3.4 Тепловой и гидравлический расчёты водомасляного теплообменника

1 Исходные данные.

1.1 Температура воды на входе в ВМТ ( - задать по результатам расчета II контура системы охлаждения):

1.2 Температура масла на входе в ВМТ:

1.2 Допустимый перепад температуры масла во внутренней масляной системе дизеля:

2 Условия работы ВМТ.

2.1 Расчетная подача масляного насоса:

,где

;

;

2.2 Расчётная подача водяного насоса:

2.3 Температуры воды и масла в ВМТ:

1. температура масла на выходе из ВМТ:

2. температура воды на выходе из ВМТ:

2.4 Средние температуры теплоносителей в пределах ВМТ:

3 Геометрические характеристики трубок ВМТ.

Для расчёта ВМТ выбираем оребрённые трубки.

Основные параметры оребрённых трубок тепловозных ВМТ:

Рисунок 5 - Оребрённая трубка ВМТ

_{Высота ребра:}

Средняя толщина ребра:

Боковая площадь одного витка винтового ребра:

,

Торцевая площадь одного витка винтового ребра:

Площадь межреберного промежутка, приходящаяся на шаг оребрения:

Полная площадь внешней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

Площадь внутренней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

Коэффициент оребрения трубки:

Теплофизические параметры для масла, при температуре :

;

;

;

.

Теплофизические параметры для воды, при температуре :

;

;

;

.

4 Расчет коэффициента теплопередачи ВМТ.

1. число Рейнольдса для потока воды:

, где

- скорость воды в трубках.

2. число Прандтля для потока воды:

3. число Нуссельта для потока воды:

4. коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде:

5. число Рейнольдса для потока масла:

, где

- скорость масла между водяными трубками;

Для оребренных трубок:

Условный диаметр трубки:

6. число Прандтля для потока масла:

7. температура стенки водяной трубки:

температуру стенки выбирают в пределах:

В первом приближении:

8. число Прандтля для потока масла при температуре стенки трубки :

, где

теплофизические параметры для масла, при температуре :

;

;

;

.

9. число Нуссельта для потока масла:

, где

10. конвективный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке трубки:

11. расчетная температура стенки водяной трубки:

проверка:

12. приведенный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке оребрённой трубки:

- число Био для ребра:

, где

- коэффициент теплопроводности для материала ребра.

- параметр ребра:

- коэффициент эффективности винтового ребра:

- коэффициент расширения ребра к основанию:

_{- поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по поверхности ребра:}

- приведенный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке оребрённой трубки:

13. коэффициент теплопередачи ВМТ:

5 Расчет технических параметров ВМТ.

1. теплопередающая поверхность ВМТ со стороны масла:

, где

- расчетный температурный напор между теплоносителями,

2. живое сечение водяных трубок для прохода воды:

3. требуемое число водяных трубок для пропуска воды с заданной скоростью:

4. общее число трубок:

, где

- число ходов воды в ВМТ.

штук

5. диаметр трубного пучка:

, где

- коэффициент заполнения трубной решётки.

6. ориентировочная длина трубного пучка:

7. живое сечение между трубками, требуемое для пропуска масла с заданной скоростью:

8. параметры сегментных перегородок ВМТ:

- площадь окна перегородки (сегмента), требуемое для пропуска масла над перегородкой с заданной скоростью:

- геометрическая площадь сегмента:

где - центральный угол сегмента (подбирается так, чтобы f_г=f)

Принимаем угол

Рисунок 6 - Поперечный разрез ВМТ.

- высота сегмента перегородки:

- ширина условного среднего сечения для прохода масла между перегородками:

- расстояние между перегородками, требуемое для пропуска масла в межтрубном пространстве с заданной скоростью:

9. число ходов масла в ВМТ:

10. расчётная длина трубного пучка:

, где

- толщина перегородки.

11. расчётный объём трубного пучка:

6. Порядок расчёта показателей работы теплообменника.

1. Мощность масляного насоса, необходимая для прокачки масла через ВМТ:

- число рядов трубок ВМТ, перпендикулярных потоку масла:

- коэффициент гидравлического сопротивления ряда трубок проходу масла:

, где

- эмпирический коэффициент:

- гидравлический диаметр для прохода масла между оребрёнными трубками.

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу масла:

- мощность масляного насоса, требуемая для прокачки масла через ВМТ:

где η_мн=0,6-0,7=0,65 – к.п.д. масляного насоса

2. мощность водяного насоса, необходимая для прокачки воды через ВМТ:

- коэффициент гидравлического сопротивления ВМТ проходу воды (по формуле Дарси-Вейсбуха ):

, где

λ_т – коэффициент потерь напора на трение, возникающее при течении воды в трубках (коэффициент Дарси);

ξ_мс ≈3,2–3,6=3,4 – коэффициент потерь напора на местном сопротивлении, вызванном изменением направления движения воды в трубках ВМТ.

Значение коэффициента Дарси при 2300<Re_в<10⁵ можно определить по формуле Блазиуса

.

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу воды:

МПа

- мощность водяного насоса, необходимая для прокачки воды через ВМТ:

кВт, где

η_вн=0,7-0,8=0,75 – КПД водяного насоса (для насоса центробежного типа).

кВт

3. показатель энергетической эффективности ВМТ:

4. коэффициент использования объема ВМТ:

, .

Эскиз ВМТ приведён в приложении №7.

D=0,447 м²;

L=1,04 м;

l_п=0,1114 м;

h_м=0,1218 м;

φ=127°.