7. 3. Розрахунок дослідного елемента

3.1 Тепловий розрахунок

Знайдемо максимальну температуру стінки ДЕ .

де температуру насичення знаходять при робочому тиску , приймаємо .

Тоді:

.

Подовження дослідного елементу при обігріві:

.

де = коеф. лінійного розширення, для сталі 12Х18Н10Т, .

,

.

3.2 Розрахунок на міцність дослідного елемента та корпусу.

Товщину стінки дослідного елементу розрахуємо по формулі:

;

Відповідно до [7], - допустима напруга в металі при даних параметрах розрахунку:

- мінімальний коефіцієнт міцності судини (рівний 1, оскільки в трубі немає ослаблень).

- поправка на технологію виготовлення, вибирається в межах = . Приймаємо .

Для розрахунку товщини стінки задамося внутрішнім діаметром робочого елемента , а робочий тиск приймаємо рівний атмосферному, тоді товщина стінки буде:

.

Приймаємо товщину дослідного елемента , зовнішній діаметр відповідає поставленому завданню

Товщина стінки корпуса відповідно буде:

.

З конструктивних міркувань вибираємо товщину корпуса , зовнішній діаметр відповідно

3.3 Розрахунок фланця

Мета фланцевого розрахунку - визначати розміри прокладки і елементи фланця, кількість і діаметр болтів. Основна початкова величина при розрахунку болтів, що скріпляють фланець, - розтягуюче зусилля, що діє на них. Розтягуючі зусилля визначається по формулі:

,

де , -діаметри, що визначають розміри прокладки:

, ;

- надмірний тиск в контурі;

- розрахункова сила осьового стиснення фланців, необхідна для забезпечення герметичності. Сила стиснення прокладки прямокутного перетину визначається:

,

де - питомий тиск ущільнення, необхідний для деформації прокладки, для пароніта =10 [МПа];

- площа поверхні прокладки:

,

тоді:

,

.

Для забезпечення надійного з'єднання фланців, кожен болт повинен випробовувати зусилля: , де - кількість болтів.

Тоді:

.

Визначимо внутрішній діаметр різьби болта

,

де =135МПа - допустиме розтягування матеріалу болта

.

Виходячи с конструкторських міркувань приймаємо болт М20х1,5, що цілком задовольняє розрахункові параметри.

Товщина круглого приварного фланця:

,

де - коефіцієнт для фланців, S – відстань на дузі між болтами: .

- діаметр кола, на якому розташовані болт; – діаметр отвору для болта; - зазор між гайкою і трубою.

,

.

Тоді:

.

Зовнішній діаметр фланця визначається:

3.4 Розрахунок електричних шин

Густина тока шини . Площа перерізу шини:

Задаємось однією з величин , тоді товщина шини буде:

.

4 Розрахунок гідравлічних опорів

При проектуванні робочого стенду використовуються однакові вентилі, трійники і повороти, тому задамося їхніми гідравлічними коефіцієнтами опору [6]:

1. коефіцієнт раптового розширення ;

2. коефіцієнт раптового звуження ;

3. коефіцієнт опору вентилів ;

4. коефіцієнт опору трійників ;

5. коефіцієнт опору поворотів на 90⁰ ;

6. коефіцієнт опору поворотів на 180⁰ .

Формула для розрахунку гідравлічного опору всієї установки:

Формула для розрахунку гідравлічного опору тертя:

,

де коефіцієнт тертя на даній ділянці; - довжина даної ділянки; - діаметр труби; - середня густина рідини на даній ділянці; - швидкість рідини на даній ділянці.

Формула для місцевих гідравлічних опорів

- коефіцієнт місцевого опору.

4.1 Ділянка НЦ – ТОУ1

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

4,05 м; = 0,01 м; масову швидкість між насосом та теплообмінником-утилізатором приймаємо рівну масовій швидкості ТОУ в кільцевому каналі , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90⁰, кількість поворотів 6

2. опір трійників, кількість трійників 2

3. опір вентилів, кількість вентилів 2

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки НЦ – ТОУ1

4.2 Ділянка ТОУ1

0,706 [м]; ; масова швидкість в кільцевому каналі , динамічна в’язкість :

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. раптового розширення та звуження

Опір ділянки ТОУ1

4.3 Ділянка ТОУ1 – ЕН

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90⁰, кількість поворотів 1

2. опір трійників, кількість трійників 1

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки ТОУ1 – ЕН

4.4 Ділянка ЕН

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість , динамічна в’язкість :

Опір ділянки ЕН

4.5 Ділянка ЕН – РУ

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90, кількість поворотів 3

2. опір трійників, кількість трійників 1

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки ЕН – РУ

4.6 Ділянка РУ

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

Так як дослідною частиною являється собою кільцевий канал, то для нього діаметр еквівалентний буде , довжина ; ; масова швидкість за умовою завдання , :

.

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір раптового розширення -2 та звуження -1

Опір ділянки РУ

4.7 Ділянка РУ – ТОУ2

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; приймаємо масову швидкість рівну в ТОУ2 , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90, кількість поворотів 10

2. опір раптового розширення та звуження

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки РУ – ТОУ2

4.8 Ділянка ТОУ2

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість рівну в ТОУ2 , динамічна в’язкість :

Опір ділянки РУ – ТОУ2

4.9 Ділянка ТОУ2 – ТХ

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість приймаємо рівну швидкості в холодильнику , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90, кількість поворотів 6

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки ТОУ2 – ТХ

.

4.10 Ділянка ТХ

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масова швидкість рівна в ТОУ2 , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 180, кількість поворотів 10

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки ТХ

.

4.11 Ділянка ТХ-НЦ

Знайдемо гідравлічний опір тертя:

; ; масову швидкість приймаємо рівну , динамічна в’язкість :

Знайдемо місцеві гідравлічні опори:

1. опір повороту на 90⁰, кількість поворотів -5

2. опір вентиля

Сумарний місцевий опір

Опір ділянки ТХ-НЦ

.

4.12 Вибір насоса

Гідравлічний опір всієї установки

Потужність насоса на перекачування рідини, Вт:

,

де H - напір насоса, м, , тоді

.

Потужність, що повинен розвивати двигун насоса на вихідному валу, Вт,

.

При розрахунку витрат енергії на перекачування необхідно враховувати, що потужність , споживана двигуном від мережі, більше номінальної внаслідок втрат енергії в самому двигуні

.

Виходячи з даних параметрів приймаємо відцентровий насос марки Х20/18 , з параметрами , та електродвигун марки АО-2-82-4 з потужністю .

Висновок

В ході виконання курсового проекту був спроектований та здійснений повний розрахунок стенду для дослідження кризи теплообміну в кільцевому каналі при внутрішньому обігріві. А саме, були розраховані основні геометричні та теплофізичні параметри теплообмінника-утилізатора та теплообмінника-холодильника, здійснений розрахунок джерела живлення для зони електрообогріву та нагріву рідини в дослідному елементі, спроектована вся схема підключень, здійснено розрахунок гідравлічного опору, та на його основі вибраний відповідний насос.

Перелік посилань

1. Дорощук В.Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах. –М.:Энергоатомиздат, 1983.-103с.

2. Большаков В.В., Башкирцев СМ., инженеры, Кобзарь Л.Л., Морозов Л.Г. Экспериментальное исследование кризиса теплоотдачи в каналах с витыми тепловыделяющими стержнями // Теплоэнергетика . — 2007. — № 5. — С. 50-52.

3. Орлов В.К., Целищев П.А. Экспериментальное исследование температурного режима оболочка ТВЭЛов в зоне дистанционирующих решеток. Теплообмен в элементах энергетических установок. – М: Наука, 1966, 222с.

4. Ривкин с.Л., Александров а.А. Теплофизические свойства воды и водяной пары. – М.: Энергия, 1980 – 424 с., ил.

5. Расчет на прочность деталей парогенераторов АЭС. Методические указания. Сост. В.К. Щербаков. – Киев: КПИ, 1986. – 28с.