1.3. Расчет воздушных фильтров

Для очистки атмосферного воздуха от механических примесей применяются фильтры.

В компрессорных станциях с поршневыми компрессорами применяются масляные металлические фильтры. В металлический корпус укладывают металлические или фарфоровые кольца (кольца Рашига), смоченные маслом, или в специальные рамки вставляют несколько рядов сеток. При прохождении всасываемого воздуха через сетки или другую пористую массу пыль и влага прилипают к их поверхности.

Ячейка масляного фильтра с насадкой из колец Рашига показана на рис. 2. Число ячеек подбирается в зависимости от производительности компрессора или поверхности фильтра.

Необходимую поверхность фильтра определяют по формуле, м²:

,

(10)

где V – производительность компрессорной установки, т. е. количество воздуха, пропускаемого через фильтр, м³/с; К_ф – удельная нагрузка фильтра на 1 м² площади лобовой поверхности, (м³/с)/м², или скорость воздуха, проходящего через фильтр, м/с. В практических расчетах К_ф обычно принимают 1,1 – 0,27 (м³/с)/м².

Зная требуемую поверхность фильтра, определяют количество ячеек и способ расположения их в панели. Схема металлического фильтра с двумя ячейками для компрессоров производительностью 0,166 – 0,333 м³/с показана на рис. 3. Для компрессоров большей производительности применяются металлические фильтры с общим количеством ячеек до 18 штук и более, которые располагаются по вертикали и по горизонтали с целью увеличения пропускной площади по воздуху (табл. 5).

Таблица 5

Данные для расчета и выбора ячейковых масляных фильтров с насадкой из колец Рашига

Производительность компрессора, м^3/с	Требуемая поверхность фильтра, м^3	Необходимое количество ячеек размером 400 х 400 мм			Действительная нагрузка на фильтр, (м^3/с)/м^2	Максимально допускаемая пропускная способность фильтра, м^3/с
		всего	в том числе
			по вертикали	по горизонтали
0,166	0,273	2	2	1	0,51	0,250
0,333	0,546	4	4	1	0,51	0,416
0,500	0,819	6	3	2	0,51	0,583
0,666	1,092	8	4	2	0,51	0,833
0,833	1,365	10	5	2	0,577	0,916
1,0	1,638	12	4	3	0,51	1,166
1,116	1,911	12	4	3	0,605	1,416
1,333	2,184	15	5	3	0,55	1,500
1,500	2,457	16	4	4	0,586	1,750
1,666	2,73	18	6	3	0,577	2,0

1.4. Расчет воздухоохладителя

По назначению различают промежуточные и концевые воздухоохлади­тели. Промежуточные воздухоохладители осуществляют охлаждение воздуха между ступенями компрессора. Концевые воздухоохладители устанавливаются на выходе воздуха из компрессоров.

Количество тепла, Вт, выделяемого при охлаждении влажного воздуха, можно рассчитать по формуле:

,

(11)

где Q_в – тепловой поток при охлаждении сухого воздуха, Вт;

Q_д – дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара, Вт.

К

3

1 2

4 5

6

Рис. 2. Ячейка масляного металлического фильтра с насадкой из колец Рашига: 1 – рамка; 2 – лист стальной; 3 – сетка; 4 – кольца Рашига; 5 – ручка

оличество тепла, отдаваемого сухим воздухом, определяется по формуле, Вт:

,

(12)

где V – производительность компрессора, м³/с;

r_в – плотность воздуха при давлении и температуре во всасывающем трубопроводе компрес­сора, кг/м³;

c_{p в} – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг · град);

t₁, t₂ – температура воздуха до и после охладителя, °С.

Дополнительный тепловой поток при охлаждении и частичной конденсации водяного пара определяется по формуле:

,

(13)

где c_pm – средняя теплоемкость водяного пара при постоянном давлении, Дж/(кг·град);

r₀ – теплота парообразования, Дж/кг;

k – коэффициент, учитывающий снижение теплоты парообразования с повышением температуры конденсации;

x₁, x₂ – влагосодержание воздуха до и после воздухоохладителя, кг/кг.

Для расчета производительности и выбора воздухоохладителей компрессоров принять следующие теплофизические величины: c_pm = 1800 Дж/(кг·град); r₀ = 2,5·10⁶ Дж/кг; k = 2346.

Влагосодержание воздуха до и после охладителя определяется по формулам:

	;	(14)
	,	(15)

где R_в – газовая постоянная воздуха, Дж/(кг ·°С);

R_п – газовая постоянная водяных паров, Дж/(кг ·°С);

р₀ – давление воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

р – давление воздуха в охладителе, Па;

р_1нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха во всасывающем патрубке ступени перед охладителем, Па;

р_2нас – давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха на выходе из охладителя, Па;

j₁ – относительная влажность воздуха на входе в ступень компрессора перед охладителем;

j₂ – относительная влажность воздуха на выходе из охладителя (в случае конденсации водяного пара в охладителе j₂ = 1, при отсутствии конденса- ции х₁ = х₂).

Поверхность теплообменника воздухоохладителя определяют по формуле:

,

(16)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°С);

Dt– средний температурный напор при противотоке, °С;

e_Dt – поправка для аппаратов с перекрестным и смешанным током рабочих жидкостей (воздуха и воды) [3].

Средний температурный напор при противотоке

,

(17)

где t_в1, t_в2 – температура охлаждающего теплоносителя (воды) соответст­венно на входе и выходе из охладителя, °С.

Расчет коэффициента теплопередачи воздухоохладителей следует проводить по положениям, изложенным в курсе «Тепломассообменные процессы и аппараты». Конструкция воздухоохладителя зависит от производительности компрессора, давления охлаждаемого воздуха и охлаждающей среды (вода, воздух) кожухотрубными элементами типа "труба в трубе", U-образными змеевиками и радиаторами. Охладители всех типов, кроме змеевиковых и U-образных, могут быть гладкотрубными или с трубами, имеющими поперечные и продольные ребра.

Компрессорные воздухоохладители для давления до 3,0-3,5 МПа выполняются преимущественно кожухотрубными, а для более высокого – кожухотрубными типа "труба в трубе", U-образными. Радиаторные охладители применяются при охлаждении воздухом.

Выбор типовых воздухоохладителей производится по каталогам на основании конструктивного расчета.

Коэффициент теплопередачи для ряда водоохлаждающих устройств определяется по формуле:

,

(18)

где a_мтр – коэффициент теплоотдачи от воздуха к охлаждающей поверхности в межтрубном пространстве, Вт/(м²·град);

a_тр – коэффициент теплоотдачи от охлаждающего теплоносителя к поверхности теплообмена, Вт/(м²·град);

d – толщина стенки труб теплообменника, м;

l – коэффициент теплопроводности материала труб, Вт/(м · град);

R_з – термическое сопротивление загрязнений, (м² · град)/Вт.

После выбора воздухоохладителя выполняется его проверочный расчет.

Кожухотрубные воздухоохладители имеют в межтрубном пространстве поперечные перегородки, что позволяет увеличить скорость воздуха и повысить численное значение коэффициента теплоотдачи a_мтр.

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждаемого воздуха рассчитывается по критериальным уравнениям:

при Rе < 1000 для коридорных и шахматных пучков

;

(19)

при Rе > 1000 для коридорных пучков

;

(20)

для шахматных пучков

.

(21)

В зависимостях (19) – (21) определяющая температура – средняя температура воздуха, определяющий размер – наружный диаметр трубы.

Расчетная скорость воздуха в межтрубном пространстве определяется по формуле:

,

(22)

где V – расход воздуха, м³/с;

S_b – площадь поперечного сечения межтрубного пространства между перегородками, м².

Коэффициент теплоотдачи со стороны охлаждающего теплоносителя при течении в трубах теплообменника рассчитывается также по критериальным уравнениям.

При Rе_тр < 2300

.

(23)

Здесь

,

(24)

где d_вн – внутренний диаметр трубок, м;

–средняя температура теплоносителя (воздуха) в межтрубном пространстве, °С;

– средняя температура теплоносителя (воды) в трубном пространстве, °С;

b_тр – коэффициент объемного расширения теплоносителя в трубном пространстве, 1/°С;

r_тр – плотность воды, кг/м³;

m_тр – коэффициент динамической вязкости, Па · с.

При 2300 < Rе < 1·10⁴

,

(25)

где e – поправочный коэффициент, рассчитывается как функция Re_тр путем интерполяции данных [4], приведенных в табл. 6.

Таблица 6

Данные для расчета e

Reтр·10^3	2,3	2,5	3,0	3,5	4,0	5,0	6,0	7,8	8,0	9,0	10,0
e	3,6	4,9	7,5	10,0	12,2	16,5	20,0	24,0	27,0	30,0	33,0

При Rе > 1·10⁴

.

(26)

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

.

(27)

где l_мтр, l_тр – коэффициенты теплопроводности теплоносителей соответственно в межтрубном и трубном пространстве, Вт/(м · град).

Расход охлаждающей воды в воздухоохладителе, кг/с,

.

(28)

где с_ж – теплоемкость воды, Дж/(кг · град).

Количество охлаждающей воды, подаваемой в рубашку цилиндра компрессора, определяется по справочным данным при выборе типа компрессора. Общий расход охлаждающей воды есть сумма количества воды в воздухоохладителе и в рубашке цилиндра компрессора. По расходу воды и ее параметрам производятся выбор и расчет водоохлаждающего устройства.