Оптимизация конструкции воздухоохлаждающего маслоохладителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТА

Конструкция воздухоохлаждающего маслоохладителя приведена на рисунке 1.1.

Для трансформаторов мощностью 10000 кВ•А и более преимущественно применяется охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха, условно обозначаемое ДЦ. Воздушные маслоохладители особенно незаменимы в местностях с недостатком технологической охлаждающей воды. Эти охлаждающие устройства обладают достаточно высокой эффективностью, однако реальные возможности заметного повышения ее не исчерпаны полностью до настоящего времени.

Конструкции воздушных маслоохладителей (рисунок 1.1) отличаются друг от друга в основном только типом поверхности теплообмена. Охладитель состоит из нескольких рядов оребренных труб, вваренных или развальцованных в трубные решетки. К патрубку верхней камеры присоединяется насос, а к патрубку нижней камеры - сильфонный компенсатор, струйное реле и фильтр. На кронштейнах, установленных на охладителе, устанавливаются осевые вентиляторы с направляющими воздушный поток диффузорами. Холодный поток воздуха омывает снаружи трубы пучка, а нагретое при работе трансформаторное масло забирается насосом из верхней части бака трансформатора, движется принудительно внутри труб, охлаждается в них, передавая тепло воздуху, а затем возвращается в нижнюю часть бака. Контроль за циркуляцией масла в маслоохладителе осуществляется с помощью струйного реле. Конструкция охладителя должна предусматривать компенсацию температурных удлинений труб пучка. Фильтр масляный, сетчатый, предназначен для очистки масла от волокон и других твердых частиц, находящихся в масле. Устанавливается фильтр вблизи входа охлажденного масла в бак трансформатора.

Для циркуляции масла применяются центробежные герметические (бессальниковые) насосы с мокрым и экранированным статором для тансформаторов стационарных установок. Нормальная работа насоса обеспечивается при температуре окружающего воздуха от -45 до +55 оС.

Принудительный поток воздуха через пучок создается осевым вентилятором. Вентиляторы направляют воздушный поток на трубный пучок, электродвигатель расположен перед рабочим колесом на ходу воздуха.

Поверхность теплообмена шахматного пучка маслоохладителя выполняют из биметаллических труб с алюминиевыми спирально-накатанными гладкими или переферийно насеченными по винтовой линии ребрами, а так же навитыми петельно-проволочными ребрами из стали.

Рисунок 1.1. Конструкция воздухоохлаждающего маслоохладителя

1 - электронасос; 2 - маслоохладитель; 3 - вентилятор.

2. СОСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

воздухоохлаждающий маслоохладитель оптимизация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Алгоритм теплового конструктивного расчёта

Расчет воздушного маслоохладителя в соответствии с исходными данными производим по программе, составленной в среде Microsoft Excel. На рисунке 2.1 представлен алгоритм программы.

2.1 Внешние параметры

Таблица 2.1 - Внешние параметры

№	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
3	Температура греющего теплоносителя на входе	t'1	0С	70
4	Температура греющего теплоносителя на выходе	t"1	0С	40
5	Давление греющего теплоносителя	P'1	МПа	0,5
6	Средняя температура сухого воздуха в 13 часов дня для наиболее жаркого месяца в году	tв	0С	27
7	Максимальная температура воздуха в данной географической местности	tвmax	0С	29,9
8	Температура нагреваемого теплоносителя на выходе	t2''	oC	34
9	Давление нагреваемого теплоносителя	P'2	МПа	0,1
10	Расход греющего теплоносителя	G1	т/ч	20
11	Наружный диаметр труб	dн	м	0,025
12	Толщина трубы	д	м	0,002
13	Диаметр у основания ребра	d0	м	0,028
14	Шаг ребра	s	м	0,0035
15	Высота ребра	hp	м	0,01
16	Толщина ребра	Д	м	0,00085
17	Коэффициент формы поперечного сечения ребра	м	-	1,00
18	Коэффициент теплопроводности стали	лст	Вт/(м•К)	52
19	Коэффициент теплопроводности алюминия	лал	Вт/(м•К)	230
20	Плотность материала несущей трубы	сст	кг/м3	7850
21	Плотность материала ребристой поверхности	сал	кг/м3	2700
22	Термическое контактное сопротивление между ребристой оболочкой и несущей трубой	Rк	(м2*К)/Вт	0,0003
23	Поправочный коэффициент на угол подъема у линии накатного ребра	Cг	-	1
24	Поправочный коэффициент на угол атаки потоком воздуха пучка труб	Cш	-	1
25	КПД электродвигателя	зэл	-	0,95
26	КПД насоса	зн	-	0,8
27	КПД вентилятора	зв	-	0,6
28	КПД привода	зпр	-	0,98
29	Стоимость стали	Сст	тыс.р/т	32
30	Стоимость алюминия	Сал	тыс.р/т	135
31	Стоимость электроэнергии	Сэ	руб/кВт*ч	3,13
32	Число часов работы ТА	?	ч/год	8000
33	Коэффициент амортизационных отчислений	a	-	0,1
34	Доля отчислений на текущий капитальный ремонт	b	-	0,2
35	Коэффициент банковского кредита	c	-	0,15
36	Коэффициент местного сопротивление при входе в водяную камеру	Ш1	-	1,5
37	Коэффициент местного сопротивление при входе потока в трубы	Ш2	-	0,5
38	Коэффициент местного сопротивление при выходе потока из труб	Ш3	-	1
39	Коэффициент местного сопротивление при выходе из водяной камеры	Ш4	-	1,5
40	Коэффициент местного сопротивление при повороте потока на 180о между ходами теплообменника	Ш5	-	2,5
41	Коэффициент удержания теплоты изоляцией	з	-	0,98

2.2 Теплофизические свойства теплоносителей

По следующим зависимостям определяем теплофизические свойства теплоносителей.

Средняя температура нагреваемого теплоносителя (атмосферного воздуха) ,?С, определяется по формуле:

, (2.2.1)

где - температура нагреваемого теплоносителя на входе, ?С;

По средней температуре атмосферного воздуха определяются его теплофизические свойства.

Средняя теплоемкость атмосферного воздуха Ср2, кДж/(кг?С), в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.2)

Плотность атмосферного воздуха 2, кг/м3, в диапазоне оС определяется по формуле:

(2.2.3)

Коэффициент кинематической вязкости атмосферного воздуха 2, м2/с, в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.4)

Коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха 2, Вт/(мК), в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.5)

Средняя температура греющего теплоносителя (трансформаторного масла) ,?С, определяется по формуле:

, (2.2.6)

По средней температуре трансформаторного масла определяются его теплофизические свойства.

Средняя теплоемкость трансформаторного масла Ср1, кДж/(кг?С), в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.7)

Плотность трансформаторного масла 1, кг/м3, в диапазоне оС определяется по формуле:

(2.2.8)

Коэффициент кинематической вязкости трансформаторного масла 1, м2/с, в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.9)

Коэффициент теплопроводности трансформаторного масла 1, Вт/(мК), в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.10)

Число Прандтля трансформаторного масла Pr1, в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.11)

Коэффициент объемного расширения трансформаторного масла в1, 1/К, в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.12)

Задаемся температурой стенки со стороны греющего теплоносителя tст1, oС.

Число Прандтля стенки со стороны масла Prст1, в диапазоне оС определяется по формуле:

. (2.2.13)

2.3 Недостающие параметры

Температуру воздуха на входе в маслоохладитель , oC, можно определить по формуле:

, (2.3.1)

Значение температур tв, tвmax приводятся в климатических таблицах.

Тепловую нагрузку аппарата определяем из уравнения теплового баланса Q, кВт:

, (2.3.2)

Исходя из уравнения теплового баланса, можно найти массовый расход нагреваемого теплоносителя G2, кг/с:

(2.3.3)

2.4 Оптимизируемые параметры

Относительный поперечный шаг труб в пучке - у1;

Относительный продольный шаг труб в пучке - у2;

Число рядов труб - z2, шт.;

Число ходов - z1, шт.;

Число труб в одном ряду - n , шт.

2.5 Компоновочный расчёт теплообменного аппарата

Диаметр по вершине ребра d, м, определяется по формуле:

; (2.5.1)

Поперечный шаг труб в пучке S1, м, вычисляем по формуле:

; (2.5.2)

Продольный шаг труб в пучке S2, м, вычисляем по формуле:

; (2.5.3)

Диагональный шаг труб в пучке S2', м, вычисляем по формуле:

; (2.5.4)

Относительный диагональный шаг труб в пучке у2', вычисляем по формуле:

; (2.5.5)

Коэффициент оребрения ц, определяется по формуле:

(2.5.6)

Общее число труб m, шт, определяется по формуле:

; (2.5.7)

Полученный результат округляем до целого значения.

Внутренний диаметр трубки dвн, м, определяется по формуле:

dвн= dн - 2; (2.5.8)

Толщина ребристой алюминиевой оболочки уал, м, определяется по формуле:

; (2.5.9)

Число ребер на 1м длины трубы n, шт:

n = 1/s (2.5.10)

Площадь торцевых поверхностей рёбер Fт, м2/м, определяется по формуле:

(2.5.11)

Площадь боковой поверхности рёбер на 1м длины трубы Fб, м2/м, определяется по формуле:

, (2.5.12)

Площадь поверхности ребер на 1м длины трубы Fp, м2/м, определяется по формуле:

(2.5.13)

Площадь поверхности трубы длиной 1м по основанию рёбер Fтр, м2/м, определяется по формуле:

(2.5.14)

Полная поверхность 1 погонного м трубы F, м2/м, определяется по формуле:

(2.5.15)

Площадь внутренней поверхности всех трубок F1, м2, определяется по формуле: (2.5.16)

Коэффициент фронтального сечения пучка труб Xфр, м2, определяется по формуле:

; (2.5.17)

Коэффициент диагонального сечения пучка труб Xдиаг, м2, определяется по формуле:

; (2.5.18)

Приведенная длина обтекания l, м, определяется по формуле:

(2.5.19)

Ширина теплообменника В, м, определяется по формуле:

(2.5.20)

Глубина теплообменника Г, м, определяется по формуле:

(2.5.21)

Соотношение ширины и длины теплообменника A, определяется по формуле:

 (2.5.22)

2.6 Тепловой конструктивный расчет теплообменного аппарата

Площадь сечения трубки для прохода масла f1, м2, определяется по формуле:

(2.6.1)

Скорость масла внутри труб w1, м/с, определяется по формуле:

(2.6.2)

Значение Рейнольдса Re1 для греющего теплоносителя, определяется по формуле:

(2.6.3)

Критерий Грастгоффа Gr1:

Gr1=g1la3(t1- tст1)/12 (2.6.4)

Значение числа Нуссельта Nu для Re<2300 (ламинарный режим течения жидкости) находим по уравнению:

 (2.6.5)

Коэффициент теплоотдачи б1 со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2К), определяется по формуле:

(2.6.6)

Площадь сжатого сечения пучка f2, м2, определяется по формуле:

(2.6.7)

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка w2, м/с, определяется по формуле:

(2.6.8)

Число Рейнольдса Re2 для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле:

(2.6.9)

Число Нуссельта Nu для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле:

(2.6.10)

где m=0,53-0,019ц - показатель степени; (2.6.11)

Cz - поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке;

Выбираем в зависимости от количества рядов в пучке (таблица 2.2):

Таблица 2.2 - Влияние числа рядов труб на коэффициент Cz

Число рядов труб	2	3	4	5	6 и больше 6
Коэффициент Cz	0,91	0,98	0,99	0,995	1

Коэффициент теплоотдачи бк, Вт/(м2К), определяется по формуле:

; (2.6.12)

Cчитаем комплекс (2.6.13)

Коэффициент эффективности рёбер E:

(2.6.14)

Коэффициент неравномерности распределения теплоотдачи по поверхности рёбер Шp:

(2.6.15)

Приведённый коэффициент теплообмена бпр, Вт/(м2К), определяется по формуле:

 (2.6.16)

Коэффициент теплопередачи, биметаллической оребренной трубы, отнесенный к площади полной наружной теплопроводящей поверхности аппарата для тонкостенных труб k, Вт/(м2К), определяется по формуле:

(2.6.17)

Средний логарифмический температурный напор , , определяется по формуле:

(2.6.18)

Находим Д1 и Д2:

(2.6.19)

; (2.6.20)

Сравниваем полученные значения: если Д1>Д2,то Дtб= Д1 или если Д1<Д2, то

Дtб= Д2,

где Дtб - большая разность температур;

Дtм - меньшая разность температур;

Расчетная площадь поверхности теплообмена FР, м2, определяется по формуле:

 (2.6.21)

Уточненная длина труб аппарата la, м, определяется по формуле:

(2.6.22)

Уточняем температуру стенки tстр1, oС:

; (2.6.23)

2.7 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент потерь давления на пучке труб ж, определяется по формуле:

(2.7.1)

где Cz' - поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке;

dэ - эквивалентный диаметр проходного сечения;

Cz' выбираем в зависимости от количества рядов в пучке (таблица 2.3):

Таблица 2.3 - Влияние числа рядов труб на коэффициент Cz'

Число рядов труб	1	2	3	4	5 и больше 5
Коэффициент Cz'	1,23	1,18	1,08	1,02	1

Чтобы найти dэ сравниваем коэффициенты фронтального и диагонального сечения пучка труб:

Если Xфр<Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле:

(2.7.2)

Если Xфр>Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле:

(2.7.3)

Число Рейнольдса Re2, определяется по формуле:

; (2.7.4)

Потери давления на пучке ДРпуч, Па, определяется по формуле:

; (2.7.5)

Потери давления при ускорении, торможении потока ДРут, Па, определяется по формуле:

(2.7.6)

Суммарные потери давления воздуха ДР2, Па, определяется по формуле:

ДР2 = ДРпуч + ДРут (2.7.7)

Затраты электрической мощности вентилятора на прокачку воздуха N2, кВт, определяются по формуле:

; (2.7.8)

Потери давления, обусловленные сопротивлением трения ?Ртр1, Па:

; (2.7.9)

где лтр1 - коэффициент гидравлического трения:

; (2.7.10)

Потери давления, обусловленные местными сопротивлениями ?Рмес1, Па:

?Рмес1= , (2.7.11)

где о1 - сумма коэффициентов местных сопротивлений:

(2.7.12)

Суммарное гидравлическое сопротивление ?Р1, Па, определяется по формуле:

?Р1= ?Ртр1 + ?Рмес1, (2.7.13)

Затраты электрической мощности насоса на прокачку масла N1, кВт, определяются по формуле:

; (2.7.14)

2.8 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Масса поверхности несущей трубы , кг, определяется по формуле:

, (2.8.1)

Масса поверхности ребристой оболочки , кг, определяется по формуле:

, (2.8.2)

Капитальные вложения в теплообменный материал , тыс. руб., определяются по формуле:

, (2.8.3)

Годовые эксплуатационные издержки И, тыс. руб., определяются по формуле:

, (2.8.4)

Приведенные годовые затраты З, тыс.руб., определяются по формуле:

, (2.8.5)

3. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ

Таким образом, в итоге расчета получаем приведенные затраты (З). Целью расчета является получение минимальных приведенных затрат в год. Для этого используем функцию Microsoft Excel “Поиск решения”, целевой ячейкой являются приведенные затраты (З), изменяемыми ячейками являются: относительный поперечный шаг труб в пучке (у1); относительный продольный шаг труб в пучке (у2); число рядов труб (z2); число ходов (z1); число труб в одном ряду (n).

Накладываемые ограничения:

1. ;

2.

3. Re1 ;

4. ;

5. - целое, ;

6. - целое, ;

7. - целое, ;

8. ;

Результаты расчета воздушного маслоохладителя по программе, согласно исходным данным, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты расчета программы, составленной в MS Excel

	Внешние параметры
№	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
3	Температура греющего теплоносителя на входе	t'1	0С	70
4	Температура греющего теплоносителя на выходе	t"1	0С	40
5	Давление греющего теплоносителя	P'1	МПа	0,5
6	Средняя температура сухого воздуха в 13 часов дня для наиболее жаркого месяца в году	tв	0С	27
7	Максимальная температура воздуха в данной географической местности	tвmax	0С	29,9
8	Температура нагреваемого теплоносителя на выходе	t2''	oC	34
9	Давление нагреваемого теплоносителя	P'2	МПа	0,1
10	Расход греющего теплоносителя	G1	т/ч	20
11	Наружный диаметр труб	dн	м	0,025
12	Толщина трубы	д	м	0,002
13	Диаметр у основания ребра	d0	м	0,028
14	Шаг ребра	s	м	0,0035
15	Высота ребра	hp	м	0,01
16	Толщина ребра	Д	м	0,00085
17	Коэффициент формы поперечного сечения ребра	м	-	1,00
18	Коэффициент теплопроводности стали	лст	Вт/(м•К)	52
19	Коэффициент теплопроводности алюминия	лал	Вт/(м•К)	230
20	Плотность материала несущей трубы	сст	кг/м3	7850
21	Плотность материала ребристой поверхности	сал	кг/м3	2700
22	Термическое контактное сопротивление между ребристой оболочкой и несущей трубой	Rк	(м2*К)/Вт	0,0003
23	Поправочный коэффициент на угол подъема у линии накатного ребра	Cг	-	1
24	Поправочный коэффициент на угол атаки потоком воздуха пучка труб	Cш	-	1
25	КПД электродвигателя	зэл	-	0,95
26	КПД насоса	зн	-	0,8
27	КПД вентилятора	зв	-	0,6
28	КПД привода	зпр	-	0,98
29	Стоимость стали	Сст	тыс.р/т	32
30	Стоимость алюминия	Сал	тыс.р/т	135
31	Стоимость электроэнергии	Сэ	руб/кВт*ч	3,13
32	Число часов работы ТА	?	ч/год	8000
33	Коэффициент амортизационных отчислений	a	-	0,1
34	Доля отчислений на текущий капитальный ремонт	b	-	0,2
35	Коэффициент банковского кредита	c	-	0,15
36	Коэффициент местного сопротивление при входе в водяную камеру	Ш1	-	1,5
37	Коэффициент местного сопротивление при входе потока в трубы	Ш2	-	0,5
38	Коэффициент местного сопротивление при выходе потока из труб	Ш3	-	1
39	Коэффициент местного сопротивление при выходе из водяной камеры	Ш4	-	1,5
40	Коэффициент местного сопротивление при повороте потока на 180о между ходами теплообменника	Ш5	-	2,5
41	Коэффициент удержания теплоты изоляцией	з	-	0,98
	Расчет недостающих параметров
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
45	Температура нагреваемого теплоносителя на входе	t2'	oC	27,725
46	Тепловая нагрузка	Q	кВт	306,64
47	Расход нагреваемого теплоносителя	G2	кг/с	48,624
	Расчет теплофизических параметров
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
51	Средняя температура греющего теплоносителя	t1	oC	55
52	Плотность греющего теплоносителя	с1	кг/м3	859,08
53	Коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя	л1	Вт/(м•оС)	0,1076
54	Теплоемкость греющего теплоносителя	СР1	кДж/(кг•оС)	1,877
55	Коэффициент кинематической вязкости греющего теплоносителя	н1	м2/с	6,59E-06
56	Число Прандтля для греющего теплоносителя	Pr1	-	98
57	Коэффициент объемного расширения для масла	в1	1/К	7,08E-04
58	Средняя температура нагреваемого теплоносителя	t2	oC	30,8625
59	Плотность нагреваемого теплоносителя	с2	кг/м3	1,161
60	Коэффициент теплопроводности нагреваемого теплоносителя	л2	Вт/(м•оС)	0,0270
61	Теплоемкость нагреваемого теплоносителя	СР2	кДж/(кг•оС)	1,005
62	Коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя	н2	м2/с	1,61E-05
63	Заданная Температура стенки	tст1	oC	54,99
64	Число Прандтля для греющего теплоносителя при температуре стенки	Prст1	-	98
	Оптимизируемые параметры
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
	Для шахматной компоновки труб
69	Относительный поперечный шаг труб в пучке	у1	-	1,390
70	Относительный продольный шаг труб в пучке	у2	-	0,540
71	Число рядов труб	z2	шт	2
72	Число ходов	z1	шт	5
73	Число труб в одном ряду	n	шт	78
	Компоновочный расчет
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
77	Диаметр по вершине ребра	d	м	0,048
78	Поперечный шаг	S1	м	0,067
79	Продольный шаг	S2	м	0,026
80	Диагональный шаг	S'2	м	0,042
81	Относительный диагональный шаг	у'2	-	0,880
82	Коэффициент оребрения трубы	ц	-	8,93
83	Общее число труб в теплообменнике	m	шт	155
84	Внутренний диаметр теплообменной трубки	dвн	м	0,021
85	Толщина ребристой алюминиевой оболочки	дал	м	0,0015
86	Число ребер на 1 м длины трубы	n	шт	286
87	Площадь торцевых поверхностей ребер	Fт	м2/м	0,037
88	Площадь боковой поверхности ребер на 1 м длины трубы	Fб	м2/м	0,682
89	Площадь поверхности ребер на 1 м длины	Fр	м2/м	0,718
90	Площадь поверхности трубы длиной 1м по основанию ребер	Fтр	м2/м	0,067
91	Полная поверхность 1 погонного м трубы	F	м2/м	0,785
92	Площадь внутренней поверхности всех трубок	F1	м2	65,287
93	Коэффициент сжатия фронтального сечения пучка	Xфр	-	0,51
94	Коэффициент сжатия диагонального сечения пучка	Xдиаг	-	14,95
95	Приведенная длина обтекания	l	м	0,034
96	Ширина теплообменника	B	м	5,204
97	Глубина теплообменника	Г	м	0,052
98	Соотношение ширины и высоты теплообменника	А	-	0,815
	Тепловой и конструктивный расчет
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
102	Длина теплообменной трубки	lа	м	6,388
103	Площадь сечения трубки для прохода масла	f1	м2	0,0107
104	Скорость масла в трубках	w1	м/с	0,60
105	Число Рейнольдса для греющего теплоносителя	Re1	-	1921
106	Число Грастгоффа для греющего теплоносителя	Gr1	-	4,05E+08
107	Число Нуссельта для греющего теплоносителя	Nu1	-	94,4
108	Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя	б1	Вт/(м2•К)	484
109	Площадь сжатого сечения пучка	f2	м2	16,872
110	Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка	w2	м/с	2,48
111	Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя	Re2	-	540
112	Поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке	Cz	-	1
113	Показатель степени	m	-	0,360
114	Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя	Nu2	-	5
115	Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя	бк	Вт/(м2•К)	37
116	Комплекс	mh	-	0,194
117	Коэффициент эффективности ребер	Е	-	0,988
118	Коэффициент неравномерности распределения теплоотдачи по поверхности ребер	Шр	-	0,989
119	Приведенный коэффициент теплообмена	бпр	Вт/(м2•К)	36
120	Расчетный коэффициент теплопередачи	k	Вт/(м2•К)	18
121	Разность между температурой греющего теплоносителя на входе и нагреваемого на выходе	Дt1	oC	36
122	Разность между температурой греющего теплоносителя на выходе и нагреваемого на входе	Дt2	oC	12,3
123	Среднелогарифмический температурный напор	Дtл	oC	22,05
124	Расчетная поверхность теплообмена	Fр	м2	777,231
125	Уточненная длина труб	lа	м	6,388
126	Уточненная температура стенки	tстр1	oC	54,99
	Гидравлический расчет
	Параметр	Обозначение	Размерность	Величина
130	Поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке	Cz'	-	1
131	Эквивалентный диаметр проходного сечения	dэкв	м	0,010
132	Число Рейнольдса	Re2	-	5243
133	Коэффициент потерь давления на пучке труб	ж	-	2,16
134	Потери давления на пучке	ДРпуч	Па	7,71
135	Потери давления при ускорении, торможении потока	ДРут	Па	0,15
136	Суммарные потери давления воздуха	ДР2	Па	7,86
137	Затраты электрической мощности на прокачку воздуха	N2	кВт	0,59
138	Коэффициент трения для греющего теплоносителя	лтр	-	0,033
139	Потери давления на трение для греющего теплоносителя	ДРтр1	Па	7903
140	Потери давления на местные сопротивления для греющего теплоносителя	ДРмес1	Па	2730
141	Потери давления на прокачку греющего теплоносителя	ДР1	Па	10633
142	Затраты электрической мощности на прокачку масла	N1	кВт	0,09
	Экономический расчет
145	Масса поверхности несущей трубы	М1	кг	1123
146	Масса поверхности ребристой оболочки	М2	кг	1108
147	Капитальные затраты	К	тыс.р/т	185,5
148	Годовые эксплуатационные издержки	И	тыс.р/т	17,1
149	Приведенные годовые затраты	З	тыс.р/т	100,6

По результатам расчета получили, что минимальные приведенные затраты в год З = 100,6 тыс. руб., при изменяемых геометрических параметрах: = 1,390, =0,540, =5, =2, =78.

4. ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛУЧЕННОГО РЕШЕНИЯ

Проведем проверку устойчивости полученного решения оптимизационной задачи для каждого из оптимизируемых параметров. Результаты расчетов приведены в табл. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 и 4.5; на рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 и 4.5.

Таблица 4.1 - Проверка устойчивости решения при изменении относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника

у1	-	1,300	1,390	1,480
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	5	5	5
n	шт	78	78	78
А	-	0,813	0,815	0,813
Re1	-	1921	1921	1921
Re2	-	660	540	449
З	тыс.р/т	102,3	100,6	101,8

Рисунок 4.1 - Проверка на устойчивость для относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника

На основании таблицы 4.1 и рисунка 4.1 наблюдаем, что при изменении относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника в большую и в меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при = 1,390 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.2 - Проверка устойчивости решения при изменении относительного продольного шага труб в пучке теплообменника

у1	-	1,390	1,390
у2	-	0,540	0,700
z2	шт	2	2
z1	шт	5	5
n	шт	78	78
А	-	0,815	0,752
Re1	-	1921	1921
Re2	-	540	498
З	тыс.р/т	100,6	105,7

Рисунок 4.2 - Проверка на устойчивость для относительного продольного шага труб в пучке теплообменника

Так как при решении оптимизационной задачи параметр у2 принимает свое наименьшее значение, то мы можем изменить его только в сторону увеличения. На основании таблицы 4.2 и рисунка 4.2 наблюдаем, что при изменении относительного продольного шага труб в пучке теплообменника в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =0,540 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.3 - Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов в пучке труб

у1	-	1,390	1,390
у2	-	0,540	0,540
z2	шт	2,0	3,0
z1	шт	5	5
n	шт	78	78
А	-	0,815	1,278
Re1	-	1921	1278
Re2	-	540	847
З	тыс.р/т	100,6	125,4

Так как при решении оптимизационной задачи параметр z2 принимает свое наименьшее значение, то мы можем изменить его только в сторону увеличения. На основании таблицы 4.3 и рисунка 4.3 наблюдаем, что при изменении числа рядов в пучке труб в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при z2 = 2 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Рисунок 4.3 - Проверка на устойчивость для числа рядов в пучке труб

Таблица 4.4 - Проверка устойчивости решения при изменении числа ходов

у1	-	1,390	1,390	1,390
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	4,0	5,0	6,0
n	шт	78	78	78
А	-	0,782	0,815	0,842
Re1	-	1537	1921	2305
Re2	-	518	540	558
З	тыс.р/т	102,2	100,6	99,8



Рисунок 4.4 - Проверка на устойчивость для числа ходов

На основании таблицы 4.4 и рисунка 4.4 наблюдаем, что при изменении числа ходов в большую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, нарушается ограничение, накладываемое на режим течения масла . При изменении числа ходов в меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =5 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.5 - Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в 1 ряду

у1	-	1,390	1,390	1,390
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	5	5	5
n	шт	74	78	82
А	-	0,747	0,815	0,885
Re1	-	2026	1921	1827
Re2	-	549	540	530
З	тыс.р/т	99,7	100,6	101,4

Рисунок 4.5 - Проверка на устойчивость для числа труб в 1 ряду

На основании таблицы 4.5 и рисунка 4.5 наблюдаем, что при изменении числа труб в 1 ряду в большую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Изменение числа труб в 1 ряду в меньшую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата ., Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =78 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

5. ПРИМЕР КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

Примем относительный поперечный шаг =1,390, относительный продольный шаг =0,540, число ходов =5, число рядов в пучке труб =2, число труб в 1 ряду =78.

5.1 Теплофизические свойства теплоносителей

Средняя температура нагреваемого теплоносителя ,?С, определяется по формуле (2.2.1):

Средняя теплоемкость атмосферного воздуха Ср2, кДж/(кг?С), в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.2):

.

Плотность атмосферного воздуха 2, кг/м3, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.3):

Коэффициент кинематической атмосферного воздуха вязкости 2, м2/с, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.4):

.

Коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха 2, Вт/(мК), в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.5):

.

Средняя температура греющего теплоносителя ,?С, определяется по формуле (2.2.6):

,

Средняя теплоемкость трансформаторного масла Ср1, кДж/(кг?С), в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.7):

.

Плотность трансформаторного масла 1, кг/м3, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.8):

Коэффициент кинематической вязкости трансформаторного масла 1, м2/с, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.9):

.

Коэффициент теплопроводности трансформаторного масла 1, Вт/(мК), в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.10):

.

Число Прандтля трансформаторного масла Pr1, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.11):

.

Коэффициент объемного расширения трансформаторного масла в1, 1/К, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.12):

.

Задаемся температурой стенки со стороны греющего теплоносителя tст1, oС.

Число Прандтля стенки со стороны масла Prст1, в диапазоне оС определяется по формуле (2.2.13):

.

5.2 Недостающие параметры

Температуру воздуха на входе в маслоохладитель ,oC, можно определить по формуле (2.3.1):

Тепловую нагрузку аппарата Q, кВт можно определить по формуле (2.3.2):

Исходя из уравнения теплового баланса, можно найти массовый расход нагреваемого теплоносителя G2, кг/с (2.3.3):

.

5.3 Компоновочный расчёт теплообменного аппарата

Диаметр по вершине ребра d, м, определяется по формуле (2.5.1):

;

Поперечный шаг труб в пучке S1, м, вычисляем по формуле (2.5.2):

;

Продольный шаг труб в пучке S2, м, вычисляем по формуле (2.5.3):

;

Диагональный шаг труб в пучке S2', м, вычисляем по формуле (2.5.4):

;

Относительный диагональный шаг труб в пучке у2', вычисляем по формуле (2.5.5):

;

Коэффициент оребрения ц, определяется по формуле (2.5.6):

Общее число труб m, шт, определяется по формуле (2.5.7):

;

Внутренний диаметр трубки dвн, м, определяется по формуле (2.5.8):

dвн= 0,025 - 2.0,002 = 0,021;

Толщина ребристой алюминиевой оболочки уал, м, определяется по формуле (2.5.9):

;

Число ребер на 1м длины трубы n, шт, определяется по формуле (2.5.10):

n = 1/0,0035=286

Площадь торцевых поверхностей рёбер Fт, м2/м, определяется по формуле (2.5.11):

Площадь боковой поверхности рёбер на 1м длины трубы Fб, м2/м, определяется по формуле (2.5.12):

;

Площадь поверхности ребер на 1м длины трубы Fp, м2/м, определяется по формуле (2.5.13):

;

Площадь поверхности трубы длиной 1м по основанию рёбер Fтр, м2/м, определяется по формуле (2.5.14):

;

Полная поверхность 1 погонного м трубы F, м2/м, определяется по формуле (2.5.15):

;

Площадь внутренней поверхности всех трубок F1, м2, определяется по формуле (2.5.16):

;

Коэффициент фронтального сечения пучка труб Xфр, м2, определяется по формуле (2.5.17):

;

Коэффициент диагонального сечения пучка труб Xдиаг, м2, определяется по формуле (2.5.18):

;

Приведенная длина обтекания l, м, определяется по формуле (2.5.19):

;

Ширина теплообменника В, м, определяется по формуле (2.5.20):

;

Глубина теплообменника Г, м, определяется по формуле (2.5.21):

;

Соотношение ширины и высоты теплообменника А, определяется по формуле (2.5.22):

.

5.4 Тепловой конструктивный расчет теплообменного аппарата

Площадь сечения трубки для прохода масла f1, м2, определяется по формуле (2.6.1):

;

Скорость масла внутри труб w1, м/с, определяется по формуле (2.6.2):

;

Значение Рейнольдса Re1 для греющего теплоносителя, определяется по формуле (2.6.3):

;

Критерий Грастгоффа Gr1, определяется по формуле (2.6.4):

;

Значение числа Нуссельта Nu для Re<2300 (ламинарный режим течения жидкости) находим по формуле (2.6.5):

;

Коэффициент теплоотдачи б1 со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.6):

;

Площадь сжатого сечения пучка f2, м2, определяется по формуле (2.6.7):

;

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка w2, м/с, определяется по формуле (2.6.8):

;

Число Рейнольдса Re2 для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле (2.6.9):

;

Число Нуссельта Nu для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле (2.6.10):

;

где m=0,53-0,019. 8,93=0,360;

Коэффициент теплоотдачи бк, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.12):

;

;

Коэффициент эффективности рёбер E, определяется по формуле (2.6.14):

;

Коэффициент неравномерности распределения теплоотдачи по поверхности рёбер Шp, определяется по формуле (2.6.15):

;

Приведённый коэффициент теплообмена бпр, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.16):

;

Коэффициент теплопередачи, биметаллической оребренной трубы, отнесенный к площади полной наружной теплопроводящей поверхности аппарата для тонкостенных труб k, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.17):

Средний логарифмический температурный напор , , определяется по формуле (2.6.18):

;

Находим Д1 и Д2:

;

;

Т.к. Д1>Д2,то Дtб= Д1, а Дtм= Д2;

Расчетная площадь поверхности теплообмена FР, м2, определяется по формуле (2.6.21):

;

Уточненная длина труб аппарата la, м, определяется по формуле (2.6.22):

;

Уточняем температуру стенки tстр1, oС по формуле (2.6.23):

.

5.5 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент потерь давления на пучке труб ж, определяется по формуле (2.7.1):

;

Т.к. Xфр<Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле (2.7.2):

;

Число Рейнольдса Re2, определяется по формуле (2.7.4):

;

Потери давления на пучке ДРпуч, Па, определяется по формуле (2.7.5):

;

Потери давления при ускорении, торможении потока ДРут, Па, определяется по формуле (2.7.6):

;

Суммарные потери давления воздуха ДР2, Па, определяется по формуле (2.7.7):

ДР2 = 7,63 + 0,15=7,78;

Затраты электрической мощности вентилятора на прокачку воздуха N2, кВт, определяются по формуле (2.7.8):

;

Потери давления, обусловленные сопротивлением трения ?Ртр1, Па, определяются по формуле (2.7.9):

;

где лтр1 - коэффициент гидравлического трения:

;

Потери давления, обусловленные местными сопротивлениями ?Рмес1, Па, определяются по формуле (2.7.11):

;

Суммарное гидравлическое сопротивление ?Р1, Па, определяется по формуле (2.7.13):

?Р1= 7510 + 3044=10554 ;

Затраты электрической мощности насоса на прокачку масла N1, кВт, определяются по формуле (2.7.14):

.

2.8 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Масса поверхности несущей трубы , кг, определяется по формуле (2.8.1):

;

Масса поверхности ребристой оболочки , кг, определяется по формуле (2.8.2):

Капитальные вложения в теплообменный материал , тыс. руб., определяются по формуле (2.8.3):

;

Годовые эксплуатационные издержки И, тыс. руб., определяются по формуле (2.8.4):

;

Приведенные годовые затраты З, тыс.руб., определяются по формуле (2.8.5):

;

Погрешность расчета:

%;

По результатам расчета вручную видно, что полученные значения отличаются меньше чем на 3% от значений, полученных по программе MS Excel. Это связано с тем, что расчеты, проводимые в программе в среде Microsoft Excel, выполняются с достаточно высокой точностью (до 32 значащих цифр). Таким образом, считаем, что расчет по программе и вручную считаются верными.

6. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОНСТРУКЦИЮ АППАРАТА

К входным экономическим параметрам относятся:

- стоимость стали - Сст, руб./кг;

- стоимость алюминия - Сал, руб./кг;

- стоимость электроэнергии - Сэ, руб./(кВтч).

Изменим стоимость стали в 2 раза в большую и меньшую сторону, и посмотрим, как это отразится на конструкции аппарата при оптимизации.

Изменим стоимость стали, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.1 - Влияние стоимости стали на конструкцию аппарата

Сст	тыс.р/т	16	32	64
у1	-	1,407	1,390	1,372
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	5	5	6
n	шт	78	78	79
З	тыс.р/т	92,4	100,6	115,6

Рисунок 6.1 - Влияние стоимости стали на относительный поперечный шаг



Рисунок 6.2 - Влияние стоимости стали на количество труб в 1 ряду

Рисунок 6.3 - Влияние стоимости стали на число ходов

Как видно по таблице 6.1 и рисункам 6.1, 6.2 и 6.3 уменьшение стоимости стали в 2 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,017, но не сказывается на остальных параметрах, увеличение стоимости стали в 2 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,018, к увеличению числа ходов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 1 и не сказывается на остальных параметрах

Изменим стоимость алюминия в большую и меньшую сторону в 2,5 раза, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.2 - Влияние стоимости алюминия на конструкцию аппарата

Сал	тыс.р/т	54	135	337,5
у1	-	1,486	1,390	1,300
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	4	5	7
n	шт	80	78	79
З	тыс.р/т	59,2	100,6	197,7

Рисунок 6.4 - Влияние стоимости алюминия на относительный поперечный шаг



Рисунок 6.5 - Влияние стоимости алюминия на число труб в 1 ряду

Рисунок 6.6 - Влияние стоимости алюминия на число ходов

Как видно по таблице 6.2 и рисункам 6.3, 6.4 и 6.5 уменьшение стоимости алюминия в 2,5 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,096, к уменьшению числа рядов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 2 и не сказывается на остальных параметрах; увеличение стоимости алюминия в 2,5 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,090, к увеличению числа ходов на 2, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 1 и не сказывается на остальных параметрах

Изменим стоимость электроэнергии в большую и меньшую сторону в 3 раза, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.3 - Влияние стоимости электроэнергии на конструкцию аппарата

Сэ	руб/кВт*ч	1,04	3,13	9,39
у1	-	1,300	1,390	1,567
у2	-	0,540	0,540	0,540
z2	шт	2	2	2
z1	шт	5	5	4
n	шт	78	78	80
З	тыс.р/т	86,3	100,6	124,7

Рисунок 6.7 - Влияние стоимости электроэнергии на относительный поперечный шаг



Рисунок 6.8 - Влияние стоимости электроэнергии на число труб в 1 ряду

Рисунок 6.9 - Влияние стоимости электроэнергии на число ходов

Как видно по таблице 6.3 и рисункам 6.7, 6.8 и 6.9 уменьшение стоимости электроэнергии в 3 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,090 и не сказывается на остальных параметрах; увеличение стоимости электроэнергии в 3 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,177, к уменьшению числа ходов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 2 и не сказывается на остальных параметрах.

Размещено на Allbest.ru