Расчет системы воздухоснабжения
3
Казанский Государственный Технологический Университет.
Кафедра: ТОТ
Курсовой проект
на тему:
"Расчет системы воздухоснабжения"
Выполнил:
студент гр.227-181
Проверил:
Максудов Р. Н.
Казань, 2010 г
Содержание
- Задание
- Расчет нагрузок и выбор основного оборудования воздушной КС
- Гидравлический расчет магистрального воздухопровода
- Тепловой расчет центробежной турбокомпрессорной установки
- Расчет системы осушки сжатого воздуха
- Расчет показателей эффективности работы компрессорной станции
ЗаданиеСоставить схему снабжения предприятия сжатым воздухом и произвести ее расчет. Система содержит компрессорную станцию с центробежными компрессорами, установку для осушки воздуха и магистраль для его подачи от станции до потребителя.Предусматривается процесс осушки воздуха методом его охлаждения в аппартах-воздухоосушителях с помощью холодильной машины.Схема холодоснабжения системы осушки - с промежуточным хладоносителем.Водоохлаждающие устройства системы оборотного водоснабжения компрессорной станции - вентиляторные градирни.
Расчет нагрузок и выбор основного оборудования воздушной КС1) Среднечасовое Vср, м3/сут, потребление воздуха.Необходимо учитывать потери сжатого воздуха в системе. Считают обычно, что непроизводительные расходы воздуха составляют 10% от полезно затраченных.ТогдаVср=1,1Vr/фr60,где Vr - годовое потребление воздуха, куб. м. в годфr-число часов использования нагрузки в годуVср=1,13,459107/720060=94,242 м3/минVs=1,13,45910724/7200=135708,1 м3/сут2) Максимально длительное Vм. д. и максимально возможное Vм. в., м3/мин, воздухопотребление:Vм. д. =Kм. д. Vср=1,2·94,242=113,09 м3/минVм. в. =Kм. в. Vср=1,5·94,242=141,361 м3/минГде Км. д. и Км. в. - коэффициенты неравномерности нагрузки
3) Выбираем тип и число компрессоров
Установленная производительность КС Vуст складывается из рабочей Vраб и резервной Vрез, м3/мин, производительностей:
Vуст=Vраб+Vрез
При этом следует учитывать, что обычно
Vуст?Vм. в. (+5%) В нашем случае Vуст=148,429 м3/мин
Выбираем центробежную турбокомпрессорную установку: 21ВЦ-63/9
Выбираем резервную центробежную турбокомпрессорную установку: 21ВЦ-63/9
Чтобы обеспечить максимально возможное воздухопотребление необходимо 3 рабочих турбокомпрессорных установки и 1 резервная, откуда установленная производительность КС:
Vуст= (3·63) +63=252 м3/мин
Основное правило резерва соблюдено: Vрез?Vкнаиб
4) Окончательно определяются все виды производительностей компрессорной станции:
Vраб=nрабVк=363=189 м3/мин
Vрез=nрезVрез=163=63 м3/мин
Vуст=Vраб+Vрез=189+63=252 м3/мин
5) Оценивается значение коэффициента резерва зрез:
зрез= (Vуст-Vkнаиб) /Vр= (252-63) /189=1
где Vр - расчетная производительность компрессорной станции. Обычно Vp=Vcp
Гидравлический расчет магистрального воздухопроводаСхема воздухопровода:На схеме:Рабочих компрессоров - 3 шт. Резервных компрессоров - 1 шт. Число поворотов на 90о - 10 шт. Число тройников - 3 шт. Число задвижек - 4 шт.1) Ориентировочно оцениваем приведенные длины участков lпр, мlпр= (1,05-1,2) li=1,2235=282 м2) Принимаем приближенное значение удельного падения давления на участках ДРуд=60 Па/м3) Оцениваем падение давления на участках магистралиДРi=ДРудli=60282=16920 Па4) Оцениваем средние параметры воздуха на участках:а) давление Рср, МПа:Рср=Р'+0,5ДРi=0,67+0,50,016920=0,678 Мпаб) температура воздуха tср, оС принимается низменной по длине магистрали (охлаждением пренебрегаем):tср=tп=tс=35оСв) плотность воздуха на участках с'ср, кг/м3с'ср=соР'срТо/РоТср1=1,2940,67273/0,101325308=7,584 кг/м35) Вычисляем действительные средние объемные расходы воздуха на участках воздухопровода V'cр, м3/сV'cр=G'i/с'ср=2,437/7,584=0,32 м3/с6) Принимается значение экономически оптимальной скорости воздуха в трубопроводе Wоп=14 м/с7) Определяем ориентировочные значения внутренних диаметров труб на участках Dвнрас, м:Dвнрас =v4V'cр/рWоп=v40,32/р14=0,17м8) По ГОСТу выбираем ближайшие значения внутренних диаметров труб Dv=170мм9) Оцениваем абсолютную шероховатость из {3, с.14} для воздуховодов турбокомпрессоров: Д=0,8 ммОтносительную шероховатость: ei=Д/Dv=0,8/0,17=4,7110) Фактические скорости воздуха:Wi=4V'ср/рDv2=40,32/р0,172=14,09 м/с11) Оцениваем режим течения воздуха в трубопроводе:Re=WiDvс'ср/мв=14,090,177,584/17,210-6=1,056х106где мв-коэффициент динамической вязкости воздуха [3], Пастогда л=0,11еi0,25=0,1612) Уточняем приведенные длины участков магистрали, мl''пр=li+?lэк=235+61,05=296,05 м,где ?lэк=?оDv/л=10,750,17/0,16=61,05м13) Вычисляем потери давления в трубопроводе, ПаДР”=лlпр” (W') 2с'ср/Dv2=0,16296,05 (14,09) 27,584/0,172=0,0209 МПаР”=Рп+ДР”=0,67+0,0209=0,6909 МПа14) По фактическому значению давления и его потери на участках определяется действительная средняя плотность воздуха, кг/м3с”ср= соР”ср1То/РоТср1=1,2940,683273/0,101325308=7,844 кг/м3где Р”ср1=0,6909+0,0209=0,712 МПа15) Проверяем расхождение полученных значений средних плотностей воздуха с принятыми ранее(7,584-7,844) /7,584=0,34%<2,5%
Тепловой расчет центробежной турбокомпрессорной установки1) Расчетная схема представлена на Листе 62) Определяется распределение давлений воздуха по секциям компрессора. Значения потерь давления в аппаратах принимаются одинаковыми:Р'вк=Ра-ДРвс=0,10-0,00066=0,09934 МПаР”вк=Р'нку=0, 2070,96=0, 198 МПагде Р'нк берем из таблицы 8ПР'''нк=Рку/у=0,8/0,96=0,833 МПагде Рку=0,74+0,048 +0,0124=0,8 МПаР'''вк=Рнку =0,4160,96=0,399 МПаРабота сжатия по секциям обычно одинакова:Е'E”E'''=1/у3vРку/Р'вк=1/0,963v0,8/0,09934=2,088Р'нк=Р'вкЕ'=0,099342,088=0, 207 МПаР''нк=Р''вкЕ'=0, 1992,088=0,416 МПа3) Рассчитываются удельные работы сжатия воздуха lk, кДж/кг, по секциям:l'k=k/k-1RT'вк ( (E') k-1/k-1) 1/зад= (1,4/1,4-1) 0,287293 ( (2,088) 1,4-1/1,4-1) xx1/0,85=81,118 кДж/кгl''k=84,718 кДж/кгl'''k=l''k=84,718 кДж/кгУровень температур воздуха за промежуточными воздухоохладителями определяется эффективностью работы теплообменников и значением температуры охлаждающей воды. С учетом минимального температурного напора на холодном конце теплообменника ?Тохл значения температур воздуха на входе в секции сжатия Т'вк, T''вк и Т'''вк, К, принимаются:Т'вк=Та=293 К, Т''вк=Т'''вк=Ткн=Тw1+?Тохл=25+8+273=306 К4) Рассчитываются значения температур воздуха в концах процессов сжатия по секциям Тнк, К:Т'нк=Т'вк+l'k/Cрв=293+81,118/1,3181=354,542 КТ''нк=Т''вк+l''k/Cрв=306+84,718/1,3181=370,273 КТ'''нк=Т'''вк+l'''k/Срв=306+84,718/1,3181=370,273 К5) Массовая производительность компрессора:Gk=Vвксвк/60=631,182/60=1,24 кг/сгде свк=соР'вкТо/РоТ'вк=1,2940,09934273/0,101325293=1,182 м3/мин6) С учетом электро-механических потеть вычисляется электрическая мощность потребляемая компрессором Nк, кВт:Nk=Gklk/зk=1,24 (81,118+84,718+84,718) /0,96=323,63 кВтРасчетная схема трехсекционного турбокомпрессора и диаграммы изменения давления и температуры воздуха при его движении в проточной части турбокомпрессорной установки7) Тепловые мощности всех теплообменников воздухоохладителей, при нерегламентированном значении температуры за концевым охладителем (ВОК):Qто1=GkCрв (Т'нк-T''вк) =1,241,3181 (354,542-306) =79,339 кВтQто2=Qвок=1,241,3181 (370,273-306) =105,051 кВт8) Расходы воды на охлаждение воздуха в соответствующих теплообменниках Gw, кг/с равны:Gwто=Qто/Cw?tw=79,339/4, 198=2,37 кг/сGwвок=Qвок/Cw?tw=105,051/4, 198=3,134 кг/с9) Вычисляется общий расход воды в компрессорной установке с учетом расхода (5-7%) на охлаждение смазочного масла, кг/с:GwКУ=1,05 (GwТО1+GwТО2+GwВОК) =1,05 (2,37+23,134) =9,07 кг/сИли в объемных единицах VwКУ=9,073600/1000=32,652 м3/ч10) Определяется удельный расход воды в компрессорной установке (на учетную единицу выработки сжатого воздуха):qw=GwКУ100060/Qвк= (9,07/63) 100060=8638,1 л/1000м311) Определяется удельный расход электрической энергии на производство сжатого воздуха Эуд, кВтч/1000м3Эуд=Уlксвк1000/3600=250,5541,1811000/3600=82, 196 кВтч/1000м3
Расчет системы осушки сжатого воздухаРасчетная схема воздухоосушительной установки приведена на Листе 81) Определим давления воздуха в точках 1, 2, 3 (см. Схему)Р1=Р''нк-?Рто-ДРво=416-12-4=400 кПаР2=Р1-ДРрво-ДРво=400-12-4=384 кПаР3=Р2-?Р-ДРво=384-12-4=368 кПа2) Определим парциальное давление водяных паров в воздухе при насыщении (т.е. при tн), ПаЗначение давления Pн вычисляется по заданному влагосодержанию dкс, г/кг из соотношения:Рн=dнР3/622+dи=0,45368/622+0,45=0,266кПа=0,00027 МПагде dн - влагосодержание насыщенного воздуха, которое принимается равным заданномуПо термодинамическим таблицам находим при заданном давлении насыщения водяных паров температуру насыщения: tн=-10oC3) Вычисляем общее количество влаги, выпадающей во всех аппаратах системы осушки воздуха. При этом в каждой точке схемы вычисляем насыщающее влагосодержание.dн3=0,45dн1= (622х0,266) / (Р1-0,34) =6220,266/400-0,34=0,41dн2=6220,266/368-0,34=0,45Выпадение влаги происходит, т.к. dн1,dн2,dн3?da=0,45 в количествеdвып=dа-dн=0,45-0,41=0,04Расчетная схема воздухоосушительной установки: СВД-ступень высокого давления воздушной компрессорной устнановки, ВОК-воздухоохладитель конконцевой, ВО-влагоотделитель, РВО-регенеративный воздухоохладитель, ООВ-охладитель-осушитель воздуха, ХМ-холодильная машинаСхема и диаграмма рабочего цикла холодильной машины с регенеративным охлаждением хладагента: I-конденсатор, II-компрессор, III-регенеративный теплообменник, IV-испаритель, V-дроссель
4) Для определения значений температур в точках 1 и 2 составляется уравнение теплового баланса для регенеративного теплообменника РВО:GвСрв (Ткс-Т3) =GвСрв (Т1-Т2)Принимается оптимальный средний температурный напор между теплоносителями в теплообменнике ?Тср. Для теплообменника типа "воздух-воздух" этот напор обычно составляет 18-22К. Так как теплоемкости и массовые расходы сухого и влажного воздуха практически одинаковы, то температуры в точках 1 и 2 (см. Лист8) определяются соотношениями:Т1=Ткс+?Тср=308+20=328 КТ2=Т3+?Тср=263+20=283К, Т3=Тн=263 К; - 10оС5) Тепловая нагрузка теплообменника ВОК (см. Лист9) Qвок, кВт, и расход охлаждающей воды в нем Gwвок, кг/с определяются из уравнения теплового баланса:Qвок=GвСрв (Т''нк-Т1) =1,241,005 (416-328) =109,66 кВтGwвок=Qвок/Сw (tw2-tw1) =109,66/4, 198=3,27 кг/с6) По уравнению теплового баланса для осушителя воздуха ООВ вычисляется минимально необходимое холодопотребление системой осушки Qо', кВт:Qо'=GвСрв (Т2-Т1) =1,241,005 (283-263) =24,924 кВт7) С учетом теплопритоков через изоляцию (qиз=12-15% от Qо') определяется требуемая холодопроизводительность источника холода, Qо=1,35Qо'=1,3524,924=33,65 кВт8) Выбираем схему с непосредственным испарением хладагента.Оцениваем рабочую температуру кипения:to=t3-Дtоов=-10-5=-15 oСгде Дtоов - минимальный температурный напор в охладителе-осушителе воздуха испарительного типа.9) По справочным данным из таблицы 11П выбираем холодильную машину с поршневым компрессором и с водяным охлаждением конденсаторов, работающую на R22:
ХМ-АУ145/1110) Сравним требуемую холодопроизводительность с холодопроизводительностью, указанной в паспорте выбранной холодильной машины: Qо=33,65, Qст=36,1, разница между ними составляет 4%, значит пересчет паспортной холодопроизводительности холодильной машины на условия ее работы в системе осушки воздуха не производится.11) Произведем расчет цикла холодильной машины. Расчетная температура конденсации:tk=tв1+?tк=-10-5=-15 оСТемпература паров хладона перед компрессором:t1=t3-?tp=-15-5=-20 оСПо T,s-диаграмме хладона R22 находим параметры рабочего агента в характерных точках системы: Точка 1: в этой точке хладон находится в перегретом состоянии, соответственно параметры находим в таблице перегретого состояния хладонаt1=-20 оС, P1=0,19 МПа, h'1=398,8 кДж/кг, н=0,122 м3/кг, s=1,812 кДж/кгКТочка 2: также перегретое состояние, смотрим по той же таблицеP2=1,1 МПа, t2=64,31 оС, h'2=444,51 кДж/кгТочка 3: находится на линии насыщения, следовательно хладон находится в насыщенном состоянии, параметры находим из таблицы насыщенного состояния хладона R22t3=27оС, P3=1,1 МПа, h'3=532,74 кДж/кгТочка 6: также находится на линии насыщения, параметры из таблицы насыщенного состоянияt6=-26,04 оС, Р6=0,19 МПа, h'6=394,91 кДж/кгПараметры в точке 4 находим по тепловому балансу РТ:h1-h6=h3-h5, откуда h5=h3- (h1-h6) =532,74- (398,8-394,91) =261 кДж/кгУдельная тепловая нагрузка испарителя:qо=h6-h5=394,91-261=133,91 кДж/кгУдельная внутренняя работа компрессора:qk=h2-h3=444,51 - 413,65 =30,86 кДж/кгМассовый расход хладагента:Gха=Qo/qо=33,65/133,91=0,351 кг/сТепловая нагрузка конденсатора:Qk=qkGха=30,860,351=10,832 кВтРасход охлаждающей воды в конденсаторе:Gw=Qk/Cw (tw2-tw1) =10,832/4, 195=0,496 кг/сЭлектрическая мощность, потребляемая компрессором:Nэ= (lk/зэм) Gха=17,940,351/0,9=6,99 кВтХолодильный коэффициент:Ео=qo/Nэ=133,91/6,99=18,157Эксергетический КПД холодильной машины по хладагенту:КПД=Qo (фq) н/Nэ=33,650,068/6,99=0,475100%=47,5%где фq=1-Тw1/То=1-283/293=0,068
Расчет показателей эффективности работы компрессорной станцииЭксергетический КПД компрессорной установки в общем виде оценивается отношением:КПДку=?Е1/?Евх=248/527,659=0,47100%=47%?Е1-эксергия потока сжатого воздуха, кВт?Евх-эксергия (электроэнергия), подведенная к установке, кВт?Евх=Nку+Nкхм+Nн=323,63+6,99+197,039=527,659 кВтЭксергия потока сжатого воздуха Е1, кВт, может быть вычислена по соотношению:Е1=Gве=1,24200=248 кВтe находим из e,h-диаграммы для воздухае-удельная эксергия сжатого воздуха с параметрами нагнетания (Ткс, Ркс), в данном случае Ткс=333К, Ркс=0,75 МПаПараметрами окружающей среды (hо. с., То. с., Sо. с.) должны служить начальные параметры воздуха на линии всасывания компрессора.
Удельный расход электрической энергии на производство учетной единицы сжатого воздуха Эу, кВтч/1000м3, определяется по соотношению:Эу= (Э1+Э2+Э3) 1000/Vcp= (323,6360+6,9960+197,03960) 1000/170,62== (19417,8+419,4+11822,34) 1000/170,62=185555,851 кВтч/1000м3где Э1-расход электроэнергии за 1 час на сжатие воздуха в компрессорной установке, кВтч,Э2-то же, в холодильной машине системы осушки воздуха, кВтч,Э3-то же, на привод насосов циркуляционных систем водоснабжения и контура хладоносителя, кВтчМощность циркуляционных насосов Nн, кВт, вычисляется по соотношению:Nн=VhсgHн/з1000=170,6211,129,8125/0,81000=197,039 кВтгде Vh-объемная производительность насоса, м3/сНн-напор, развиваемйы насосом, м,с-плотность перекачиваемой среды, кг/м3g-ускорение свободного падения
Удельный расход охлаждающей воды в компрессорной установке вычисляется по следующей формуле: gw=?Gw/Qвк, но т.к. мы уже посчитали его на Листе 8, то переводим полученный там результат в л/м3, т.е.8638,1/1000=8,64 л/м3, где ?Gw-суммарный расход охлаждающей воды в компрессорной установке, л/с, Qвк-объемная производительность компрессора, м3/с