Курсовой проект Проект газификационной установки с насосом производительностью 400м3/ч кислорода - файл n2.doc

Курсовой проект Проект газификационной установки с насосом производительностью 400м3/ч кислорода
скачать (390.9 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.dwg
n2.doc682kb.20.12.1999 00:44скачать
n3.doc39kb.19.12.1999 22:33скачать
n4.doc118kb.19.12.1999 17:22скачать
n5.doc74kb.19.12.1999 02:19скачать
n6.dwg
n7.dwg

n2.doc

Введение
Развитие техники разделения воздуха с целью получения кислорода, азота, аргона и других газов привело к формированию новой отрасли.

Быстрый рост кислородного машиностроения обусловлен большой эффективностью использования кислорода во многих важных отраслях.

Народно-хозяйственное значение кислорода определяется главным образом развитием черной и цветной металлургии и химической промышленности. С кислородом связанно развитие одного из более важных направлений научно-технического прогресса в выплавке стали – конвертерная выплавка стали. Кислород значительно интенсифицирует и мартеновский процесс, кислород подается в факел и ванну, что позволило повысить производительность мартеновских печей на 50-70%.

Кислород, в отличие от азота, вступает в реакцию со всеми элементами, за исключением инертных газов, и образует класс соединений, которые называются окислами. Скорость окисления для всех веществ разная (магний окисляется очень быстро, мгновенно сгорая в воздухе). Такие металлы как золото и платина реагируют с кислородом только при очень высоких температурах.

Кислород — типичный окислитель. При повышении его концентрации в воздухе до 30% и выше, проходит очень интенсивное сгорание в такой атмосфере практически всех веществ.

Кислород широко используется в процессах разогрева и сварки металла в машиностроении и металлообработке.

Кислород в последнее время сыграл немаловажную роль в развитии авиации и ракетной техники, являясь одним из наилучших окислителей топлива в реактивных двигателях и ускорителях. В медицинской практике кислород используется для поддержки жизни больных с нарушениями дыхания (кислородные подушки, барокамеры „кислородный коктейль”).

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ




Газификаторами называют установки, которые служат для превращения сжиженных веществ в газообразное состояние. Наиболее широкое применение получили газификаторы для жидкого кислорода и сжиженного природного газа.

Процесс газификации может происходить за счет: тепла атмосферного воздуха, электрической энергии, теплоты сгорания природного газа, за счет использования холода при газификации в полезных целях (например, создание возле газификационной установки холодильника, который будет использовать холод, отведенный от криогенной жидкости, которая газифицируется).

Производительность и необходимое давление газификации определяют тип газификатора. Различают два типа газификационных устройств: высокого и низкого давления.

Широкое применение получили газификаторы низкого давления, которые используются для газификации жидкого природного газа, для потребностей населения в отдаленных районах, где нецелесообразно прокладывать магистральные трубопроводы, и для газификации кислорода. Такие газификаторы используют для получения большого количества газа при сравнительно низких давлениях (1,6  –  2,6  МПа). У газификаторов низкого давления отсутствующий насос, подача жидкого криопродукта в испаритель происходит за счет передавливания.

Газификатори высокого давления применяются преимущественно для заполнения баллонов газообразным криогенным веществом под давлением 2,6 МПа и выше. В газификаторах высокого давления присутствующий насос для подачи продукта под давлением в испаритель. Необходимым условием использования насоса является создание избыточного давления в цистерне, для создания кавитационого запаса перед насосом, для обеспечения нормальной работы.

Проектная установка относится к газификаторам высокого давления, может быть использована для газификации кислорода, аргона или азота с давлением выдачи газа потребителю 20 МПа.

2. ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Техническая характеристика рассчитанной газификационной установки представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Техническая характеристика ГУ

Параметры

Величина

1. Объём резервуара, м3

5

2. Объёмная производительность установки, м3

400

3. Давление в резервуаре (газификация), МПа

0,2

4. Конечное давление, МПа

20

5. Температура продукционного газа, К

278


3. ОБОСНОВАНИЕ И ОПИСАНИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ

Экономическое обоснование проекта.

Данный курсовой проект предусматривает выдачу потребителю большого количества газообразного кислорода. Перевозка газообразного кислорода в таком количестве не целесообразна, поскольку это требует большого парка баллонов, больших затрат на погрузочные - разгрузочные работы, значительного числа транспорта. В настоящее время целесообразно перевозить продукт разделения в цистернах в жидком состоянии. Это обусловлено тем, что жидкость, в среднем, в 800 раз плотнее газа при нормальных условиях, что позволяет уменьшить объем и массу тары для хранения и перевозки (снабжение жидким кислородом с последующей газификацией на месте позволяет увеличить полезную нагрузку на транспортную единицу), исключается тяжелый ручной труд по погрузке - разгрузке баллонов. Также возможно накопление и хранение больших масс криогенных продуктов в жидком виде с газификацией в процессе выдачи потребителю.

Промышленные масштабы использования жидких криогенных продуктов обусловили необходимость создания систем для хранения и выдачи продуктов потребителям с требуемыми параметрами  газификационных установок.

Эти установки являются новым поколением экономичных газификаторов, использующих тепло окружающей среды.

Описание схемы установки.

Схема проектной установки изображена на листе 1 графической части курсового проекта. Основу конструкции данной газификационной установки составляют:



Сжиженныё газ из цистерны 1 поступает к испарителю подъёма давления 2, где жидкость испаряется за счёт подведения тепла из окружающей среды. Испаряя жидкость, мы поднимаем давление в цистерне. Из цистерны жидкий кислород под давлением 0,2 МПа поступает на всасывание плунжерного насоса 5 через фильтр, который не позволяет твердым частицам попасть в полость сжатия насоса. После сжатия жидкость поступает в трубное пространство испарителя 3, через обратный клапан, где проходит процесс нагрева до температуры на 15-20 °С ниже температуры окружающей среды.

Процесс нагрева у испарителя проходит за счет тепла окружающей среды.

Испаритель оборудован вентилятором, что обеспечивает принудительное движение воздуха, для улучшения условий теплообмена, и частичного освобождения теплообменной поверхности от инея двуокиси углерода и воды, что образуются в процессе работы испарителя.

После испарителя газообразный кислород поступает в догреватель 4, где за счет промежуточного теплоносителя (воды), газ нагревается до

температуры выше 0 °С, вода електронагревателем подогревается до температуры Т?70 °С.

После догревателя газ поступает на наполнительную рампу 19, для заправки в баллоны. Газ заполняется в баллоны под давлением Р?150 атм. (в зависимости от температуры окружающей среды).

Схема также оборудована разъемными соединениями, гайка „РОТ”, что позволяет использовать не только стационарную цистерну, а также транспортные цистерны: 14 – подсоединение насоса; 13 – отведение пропусков по плунжеру; 12 – отведение газа при охлаждении насоса; 11 – заправка цистерны жидким кислородом.

Цистерна оборудована линией газосброса 10, для отведения паров, что образовались в цистерне, чтобы давление в цистерне поддерживалось на уровне атмосферного.

На случай роста давления в цистерне или трубопроводах предусмотренные предохранительные клапаны и разрывные мембраны, чтобы не допустить их разрыва. На внешней поверхности резервуара также установлена разрывная мембрана 9 на случай повреждения трубопроводов или внутреннего резервуара, что находятся в изоляционной полости. С помощью вентиля 18 будет вакуумироваться изоляционное пространство цистерны.


4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

Задачей технологического расчета является определение параметров основных расчетных точек цикла установки, тепловой нагрузки испарителя и догревателя, мощности насоса, теплопритоков к оборудованию, удельной затрате энергии.

4.1. Расчетная схема и процессы установки в Т-S диаграмме


Расчетная схема газификационной установки изображена на рисунке 2.

  1. Резервуар жидкого кислорода;

  2. Испаритель подъёма давления;

  3. насос жидкого кислорода;

  4. продукционный испаритель;

  5. наполнительная рампа;

  6. догреватель.

Процессы установки изображены на рисунке 1:

1-2 процесс сжатия в насосе до давления 20 МПа;

2-3 процесс нагрева у испарителя от температуры 94,5 К до 260 К;

3-4 процесс подогрева в догревателе;

5-6 испарение в теплообменнике подъема давления.


Рисунок 1 - Процессы установки

Перед включением в работу в резервуаре создают избыточное давление (0,23 МПа). При этом жидкость в сосуде по отношению к созданному давлению будет охлаждённой. Это обеспечивает нормальную работу насоса.

Жидкий кислород в резервуаре находится под давлением Р1 = 0,23 МПа, которое поддерживается за счёт испарения части жидкости в испарителе подъёма давления. Температура кислорода в резервуаре Т1 = 90 К. Сжатие жидкости насосом в идеальном случае происходит по постоянной энтропии. Подвод тепла в испарителе происходит при постоянном давлении. Газообразный кислород в состоянии 4 направляется потребителю (в баллоны).







4.2 Исходные данные для расчётов

Исходные данные для проведения расчетов сведены к таблице 2.

Таблица 2 - Исходные данные.

Параметры

Обозн.

Размерн.

Величина

Производительность установки

V

м3

400

Давление на выходе

Р2

МПа

20,0

Температура окружающей среды

Тос

К

300


Примем механический КПД насоса , коэффициент подачи 7.

Принимаем температура после испарителя



Плотность кислорода при нормальных условиях 2

Молекулярная маса .

Температура кипения при 0.1 МПа

Плотность жидкости 2

КПД електродвигателя насоса






    1. Параметры в отдельных точках


По [9] определяем энтальпию I, энтропию S, плотность и температуру Т в точках 1,3,4,5,6 и заносим значения в табл.3.
Таблица 3 - Параметры исходных точек

Параметр

Одиниця вимірюв.

1

2

3

4

5

6

Тиск , Р



0,2

20

20

20

0,2

0,2

Температура, Т

К

90,5

94,6

260

275

97,2

97,2

Ентальпія, і



-137,0

-119,58

178,5

199,1

-125,1

85,30

Ентропія, s



2,3

2,3

4,1

4,2

2,4

4,6

Густина, ?



1148,2

1176,7

327,7

299,6

1109,7

8,325


4.4. Параметры в точке 2 определим из баланса насоса и испарителя

4.4.1. Составим энергетический баланс системы, которая состоит из насоса жидкостного кислорода и испарителя




где l1-2 ― удельная работа насоса, кДж/кг

q2-3 ― удельная нагрузка испарителя, кДж/кг

4.4.2. Удельная работа идеального насоса:


,

где ?1 ― плотность жидкого кислорода, кг/м3


4.4.3. Удельная работа с учетом потерь:




где ? – коэффициент подачи насоса, 7;

? – механический КПД насоса 7



4.4.4. Энтальпия жидкого кислорода в конце адиабатического сжатия:






Температура в состоянии 2 определяется по 9 при давлении и энтальпии в точке 2:

Р2 = 20 МПа, I2 = -119,6 кДж/кг, Т2 = 94,617 К, что отвечает условию Т2 < T5, 94.6К < 97,21К

4.4.5. Удельная нагрузка испарителя:




, при Т = 94,6 К и Р = 20 МПа 9

, при Т = 260 К и Р = 20 МПа 9


4.4.6. Максимальная работа газификации:






4.4.7. Массовый расход установки:




где V – производительность установки, м3/ч;

?н – плотность газообразного кислорода, кг/м3.


4.4.8. Объемная производительность насоса:




где ?р – плотность жидкого кислорода, кг/м3.


4.4.9. Мощность электродвигателя насоса:






где ?дв – ККД электродвигателя.

4.4.10. Подбор насоса


Поршневые насосы повышенной быстроходности с компактным цилиндрическим редуктором, с механическим регулированием подачи в пределах от 100% до 40% путем изменения числа двойных ходов поршня предназначены для перекачивания сжиженных газов: кислорода, азота, аргона, двуокиси углерода в составе газификационных либо воздухоразделительных установок.

Использование насосов в стационарных и транспортных газификационных уста­новках обеспечивает непрерывность процесса газификации и выдачу газообразных продуктов под необходимым давлением с минимальными потерями в магистраль либо для наполнения реципиентов, что дает значительную экономию электроэнергии по сравнению с использованием компрессоров в ходе процесса газификации.

Насосы типа 2НСГ это:

- простота и надежность конструкции основных узлов: механизма движения и регулирования, редуктора, цилиндровой группы,

- возможность плавного механического регулирования

производительности,

Все перечисленные преимущества всегда позволят заказчику обеспечить технологические потребности производства в широком диапазоне подач и давлений.

Из пункта 4.4.8.



Подбираем насос, по 7, по объемной производительности. Количество насосов - 1.
Техническая характеристика:
Марка насоса – 2НСГ-0,16/20.

Подача средняяя при наполненной ёмкости– 610 л/ч.

Мощность электродвигателя (потребляемая мощность) - 8 кВт.

Давление – 22,5 МПа.

Масса – 220 кг.


Вывод.

В результате проведения расчета цикла газификационной установки мы определили параметры во всех узловых точках, и некоторые исходные данные для расчета испарителя (согласно заданию к курсовому проекту).

Расчётом был установлен кавитационный запас (6,7К), в пределах которого насос газификационной установки может работать в нормальном режиме без кавитации. Этот запас мы получили искусственным способом, подняв давление в резервуаре путём испарения небольшого количества жидкого криогенного продукта в испарителе подъёма давления. Таким образом, мы повышаем температуру кипения нижних слоёв в резервуаре. Кавитационный запас напрямую зависит от давления в резервуаре, но он имеет конечное значение по причине того, что не целесообразно повышать давление в резервуаре более 0,25 МПа. Повышение давления в резервуаре влечёт за собой увеличение толщины стенок аппарата, увеличение металлоёмкости аппарата, повышение точности сварных швов, неудобство монтажа резервуара большей массы и другие неблагоприятные условия.

Также в расчёте были определены объёмная производительность насоса и мощность электродвигателя насоса. По этим данным я подобрал насос марки 2НСГ-0,16/20, средняя подача при наполненной ёмкости которого составляет 610 л/ч. Подача насоса такого типа регулируется в пределах от 40 до 100%.

После этого можно приступать к расчету испарителя, выбора его конструкции, и определения геометрических размеров.

5. РАСЧЕТ ИСПАРИТЕЛЯ.


В данном курсовом проекте мы проводим расчет атмосферного испарителя. Атмосферным испарителем, называется теплообменный аппарат, в котором в качестве греющей среды используется атмосферный воздух.

5.1. Выбор и обоснование типа испарителя.


При проектировании атмосферного испарителя необходимо одновременно удовлетворить несколько требований:

Так как коэффициент теплоотдачи со стороны потока высокого давления очень высокий, а со стороны воздуха при свободной конвекции низкий, то необходимо увеличивать внешнюю поверхность теплообмена. Это выполняется за счет оребрения внешней поверхности.

Конструктивно испаритель представляет собой внутреннюю трубу, изготовленную из нержавеющей стали, и наружную трубу, которая имеет оребренне „Снежинка”, из алюминиевого сплава АД ― 31.

Такая конструкция применяется в виду того, что давление внутренней трубы достаточно велико, и алюминиевый сплав не способен выдержать такое механическое напряжение. Поэтому применяется внутренняя труба из нержавеющей стали, которая полностью удовлетворяет условиям прочности. А наружная труба, которая из алюминиевого сплава, служит для интенсификации процесса теплообмена посредством увеличения поверхности за счёт оребрения, а также обладает и большой удельной теплопроводности самого материала.

5.2. Тепловой расчет испарителя.

5.2.1 Исходные данные:

Рабочее вещество кислород

Производительность

Рабочее давление

Температура на входе в испаритель

Температура на выходе

Температура окружающей среды

Относительная влажность

Влагосодержание (по i-d диаграмме

при Т = 300 К и )

Расход воздуха

Удельная нагрузка испарителя


5.2.2 Расчёт геометрических характеристик испарителя:

Форма профиля испарителя – “снежинка”.

Труба внутренняя изготовлена из стали 12Х18Н10Т,

Оребрение из алюминиевого сплава.

Теплопропроводность сплава

Диаметр сердечника

Длина теплообменного элемента L =1.4

Наружная площадь оребрения =2

Наружный диаметр трубы

Расчётная высота ребра

Толщина ребра

Количество рёбер =6

Толщина стенки

Коэффициент теплопроводности стенки 4

Диаметр испарителя D =1.3

Количество испарительных элементов =30

5.2.3. Расчёт коэффициента теплоотдачи от воздуха к поверхности элемента:

Поперечное сечение оребрённой поверхности трубы (рис. 3):









Полный смоченный периметр аппарата:









Эквивалентный диаметр - характерный размер сечения, которое омывается воздухом.








Скорость воздуха по 5:




Число Рейнольдса по 5:







Критерий Прандтля (для воздуха) по 5:



при Т = 300К и давлении Р = 1 бар для воздуха по 5:









Критерий Нуссельта по 5 при 103 < Re < 2105:



где = 1 - для газов и воздуха



Коэффициент теплоотдачи без учёта влагообмена (сухая теплоотдача) по 5:

,



5.2.4. Специфическая особенность в испарителях – выпадение влаги в виде инея и росы на теплообменной поверхности, что существенно увеличивает

коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке аппарата.


Расчёт коэффициента влаговыпадения:



По i-d диаграмме для влажног воздуха

г/кг – влагосодержание при К и

г/кг влагосодержание при К и



5.2.5. Изменение температуры по высоте ребра учитывается с помощью коэффициента эффективности ребра (без учёта инея) по 5:





,







5.2. 6. Определение коэффициента теплоотдачи внутри трубок:

Средняя температура газа внутри трубок:



К
Параметры кислорода при и Р=20 МПа по 9













Средняя массовая скорость газа (в трубках) по 5:

,

при н.у. по 5





Число Рейнольдса 5:





Критерий Прандтля по 5:





Так как Re > 10000, то критерий Нуссельта считаем по 5по следующей формуле

,

где , по 5

Для газов и воздуха



Коэффициент теплоотдачи по 5:





5.2.7. Плотность теплового потока снаружи по 5:






Площадь внутренней поверхности









К

5.2.8. Тепловая нагрузка мокрого участка:





кВт

5.2.9. Находим :

К
5.2.10. Количество труб в зоне образования инея:





Принимаем число труб n = 18

5.2.11. Общая длина труб:



м




5.3 Гидравлический расчёт

Гидравлическое сопротивление в трубном пространстве:

,

где – потери давления на трение в трубе, определяются по формуле Дарси-Вейсбаха по 6:

,

- коэффициент трения по 6,



Па

- местные потери по трубопроводу по 6. Здесь эти потери составляют потери из-за поворота потока на 180.

,

где - коэффициент сопротивления,

,





Сопротивления межтрубного пространства

; Па

;

Для интенсификации процесса теплообмена от воздуха к стенке «Снежинка». Также вентилятор устанавливается для того, чтобы частично сдувать иней с теплообменной поверхности. По 8 в зависимости от расхода воздуха и гидравлического сопротивления межтрубного пространства подбираем осевой вентилятор марки типа DR630-6. Характеристики вентилятора:



Рис.3 Поперечное сечение трубы с оребрением типа «Снежинка»

5.4.Обоснование выбора материалов и проверка прочности основных деталей


Испаритель – аппарат, который работает в условиях высокого давления, порядка 20  МПа и высоких перепадов температур 90-300 К.

В этих условиях необходимо придерживаться требований к аппаратам, которые работают под давлением, то есть материал, из которого выполняются такие аппараты, должен быть прочный и не реагировать с рабочим веществом. При криогенных температурах используется нержавеющая сталь 12Х18Н10Т.

Определим допустимое напряжение по 4:



где ,



Находим отношение определяющих параметров:



Так, как это отношение попадает в границы от 5,5 до 25, то для определения расчетной толщины стенки используем формулу по 4:




Суммарная прибавка по 4:



где





Толщина стенки с учетом прибавки:





Определим допустимое давление:

;



Вывод.


Расчет проводился для двух случаев: 1) испаритель без вентилятора – конвективный теплообмен; 2) испаритель оборудован вентилятором.

При конвективном теплообмене в результате расчетов мы получили число труб с оребрением „Снежинка” –18шт.

Если при таких же исходных условиях в схеме установить испаритель с вентилятором, то в результате мы получим уменьшение поверхности теплообмена.

То есть при установлении вентилятора производительностью 10000, что обеспечит скорость в межтрубном пространстве, количество теплообменных элементов таких же геометрических размеров, как и в предыдущем расчете, уменьшится.

Мы считаем, что в схеме будет установлен испаритель с вентилятором, на основе этого принимаем число труб 18. Число труб обуславливается тем, что мы принимаем с запасом, а также чтобы удовлетворить геометрические параметры аппарата.

6. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТАНОВКИ

6.1. Техника безопасности при работе с жидким кислородом.


Жидкие криогенные продукты имеют очень низкую температуру кипения, легко испаряются при обычных температурах окружающей среды, увеличивая в многократно свой объем.

Работа с кислородом сопровождается следующими опасностями:



В случае насыщения одежды кислородом его необходимо тщательным образом проветрить на открытом воздухе. После работы с жидким кислородом можно подходить к открытому пламени лишь через 30 минут.

6.2. Порядок работы.


Для обслуживания данной установки необходим один работник за смену. При заполнении баллонов должен быть обеспечен соответствующий персонал, что будет совершать контроль при заполнении и смены баллонов.

Порядок пуска:

Охлаждение насоса. Для этого необходимо закрыть вентиль газосброса 16, затем открыть продувочные вентили и вентили на цистерне. При достижении давления в цистерне 0,1 МПа закрываем вентиль на цистерне;

необходимости приоткрывать вентиль газосброса с резервуара 16;

Во время заполнения баллонов сжатым газом необходимо:

По окончании процесса газификации выключить все электрические приборы (насос, вентилятор испарителя, ТЕН догревателя), удостовериться в отсутствии избыточного давления во всех коммуникациях, закрыть последовательно все вентили, оставив открытыми вентили продувки 16. Через несколько минут закрыть вентиль 16, и через 1,5...2 часа закрыть вентиль. Открыть вентиль газосброса на цистерне 16.

ВЫВОД


В результате выполнения курсового проекта, по расчету газификационной установки с насосом для газификации жидкого кислорода с давлением выдачи потребителю 20 МПа, мы получили следующие результаты:



СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ





  1. Архаров А.М. Криогенные системы. Т.2 Основы проектирования аппаратов, установок и систем. -М.: Машиностроение, 1999.

  2. Вассерман А.А., Казавчинский Я.З., Рабинович В.А. Теплофизические свойства воздуха и его компонентов. - М.: Наука, 1966.

  3. Ильинский А.А. Транспорт и хранение сжиженных и промышленных газов. – М.: Химия, 1976.

  4. Лащинский А.А. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1970.

  5. Погорелов А.И. Тепломассообмен. - Одесса: Черноморье, 1999.

  6. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под редакцией М.П. Малкова. Москва.: Энергия, 1963.

  7. Каталог. Насосы сжиженных газов и турбодетандеры. Научно – производственное объединение «Кислородмаш». Одесса, 1991.

  8. Каталог. Вентиляторы. Фирма «Rosenberg». Германия, 2002.

  9. Программы Demo TFS и TS_diagram.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации