Контрольная работа по "Теплотехнике"

Исходные данные

1.Расход  воздуха G_B=0,1 кг/с

2.Номер  охладителя — 1-й.

3.Температура  воздуха на входе в охладитель  2 00

t_B' = Т_А-273,15=468,3 - 273,15=195,15 (по данным расчета компрессора).

5.Температура  охлажденного воздуха t_B" = 20°С.

6.Давление  воздуха в охладителе р=0,5  МПа (из расчета компрессора).

7.Температура  охлаждающей воды t_ж’ = 15° С.

 

1.2. Расчет теплопроизводительности и расхода охлаждающей воды.

В рассматриваемом  случае она определятся расчетом компрессорной установки (как теплосъем  в холодильниках компрессора, отнесенный к одному охладителю) и может быть найдена по выражению:

1.2.1 расчет теплопроизводительности аппарата.

Q = G_BC_PB(t_B^' - t_B^")

Q =1,6* 1,02*(195,15-20) =285,85

Расход  воды определяется по формуле:

G_ж = (Q/ (С_РЖ (t’_Ж-t”_Ж)))*η_Т , кг/с

G_ж = 285,85 *0,9 /(4,212*(18-15))=20,36

где t’_Ж - температура воды на выходе из теплообменника.

Обычно  ее принимают на 5...8 ° С ниже самой низкой  температуры воздуха, чтобы его охлаждение осуществлялось по всей поверхности теплообмена

1.2.2 Определение расхода охлаждающей  воды.

С_РЖ - средняя изобарная теплоемкость воды в интервале температур t’_Ж-t”_Ж. Она определяется по таблицам теплофизических свойств воды по Табл.1, С_РЖ=4,212, η_Т=0,9.

η_Т - КПД теплообменника, который учитывает потери тепла

неизолированными  поверхностями в окружающую среду. Он

принимается порядка 0.9... 0.95.

 

 

1.3.Расчет коэффициента теплоотдачи со стороны воды.

На  теплообмен при движении жидкости в  трубах оказывают влияние режим  ее движения, теплофизические свойства жидкости, а также (в небольшой  степени) направление теплового  потока и длина трубы.

Так для течения жидкости в трубах при турбулентном режиме рекомендуется  уравнение:

Nu _ж,d = 0,021 Re _ж,d ^0,8 Pr _ж ^0,43 Є_q ε_e ,

Nu _ж,d =0,021 *(12992,47)^0,8*(7,02)^0,43* 1,067* 1=101,219

Вычисление коэффициента теплоотдачи  производится в следующем порядке:

1. Вычисление коэффициента теплоотдачи производится в следующем порядке.

Находится определяющая (средняя) температура  жидкости в трубе:

t_cр =( t’_Ж + t''_Ж)/2

t_cр =(18+15)/2=16,5

2. По этой температуре находятся необходимые для расчета теплофизические свойства жидкости (плотность р_ж, кг/м³; коэффициент теплопроводности λ_ж, Вт/м.град.; коэффициент кинематической вязкости v_ж , м /с и число Прандтля Рr_ж).

3. Выбирается скорость движения воды в трубах (обычно 0.5... 1.5 м/с, но не свыше 2 м/с во избежание эрозии труб).

w_ж=1 м/с.

4. Выбирается диаметр трубок аппарата, ориентируясь на выпускаемые отечественной промышленностью сортаменты труб 12/14; 13/15; 14/16; 15/17; 16/18; 17/19; 18/20 и т.д.

Пусть диаметр труб аппарата - 13/15.

Вычисляется безразмерный критерий Рейнольдса

Re_ж,d =w_жd_в/ν_ж

Re_ж,d =1*13* 10^-3/1,006* 10^-6=12922,47

5. По найденному значению числа Рейнольдса устанавливается режим движения жидкости в трубах. Рекомендуется выбирать скорость жидкости и диаметр трубы таким образом, чтобы режим движения был турбулентным (>10000 - режим турбулентный).

6. Для вычисления поправки на направление теплового потока (к трубе или от трубы) Є_q, учитывающей переменность теплофизических свойств жидкости по сечению трубы

Є_q =( Pr_ж / Рr_с)^0,25

Є_q = (7,02/5,42) ^0,25= 1,067

7. Поправка на длину трубы ε, учитывающая относительно малую толщину пограничного слоя на начальном участке трубы длиной L

ε _l= 0.86 + 0.9(d_B/l)^0,4

ε _l=0,86+0,9*(13/1)°^,4=3,37

Поправка  на длину трубы ε _е : приближении ε _е=1

8. Число  Нуссельта вычисляется по таблице  4.

9. По известному числу Нуссельта находится коэффициент теплоотдачи

α_ж= Nu_ж*λ_ж/d_в, Вт/м²град

α_ж=101,219*0,599/0,013=4663,86 Вт/м²град

 

4.  Вычисление коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха.

Для выравнивания условий теплоотдачи  со стороны обоих теплоносителей часто применяется оребрение поверхности со стороны воздуха, что позволяет в несколько раз увеличить поверхность теплообмена. Целесообразно начать с выбора параметров оребрения - высоты ребер h и шага между ребрами b

Расстояние  между ребрами (шаг ребер) рекомендуется  выбирать в пределах b=(0.25...0.5)d_H.

Степень оребрения поверхности (т.е. отношение оребренной поверхности к гладкой) при этом может быть найдена из выражения:

ε_p=l + [(d_H+2h)²-d_H²]/2bd_H

ε_p = 1+((0,015+2*(2*0,015/2))² -0,015²)/(2*0,25*0,015)=13

1. Выбирается тип пучка: коридорный или шахматный. Предварительно задаются шагами между трубками (ориентировочно S₁=S₂=(1.5...2.5)d_H  ), высотой h и шагом оребрения b.

2. Находится определяющая (средняя) температура воздуха

t_B=(t_B'+t_B")/2, °С

t_B=(195,15+20)/2=107,58 °С

3. По определяющей температуре воздуха t_B по табл.2 выбираются теплофизические свойства: плотность р_в, кг/м³; λ_в - коэффициент теплопроводности; v_B - коэффициент кинематической вязкости.

р_в=0,916 кг/м³

λ_в=0,0312

v_B=23,91*10^-6

4. Выбирается скорость движения воздуха (обычно 8...16 м/с).

w_B=10 м\с

5. Вычисляется критерий Рейнольдса:

Re_в,d =w_Bd_H/ ν_B,

Re_в,d = 10*0,015/23,91*10^-6=6273,53

и определяется режим движения воздуха – переходный.

6. Выбирается критериальное уравнение для расчета теплоотдачи при поперечном обтекании пучка оребренных труб.

Критериальное уравнение для расчета теплоотдачи при поперечном обтекании пучка оребренных труб:

Nu_в,d=  0,223* Re_в,d^0,65 *(d_n/b)^-0.54*(h/b)^-0.14

Nu_в,d = 0,223 • 6273,53^0,65 * (0.015/0.25*0.015)^-0.54*((2*0.015/2)/0.25*0.014)^-0.14 =25,54

7. Вычисляется поправка Є_s , которая учитывает плотность пучка. Она определяется по выражению:

Є_s =(1,5/2)^0,166  =0,93

1.5. Вычисление коэффициента теплопередачи.

Приступая к вычислению коэффициента теплопередачи  в теплообменнике, необходимо, прежде всего, выбрать материал трубок - дюралюминий 96% - Al, 3-5% - Cu, 0,5% - Mg и для него определить коэффициент теплопроводности материала стенки: λ_с=165 Вт/м.град

Затем необходимо определить толщину стенок:

δ = (d_H-d_B)/2, м.

  δ = (15-13)/2=1 мм.

 

Предварительно  необходимо также оценить КПД  ребра из приближенного соотношения:

η_p=1-0.05ε_р

η_p = 1-0,05*16=0,2

 

Коэффициент теплопередачи оребренных труб с достаточной точностью может быть найден по формуле для плоской ребристой стенки:

α_в = Nu_в.d* λ_в/d_n

α_в = 25,54*(0,0315/0,015) = 53,63   Вт/(м² град)

K = (1/( α_в * ε_р* η_p)+ (δ *10^-3)/ λ_с + 1/α_ж )^-1

К = (1/(4663,86)+ (0,001 )/ 165 + 1/2171,616 )^-1 = 165.36 Вт/

Согласно  этому выражению, коэффициент теплопередачи  приближается к эффективному значению коэффициента теплоотдачи ребристой стенки оставаясь меньше его:

α_эф = α_в ε_р η_p =53,63*16*0,2=171,616

 

1.6. Определение температурного напора.

Вычисление  среднеинтегрального (среднелогарифмического) температурного напора в охладителе целесообразно предварительно осуществить для схемы противотока и лишь затем внести в него поправку ε_l<1 на отклонение реальной схемы движения от противотока. Несложно убедиться, что максимальный температурный напор t_б имеет место на горячем конце теплообменника и равен t_B'-t_Ж" , а наименьший температурный напор t_M - на холодном его конце, где он равен t_B"-t_Ж'.

Для противотока и прямотока среднелогарифмический температурный напор определяется по выражению:

t_cp =(t_б -t_M)/ln(t_б /t_M)

t_cp = ((195.15-15)-(20-18))/ln((195,15-15)/(20-18))=39,58

С учетом поправки ε_t = 0.9...0.94 на смешанный ток

t '_cp = t _cp ε_t

t '_cp =39,58 *0,9=35,62

1.7. Вычисление поверхности теплообмена

Тепловой  расчет завершается определением расчетной  поверхности теплообмена аппарата F_T, м² из уравнения теплопередачи:

F_m =Q/ (k t '_cp)

F_m =285,85*10³/(165,36 *35,62)=48.53 м²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.

Определение конструктивных характеристик  воздухоохладителя целесообразно  проводить в следующей последовательности.

1. «Живое сечение» для прохода воды F_ж находится исходя из данного расхода воды Gж, ее скорости W_ж и ее плотности р_ж. Находим суммарное сечение трубок:

F_ж=G_ж/ р_ж W_ж,м²

F_ж= 20,36\(998,2*1)=0,020 м²

2. Это сечение определяет число трубок, объединяемых в один ход по воде:

n1 =4Fж/пd_в²

n1=4*0,020\(3,1416*0,013²)=150,68

Полученное значение округляют  до ближайшего целочисленного значения.

n1=151

3. Живое сечение для прохода воздуха определяется аналогично:

Fв=G_в/p_bw_b,m²

Fв=1,6\(0,916*10)=0,175 m²

4. Затем прорабатываются два варианта компоновки аппарата с расположением труб 2 и 4 хода по воде (Z_ж=2;4) и общим числом трубок

n_o6=Z_ж n₁

n_o61=2*151=302

n_o62=4*151=604

5. Длина труб в каждом варианте

L=F_m/πd_Hn_o6,m

L1=48,53\(3,1416*0,015*302)=3,41м

L2=48,53\(3,1416*0,015*604)=1,71 м

6. Диаметр трубного пучка в каждом варианте

D'=n_o6^0.5S₂, m

D'1= 302^0,5*2*0,015=0,52 м

D'2= 604^0,5*2*0,015=0,74м

7. Расстояние между перегородками по воздуху

h = Fв/D'(l-d_H/S₂),m

h 1=0,175\(0,52*(1-(0,015\2*0,015)))=0,67 м

h 2=0,175\(0,74*(1-(0,015\2*0,015)))=0,47 м

 

8. Длину трубок между перегородками h, округляют до ближайшего большего значения L’, кратного 
h.Тем самым обеспечивается запас поверхности теплообмена на случай ее 
загрязнения. Из двух вариантов компоновки (2-х и 4-х ходовой по воде) выбирают тот, в котором коэффициент запаса по поверхности

L'1=4,02 м

L'2=1,88 м

K₃=F’_m/F_m=L'/L

Кз1=1,18

Кз2=1,1

ближе к оптимальному (1.2... 1.3), а сам аппарат компактнее.

После этого определяются остальные  характеристики теплообменника:

Выбираем первое значение.

9.Число ходов по воздуху

Z_B = L'/h

Z_B=4,02/0,67=6 

определяет расположение патрубков  для подвода и отвода воздуха: при четном

числе ходов патрубки располагаются  с одной стороны корпуса аппарата, при

нечетном- с разных сторон его.

10.Число перегородок по воздуху

k=Z_B -1

k=5

Диаметр корпуса D принимается несколько больше, чем диаметр трубного пучка

D > D’ + 2S₂ ,м.

D=0,52+2*0,015*2=0,58 м

Диаметр подводящих патрубков для  воздуха принимается ориентировочно равным:

d_n>F_b⁰⁵,m

d_n=F_в^0,5=0,175^0,5=0,418 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники литературы:

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. Учебн. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1980. – 552 с.
2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергоиздат., 1981. – 417 с.
3. Козина Л.Н. Расчет  проектирование воздухоохладителя компрессора.