Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика и теплопередача. Методические рекомендации
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Епифанов В.С., Степанов А.М.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Методические рекомендации
Альтаир–МГАВТ
Москва
2013
УДК 629
Епифанов В.С., Степанов А.М. Техническая термодинамика и тепло-
передача. Методические рекомендации. М.: Альтаир–МГАВТ, 2013 — 40 с.
Методические рекомендации определяют порядок выполнения курсовой
работы по учебной дисциплине «Техническая термодинамика и теплопередача», а также детальное знакомство с методами проектирования теплообменных
аппаратов и развивает навыки их проектирования.
Предназначено для студентов специальности 180405.65 (специалист) –
эксплуатация судовых энергетических установок, а также рекомендуется для
студентов, изучающих дисциплину «Теплофизические основы судовой энергетики» направления 180103.62 — бакалавр — профиль судовые энергетические
установки.
Рецензент — кандидат технических наук, доцент Л.Ф. Мокеров
Издается по решению Учебно–методического совета МГАВТ.
Рассмотрено и рекомендовано к использованию в учебном процессе кафедрой Судовых энергетических установок и автоматики (протокол №9 от 16
мая 2013 г.).
Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать
материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно–
методические материалы
© МГАВТ, 2013
© Епифанов В.С., 2013
© Степанов А.М., 2013
3
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Условные обозначения и сокращения…………………………………..
4
Предисловие………………………………………………………………
6
Задание на курсовую работу ……………………………………………
7
1 Анализ исходных данных. Выбор типа теплообменного аппарата и
его конструкции.………………………………………………………….
8
1.1 Анализ исходных данных ……………………………………………
8
1.2 Выбор конструкции теплообменного аппарата…………...………..
8
2. Тепловой расчет ТОА………………………………………………….
13
3. Компоновочный расчет ТОА …………………………………………
21
4. Гидродинамический расчет ТОА ……………………………………
22
5. Оценка эффективности разработанного теплообменного аппарата
24
Приложение 1. Графики для определения поправочного коэффициента
t
=f (P, R) для сложных схем теплообменников.………….
26
Приложение 2. Титульный лист «Пояснительная записка к курсовой
работе) (образец)………………………………………………………….
27
Приложение 3. Охладители ……………………………………………
28
Приложение 4. Трубы для теплообменных аппаратов ………………...
31
Приложение 5. Параметры трубок и стандартный ряд охладителей
воды ……………………………………………………………………….
32
Приложение 6. Физические свойства воды в состоянии насыщения
33
Приложение 7. Физические свойства сухого воздуха
(р=0,101 МПа)…………………………………………………………..
34
Приложение 8. Теплофизические свойства дизельного масла в зависимости от температуры…………………………………………….
35
Приложение 9. Теплофизические свойства масла МС-20 в зависимости от температуры………………………………………………….
36
Приложение 10. Формулы для расчета гидравлических сопротивлений при поперечном обтекании пучков труб……..……………….
37
Приложение 11. Значение коэффициента местных сопротивлений в
теплообменных аппаратах ………………………………………………
38
Список литературы …..…………………………………………….……
39
4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
e
P
— эффективная мощность двигателя,
кВт
;
e
— эффективный коэффициент полезного действия двигателя;
к
— степень повышения давления в турбокомпрессоре двигателя;
ЗВ
n
— число ходов в ТОА по направлению движения охлаждающей жидкости;
СО
n
—число ходов в ТОА по направлению движения охлаждаемой жидкости;
в
d
,
н
d
— диаметр трубок ТОА внутренний и наружный, мм;
ВН
D
— внутренний диаметр корпуса ТОА, м;
зв
t
— температура охлаждающей жидкости на входе в ТОА (забортная вода),
C
o
;
зв
t
— температура охлаждающей жидкости на выходе из ТОА
(забортная вода),
C
o
;
ЗВ
T
__
— средняя температура охлаждающей жидкости на выходе
из ТОА
К
;
со
t
— температура охлаждаемой жидкости на входе в ТОА,
C
o
;
со
t
— температура охлаждаемой жидкости на выходе из ТОА,
C
o
;
— коэффициент теплоотдачи,
Км
Вт
2
;
СО
T
__
— средняя температура охлаждаемой жидкости на выходе
из ТОА,
К
;
к
— коэффициент теплопередачи от охлаждаемой жидкости к
забортной воде,
Км
Вт
2
;
р
с
— удельная массовая изобарная теплоемкость,
Ккг
кДж
;
— коэффициент теплопроводности,
Км
Вт
;
— кинематическая вязкость жидкости,
с
м
2
;
— температурный коэффициент объемного расширения,
К
1
;
p
— давление,
МПа
;
5
t
— разность температур рабочих сред,
C
o
;
зв
t
— средняя температура охлаждающей жидкости,
C
o
;
со
t
— средняя температура охлаждаемой жидкости,
C
o
;
a
T
— температура окружающей среды,
К
;
В
— часовой расход топлива,
ч
кг
;
е
b
— удельный эффективный расход топлива,
чкВткг
;
ЗВ
G
— расход охлаждающей жидкости через ТОА,
с
кг
;
ЗВСО
QQQ
— тепловой поток, передаваемый от охлаждаемой жидкости
через ТОА к охлаждающей жидкости,
кВт
;
СО
Q
— тепловой поток охлаждаемой жидкости,
кВт
;
ЗВ
Q
— тепловой поток, воспринимаемый охлаждающей жидкостью (забортной водой),
кВт
;
ЗВ
d
— диаметр трубопровода охлаждающей жидкости,
м
;
— толщина стенки трубки,
мм
;
W
— водяной эквивалент;
— коэффициент заполнения трубной доски;
зв
d
— диаметр трубопровода, по которому охлаждающая жидкость подается в ТОА, м;
ПУ
d
— условный диаметр входного и выходного патрубков
охлаждающей жидкости, м;
со
d
— условный диаметр входного и выходного патрубков
охлаждаемой жидкости, м;
e
q
— доля теплоты, передаваемой от охлаждаемой жидкости к
охлаждающей жидкости;
тр
l
— длина трубки между досками ТОА,
м
;
e
— эффективный коэффициент полезного действия дизеля;
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ТОА
— теплообменный аппарат;
ДВС
— двигатель внутреннего сгорания;
ОСТ
— отраслевой стандарт.
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Теплообменные аппараты (ТОА) — устройства, предназначенные для
передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому теплоносителю. Теплообменные аппараты находят широкое применение в системах
охлаждения, смазки, турбонаддува и пуска двигателя.
Система охлаждения предназначена для отвода теплоты от деталей двигателя, соприкасающихся с горячими газами: втулок и крышек цилиндров,
поршней, выпускных коллекторов. Это позволяет обеспечить длительное сохранение механических свойств материалов деталей при больших нагрузках.
Система обеспечивает также охлаждение масла в системе смазки и промежуточное охлаждение воздуха в системе наддува.
Выбор охлаждающей среды зависит от ее свойств, параметров и конструктивных особенностей охлаждаемого объекта. Для охлаждения цилиндров,
крышек, выпускных коллекторов двигателей, компрессоров применяют пресную воду. Для охлаждения воздуха, масла и пресной воды в теплообменных
аппаратах применяют забортную воду. Отвод теплоты от распылителей форсунок, предусматриваемый в некоторых двигателях, осуществляется пресной водой или топливом. Масло как охлаждающая жидкость по сравнению с водой
из–за: высокой стоимости, большой вязкости, малой теплоемкости и коэффициента теплоотдачи, склонностью к нагарообразованию, практически не применяется в ТОА для охлаждения.
На экономичность и надежность работы двигателя большое влияние ока-
зывает температурный режим охлаждения. Разность температур воды на выходе из двигателя и на входе в него должна быть минимальной, не более 20˚С.
Теплообмен в ТОА рассматривают как процесс, протекающий при постоянном давлении.
Основной задачей курсовой работы является определение поверхности
теплообмена, которая должна обеспечить передачу заданного количества теплоты при заданных расходах и температурах рабочих сред. Курсовая работа выполняется в течение одного семестра и имеет целью закрепления и углубления
знаний, полученных при изучении части курса «Теплотехника» — часть 2—
“Теплопередача”. Общее содержание и направленность курсовой работы устанавливается заданием, в котором приводятся необходимые данные для проектирования охладителя (воды, масла или воздуха), а также особые требования к
проектируемому теплообменному аппарату. Задания выдаются студенту в соответствии с вариантом, указанным в табл.1, по двум последним цифрам зачетной
книжки.
7
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
№
вар.
e
n
,
1
мин
e
P
,
кВт
Тип
ТОА
e
к
№
вар.
e
n
,
1
мин
e
P
,
кВт
Тип
ТОА
e
к
01
1500
90
ВВХ
0,38
1,0
46
1000
460
ОНВ
0,46
2,0
02
750
300
ВМХ
0,42
1,3
47
1000
295
ВВХ
0,38
1,0
03
1500
150
ОНВ
0,43
1,8
48
1500
120
ВВХ
0,38
1,0
04
500
1150
ВВХ
0,43
1,6
49
550
2350
ВМХ
0,38
1,0
05
375
850
ВМХ
0,37
1,0
50
1000
320
ОНВ
0,44
2,5
06
1000
480
ОНВ
0,43
1,5
51
750
280
ВВХ
0,38
1,0
07
750
360
ВВХ
0,38
1,0
52
1500
120
ВМХ
0,41
1,3
08
1500
95
ВВХ
0,41
1,8
53
375
570
ОНВ
0,42
1,8
09
550
2000
ВМХ
0,42
1,8
54
1500
110
ВВХ
0,44
1,6
10
1500
400
ОНВ
0,44
2,0
55
375
900
ВМХ
0,38
1,0
11
550
1350
ВВХ
0,38
1,0
56
1500
90
ОНВ
0,43
1,5
12
1500
120
ВМХ
0,41
1,3
57
550
2300
ВВХ
0,38
1,0
13
1000
320
ОНВ
0,42
1,8
58
1500
380
ВВХ
0,41
1,8
14
375
900
ВВХ
0,44
1,6
59
750
330
ВМХ
0,42
1,8
15
1500
58
ВМХ
0,38
1,0
60
1500
440
ОНВ
0,44
2,0
16
1500
100
ОНВ
0,39
1,5
71
550
1300
ВВХ
0,37
1,0
17
750
240
ВВХ
0,37
1,0
72
1500
95
ВМХ
0,41
1,3
18
1000
305
ВВХ
0,41
1,8
73
1000
460
ОНВ
0,42
1,8
19
1500
60
ВМХ
0,42
1,8
74
1000
350
ВВХ
0,44
1,6
20
550
1400
ОНВ
0,44
2,0
75
375
600
ВМХ
0,38
1,0
21
1000
310
ВВХ
0,38
1,0
76
550
2100
ОНВ
0,43
1,5
22
1500
115
ВМХ
0,41
1,3
77
1500
63
ВВХ
0,38
1,0
23
1500
55
ОНВ
0,42
1,8
78
375
650
ВВХ
0,41
1,8
24
1500
110
ВВХ
0,44
1,6
79
1500
420
ВМХ
0,42
1,8
25
375
590
ВМХ
0,38
1,0
80
1500
100
ОНВ
0,44
2,0
26
1500
390
ОНВ
0,39
1,5
81
1000
315
ВВХ
0,38
1,0
27
1000
300
ВВХ
0,37
1,0
82
1000
370
ВМХ
0,41
1,3
28
375
920
ВВХ
0,41
1,8
83
1500
175
ОНВ
0,42
1,8
29
1500
410
ВМХ
0,42
1,8
84
1000
305
ВВХ
0,44
1,6
30
550
2200
ОНВ
0,44
2,0
85
550
2150
ВМХ
0,38
1,0
31
375
630
ВВХ
0,37
1,0
86
1500
450
ОНВ
0,43
1,5
32
1500
105
ВМХ
0,43
1,3
87
1500
58
ВВХ
0,38
1,0
33
1500
57
ОНВ
0,43
1,8
88
1500
110
ВВХ
0,41
1,8
34
500
450
ВВХ
0,43
1,6
89
550
1250
ВМХ
0,42
1,8
35
550
1500
ВМХ
0,37
1,0
90
375
640
ОНВ
0,44
2,0
36
1000
330
ОНВ
0,43
1,5
91
750
320
ВВХ
0,38
1,0
37
1500
100
ВВХ
0,38
1,0
92
1000
295
ВМХ
0,41
1,3
38
1000
450
ВВХ
0,41
1,8
93
1500
165
ОНВ
0,42
1,8
39
375
620
ВМХ
0,42
1,8
94
375
590
ВВХ
0,44
1,6
40
1500
115
ОНВ
0,44
2,0
95
375
920
ВМХ
0,38
1,0
41
550
2050
ВВХ
0,38
1,0
96
1500
1200
ОНВ
0,43
1,5
42
500
460
ВМХ
0,41
1,3
97
1500
380
ВВХ
0,38
1,0
43
1500
160
ОНВ
0,42
1,8
98
550
2250
ВВХ
0,41
1,8
44
1000
300
ВВХ
0,44
1,6
99
1000
380
ВМХ
0,42
1,8
45
1500
425
ВМХ
0,38
1,0
100
500
1250
ОНВ
0,44
2,0
Разработать ТОА охлаждаемой жидкости, масла или воздуха судового
двигателя внутреннего сгорания (СДВС), отвечающего современному уровню
по данным, приведенным в табл.1.
Таблица 1
Варианты заданий на курсовую работу
8
Указание: сложные схемы теплообменников, соответствующие вариантам
заданий, приведены в приложении 1. Тип поверхности теплообмена выбирается в соответствии с заданием, а материал трубок ТОА — по приложению 5.
9
1 АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ. ВЫБОР ТИПА
Ct060
ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА И ЕГО КОНСТРУКЦИИ
1.1 Анализ исходных данных
В связи ужесточением требований к судовым двигателям в отношении
снижения токсичных выбросов, надежности и повышения экономичности, имеет значение этот этап курсовой работы. Из сопоставления параметров ТОА,
указанного в задании, с показателями различных отечественных теплообменных аппаратов необходимо проанализировать те из них, которые удовлетворяли
бы заданным требованиям, а именно: ТОА отвечал бы параметрам работы
охладителя на рабочих режимах заданного двигателя. Из наиболее предпочтительных конструкций ТОА являются судовые кожухотрубные многоходовые
ТОА — их серийно выпускает отечественная промышленность. По некоторым
данным их выпуск составляет до 80% всей теплообменной аппаратуры. Поэтому при анализе задания и конструкции ТОА необходимо привести основные заводские параметры ТОА и модель двигателя, на котором этот ТОА устанавливается. В работе целесообразно внести оригинальные предложения, которые могут обеспечить наибольшую эффективность ТОА, например, за счет
применения современных материалов, использования иных вариантов конструктивного исполнения.
На основании проведенного анализа задания выбирают основные расчетные параметры ТОА, сорт и марку используемого материала, график изменения
температур воды при ее движении при заданных температурах и др. Все эти и
другие данные должны быть отражены в пояснительной записке, титульный
лист которой дан в приложении 2.
1.2 Выбор конструкции теплообменного аппарата
Теплообменный аппарат в системе охлаждения СДВС используется для
передачи теплоты от охлаждаемой жидкости к охлаждающей жидкости. Он относится к энергетическому теплообменному аппарату, рекуперативного типа, в
котором при одновременном протекании сред теплота передается через разделяющую их поверхность.
К теплообменным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая надежность в течение заданного срока эксплуатации, простота обслуживания и ремонта, приемлемые массогабаритные характеристики и стоимость.
Конструкция ТОА (см. приложение 3) зависит от его целевого назначения, параметров рабочих сред и тепловой нагрузки. Большинство ТОА представляют собой кожухотрубные конструкции с круглыми прямыми, U–
образными и змеевиковыми трубами (рис.1). При разностях температур рабо-
чих сред
применяют ТОА с прямыми трубками и двумя одинарными
или двойными трубными досками, которые устанавливают в цилиндрический
корпус (кожух). Для разгрузки конструкции от продольных усилий применяют
плавающие трубные доски (подвижные). Если разность рабочих температур ра-
10
бочих сред
Ct060
Для интенсификации теплообмена и обеспечения требуемых скоростей рабочих сред
выполняются многоходовые
судовые кожухотрубные ТОА.
Для этой цели в крышках кожуха устанавливают поворотные камеры, а в межтрубном
пространстве — разделительные сегментные перегородки
(для организации поперечного
тока рабочей среды) или продольные неперекрывающие
перегородки (для организации
продольного тока).
Корпуса ТОА изготовляют из
нержавеющих сталей
ОХ18Н12Т или ОХ18Н10Т и
цветных металлов — латуни
Л062–1 и мельхиора
МНЖМц30–1–1. Крышки
ТОА выполняют способом литья из различных материалов
(сталь или бронза). Трубные
доски — из легированной стали, латуни либо из медно–
никелевых сплавов.
Скорость рабочих сред ограничена 3
1
см
из–за низкой
износоустойчивости материала.
Рис.1. Основные виды рекуперативных теплообменных аппаратов:
а — кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой
конструкции: 1 — цилиндрический кожух; 2 — трубный пучок; 3 — крышки; 4, 5 — штуцеры; 6 — трубные решетки; б — теплообменный аппарат с плавающей головкой; в — теплообменный аппарат с U–
образными трубками; г — ТОА типа «труба в трубе».
1
см
C
o
, то целесообразно применять ТОА с U–образными или
змеевиковыми трубками и одной трубной доской. Для выпуска воздуха при заполнении аппарата и для сообщения с атмосферой при сливе теплоносителей
предусмотрены специальные устройства.
При скорости воды в трубках до 3
стенки не выше 60–80
(СЭУ) разрабатывают согласно типоразмерным рядам при соблюдении требований унификации основных деталей и узлов. Унифицированы типы и размеры
трубок, расположение и крепление их в трубных досках, размеры корпусов,
применяемая ТОА арматура и контрольно–измерительная аппаратура.
трубки выполняют из мельхиора.
Теплообменные аппараты для систем судовых энергетических установок
и температуре их внутренней
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]