл- световой поток лампы, Fл = 4320 Лм.

При выборе осветительных приборов используем светильники типа ОД. Каждый светильник комплектуется двумя лампами.

Список литературы

1. Азарсков В.М. исследование теплообмена при кипении фреонов в щелевых каналах пластинчатых испарителей. Автореферат КНД. Диссерт. Л., 1973.

2. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники.-«машиностроение», М.,1973.

3. Берман Л.Д. теплоотдача при пленочной конденсации движущегося пара на вертикальной поверхности и горизонтальной трубе. -В ст. «4-ая всесоюзная конференция по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин». Л.,1971, ч.1

4. Богданов С.Н.,Иванов О.П., Куприянова А. В. Свойства рабочих веществ, теплоносителей и материалов Л., 1972.

5. Бойко Л.Д. Гидравлическое сопротивление при конденсации чистого пара и пара из парогазовой смеси в горизонтальной трубе.-«Теплоэнергетика», 1968, №1

6. Бойко Л.Д., Кружилин Г.Н. Теплоотдача при конденсации пара в трубе.-«Известия АН СССР.Энергетика и транспорт». 1966,№5

7. Боришанский В.М., Волков Д.И., Иващенко Н. И.,Кректунов О.П. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при пленочной конденсации пара.- В сб. «Тепломассоперенос». Минск,1972, т.2,часть 1

8. Двойрис А.Д.,Бельяминович О.А. Теплообмен при конденсации движущихся паров углеводородных жидкостей._ «Теплоэнергетика», 1970,№1

9. Иванов О.П..Бутырская С.Т., Мамченко В.О. Теплообмен при конденсации движущегося пара фреона 12 на пучках гладких и оребренных труб. -«Холодильная техника», 1971, №9

10. Иванов О.П. и др. Перспективы использования пластинчатых аппаратов в компрессорных холодильных машинах.- «Холодильная техника». 1971,№12

11. Иванов О.П., Мамченко В.О., Ширяев Ю.Н. и др. Промышленные испытания аммиачного пластинчатого конденсатора.-«холодильная техника».1974 №2

12. Иванов О.П. Теплообмен при конденсации движущегося пара.- В сб. «Техника низких температур» Л.,1971

13. Исаченко В.П., Саломзода Ф. интенсивность и режимы теплообмена при конденсации водяного пара в вертикальной трубе.-«Доклады научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 1968-1969 гг. Секция теплоэнергетика. Подсекция теплофизика».

14. Исаченко В.П., Саломзода ф. Интенсивность и режим теплообмена при конденсации водяного пара в вертикальной трубе.-«Теплотехника». 1968, №5

15. Исаченко В.П.,Саломзода Ф.,Шалахов А.А. К вопросу о расчете теплообмена при конденсации пара в трубе.- В сб. «Труды МЭИ. Теоретические основы теплотехники «.М., выпуск3.»

16. Исаченко В.П., Солодов А.П., Тирунараянан М.А. Исследование теплоотдачи при конденсации водяного пара внутри вертикальной трубы.-«Теплообмен и гидравлическое сопротивление» Труды Мэи.1965, выпуск 63

17. Капица П.Л. Волновое течение тонких слоев вязкой жидкости.-«Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1948,т18,вып 1

18. Консетов В.В. Исследование теплоотдачи при конденсации чистого насыщенного пара внутри трубы.- Автореферат канд. Диссерт. ВВМИОЛУ им. Ф.Э. Дзержинского, 1962.

19. Кунц Х., Иеразунис С. Анализ пленочной конденсации, пленочного испарения и однофазовой теплоотдачи при числах Прандтля для жидкости от 10^-3до 10⁴ -«Теплопередача, серия С.Труды 1969

20. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. «наука», Новосибирск,1970.

21. Лабунцов Д.А. Кандидатская диссертация. М., 1956.

22. Левин А.Б. Исследование теплоотдачи при конденсации фреоноа-12 в трубах.Автореферат кандид. Диссерт.,М.,1970.

23. Левин А.Б. Теплообмен при пленочной конденсации холодильных агентов в вертикальных трубах.-«Холодильная техника», 1073 №5