Аппарат воздушного охлаждения масла

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Предварительный расчет теплообменного аппарата 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 АВОМ

2.1 Определение геометрических параметров трубы

2.2 Определение количества труб в теплообменном аппарате

2.3 Расчет геометрии каналов

2.4 Определение коэффициента оребрения

2.5 Определение габаритных размеров теплообмена

3. Поверочный тепловой расчет

3.1 Расчет площадей для прохода теплоносителей

3.2 Определение эквивалентных диаметров

3.3 Определение скоростей теплоносителей

3.4 Расчет критериальных коэффициентов

3.5 Определение коэффициентов теплоотдачи теплоносителей

3.6 Определение коэффициентов теплопередачи

3.7 Определение запаса поверхности теплообмена

4. Гидравлический расчет аппарата

4.1 Определение потери давления масла

4.2 Определение потери давления воздуха

4.3 Расчет мощности, потребляемой вентилятором

4.4 Расчет мощности, потребляемой насосом

5. Расчет других конструктивных элементов теплообменника

Выводы

Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

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).

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, их используют в самых различных областях техники. В регенеративных ТА поверхность теплообмена по очереди омывается то горячим, то холодным теплоносителями. В контактных ТА передача теплоты происходит при непосредственном контакте теплоносителей.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей существуют такие ТА: без изменения агрегатного состояния, с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя, с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей. Так как в ТА протекают различные процесса теплообмена - нагрев, охлаждение, кипение, конденсация, вымораживание, ректификация и т.д., - то в зависимости от этих процессов ТА делятся на подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

По функциональным признакам проектируемый далее ТА относится к рекуперативным, в котором - жидкость-газ. Агрегатное состояние теплоносителей в нем не изменяется.

Рекуперативные теплообменники, выпарные аппараты, испарители, конденсаторы относятся к ТА с принудительной циркуляцией. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, регенеративные - в нестационарном режиме.

По виду поверхности теплообмена рекуперативные ТА делятся на: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U-образными трубами; секционные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчато-ребристые.

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные ТА бывают: без компенсации (жёсткая конструкция), с компенсацией упругим элементом (полужёсткая конструкция), с компенсацией в результате свободных удлинений (нежёсткая конструкция).

По виду кожуха, ограничивающего теплопередающую поверхность, рекуперативные ТА делятся на: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожухотрубные к компенсатором на кожухе; не имеющие ограничивающего кожуха (оросительные аппараты).

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

По числу теплоносителей ТА делятся на двухпоточные, трёхпоточные и многопоточные. ТА с промежуточным теплоносителем используются в ГТУ, так как им легко придать необходимую форму.

В зависимости от направления потоков различают прямоток, противоток, перекрёстный ток, смешанный ток и т.д.

Расчёт аппарата воздушного охлаждения масла, как и любого другого, будет проводиться в четыре этапа: предварительный тепловой расчёт и определение предварительных площадей теплообмена, выбор геометрии трубы и определение конструктивных параметров АВО, тепловой расчёт, гидравлический расчёт.

Тепловой расчёт выполняется уже существующего теплообменного аппарата.

По имеющимся конструктивным характеристикам определяется расход холодного теплоносителя. В конечном счете, определяются все исходные данные для проведения всех вышеуказанных расчётов.

В данном проекте мы будем выполнять разработку нового теплообменного аппарата по предварительно заданным исходным данным.

1 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДЕЙ ТЕПЛООБМЕНА

Предварительный расчет выполняется с целью получения геометрических размеров для последующего поверочного расчета.

1.1 Исходные данные

Тип ТО	G1, Кг/с	°С	°С	°С	°С	Теплоноситель
						горячий	холодный
АВОМ	4,09	78	47	25	37	Масло турбинное-22	воздух

Рисунок 1.1 - Схема тока

Теплообменный аппарата данного вида принадлежит к аппаратам воздушного охлаждения с однократным перекрёстным 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 турбинное 22);

- расход охлаждающего ТН (воздух);

- начальная температура горячего ТН, ;

- конечная температура горячего ТН, ;

- начальная температура охлаждающего ТН, ;

- конечная температура охлаждающего ТН, .

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

Средняя температура горячего ТН:

Средняя температура холодного ТН:



Определяем значение плотности да теплоносителей:

- плотность горячего ТН;

- плотность холодного ТН.

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

1.3 Определение суммарной поверхности теплообмена

Суммарную поверхности теплообмена определяем из уравнения теплопередачи:

(1.2)

где - количество теплоты, передаваемое в процессе теплообмена;

- коэффициент теплопередачи:

- для горячего ТН,

- для охлаждающего ТН;

Выбираем и

- 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

Определяются поправочные температурные коэффициенты:

(1.5)

Сопоставив суммарные поверхности площади теплообмена горячего и холодного теплоносителей, получим:

.

2 ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ ТРУБЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВОМ

Расчет выполняется с целью определения общей поверхности теплообмена со стороны горячего и холодного теплоносителей.

2.1 Определение геометрических параметров 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 .

Определяем толщину стенки из соотношения

(2.2)

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:

(2.3)

где - площадь, необходимая для прохода масла;

(2.4)

Где - скорость горячего ТН внутри трубы,

- площадь поперечного сечения одной трубы:

(2.5)

Принимаем количество труб

Располагаем трубы в шахматном порядке в пять рядов и рассчитываем количество труб в одном ряду

(2.6)

где - количество рядов, .

Рисунок 2.1 - Шахматная схема расположения труб

- шаги труб в трубной доске, .

Определяем длину одной трубы по формуле:

(2.7)



Принимаем количество заходов х= 3.

Из ряда стандартных длин труб (ГОСТ 20764-79) выбираем трубы длиной .

2.3 Расчёт геометрии каналов

В качестве теплообменной поверхности принимаем оребрённую монометаллическую трубу (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Геометрические характеристики поперечно-оребрённых труб

На рисунке 4 приведены геометрические размеры оребрённой трубы с накатанным шайбовым оребрением (с круглыми рёбрами), где

- толщина стенки трубы, ;

- толщина ребра, ;

- высота ребра, ;

- шаг ребра, ;

х - количество заходов;

- 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.5, 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 площадь одного погонного метра трубы:

(2.11)

Внутренняя поверхность трубы определяется по формуле

(2.12)

Рассчитываем общие поверхности теплообмена:

- общая наружная поверхность труб

 (2.13)

- общая внутренняя поверхность труб

(2.14)

3 ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Тепловой расчет выполняется с целью определения коэффициентов теплопередачи и запаса теплопередающей поверхности.

3.1 Расчёт площадей для прохода теплоносителей

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

(3.1)

где - средняя площадь поверхности теплообмена:

(3.2)

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 IFTPE.

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.16[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.16[1]: ;

- отношение диаметра турбулизатора к диаметру его навивки соответственно,

- 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.16[1]:

 (3.12)

- коэффициент кинематической вязкости масла при средней температуре стенки, который определяется по таблице:

Так же определяем коэффициент динамической вязкости:

Числом Нуссельта по маслу вычисляется по формуле:

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 100<<20000, 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], ;

- коэффициент влияния числа рядов оребрённых труб, определяется по рис.4.2 [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.16[1], ;

Определяем коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха:

(3.16)

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

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], ;

(3.18)

Определяем коэффициент теплопередачи со стороны воздуха:

(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 ГИДРАВЛИЧЕСКМЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

Рис. 4.1 Расстановка местных сопротивлений:

1. Сопротивление выхода из патрубка в коллектор;

2. Сопротивление выхода из коллектора в трубу;

3. Местное сопротивление;

4. Сопротивление поворота на 180°(При расчете принимаем два резких поворота по 90°)

5. Сопротивление входа в трубу;

6. Сопротивление выхода из трубы;

7. Сопротивление поворота на 180°;

8. Сопротивление входа в трубу;

9. Сопротивление выхода из трубы;

10. Сопротивление выхода из коллектора в патрубок.

В данном разделе рассматриваются гидравлические расчеты. Задачей расчета является определение перепада давления (потери) теплоносителя на участке между входом и выходом из теплообменника и определении мощности вентилятора.

4.1 Определение потери давления масла

Общее гидравлическое сопротивление при движении масла внутри труб складывается из потерь на трение и местных сопротивлений и определяется по следующей формуле

(4.1)

где: - эквивалентный диаметр канала = dвн,

- длина трубы,

коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент трения в общем случае зависит от числа Re и относительной шероховатости .

Где - абсолютная шероховатость стенки трубы [м].

Для латунных труб примем =8?10^-5м.

Определение в различных элементах конструкции

,

где: 1. ;

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. ;

6. ;

7.

8. ;

9. .

.

Все вышеуказанные коэффициенты местных сопротивлений определяются по таблице 3.1[1] и таблице 3.2[1]. Коэффициент сопротивления трения рассчитывается по формуле:

(4.7)

.

Зная все данные, можем найти

4.2 Определение потери давления воздуха

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

(4.5)

где - функция расположения оребрённых труб, которая при шахматном расположении оребрённых трубок с гладкими параллельными накатанными рёбрами и определяется по методике IFTPE: (4.6)

4.3 Расчёт мощности, потребляемой вентилятором

Потребляемая мощность аппарата воздушного охлаждения определяется по формуле:

(4.7)

где - коэффициент полезного действия (КПД) вентилятора,

При расчёте мощности, потребляемой вентилятором, были учтены потери при продувании шести 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 масла по трубам, рассчитывается по формуле:

(4.8)

где - КПД насоса, ;

5 РАСЧЕТ ДРУГИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННИКА

Расчет выполняется с целью определения геометрических размеров входного патрубка.

Расчет патрубка:

м;

Принимаем 0,14 м.

ВЫВОДЫ

масло воздушное охлаждение теплообменник

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 представляет собой пять рядов труб, расположенных в шахматном порядке длиной 3 метра в три хода. 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 составляюти соответственно.

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.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

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

2. Андреев В.А. «Теплообменные аппараты для вязких жидкостей».- Л., 1971.

3. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. «Справочник по теплообменным аппаратам».- М., 1989.

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

5. Михеев М.А., Михеева И.М. «Основы теплопередачи».- М., 1973.

Размещено на Allbest.ru