 |
ТОА – это устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому с целью осуществления различных тепловых процессов (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация).
|
|
|
|
Филиал в г. Северодвинске Архангельской области
| Океанотехника и энергетические установки | |||||||||||||||||||||||||||
| (наименование кафедры) | |||||||||||||||||||||||||||
| Попов Павел Андреевич | |||||||||||||||||||||||||||
| (фамилия, имя, отчество студента) | |||||||||||||||||||||||||||
| Институт | Севмашвтуз | курс | группа | ||||||||||||||||||||||||
| 180103.65 Судовые энергетические установки | |||||||||||||||||||||||||||
| (код и наименование направления подготовки/специальность) | |||||||||||||||||||||||||||
| РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА | |||||||||||||||||||||||||||
| По дисциплине | Теплообменное оборудование | ||||||||||||||||||||||||||
| На тему | Тепловой расчет охладителя | ||||||||||||||||||||||||||
| (наименование темы) | |||||||||||||||||||||||||||
| Работа допущена к защите | |||||||||||||||||||||||||||
| (подпись руководителя) | (дата) | ||||||||||||||||||||||||||
| Признать, что работа | |||||||||||||||||||||||||||
| выполнена и защищена с оценкой | |||||||||||||||||||||||||||
| Руководитель | ст. преподаватель | В.С. Самохин | |||||||||||||||||||||||||
| (должность) | (подпись) | (и.,о., фамилия) | |||||||||||||||||||||||||
| (дата) | |||||||||||||||||||||||||||
| Северодвинск | |||||||||||||||||||||||||||
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
|
|
|
высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Филиал в г. Северодвинске Архангельской области
| Океанотехника и энергетические установки | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (наименование кафедры) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| по | Теплообменное оборудование | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (наименование дисциплины) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| студенту | П.А. Попов | института | Севмашвтуз | курса | группы | |||||||||||||||||||||||||||||||
| Попов Павел Андреевич | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (фамилия, имя, отчество студента) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ТЕМА: | Тепловой расчет охладителя | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: | Объемный расход охлаждаемого масла | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| QМ= 16,6 м3/ч; объемный расход охлаждающей воды QЗВ= 20,0 м3/ч; температура | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| температура охлаждаемого масла на входе в теплообменный аппарат | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| tМВХ= 50,0 °С; охлаждаемого масла на выходе из теплообменного аппарата | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| tМВЫХ= 45,0 °С; температура охлаждающей воды на входе в теплообменный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| аппарат tЗВВХ= 22,0 °С. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Срок проектирования с | « | » | 201 г. по | « | » | 201 г. | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Руководитель проекта | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| (должность) | (подпись) | (инициалы, фамилия) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Северодвинск 2016 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Расчет охладителя масла из круглых трубок в круглом корпусе с сегментными перегородками 9
Заключение 20
Список использованных источников 21
ВВЕДЕНИЕ
Теплообменные аппараты являются одними из важнейших элементов судовой энергетической установки. На долю различных по конструкции и назначению теплообменных аппаратов (ТОА) приходится значительная часть массы и объёма СЭУ.
Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надёжности и долговечности обуславливают создание компактных, надёжных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых ТОА. Поэтому вопросы проектирования ТОА являются актуальными.
ТОА – это устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому с целью осуществления различных тепловых процессов (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация).
Теплообменные аппараты классифицируют по следующим признакам:
1. по принципу действия;
2. по назначению;
3. по виду теплоносителя;
4. по изменению агрегатного состояния теплоносителя;
5. по принципу монтажа.
По принципу действия выделяются поверхностные ТОА, в которых теплоносители взаимодействуют друг с другом через разделяющую их непроницаемую поверхность теплообмена, и контактные ТОА, в которых теплоносители непосредственно контактируют друг с другом.
Поверхностные ТОА в свою очередь подразделяют на рекуперативные и регенеративные.
В рекуперативных ТОА теплота передаётся через поверхность теплообмена, постоянно омываемую теплоносителями с обеих сторон. Направление теплового потока через поверхность является постоянным.
В регенеративных ТОА теплота передаётся при поочерёдном омывании теплоносителями специальной теплоаккумулирующей поверхности. Таким образом, направление теплового потока через поверхность периодически изменяется на противоположное. Поверхность теплообмена может быть переключаемой через определённые промежутки времени или вращающейся.
|
|
|
Контактные ТОА подразделяют на смесительные и барботажные.
В смесительных ТОА теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси, таким образом, теплообмен сопровождается массообменом.
В барботажных ТОА один теплоноситель прокачивается через массу другого, не смешиваясь с ним.
Наибольшее распространение в судовых энергетических установках получили поверхностные рекуперативные ТОА вследствие простоты конструкции, эффективности, надёжности и удобства в эксплуатации.
По назначению судовые ТОА подразделяются на энергетические (ТОА ГЭУ), вспомогательные (ТОА судовых систем и вспомогательных установок) и бытовые (например, ТОА систем кондиционирования воздуха).
По виду теплоносителя выделяют ТОА: жидкостные, где оба теплоносителя являются жидкостями; газовые – оба теплоносителя газы и газожидкостные – один теплоноситель жидкость, другой газ.
По изменению агрегатного состояния теплоносителя в судовых энергетических установках применяются ТОА без изменения агрегатного состояния теплоносителей (охладители, подогреватели) и с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (парогенераторы, конденсаторы).
По принципу монтажа выделяют ТОА автономные, навешенные и встроенные.
Рекуперативные ТОА, получившие широкое распространение на судах, по типу конструкции подразделяют на круглотрубчатые, плоскотрубчатые и пластинчатые.
Благодаря простоте конструкции и удобству в эксплуатации наибольшее применение нашли ТОА из гладких круглых трубок в цилиндрическом корпусе. Цилиндрический корпус проще в изготовлении и выдерживает большие давления. ТОА из трубок, заключённых в кожух, называют кожухотрубными.
Специфика судовых условий – установка ТОА в тесных отсеках, трудный доступ при обслуживании – сказывается на конструктивном оформлении и компоновке теплообменных аппаратов. Крайне важными являются массогабаритные характеристики ТОА, которые определяются теплопередающей способностью ТОА и совершенством компоновки. Так, для улучшения теплопередачи устанавливаются сегментные или кольцевые поперечные перегородки. В этом случае ТОА получаются более компактными и лёгкими. Число перегородок определяет число ходов теплоносителя: одна перегородка – два хода, две перегородки – три хода и т.д.
|
|
|
ТОА может быть многоходовым и по теплоносителю, протекающему внутри трубок. В этом случае перегородки устанавливаются внутри распределительных камер. Число ходов по теплоносителю в трубках более четырёх в ТОА встречается редко.
Компоновка трубок в ТОА обычно выполняется по треугольной схеме, схеме с концентрическими окружностями, в шахматном порядке, а также по коридорной схеме. Чаще всего применяется компоновка по равностороннему треугольнику, как наиболее компактная.
Стандартные диаметр и толщина стенки трубок ТОА: 22´2 мм; 16´1 мм; 10´1 мм; 10´1,2 мм. Трубки 10´1 мм являются минимально допустимыми с точки зрения загрязнения их внутренней поверхности применяются при давлении теплоносителей более 25 кг/см2. Трубки 22´2 мм приняты для случаев, когда имеются опасения интенсивного отложения загрязнений внутри трубок, а так же при установке ТОА в схемах с самопротоком охлаждающей воды.
Основные способы закрепления концов труб в отверстиях трубных досок:
1. вальцовка;
2. приварка;
3. вальцовка с последующей приваркой;
Вальцовка – соединение, образующееся в результате деформации трубки в радиальном направлении под действием силы, создаваемой специальным вальцовочным инструментом.
При выборе материалов, из которых изготавливаются элементы ТОА, определяющим является обеспечение надёжности и долговечности при эксплуатации в судовых условиях при минимальных массогабаритных показателях. Детали, омываемые морской водой, следует выбирать из коррозионно стойких материалов, к которым относятся цветные металлы и их сплавы. Трубки и трубные доски чаще всего изготавливают из латуни, крышки – из бронзы. Детали, соприкасающиеся с менее агрессивными средами, допускается изготавливать из легированных или углеродистых сталей. Материал трубных решеток и труб выбирают одновременно сточки зрения стойкости к контактной электрохимической коррозии.
При выборе тракта теплоносителей следует учитывать:
1. Необходимость интенсификации теплообмена. Теплопередача в основном определяется коэффициентом теплоотдачи теплоносителя с худшими теплопередающими свойствами. Поэтому теплоноситель с хорошими теплопередающими свойствами (например, воду) следует направить по трубкам, а теплоноситель с плохими теплопередающими свойствами (например, масло) следует направить поперечным потоком в межтрубное пространство, так как теплообмен при этом интенсивнее.
|
|
|
2. Давления теплоносителей. Целесообразно теплоноситель под большим давлением направить по трубкам, чтобы не делать толстостенный кожух.
3. Загрязнённость теплоносителей. По трубкам целесообразно направить более загрязнённый теплоноситель, так как чистить трубки значительно легче, чем межтрубное пространство.
Скорость W движения теплоносителя оказывает существенное влияние на теплоотдачу, потери давления, загрязняемость и вибрацию труб. При увеличении скорости происходит интенсификация теплоотдачи – за счет лучшего перемешивания теплоносителя, т.е. за счет более быстрой смены частиц теплоносителя у стенки, через которую идет теплообмен. Однако следует иметь в виду, что увеличение скорости приводит к увеличению гидравлических потерь и вибрации трубок. Ориентировочные значения скорости теплоносителей, рекомендуемые на основании опыта эксплуатации судовых рекуперативных ТОА см. таблица 1.
Таблица 1 – Скорости для жидкостей различной вязкости
| Среда | Условия движения | W, м/с |
| Маловязкие жидкости (вода, бензин, керосин) | Нагнетательная линия | 1…3 |
| Всасывающая линия | 0,8…1,2 | |
| Вязкие жидкости (легкие, тяжелые масла, растворы солей и т.п.) | Нагнетательная линия | 0,5…1,0 |
| Всасывающая линия | 0,2…0,8 | |
| Маловязкие и вязкие жидкости | Самотек | 0,1…0,5 |
В процессе работы в ТОА возникают термические напряжения, обусловленные различными удлинениями трубок и корпуса ТОА под действием различных температур или неодинаковыми коэффициентами удлинений. Если возникающие термические напряжения невелики, то они компенсируются упругими деформациями, но если эти напряжения превышают предел прочности трубок, то их нужно каким-либо образом компенсировать.
В зависимости от способа компенсации температурных удлинений выделяют ТОА жёсткой, полужёсткой, нежёсткой конструкции.
ТОА жёсткой конструкции – без компенсации температурных удлинений. Расчётами и опытом эксплуатации подтверждается применимость аппаратов жёсткой конструкции при разности теплоносителей до 50 °С.
ТОА полужёсткой конструкции – с компенсацией упругим элементом, например линзовым или сильфонным компенсатором на корпусе.
ТОА нежёсткой конструкции – с компенсацией в результате свободных удлинений. К этому типу относятся ТОА с U-образными трубками. Их недостаток в том, что очистка таких трубок затруднительна; а так же ТОА с плавающей головкой и ТОА с трубками Фильда.
Расчет охладителя масла из круглых трубок в круглом корпусе с сегментными перегородками
Средняя температура масла в ТОА см. [6] стр. 17:
По 
выбираются теплофизические параметры масла в ТОА см. [6] стр. 25:
– удельный объем масла;
– плотность масла;
удельная теплоемкость масла;
коэффициент теплопроводности масла;
кинематическая вязкость масла;
= 1243,75 
число Прандтля масла.
Удельный объем масла находится исходя из плотности:
Количество отводимого тепла в единицу времени см. [6] стр. 17:
Температура охлаждающей воды на выходе из ТОА принимается приблизительно 
см. [3] стр. 18, т. е. 
: 
.
Средняя температура охлаждающей воды в ТОА в приближенном расчете см. [6] стр. 17:
По найденной температуре 
выбираются теплофизические свойства охлаждающей воды см. [6] стр. 24:
– плотность охлаждающей воды;
удельная теплоемкость охлаждающей воды.
Температура охлаждающей воды на выходе (расчетная) см. [6] стр. 17:
Погрешность при выборе температуры воды на выходе из ТОА см. [3] стр. 18:
Условие выполняется, погрешность входит в допустимый предел 5,0%.
Таким образом, 
Средняя температура охлаждающей воды в ТОА в уточненном расчете:
По найденной температуре 
выбираются теплофизические свойства охлаждающей воды см. [6] стр. 24:
– плотность охлаждающей воды;
удельная теплоемкость охлаждающей воды;
коэффициент теплопроводности охлаждающей воды;
кинематическая вязкость охлаждающей воды;
= 6,80 число Прандтля охлаждающей воды.
Выбор основных параметров для внутритрубного пространства:
= 2,0 м/с – скорость охлаждающей воды в трубках (1...3) см. [6] стр. 14;
= 0,014 м – наружный диаметр трубок в ТОА см. [6] стр. 11;
= 0,012 м – внутренний диаметр трубок в ТОА см. [6] стр. 11.
Число Рейнольдса для охлаждающей воды см. [6] стр. 17:
Температура стенки трубы со стороны охлаждающей воды 
будет несколько выше, чем средняя температура воды 
. Определятся графически посредством нижеприведенных действий. Расчетные данные для построения см. таблица 2.
Задаются значениями , соблюдая условие 
см. [6] стр. 18, т.е. 
находиться в диапазоне: 
.
При данных температурах рассчитываются коэффициенты теплоотдачи от стенки трубок к воде см. [6] стр. 18:
Величины с индексом «
» выбираются по средней температуре , а значения 
выбираются по значениям .
Определяется плотность теплового потока для рассчитанных значений коэффициента теплоотдачи от стенки трубок к охлаждающей воде см. [6] стр. 18:
Температура стенки со стороны масла см. [6] стр. 18:
где 
– толщина стенки трубки;
– коэффициент теплопроводности стенки трубки.
Выбор основных параметров для межтрубного пространства:
= 1,0 м/с – скорость масла в межтрубном пространстве (0,5...1,0) см. [6] стр. 14;
= 0,005 м – расстояние между внешними образующими трубок в ТОА см. [3] стр. 14.
Число Рейнольдса для масла см. [6] стр. 18:
При рассчитанных температурах стенки трубок со стороны масла находится коэффициент теплоотдачи от стенки трубок к маслу см. [6] стр. 18:
где B – коэффициент, учитывающий компоновку трубного пучка см. [6] стр. 18 (0,41 для шахматного пучка).
Величины с индексом «М» выбираются по средней температуре , а значения 
выбираются по значениям .
Плотность теплового потока для рассчитанных значений коэффициента теплоотдачи от стенки трубок к маслу:
| Таблица 2 – Расчетные данные для охлаждающей воды и масла | |||||||||||
| Номер по порядку | Обозначение величины | ||||||||||
|
|
| 
| 
| 
| 
|
|
| 
| 
| 
| |
| Единица измерения | |||||||||||
| - | 
| 
|
| 
|
| - |
|
|
| |
| 22,9 | 6,81 | 34,28 | 7447,02 | 0,0 | 0,0 | 22,9 | 6761,70 | 631,72 | 24,6 | 15555,32 | |
| 24,6 | 6,51 | 34,43 | 7531,37 | 1,8 | 13246,50 | 25,0 | 5865,00 | 644,43 | 22,5 | 14486,87 | |
| 26,4 | 6,24 | 34,59 | 7611,55 | 3,5 | 26775,04 | 27,2 | 4925,60 | 660,37 | 20,3 | 13426,67 | |
| 28,2 | 5,98 | 34,75 | 7692,97 | 5,3 | 40592,17 | 29,3 | 4028,90 | 679,21 | 18,2 | 12347,50 | |
| 29,9 | 5,73 | 34,89 | 7775,54 | 7,0 | 54703,81 | 31,5 | 3446,50 | 694,22 | 16,0 | 11121,82 | |
| 31,7 | 5,54 | 35,05 | 7841,37 | 8,8 | 68958,66 | 33,6 | 3049,60 | 706,22 | 13,9 | 9789,67 | |
| 33,4 | 5,37 | 35,20 | 7902,70 | 10,6 | 83397,67 | 35,8 | 2633,80 | 720,86 | 11,7 | 8435,12 | |
| 35,2 | 5,18 | 35,36 | 7974,19 | 12,3 | 98177,48 | 38,0 | 2218,00 | 738,41 | 9,5 | 7041,02 | |
| 36,9 | 5,00 | 35,51 | 8045,01 | 14,1 | 113199,30 | 40,1 | 1832,10 | 758,44 | 7,4 | 5586,06 | |
| 38,7 | 4,82 | 35,66 | 8119,09 | 15,8 | 128521,86 | 42,3 | 1657,20 | 769,16 | 5,2 | 3992,06 | |
| 40,5 | 4,63 | 35,82 | 8201,13 | 17,6 | 144245,08 | 44,5 | 1482,30 | 781,27 | 3,0 | 2350,39 | |
| 42,2 | 4,45 | 35,97 | 8282,84 | 19,3 | 160250,33 | 46,7 | 1307,40 | 795,12 | 0,8 | 653,13 | |
| 44,0 | 4,26 | 36,12 | 8373,69 | 21,1 | 176736,03 | 48,9 | 1132,50 | 811,27 | -1,4 | -1115,77 | |
| 45,7 | 4,09 | 36,27 | 8459,38 | 22,9 | 193423,30 | 51,1 | 999,40 | 825,60 | -3,6 | -2950,71 | |
| 47,5 | 3,90 | 36,43 | 8560,58 | 24,6 | 210793,95 | 53,3 | 908,10 | 836,74 | -5,8 | -4841,63 |
На основании данных см. таблицу 2 строятся графики зависимости:
и 
см. рисунок 1.
Рисунок 1 – Графики для охлаждающей воды и масла
Точка пересечения двух графиков является искомой температурой стенки. Таким образом, = 24,9 °С.
Для найденной температуры находятся величины по указанным выше формулам:
Коэффициент теплопередачи см. [6] стр. 19:
Среднелогарифмический температурный напор см. [6] стр. 19:
Принимается число ходов охлаждающей воды см. [3] стр. 9:
Коэффициент заполнения трубной доски принимается в диапазоне 0,7…0,85 см. [6] стр. 12. Чем больше ходов в ТОА, тем меньше значение коэффициента:
Поверхность охлаждения охладителя масла см. [6] стр. 19:
Поверхность охлаждения охладителя масла с учетом загрязнения см. [6] стр. 19:
Количество охлаждающих трубок см. [6] стр. 19:
Шаг разбивки трубок по треугольнику см. [6] стр. 19:
Площадь трубной решетки при разбивке по треугольнику см. [6] стр. 20:
Внутренний диаметр корпуса ТОА см. [6] стр. 20:
Длина трубок между трубными досками см. [6] стр. 20:
Сечение для прохода масла между перегородками см. [6] стр. 20:
Площадь сегмента над перегородками см. [6] стр. 20:
Коэффициент сечения см. [6] стр. 20:
Коэффициент сечения находится в зависимости от угла сегмента см. [6] стр. 20:
где 
– угол сегмента.
Для определения угла сегмента строится график по данному уравнению, при этом значения угла сегмента задаются от 0° до 180° см. таблица 3.
Таблица 3 – Зависимость коэффициента сечения от угла сегмента
| 
|
| 0,000 | |
| 0,001 | |
| 0,012 | |
| 0,039 | |
| 0,090 | |
| 0,171 | |
| 0,285 | |
| 0,433 | |
| 0,614 | |
| 0,824 | |
| 1,058 | |
| 1,310 | |
| 1,570 |
По данным значениям строится графическая зависимость коэффициента сечения от угла сегмента см. рисунок 2.
Рисунок 2 – Графическая зависимость коэффициента сечения от угла сегмента
По вычисленному ранее значению коэффициента сечения 
определяется на графике значение угла сегмента. Таким образом, фактический угол сегмента 
. Построение угла сегмента см. рисунок 2.
Хорда сегмента перегородки см. [6] стр. 20:
Ширина усредненного сечения для прохода масла см. [6] стр. 20:
Расстояние между перегородками в первом приближении см. [6] стр. 20:
Число ходов масла см. [6] стр. 21:
Округленное число ходов масла см. [6] стр. 21:
Производится уточнение расстояния между перегородками см. [6] стр. 21:
Таким образом, 
Относительный диаметр корпуса см. [6] стр. 21:
Число рядов трубок, перпендикулярных потоку масла см. [6] стр. 20:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В расчетно-графической работе произведен тепловой и габаритный расчет маслоохладителя из круглых трубок в круглом корпусе с сегментными перегородками. ТОА имеет компактные массогабаритные показатели, хорошую теплопередающую способность и удачную компоновку. По результатам расчета построены графики зависимости теплового потока от температуры среды, график зависимости коэффициента сечения от угла сегмента.
|
|
|
