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:

^ͦ C (142)

1.2 Допустимый перепад температуры масла во внутренней масляной системе дизеля:

2 Условия работы ВМТ.

2.1 Расчетная подача масляного насоса:

,где (143)

;

;

2.2 Расчётная подача водяного насоса:

2.3 Температуры воды и масла в ВМТ:

1. температура масла на выходе из ВМТ:

( 144)

2. температура воды на выходе из ВМТ:

(145)

3. Геометрические характеристики трубок ВМТ.

Для расчёта ВМТ выбираем оребрённые трубки.

Основные параметры оребрённых трубок тепловозных ВМТ:

- диаметр трубки по вершинам ребер =24 мм;

- внутренний диаметр трубки = 10мм;

- наружный несущий диаметр трубки = 13мм;

- толщина основания ребра = 0,584 мм;

- толщина вершины ребра = 0,2мм;

- расположение трубок в шахматном порядке = 27мм;

- шаг оребрения =3 мм.

Рисунок 4 - Оребрённая трубка ВМТ

_{Высота ребра:}

₍₁₄₆₎

Средняя толщина ребра:

(147)

Боковая площадь одного витка винтового ребра:

, (148)

Торцевая площадь одного витка винтового ребра:

₍₁₄₉₎

Площадь межреберного промежутка, приходящаяся на шаг оребрения:

₍₁₅₀₎

Полная площадь внешней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

₍₁₆₀₎

Площадь внутренней поверхности трубки, приходящаяся на шаг оребрения:

₍₁₇₀₎

Коэффициент оребрения трубки:

(180)

Теплофизические параметры для масла, при температуре :

;

;

;

.

Теплофизические параметры для воды, при температуре :

;

;

;

.

4. Расчет коэффициента теплопередачи ВМТ.

1. число Рейнольдса для потока воды:

, где (181)

- скорость воды в трубках.

2. число Прандтля для потока воды:

(182)

3. число Нуссельта для потока воды:

₍₁₈₃₎

4. коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде:

(184)

5. число Рейнольдса для потока масла:

, где (185)

- скорость масла между водяными трубками;

Для оребренных трубок:

Условный диаметр трубки:

(186)

6. число Прандтля для потока масла:

(187)

7. температура стенки водяной трубки:

температуру стенки выбирают в пределах:

₍₁₈₈₎

В первом приближении:

₍₁₈₉₎

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

, где (190)

теплофизические параметры для масла, при температуре :

;

;

;

.

9. число Нуссельта для потока масла:

, где (191)

(192)

10. конвективный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке трубки:

(193)

11. расчетная температура стенки водяной трубки:

(194)

проверка: ₍₁₉₅₎

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

- число Био для ребра:

, где (196)

- коэффициент теплопроводности для материала ребра.

- параметр ребра:

(197)

- коэффициент эффективности винтового ребра:

(198)

(199)

- коэффициент расширения ребра к основанию:

₍₂₀₀₎

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

₍₂₀₁₎

- приведенный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке оребрённой трубки:

(202)

13. коэффициент теплопередачи ВМТ:

(203)

5. Расчет технических параметров ВМТ.

1. теплопередающая поверхность ВМТ со стороны масла:

, где (204)

- расчетный температурный напор между теплоносителями,

(205)

На тепловозе 2ВМТ, следовательно F=33м²

2. живое сечение водяных трубок для прохода воды:

(206)

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

(207)

4. общее число трубок:

, где (208)

- число ходов воды в ВМТ.

штук

5. диаметр трубного пучка:

, где (209)

- коэффициент заполнения трубной решётки.

6. ориентировочная длина трубного пучка:

(210)

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

(211)

8. параметры сегментных перегородок ВМТ:

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

(212)

- геометрическая площадь сегмента:

(213)

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

Принимаем угол

- высота сегмента перегородки:

₍₂₁₄₎

- ширина условного среднего сечения для прохода масла между перегородками:

₍₂₁₅₎

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

(216)

9. число ходов масла в ВМТ:

(217)

10. расчётная длина трубного пучка:

, где (218)

- толщина перегородки.

_{L=0,132·18+0,005·(18-1)=2,461=1,2305 м}

11. расчётный объём трубного пучка:

(219)

6. Порядок расчёта показателей работы теплообменника.

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

- число рядов трубок ВМТ, перпендикулярных потоку масла:

₍₂₂₀₎

- коэффициент гидравлического сопротивления ряда трубок проходу масла:

, где (221)

- эмпирический коэффициент:

(222)

(223)

- гидравлический диаметр для прохода масла между оребрёнными трубками.

(224)

(225)

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу масла:

₍₂₂₆₎

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

(227)

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 (228)

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

(229)

.

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу воды:

(230)

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

кВт, где (231)

η_вн=0,7-0,8=0,75 – КПД водяного насоса.

кВт

D=0,34 м²;

L=1,2305 м;

l_п=0,132 м;

h_м=0,094 м;

φ=127°.