Агрегат воздушного охлаждения масла

33

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Предварительный тепловой расчёт и предварительное определение площадей теплообмена

1.1 Исходные данные

1.2 Определение массового расхода охлаждающего ТН и количества теплоты, передаваемой теплообменником

1.3 Определение суммарной поверхности теплообмена

2. Выбор геометрии трубы и определение конструктивных параметров

2.1 Определение общей длины трубы

2.2 Определение количества труб в теплообменном аппарате

2.3 Расчёт геометрии каналов

2.4 Определение коэффициента оребрения

2.5 Определение габаритных размеров теплообменного аппарата

2.6 Расчёт площадей теплообмена

3. Тепловой расчёт

3.1 Расчёт площадей для прохода теплоносителей

3.2 Определение эквивалентных диаметров

3.3 Определение скоростей теплоносителей

3.4 Расчёт критериальных коэффициентов

3.5 Определение коэффициентов теплоотдачи теплоносителей

3.6 Определение коэффициентов теплопередачи

3.7 Определение запаса поверхности теплообмена

4. Гидравлический расчёт

4.1 Определение общих гидравлических потерь

4.2 Определение потери давления воздуха

4.3 Расчёт мощности, потребляемой вентилятором

4.4 Расчёт мощности, потребляемой насосом

5. Расчёт остальных конструктивных элементов теплообменника

5.1 Расчёт патрубка

Выводы

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время рост технологий приводит к появлению большого количества различных машин и различных устройств, обеспечивающих их надёжную работу. Системы и механизмы современного оборудования работают с выделением или поглощением большого количества тепловой энергии. Производителями или утилизаторами тепловой энергии в машинах служат специальные аппараты - теплообменники.

В теплообменных аппаратах (ТА) один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю (тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния какого-либо теплоносителя (кипение, конденсация), то его температура остается неизменной. В остальных случаях температуры в ТА изменяются. ТА применяются как отдельные агрегаты или элементы оборудования станков энергетических установок в различных отраслях промышленности.

ТА, применяемые в газотурбинных или парогазовых установках (ГТУ и ПГУ), - устройства, в которых происходит передача от горячего рабочего тела установки к холодному. Аппараты в составе ГТУ или ПГУ можно условно разделить на два класса: включенные и не включенные в цикл. В ГТУ к первому типу можно отнести воздухоподогреватели (регенераторы), промежуточные (между каскадами) воздухоподогреватели. Ко второму - маслоохладители, утилизационные водоподогреватели, котлы-утилизаторы, подогреватели топливного газа. В ПГУ утилизационные водоподогреватели и котлы-утилизаторы относятся к первому классу. ТА первого класса повышают КПД цикла: возвращают в цикл выхлопную теплоту, уменьшая работу сжатия и т.п. Аппараты второго класса либо обеспечивают различные нужды ГТУ, либо повышают общую экономичность (например экономичность транспорта газа).

Качество и работа теплообменных аппаратов (ТА) прямым образом влияет на характеристики и параметры работы машины в целом. Проектирование и расчет ТА является сложным и трудоёмким процессом инженерного труда. К таким аппаратам предъявляются очень высокие требования:

- высокий уровень надежности и экономичности работы;

- соответствие условиям снижения металлоемкости и работ обслуживания.

По принципу работы ТА делятся на поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и контактные. В рекуперативных ТА обменивающиеся теплотой среды протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их поверхность. Рекуперативные ТА наиболее распространены. В регенеративных ТА поверхность теплообмена по очереди омывается то греющим, то нагреваемым теплоносителями. В качестве поверхности теплообмена используются теплоаккумулирующие элементы.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость - жидкость, пар - жидкость, пар - пар, пар - газ, газ - газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей существуют следующие ТА: без изменения агрегатного состояния, с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя, с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТА делят на три типа: С естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией, с движением жидкости под действием сил гравитации.

По ориентации теплопередающей поверхности ТА бывают вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Рассмотрим теплообменники с оребренными трубами или воздухоохлаждаемые теплообменники. В таком теплообменном аппарате из-за низкой плотности воздуха должно проходить большое количество воздуха, но поскольку осевые вентиляторы создают небольшие перепады давления, то это приводит к низкой скорости воздуха - до10 м/с, и к короткому тракту прохода воздуха. Все это обусловливает небольшие коэффициенты теплоотдачи со стороны воздуха (50…100 (Вт/М²*К)). Так как коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя (внутри трубы) в 10-200 раз больше, представляется целесообразным использовать поверхность теплообмена с высоким отношением площади, контактирующей с воздухом, к площади, омываемым другим теплоносителем. Т.е. необходимо применять трубы с высокими ребрами.

Выполнение данного курсового проекта способствует получению инженерных навыков по тепловым расчетам и проектированию, как отдельных элементов, так и теплообменного аппарата ТА в целом.

Основную часть проекта составляют тепловой и гидравлический расчеты. Тепловой расчет агрегата воздушного охлаждения масла (АВОМ) состоит из первичного и проверочного. Методика этих расчетов является общей. Различие заключается в целях расчета, искомых величинах и последовательности его выполнения.

1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ТЕПЛООБМЕНА

1.1 Исходные данные

Тип ТО	Gм, М3/ч	°С	°С	°С	°С	Теплоноситель
						горячий	холодный
АВО	25	84	61	30	43	Масло МК-22	воздух

Рисунок 1.1 - Схема тока

Теплообменный аппарат данного вида принадлежит к аппаратам воздушного охлаждения с однократным перекрестным током.

1.2 Определение массового расхода охлаждающего ТН и количества теплоты, передаваемой теплообменником

Из уравнения теплового баланса определяем массовый расход охлаждающего ТН:

(1.1)

где - расход горячего ТН (масло МК-22);

- расход холодного ТН (воздух);

- начальная температура горячего ТН, = 84°С;

- конечная температура горячего ТН, = 61°С;

- начальная температура холодного ТН, = 30°С;

- конечная температура охлаждающего ТН, = 43°С;

Далее индексы «1» и «2» будут означать горячий и охлаждающий ТН соответственно. А надстрочные символы «'» и «''» соответствуют начальному и конечному участкам соответственно.

Находим расход охлаждающего ТН ():

- средняя температура горячего ТН;

 - средняя температура охлаждающего ТН;

Определяем значение плотности теплоносителей:

- плотность горячего ТН;

- плотность охлаждающего ТН;

Для определения массового расхода охлаждающего ТН необходимо определить по таблицам значения удельных теплоемкостей [1]:

1.3 Определение суммарной поверхности теплообмена

Суммарную поверхность теплообмена определяем из уравнения теплопередачи:

(1.2)

где - количество теплоты, передаваемое в процессе теплообмена;

- коэффициент теплопередачи:

- для горячего ТН;

- для охлаждающего ТН;

- суммарная площадь теплообмена

(1.3)

- среднелогарифмический температурный напор:

(1.4)

где - поправочный коэффициент, который является функцией и определяется по рисунку 1.2;

Рисунок 1.2 - Поправочный коэффициент для однократного перекрёстного тока

- поправочные температурные коэффициенты:

(1.5)

Определяем необходимую поверхность теплообмена:

2 ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ ТРУБЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВО

2.1 Определение общей длины трубы

Общая длина трубы определяется по формуле:

(2.1)

где - суммарная поверхность теплообмена;

- внутренний диаметр трубы.

Для данного теплообменного аппарата выбираем стандартные стальные трубы (Сталь 45), с внутренним диаметром , наружный диаметр и толщиной стенки .

2.2 Определение количества труб в теплообменном аппарате

Количество труб в теплообменнике определяется как отношение площади необходимой для прохода масла к площади поперечного сечения одной трубы:

(2.2)

где - площадь, необходимая для прохода масла:

(2.3)

где - скорость горячего ТН внутри трубы,

- площадь поперечного сечения одной трубы:

(2.4)

Принимаем количество труб .

Располагаем трубы в шахматном порядке в пять рядов (рис. 2.1) и рассчитываем количество труб в одном ряду.

(2.5)

где - количество рядов,



Рисунок 2.1 - Шахматная схема расположения

- шаги труб в трубной доске,

Определяем длину одной трубы по формуле:

(2.6)

Из ряда стандартных длин труб (ГОСТ 20764-79) выбираем трубы длиной . После принятия длины трубы пересчитаем общую длину труб в ТО:

Данная схема имеет два хода труб, так как эта конструкция позволяет уменьшить линейные размеры ТА.

2.3 Расчёт геометрии каналов

В качестве теплообменной поверхности принимаем оребрёную монометаллическую трубу (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Геометрические характеристики поперечно - оребрённых труб

На рис. 2.2 приведены геометрические размеры оребрённой трубы с круглыми рёбрами, где:

- толщина стенки трубы, ;

- толщина ребра, ;

- высота ребра, ;

- шаг ребра, ;

- диаметр оребрения, .

2.4 Определение коэффициента оребрения

Этот коэффициент определяет соотношение геометрических характеристик ребристой трубы и определяется по формуле:

(2.8)

2.5 Определение габаритных размеров теплообменного аппарата

Габаритные размеры теплообменного аппарата показаны на рис. 2.3,

где - ширина теплообменного аппарата:

(2.9)

- высота теплообменного аппарата:

(2.10)

- длина теплообменного аппарата,



Рисунок 2.3 - Компоновка теплообменного аппарата для одного захода

2.6 Расчёт площадей теплообмена

Определяем длину одного погонного метра трубы:

(2.11)

Внутренняя поверхность одного погонного метра трубы определяется по формуле:

(2.12)

Рассчитываем общие поверхности теплообмена:

- общая наружная поверхность труб:

 (2.13)

- общая внутренняя поверхность труб:

(2.14)

3 ПОВЕРОЧНІЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

3.1 Расчёт площадей для прохода теплоносителей

Определяем площадь сечения для прохода воздуха в узком сечении по формуле:

(3.1)

Уточняем площадь сечения для прохода масла:

(3.3)

3.2 Определение эквивалентных диаметров

Эквивалентный диаметр по воздуху определяется из соотношения:

(3.4)

где - смоченный периметр для прохода воздуха:

 (3.5)

Эквивалентный диаметр по маслу равен внутреннему диаметру трубы:

3.3 Определение скоростей теплоносителей

В предварительном тепловом расчёте скорость движения ТН внутри трубы была выбрана из ряда рекомендуемых скоростей и составляла . В тепловом расчёте скорость горячего ТН уточняется по формуле:

(3.6)

Определяем скорость ТН в межтрубном пространстве по формуле:

(3.7)

3.4 Расчёт критериальных коэффициентов

Расчёт критериальных коэффициентов сводится к определению числа Нуссельта в зависимости от режима потока, необходимого для определения коэффициентов теплоотдачи со стороны теплоносителей. Расчёт критериальных коэффициентов при обтекании труб с поперечными круглыми рёбрами для шахматного расположения ведётся по методике SVUSS.

Определяем число Рейнольдса для установления режима течения масла по трубам:

(3.8)

где - коэффициент кинематической вязкости, который выбирается в зависимости от средней температуры масла по таблице П.12[1]:

Так как <2200, то характер течения ТН в трубах - ламинарный и для определения критерия Нуссельта используется следующее выражение:

(3.9)

где - критерий Прандтля, определяется по средней температуре масла

по таблице П.12[1]: =781,5;

d - диаметр турбулизатора, d=13 мм;

D - диаметр навивки спирали турбулизатора, D=68 мм;

- коэффициент динамической вязкости, который определяется по формуле:

(3.10)

- коэффициент динамической вязкости, который определяется по формуле:

(3.11)

где - плотность масла при средней температуре стенки, которая определяется по таблице П.13[1]:

(3.12)

 - коэффициент кинематической вязкости масла при средней температуре стенки, который определяется по таблице П.12[1]:

Определяем характер течения и критерий Нуссельта для охлаждающего ТН, текущего в межтрубном пространстве:

(3.13)

где - коэффициент кинематической вязкости, который выбирается в зависимости от средней температуры воздуха по таблице П.4[1]:

Так как <10000, то характер течения ТН в межтрубном пространстве - ламинарный и для определения критерия Нуссельта используется следующее выражение:

 (3.14)

где - критерий Прандтля, определяется по средней температуре воздуха по таблице П.4[1]: ;

3.5 Определение коэффициентов теплоотдачи теплоносителей

Коэффициенты теплоотдачи определяются для масла и воздуха в зависимости от найденных ранее критериальных коэффициентов, а именно критериев Нуссельта.

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны масла:

(3.15)

где - коэффициент теплопроводности масла, который определяется по таблице П.12[1];

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха:

 (3.16)

где - коэффициент теплопроводности воздуха, который определяется по таблице П.4[1], =0.0276;

3.6 Определение коэффициентов теплопередачи

Определяем коэффициент теплопередачи со стороны масла по формуле:

(3.17)

где - средняя поверхность теплообмена по основанию рёбер:

- коэффициент теплопроводности стенки трубы, который определяется по таблице П.20[1], =47.8;

(3.18)

Определяем коэффициент теплопередачи со стороны воздуха по формуле:

(3.19)

3.7 Определение запаса поверхности теплообмена

Для определения запаса поверхности теплообмена необходимо уточнить площади теплообмена по маслу и воздуху. По формуле (1.3) находим суммарные поверхности теплообмена по маслу и воздуху:

Определяем запас поверхности теплообмена по маслу:

 (3.20)

Определяем запас поверхности теплообмена по воздуху:

(3.21)

4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

4.1 Определение общих гидравлических потерь

Общее гидравлическое сопротивление при движении масла внутри труб состоит из потерь на трение и местные сопротивления, и определяется по следующей формуле:

(4.1)

где - коэффициент сопротивления трения;

- коэффициент местных сопротивлении, который определяется по формуле:

где - коэффициент местных сопротивлении на входе в коллектор, ;

- коэффициент местных сопротивлении на входе в трубу, ;

- коэффициент местных сопротивлении на выходе из трубы, ;

- коэффициент местных сопротивлений при повороте потока,

;

- коэффициент местных сопротивлении на выходе из коллектора, ,

Все вышеуказанные коэффициенты местных сопротивлений определяются по таблице 3.1[1] , таблице 3.2[1], таблице 3.4[1] и данным справочника[4].

(4.2)

= 0,65563

4.2 Определение потери давления воздуха

Потери давления при протекании воздуха через пучок оребрённых труб можно определить с помощью формулы:

(4.3)

где - функция расположения оребрённых труб, которых при шахматном расположении оребренных трубок с гладкими параллельными накатанными ребрами и определяется по методике IFTPE:

,

где - количество рядов.

Из формулы (4.3) найдем :

(4.4)

4.3 Расчёт мощности, потребляемой вентилятором

Потребляемая мощность аппарата воздушного охлаждения определяется по формуле:

(4.5)

где - коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора,



При расчёте мощности, потребляемой вентилятором, были учтены потери при продувании пяти рядов труб, но не были учтены потери на трение в конфузорах вентиляторов. По этой причине мощность, потребляемая вентилятором, в действительности будет большей.

4.4 Расчёт мощности, потребляемой насосом

Мощность, потребляемая насосом для прокачки труб маслом, рассчитывается по формуле:

(4.6)

где - КПД насоса,

5 РАСЧЁТ ДРУГИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННИКА

5.1 Расчёт патрубка

Из уравнения расхода находим диаметр патрубка:

;

;

Принимаем d равным 0,114 м.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате проведенного расчёта теплообменного аппарата типа «Аппарат воздушного охлаждения», были рассчитаны и проверены размеры теплообменного аппарата, удовлетворяющие необходимым условиям теплообмена. Проектировка данного аппарата производилась по исходным данным, а именно: температурам холодного и горячего теплоносителей на входе и выходе в теплообменный аппарат, типа теплообменного аппарата, а также расходу охлаждаемого масла.

Спроектированный теплообменный аппарат является двухзаходным и представляет собой четыре ряда труб, расположенных в шахматном порядке и длиной по 6 метров. Геометрия труб и их длина были выбраны согласно принятым стандартам и обеспечивают необходимую площадь теплообмена. Также были подсчитаны габаритные размеры теплообменного аппарата и определены запасы площадей теплообмена по воздуху и маслу, которые составляют 26,28017 %.

В результате проведения гидравлического расчёта были подсчитаны потери при прохождении воздуха в межтрубном пространстве и при прохождении масла в трубах. По результатам этих расчётов были определены мощности вентилятора и насоса, необходимых для продувки агрегата воздухом и для прокачки масла по трубам соответственно.

теплообменный аппарат воздушное охлаждение масло

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоменко А.С., Чернов С.К. «Расчёт и проектирование теплообменных аппаратов с оребрённой поверхностью».- ХАИ 2005.

2. Алексеев, Мазовер «Справочник конструктора-машиностроителя».

3. Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям».- М., Л., 1975.

Размещено на Allbest.ru