PROJEKT
Sorpcyjne systemy energetyczne
Projekt wymiennika ciepła typu:
Skraplacz pionowy ociekowy płaszczowo-rurowy
Prowadzący : Doc. dr inż. Janusz Eichler
Karolina Żegiestowska
187230
Politechnika Wrocławska
Wrocław 2014
1
1. Opis koncepcji całej ziębiarki
Absorpcja jest procesem polegającym na pochłanianiu czynnika roboczego (w tym przypadku
amoniaku) przez ciecz (wodę). Zjawisko to wykorzystuje się w chłodziarkach,
co umożliwia zastąpienie sprężarki odsysającej parę z parownika, przez układ umożliwiający
absorpcjÄ™ i desorpcjÄ™ czynnika roboczego.
Urządzenie ziębnicze składa się z 4 podstawowych wymienników: skraplacza, parowacza,
absorbera i generatora (składający się z desorbera i kolumny rektyfikacyjnej). W układzie znajduje się
również zawór dławiący (pomiędzy skraplaczem i parowaczem) oraz pompa zasilająca. Dodatkowo w
układzie może się znalez
ć doziębiacz i rekuperator celem zwiększenia sprawności układu.
W skraplaczu czynnik skrapla się oddając przy tym ciepło. Następnie ciekły czynnik przechodzi
przez zawór dławiący, gdzie spada jego ciśnienie. Użyteczny efekt ziębniczy jest uzyskiwany w
parowaczu. Tam ciekły czynnik odparowuje, pobierając przy tym ciepło. Pary czynnika trafiają do
absorbera, gdzie są absorbowane przez roztwór ubogi (o niskim stężeniu) co powoduje wydzielenie
ciepła absorpcji (proces jest egzotermiczny). Następnie roztwór bogaty z absorbera jest przetłaczany
za pomocą pompy do desorbera. W desorberze przy pomocy ciepła desorpcji roztwór rozkłada się na
ziębnik i roztwór ubogi. Kolumna rektyfikacyjna (wraz z deflegmatorem) służy do wzbogacenia
roztworu, tak że pary prawie czystego ziębnika odpływają z powrotem do skraplacza.
Rys. 1.1 Schemat przedstawiający obieg ziębiarki sorpcyjnej.
z
ródło: http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~kasper/absorpcja3d/absorpcja3d.html
2
2. Identyfikacja obiegu na wykresie h-¾ dla roztworu NH3+H2O
Rys. 2.1 Identyfikacja obiegu na wykresie h-¾-logp
z
ródło: http://fluid.itcmp.pwr.wroc.pl/~kasper/absorpcja3d/absorpcja3d.html
3. Bilans energetyczny ziębiarki metodą analityczno-wykreślną
3.1 Dane
Skraplacz pionowy ociekowy płaszczowo-rurowy
Wydajność ziębienia = 115
Temperatura solanki na wylocie z parowacza = -20!
Temperatura wlotowa czynnika grzewczego = 175!
Temperatura wlotowa chłodziwa = 27!
3.2 Obliczenia parametrów punktów w obiegu
3.2.1 Skraplacz
Parametry ciekłego ziębnika za skraplaczem (pkt 7):
3
 = = 27 = °

= ° = = 1 12 = = 0 995 ! = 160 8


"twk = 5K  przyrost temperatury chłodziwa (wody)
"tk = 3K  różnica temperatur pomiędzy chłodziwem, a ziębnikiem
CiÅ›nienie i entalpiÄ™ odczytujemy z wykresu na przeciÄ™ciu linii t7 i ¾z.
Parametry par ziębnika przed skraplaczem (pkt 6):

= 62 2° = 1 12 = 0 995 ! = 1 76 7


TemperaturÄ™ i entalpiÄ™ odczytujemy z wykresu na przeciÄ™ciu linii nasycenia dla pk i ¾z.
Ciepło właściwe skraplania:

= ! - ! = 1 76 7 - 160 8 = 1216

3.2.2 Doziębiacz (po stronie cieczy)
Parametry ciekłego ziębnika przed doziębiaczem (pkt 7):

= ° = = 1 12 = = 0 995 ! = 160 8


= - = - 12 = 22°
"tdoz = 12K  założony spadek temperatury ciekłego ziębnika w doziębiaczu
Parametry ciekłego ziębnika za doziębiaczem (pkt 8):

= 22° = 1 12 = 0 995 ! = 102


EntalpiÄ™ odczytujemy z wykresu dla t8 i ¾z.
Ciepło właściwe doziębiania:

= ! - ! = 160 8 - 102 = 58 5

3.2.3 Zawór dławiący
Parametry ciekłego ziębnika przed zaworem (pkt 8):

= 22° = 1 12 = 0 995 ! = 102


Parametry ciekłego ziębnika za zaworem (pkt 9):

= - ° = 0 082 = 0 995 ! = 102


Czynnik zmniejsza swoje ciśnienie za pomocą dławienia, obniżając jednocześnie temperaturę.
3.2.4 Parowacz
4
Parametry ciekłego ziębnika przed parowaczem (pkt 9):

= - ° = 0 082 = 0 995 ! = 102


= = - 10 = -2 °
"to = 10K  przyrost temperatury ziębnika w parowaczu
Parametry pary ziębnika za parowaczem (pkt 10):

= -2 ° = 0 082 = 0 995 ! = 1225


EntalpiÄ™ odczytujemy dla t10 i ¾z.
Ciepło właściwe parowania:

= ! - ! = 1225 - 102 = 112

3.2.5 Doziębiacz (po stronie pary)
Parametry pary ziębnika przed doziębiaczem (pkt 10):

= -2 ° = 0 082 = 0 995 ! = 1225



! = ! = 1225 58 5 = 128 8

Parametry pary ziębnika za doziębiaczem (pkt 11):

= 0 082 = 0 995 ! = 128 8


3.2.6 Absorber
Parametry pary ziębnika przed absorberem (pkt. 11):

= 0 082 = 0 995 ! = 128 8


Parametry roztworu bogatego za absorberem (pkt 1)
= = 27 = °

= ° = 0 076 = 0 2 ! = -


"twa = 3K  przyrost temperatury chłodziwa (wody)
"ta = 3K  różnica temperatur pomiędzy chłodziwem, a roztworem bogatym
Entalpię i stężenie odczytujemy z wykresu dla linii nasycenia p1 i t1.
3.2.7 Desorber
Parametry roztworu ubogiego za desorberem (pkt 3)
= - = 175 - = 171°
5

= 171° = 1 12 = 0 05 ! = 689


"td = 4K  różnica temperatur pomiędzy czynnikiem grzewczym, a roztworem ubogim
3.2.8 Rekuperator (po stronie roztworu ubogiego)
Parametry roztworu ubogiego przed rekuperatorem (pkt 3)

= 171° = 1 12 = 0 05 ! = 689


Parametry roztworu ubogiego za rekuperatorem (pkt 4 )

2 = 6 5° = 1 12 = 0 05 ! 2 = 22 2


TemperaturÄ™ odczytujemy dla ¾u, na linii nasycenia dla p1 = 1,312 MPa. NastÄ™pnie, wiedzÄ…c że
przechłodzenie roztworu ubogiego w rekuperatorze wynosi 5 K, odczytujemy temperaturę i entalpię w
punkcie 4 .
3.2.9 Zawór
Parametry roztworu ubogiego przed zaworem dławiącym (pkt 4 )

2 = 6 5° = 1 12 = 0 05 ! 2 = 22 2


Parametry roztworu ubogiego za zaworem dławiącym (pkt 4)

= 6 5° = 0 076 = 0 05 ! = 22 2


3.2.10 Absorber
Parametry roztworu ubogiego przed absorberem (pkt 4)

= 6 5° = 0 076 = 0 05 ! = 22 2


Parametry punktu pomocniczego absorpcji (pkt a)

= 0 995 ! = -1129


Punkt wyznaczamy na wykresie na przeciÄ™ciu prostej 4-1 i izostery ¾z = 0,995.
Punkt pomocniczy a jest zarazem punktem pomocniczym d.
Ciepło właściwe absorpcji:

)
= ! - ! = 128 8 - (-1129 = 2 12 8

3.2.11 Pompa
Parametry roztworu bogatego przed pompÄ… (pkt 1)

= ° = 0 076 = 0 2 ! = -


6
Parametry roztworu bogatego za pompÄ… (pkt 1 )

2 = ° = 1 12 = 0 2 ! 2 = -


3.2.12 Rekuperator (po stronie roztworu bogatego)
Parametry roztworu bogatego przed rekuperatorem (pkt 1 )

2 = ° = 1 12 = 0 2 ! 2 = -


Parametry roztworu bogatego za rekuperatorem (pkt 2)

= 116 ° = 1 12 = 0 2 ! = 2


TemperaturÄ™ i entalpiÄ™ odczytujemy na wykresie w punkcie przeciÄ™cia siÄ™ prostej 3-a i izostery ¾b.
Parametry punktu pomocniczego rekuperacji (pkt rk)

= 0 995 ! = - 098 7


Punkt wyznaczamy na wykresie na przeciÄ™ciu prostej 3-1 i izostery ¾z = 0,995.
Ciepło właściwe rekuperacji:

)
= ! - ! = -1129 - (- 098 7 = 1969 7

3.2.13 Desorber
Parametry roztworu bogatego przed desorberem (pkt 2)

= 116 ° = 1 12 = 0 2 ! = 2


Parametry punktu 2  punktu na linii nasycenia roztworu bogatego

2 = 128 1° = 1 12 = 0 2 ! = 9 5


Punkt wyznaczamy na wykresie na przeciÄ™ciu linii nasycenia dla pk= 1,312 MPa i izostery ¾b.
Parametry pary ziębnika nad górną kolumną rektyfikacyjną (pkt 5)

= 128 1° = 1 12 = 0 828 ! = 17 6 2


Punkt wyznaczamy na wykresie poprzez konstrukcjÄ™ izotermy t2 = t5.Parametry odczytujemy na linii
nasycenia pary.
Parametry punktu pomocniczego rektyfikacji (pkt r)
= - = 128 1 - 9 = 98 °

= 119 1° = 0 281 ! = 1 6


"tre = 9K  różnica temperatur na dolnej półce rektyfikatora
7
Parametry punktu pomocniczego deflegmacji (pkt df)

= 0 995 ! = 2177 1


Punkt wyznaczamy na wykresie na przeciÄ™ciu prostej r-5 i prostej d-6 (izostery ¾z).
Ciepło właściwe desorpcji:

)
= ! - ! = 2177 1 - (-1129 = 06 1

Ciepło właściwe deflegmacji:

= ! - ! = 2177 1 - 1 76 7 = 800

3.3 Obliczenia strumieni mas i krotności obiegu
3.3.1 Krotność obiegu roztworu bogatego
- 0 995 - 0 05

= = = 5 2
- 0 2 - 0 05

3.3.2 Krotność obiegu roztworu w rektyfikatorze
- 0 995 - 0 281

= = = 1 05
- 0 828 - 0 281

3.3.3 Strumień masy ziębnika w układzie
115
 = = = 0 102 /

112
3.3.4 Strumień masy roztworu bogatego w układzie
 = "  = 5 2 " 0 102 = 0 5 6 /

3.3.5 Strumień masy roztworu bogatego w układzie
 = ( - 1) "  = (5 2 - 1) " 0 102 = 0 /

3.4 Zestawienie wyliczeń dotyczących obiegu
Punkt t p ¾ h
- °C MPa - kJ/kg
1 33 0,076 0,233 -34,4
1 33 1,312 0,233 -34,4
2 116,4 1,312 0,233 342
2 128,1 1,312 0,233 393,5
3 171 1,312 0,053 689,4
4 63,5 1,12 0,053 224,2
4 63,5 0,076 0,053 224,2
5 128,1 1,312 0,828 1746,2
8
6 62,2 1,312 0,995 1376,7
7 34 1,312 0,955 160,8
8 22 1,312 0,955 102,3
9 -33 0,082 0,955 102,3
10 -23 0,082 0,955 1225,3
11 0,082 0,955 1283,7
r 119,1 0,281 331,6
df 0,955 2177,1
a, d 0,955 -1129
rk -3098,7
Strumienie ciepła
=  "

Proces q Q
- kJ/kg kW
Desorpcja 3306,1 338,6
Skraplanie 1215,9 124,5
Doziębianie 58,5 6
Parowanie 1123 115
Absorpcja 2412,7 247,1
Rekuperacja 1969,7 201,7
Deflegmacja 800,4 82
3.5 Współczynnik efektywności chłodniczej całego układu

= = 0

4. Obliczenia cieplne skraplacza pionowego ociekowego
4.1 Założenia
Dane: Opis wartości:
= wysokość czynna rur
= liczba rur w przekroju poprzecznym skraplacza
= średnica zewnętrzna rury
= średnica wewnętrzna rury
= grubość ścianki rury
9
4.2 Obliczenia poczÄ…tkowe
Dane: Opis wartości:
= temperatura wody na wlocie do skraplacza
= temperatura wody na wylocie ze skraplacza
= temperatura czynnika na wlocie do skraplacza
= temperatura czynnika na wylocie ze skraplacza
Przyrost temperatury wody chłodzącej:
= - = °
Åšrednia temperatura wody:

= = 29 °
2
Średnia logarytmiczna różnica temperatur:
-
=



gdzie:
= - = 1 °
= - = 1 °
= 16 22 °
Åšrednia temperatura kondensacji:
= = 5 22 °
Współczynnika wnikania ciepła po stronie czynnika :

" " "

= 1 15 "
( - " "
)
Dane: Opis wartości:
= / ciepło właściwe skraplania
gęstość kondensatu
= /
= / współczynnik przewodzenia ciepła skroplin
= temperatura czynnika na wylocie ze skraplacza
10
dynamiczny współczynnik lepkości skroplin
= /
przyspieszenie ziemskie
= /
= ° temperatura skraplania
= ° zaÅ‚ożona Å›rednia temperatura zewnÄ™trznej Å›cianki
= 6706 /
Współczynnika wnikania ciepła po stronie wody :

Dane: Opis wartości:
= / współczynnik przewodzenia ciepła dla wody

dynamiczny współczynnik lepkości dla wody
= " /
gęstość wody
= /

kinematyczny współczynnik lepkości
= " /
= strumień ciepła skraplania

= / średnie ciepło właściwe wody
Zapotrzebowanie wody chłodzącej:

= = 7 28 /
"
W tym przypadku współczynnik wnikania ciepła zależy od liczby Re ściekającej warstwy wody:
"
= = 850
" " "
Dla Re d" 2000: Dla Re > 2000:


( ) ( )
" 0 67 " " " " 0 01 " " "
= =

LiczbÄ™ Galileusza wyznacza siÄ™ ze wzoru:

"
= = 1 7 " 10

LiczbÄ™ Prandtla wyznacza siÄ™ ze wzoru:
"
= = 5 1 " 10

Współczynnika wnikania ciepła dla liczby Re>2000 równy jest:

= 956 /
Współczynnika przenikania ciepła po stronie czynnika k:
Dane:
= 0 0006 - sumaryczny opór cieplny osadów, zanieczyszczeń po stronie zewnętrznej
11
 = 0 0001 - sumaryczny opór cieplny osadów, zanieczyszczeń po stronie wewnętrznej
Powierzchnia zewnętrzna rur w wymienniku:
= " " " = 2 77
Powierzchnia wewnętrzna rur w wymienniku:
= " " " = 29 091
Współczynnika przenikania ciepła po stronie czynnika k
1
=
1 = 27 8 /
1 "

Średnia temperatura zewnętrznej ścianki:
W celu znalezienia poprawnej wartości średniej temperatury zewnętrznej ścianki, należy skorzystać z
zależności:
( ) ( )
" " - = " " -
Po przekształceniu uzyskujemy następującą zależność:
" " " "
=
" "
Zapętlając to równanie, z równaniem na uzyskujemy następujące wyniki:
= 26 ° - Å›rednia temperatura zewnÄ™trznej Å›cianki wyliczona z pÄ™tli
= 5957 / - wartość współczynnika wnikania ciepła po stronie czynnika dla nowo
przyjętej wartości, średniej temperatury zewnętrznej ścianki
Poprawiny współczynnik przenikania ciepła po stronie czynnika k:
1
=
1 1 = 281 /
"
Obliczenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła dla obliczonego współczynnika przenikania
ciepła i porównanie z założoną powierzchnią ścian wymiennika:
Obliczone:
Założone:
" 1000
= = 27 27
= 2 77
"
Z porównania wynika, że powierzchnia potrzebna do wymiany ciepła jest bliska powierzchni
założonej na początku. W celu zapewnienia odpowiedniej powierzchni wymiany ciepła należy
dodatkowo powiększyć powierzchnię wymiennika o 25%. Dlatego też założona wysokość czynna rur
zostaje powiększona z 4 do 5metrów.
= 75

12
5. Obliczenia wytrzymałościowe skraplacza pionowego
5.1 Średnice króćców wlotowego i wylotowego wody chłodzącej:
Dane: Opis wartości:
= / założona prędkość przepływu wody
gęstość wody
= /
= / strumień masy wody chłodzącej
"
= = 97 5
" "

Zostaje dobrana rura o średnicy najbliższej większej:

mm mm mm
100 108 4
5.2 Średnice króćca na wlocie pary ziębnika:
Dane: Opis wartości:
= / założona prędkość przepływu pary czynnika
objętość właściwa
= /
= / strumień masy ziębnika
" "
= = 127
"

Zostaje dobrana rura o średnicy najbliższej większej:

mm mm mm
149 159 5
Grubość króćca na wlocie pary ziębnika:
Dane: Opis wartości:
= średnica wewnętrzna płaszcza wymiennika
= średnica zewnętrzna płaszcza wymiennika
Współczynnik obliczamy z następującego wzoru:

= = 1 067

Dla współczynnika = 1 067, współczynnik = 1
= 1  współczynnik wytrzymałościowy
13
 "
= = 0 599
"
2 " -

Zastaje przyjęta grubość =
5.3 Średnice króćca na wylocie skroplonego ziębnika:
Dane: Opis wartości:
= / założona prędkość przepływu czynnika
objętość właściwa
= /
= / strumień masy ziębnika
" "
= = 2
"

Zostaje dobrana rura o średnicy najbliższej większej:

mm mm mm
23,6 30 3,2
Grubość króćca na wylocie ziębnika:
Dane: Opis wartości:
= średnica wewnętrzna płaszcza wymiennika
= średnica zewnętrzna płaszcza wymiennika
Współczynnik obliczamy z następującego wzoru:

= = 1 271

Dla współczynnika = 1 271, współczynnik = 1
= 1  współczynnik wytrzymałościowy
"
= = 0 095
"
2 " -

Zastaje przyjęta grubość =
5.4 Grubość dna sitowego:
Dobrana zostaje stal konstrukcyjna S235 o gwarantowanej granicy plastyczności: = 2 5
W celu wyznaczenia naprężeń dopuszczalnych k, należy przyjąć współczynnik bezpieczeństwa:
= 1 65

= = 1 2 2

14
Dane: Opis wartości:
= największa liczba otworów rurowych rozłożonych wzdłuż średnicy ściany sitowej

= ciśnienie obliczeniowe
12
= podziałka
= średnica wewnętrzna płaszcza wymiennika
Współczynnik wytrzymałościowy ściany:
" - ( - 1 "
)
= = 0
" -
Grubość dna sitowego:

= 0 2 " " = 9 59

"
Zastaje przyjęta grubość =
Wymagania stawiane połączeniom spawanym:
! = 0 01 - suma boków spoin
1 25

( )
" " ! > " " -

1 791 " 10 > 6 761 " 10
Warunek spełniony
5.5 Grubość płaszcza wymiennika:
Dane: Opis wartości:
= średnica wewnętrzna płaszcza wymiennika
= średnica zewnętrzna płaszcza wymiennika
Współczynnik obliczamy z następującego wzoru:

= = 1 0

Dla współczynnika = 1 0 , współczynnik = 1
= 1  współczynnik wytrzymałościowy
"
= = 8
"
2 " -

Zastaje przyjęta grubość =
15