Содержание.
1. Расчет цикла Клода………..…………………..………………….…………..3
1.1. Исходные данные………………….. …………………….…………………...3
1.2 Нахождение всех точек цикла и определение основных параметров цикла.……………………………….…....................................................................4
2. Расчет предварительного теплообменного аппарата………………...……..7
2.1.Геометрические характеристики медных труб, оребренных проволокой …………………………………………………………………...……7
2.2. Конструктивный расчет предварительного теплообменного аппарата…………………………..………………………..........................…….... 8
3. Приложения……………………………………………….............................15
3.1. Принципиальная схема цикла……………………..……………………….15
3.2. Диаграмма Т-s………………………………………………….……………16
Список литературы…………………………………………….………………….17
Расчет цикла Клода.
1.1. Исходные данные:
Давление в технологическом контуре р2 = 10 МПа;
Температура на входе в криогенный блок Т1 = 300 К;
Температура перед блоком очистки и осушки ТБОО = 279 К;
Температура перед детандером Т5 = 200 К;
Давление после детандера р0 = 0,6 МПа;
Доля воздуха, расширяемого в детандере Д = 0,65;
Изотермический КПД компрессора 
= 0,65;
Адиабатный КПД турбокомпрессора 
= 0,75;
Повышение температуры воздуха в блоке очистки и осушки 
= 2 К;
Разность температур на теплом конце теплообменника 
= 5 К;
Теплопритоки из окружающей среды 
= 10 кДж;
Определить:
Удельную работу в цикле lц, удельный расход на единицу ожиженного воздуха l0, эксергетический КПД 
.
Нахождение всех точек цикла и определение
Основных параметров цикла.
Нахождение температуры точки 6:
100+(1- )*100=100+(1-0,75)*100=125 К;
|
|
Значение параметров состояния в точках
| № точки | Т, К | Р, Мпа | i= 
|
| 0,1 | 12480/430,94 | ||
| 12250/424 | |||
| 11500/397,1 | |||
| 11600/400,55 | |||
| 8850/298,30 | |||
| 0,6 | 7200/248,62 | ||
| 6s | 0,6 | 6200/214,09 | |
| 0,6 | 5200/179,56 | ||
| 5200/179,56 | |||
| 4700/162,29 | |||
| 0,1 | 5300/183,01 | ||
| 0,1 | 4700/162,29 | ||
| 0,1 | 150/5,18 | ||
| 0,1 | 5750/198,55 | ||
| 0,1 | 7270,61/251,05 | ||
| 0,1 | 8586,58 /296,49 | ||
| 0,1 | 11577,53/399,78 | ||
| 0,1 | 13122,16 /453,10 |
1. Доля ожиженного воздуха:
х= 
=12480-12250=230 Дж/моль;
= 10 кДж;
= 11600-11500 Дж/моль;
Дж/моль;
1 моль = 28,96 г;
1 Дж/моль= 
кДж/кг;
230 Дж/моль = 7,94 кДж/кг;
130 Дж/моль = 4,49 кДж/кг;
100 Дж/моль = 3,45 кДж/кг;
Дж/моль = 56,92 кДж/кг;
Дж/моль = 420,9 кДж/кг;
2. Удельная работа в цикле:
lц=lk - lд= 
=
451636,6 Дж/кг = 451,63 кДж/кг;
3. Эксергетический КПД установки:
=0,03;
Дж/моль = 193,4 кДж/кг;
4. Удельный расход энергии:
кВт 
ч/кг;
Точки 14, 15 и 16 находим из уравнения теплового баланса:
Точка 14
0,65*(i6 - i7)+(1-0,65)*(i8 - i9)=(1-0,03)*(i14-i13)+qT*0,1
0,65*(7200-5200)+0,35*(5200-4700)=0,97*(i14-5750)+1
1475=0,97*(i14-5750)+1
i14=7270,61 Дж/моль;
Точка 15
(1-0,65)*(i5 – i8)=(1-0,03)*(i15-i14)+qT*0,1
0,35*(8850-5200)=0,97*(i15-7270,61)+1
1276,5=0,97 i15-7052,49
i15=8586,58 Дж/моль;
Точка 16
(i2 – i3)=(1-0,03)*(i17 – i16)+10*0,1
(12250-11500)=0,97*(12350- i16)+1
749=0.97 i16-11979,5
i16=13122,16 Дж/моль;
Расчет предварительного теплообменного аппарата.
Геометрические характеристики медных труб, оребренных проволокой.
dнар=10 мм;
dвн=7 мм;
dп=1,6 мм;
tp=5,5 мм;
dэ=2,01 мм;
fуд=0,336;
Конструктивный расчет предварительного теплообменного аппарата.
Прямой и обратный потоки – воздух;
рП=4 МПа;
|
|
роб=0,1 МПа;
точки 2 =300 К;
точки 3 =279 К;
точки 3 =272 К;
точки 3 =298 К;
;
кДж/кг;
(1-х)*V1=(1-0,03)*614,12=595,69 обратный поток;
1. Тепловая нагрузка аппарата.
где 
- плотность воздуха при нормальных условиях; энтальпии 
определены по T-sдиаграмме воздуха при рП.
2. Найдем среднюю разность температур.
Состояния воздуха в теплообменнике близко к идеальному газу, поэтому можно принять ср=constдля обоих потоков. Значение 
определяем как среднее логарифмическое.
На теплом конце аппарата
На холодном конце аппарата
3. Теплофизические параметры воздуха в прямом и обратном потоках определяем при средних температурах.
Плотность прямого потока по T-sдиаграмме воздуха:
V =600см3/моль;
1) 
2) 
3) 
Обратного потока по идеальному газу:
Теплопроводность:
Вязкость:
4. Задаем ряд исходных величин, необходимых для расчетов.
Массовую скорость потока внутри трубки принимаем 
Площадь проходного сечения трубки:
Число трубок:
Линейная скорость воздуха в трубках:
Массовую скорость в межтрубном пространстве принимаем:
При этом линейная скорость:
Средняя площадь сечения свободного объема в межтрубном пространстве: 
Площадь поперечного (фронтального) сечения межтрубного пространства для данного типа навивки при fуд=Fc.o/Fф
Диаметр сердечника:
Dc=(10..20)*dн=15*10=150 мм, тогда наружный диаметр навивки
5. Определяем коэффициенты теплоотдачи.
Для прямого потока:
Тогда с учетом кривизны змеевика:
Коэффициент теплоотдачи:
Для обратного потока:
Фактор теплоотдачи:
где 
,тогда St=0,019/0,92=0,0206;
Коэффициент теплоотдачи:
|
|
Коэффициент теплоотдачи определяем без учета термического сопротивления стенки, КПД ребра принимаем 
(вследствие его малой длины).
Для внутренней поверхности трубки:
где 
6. П лощадь поверхности теплообмена и конструктивные размеры аппарата.
Площадь:
Средняя длина трубок с 20%-ным запасом:
Расчетное число слоев навивки zp определяем при средних значениях шагов:
t2=dн+1,5*dп=10+1,5*1,6=12,4 мм;
t1 =0,866*t2=0,866*12,4=10,73 мм;
Принимаем действительное число слоев z=7. При этом скорость 
уменьшается, что необходимо учесть при окончательном уточненном расчете:
Уточненный наружный диаметр навивки:
Средний диаметр навивки:
Теоретическая высота навивки:
Среднее число витков в каждом слое:
mcp=H/t2=0,21/0,0124=16;
При окончательной конструктивной компоновке теплообменника необходимо обеспечить примерно одинаковую длину трубок по слоям. Для этого следует увеличить число трубок в слое с увеличением его диаметра.
Диаметр каждого слоя навивки:
DN=Dc+2*(N-1)*t1+(dн+2*dп)=150+2*(7-1)*12,4+(10+2*1,6)=312 мм;
7. Определяем гидродинамические потери.
Для потока в трубках при dB/Dcp=7/227,5=0,030 и числе Re=58172 находим f1=0,0061 и по формуле (
) определяем:
Для потока в межтрубном пространстве находим фактор трения:
f2=2,65*Re2-0,3=0,3;
тогда потери давления:
Где F2=2,58*15,08*1,6=62,25 м2.