Исходные данные для определения тепловой нагрузки на испарительные батареи конденсатора

Исходные данные для расчёта
Производительность по намороженному льду за цикл, кг
Максимальное часовое поступление вымораживаемого пара, кг/ч
Давление в системе, мм. рт. ст. / Па	0.525/70
Температура входящей парогазовой смеси, °С
Температура поверхности конденсации, °С	-35
Температура помещения, в котором находится конденсатор, °С

Температура поверхности конденсации = -35 °С, выбрана из условия возможности использования для охлаждения конденсатора холодильной машины, работающей на хладоне R22.

Полезная тепловая нагрузка на конденсатор:

где М _н = 8 кг/ч – количество намороженного льда за 1 час; r _к = 2993 кДж/кг – скрытая теплота сублимации льда при t _ст = 35 °С, с _н = 1,842 кДж/(кг×K) – теплоёмкость водяного пара; t _ст = 35 °С – температура конденсации (вымораживания) пара, °С, t _с = 20 °С - температура входящей парогазовой смеси.

Потери в окружающую среду определяются исходя из ориентировочных размеров конденсатора высоты 800 мм и диаметра 400 мм. Изоляция минеральная вата толщиной 75 мм с коэффициентом теплопроводности λ = 0,8 кКал/(м×ч×K). Коэффициент теплопередачи стенки с такой изоляцией составляет К = 0,9 кКал/(м²×ч×K).

Наружная поверхность конденсатора с учетом толщины изоляции будет F _н = 1,643 м².

Теплоприток из помещения :

,

где = 1,643 м² – наружная поверхность конденсатора; – разность между температурой окружающей среды и температурой конденсации.

Общая нагрузка на испарительные батареи конденсатор

Расчёт необходимой поверхности. Пропускная способность соединительного патрубка определяется в первом приближении по уравнению

где r = 0,3 – радиус соединительной трубы, м; l = 0,2 – длина участка, м; d = 0,6 – диаметр затвора, м; p _o = 1,238 – давление у поверхности сублимации, мм. рт. ст; p _к = 0,167 – давление у поверхности конденсации, мм. рт. ст.;

Объём водяного пара при среднем давлении в системе

,

где = 8 – количество намороженного льда за 1 ч, кг/ч; p _с = 0,525 – среднее давление в системе, мм. рт. ст., с учётом коэффициента неравномерности испарения 1,2.

Скорость откачки пара конденсатором

Так как пропускная способность соединительного трубопровода, полученная в расчете.

– примерно в 10000 раз больше объёма пара, подлежащего, откачке , то членом – пренебрегаем.

Поверхность конденсатора, обеспечивающая требуемую скорость откачки,

где p _к = 0,167 – давление у поверхности конденсации, мм. рт. ст.; f = 0,72 – определяется по графику, по среднему давлению в системе; p _с = 0,525 мм. рт. ст. и принятом расстоянии между испарительными батареями d _к = 0,05 м.

Принимаем допускаемую толщину слоя льда d = 0,007 м, тогда площадь поверхности для обеспечения льда такой толщины

Сравнивая площади поверхностей = 0,0467 м² и = 4,665 м², делаем вывод, что поверхность с площадью = 4,665 м² обеспечивает необходимую толщину слоя льда и в то же время гарантирует полную откачку пара конденсационной поверхностью, так как для откачки требуемого количества пара достаточно иметь поверхность, равную = 0,0467 м² (эта поверхность была бы достаточна для непрерывной конденсации, если бы она полностью и непрерывно очищалась от конденсата). Таким образом, принимаем = 4,665 м².

Удельный тепловой поток через поверхность конденсации

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к хладагенту – хладон-22

.

Как видно из расчёта, удельный тепловой поток получается значительно меньше величин, предлагаемых в работах основанных на опытных данных, т. е. выбранная поверхность с площадью = 4,665 м², справится с необходимой нагрузкой.

Термическое сопротивление. Для простоты расчёта принимается то, что температура стенки трубы и связанного с ней ребра будут одинаковы. Ввиду малой толщины стенки трубы определение термического сопротивления проводим по формуле для плоской стенки.

где d = 0,001 м – толщина стенки трубы, наготовленной из коррозионностойкой стали.

Температура поверхности конденсации в конце цикла намораживания при толщине намороженного льда d _л = 0,007 м.

,

где – температура поверхности конденсации в конце цикла намораживания, °С; = 35 °С – температура поверхности конденсации в начале цикла намораживания, °С; q = 5378 – удельный тепловой поток; d _л = 0,007 м – толщина слоя намороженного льда; – коэффициент теплопроводности льда.

Следовательно, в конце цикла намораживания температура поверхности конденсации будет равна = -29 °С, т. е. ниже максимально допустимой.

Определение габаритов сублимационного конденсатора.

Предельно допустимую рабочую длину охлаждающих элементов конденсатора находим из графиков. Для температуры конденсации t = -30 °С и давлении системы = 0,525 мм. рт. ст., и принятом расстоянии между испарительными батареями = 0,05 м имеется

.

Эта величина является предельной для принятого расстояния между испарительными батареями.

В качестве вымораживающих элементов конденсатора принимаем вертикальные короткошланговые батареи с одним сплошным касательным ребром вдоль всех вертикальных труб батареи.

Диаметр вертикальных труб = 0,02 м, диаметр верхнего и нижнего коллекторов = 0,03, м, шаг труб в батарее принимаем = 0,045 м.

Теплообменная поверхность 1 м вертикальной трубы с учётом касательного ребра

.

Высота вертикальных труб определится из выражения

.

Общее количество вертикальных испарительных труб

.

Общая длина коллекторных труб

.

Площадь поверхности коллекторных труб

Полная поверхность теплообмена в конденсатор

Расход теплоты на расплавлении намороженного в конденсаторе льда.

Предварительное оттаивание намороженного льда от испарительных труб осуществляется парами горячего хладагента. Конструкция испарительных батарей выполнена таким образом, что намороженные плиты льда после подачи в испарительные батареи горячих паров хладола-22 подтаивают и сползают на дно, где лед окончательно расплавляется за счёт тепла, выделяемого электронагревательным элементом конденсатора. Для расплавления намороженного в конденсаторе льда необходимо подвести тепло

,

где = 32 кг – количества льда сконденсированного за цикл; = - 30 °С – температура конденсации; = 5 °С – температура выводимого жидкого конденсата; = 0 °С – температура плавления льда; – теплота плавления льда, кДж/кг; – теплота нагрева жидкого конденсата, кДж/кг; – теплоемкость льда, кДж/(кг×K); – теплоемкость материала батареи (конструкционная сталь), кДж/(кг×K); – масса испарительных батарей, кг.

Испарительные батареи конденсатора изготовлены из стальных коррозионностойких труб с толщиной стенки 1 мм.

Полная поверхность теплообмена в конденсаторе = 5,12 , тогда объём = 5,12×10^-3 .

Плотность коррозионностойкой стали ρ = 7630 кг/м³, масса испарительных батарей

Электрическая мощность нагревателя.

где Q – тепловая нагрузка па нагреватель; τ = 45мин = 0,75 ч – время оттаивания намороженного льда, 860 – тепловой эквивалент 1 кВт/ч, h = 0.95 – коэффициент полезного действия нагревателя.