Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика и теплопередача. Методические рекомендации
.pdf
11
В зависимости от взаимного направления потока горячей и холодной жидкости различают три основные схемы
движения жидкостей:
если обе жидкости движутся параллельно в одном направлении, то схема
движения называется прямотоком
(рис. 2,а); если обе жидкости движутся
параллельно, но в противоположных
направлениях, то схема движения
называется противотоком (рис. 2,б);
если одна жидкость движется в
направлении, перпендикулярном другой, то схема движения называется перекрестным током (рис. 2,в).
Рис. 2. Схемы движения жидкостей:
а – прямоток, б – противоток, в – перекрест-
ный ток
Диаметром теплообменных труб определяется масса и габариты кожухо-
Кроме указанных на рис 2 простых схем используют сложные
схемы, являющиеся различными
комбинациями простых схем (рис.
3)..
При многократно перекрестном
токе общее направление перемещения жидкости, движущейся
внутри змеевика, может либо совпадать с направлением движения
другой жидкости перемещающейся
снаружи змеевика (прямоток), либо быть противоположным (противоток). На рис. 3,а показан случай
прямотока.
Рис. 3. Сложные схемы движения жидкостей:
а — случай прямотока, б, в — последовательно
смешанный ток, г, д, е — случаи прямотока и
противотока
трубных ТОА. Обычно наружный диаметр трубок находится в пределах 12–20
мм при толщине стенки 1–2 мм. В каждом ходу многоходового ТОА желательно размещать одинаковое число трубок для обеспечения равномерного распределения скоростей в них. Следовательно, таким способом будет выравниваться
гидравлическое сопротивление и теплотехнические характеристики по всему
ТОА. Теплообменные трубки закрепляют в трубных досках развальцовкой, развальцовкой в сочетании со сваркой и просто сваркой. Передовой технологией
закрепления труб является взрывная развальцовка. Применяют также электрогидравлический способ развальцовки труб. Для увеличения поверхности теплообмена со стороны среды с меньшим коэффициентом теплоотдачи выполняется
оребрение трубок.
12
В случае последовательно смешанного тока (рис. 3,б,в) поверхность теп-
1
t
1
t
2
t
2
t
2
t
2
t
1
t
1
t
На рис. 4,а представлена шахматная
разбивка (расположение) трубок с применением следующих относительных
шагов:
d
l
1
= 1,5–3,0 и
d
l
2
= 1,0–2,2. Част-
ным случаем шахматной разбивки трубок является треугольная (рис.4,б) с размещением осей трубы в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого
21
ll
. Этот вид разбивки труб поз-
воляет разместить на одной и той же
площади при одном и том же шаге
наибольшее число трубок. При этой разбивке относительные расстояния между
осями труб можно выбирать в пределах
от 1,3 до 2,5. Коридорная разбивка трубок (рис.4,в) целесообразна с применени-
ем следующих относительных шагов'
d
l
1
= 1,3–2,0,
d
l
2
= 1,3–2,0.
Частным случаем коридорной разбивки
является квадратная (рис.4,г) с расположением осей трубок в вершинах квадрата
(со стороной, равной шагу
21
lll
).
Рис.4. Варианты разбивки трубок в
корпусе ТОА:
а — шахматная; б — треугольная; в — ко-
ридорная; г — квадратная; д — по концентрическим окружностям
2
l
21
ll
лообмена состоит из двух участков. На первом участке осуществляется перекрестный ток, но общее направление перемещения жидкости с температурами
,
и жидкости с температурами
,
, движущейся внутри змеевика, совпа-
дает (прямоток). На втором участке направление движения жидкости внутри
змеевика с температурами
и
по отношению к направлению движения дру-
гой жидкости с температурами
участке будет противоток.
,
становится противоположным. На втором
ложенным одна от другой на расстоянии шага
окружностям делается обычно с шагом
Расположение трубок по концентрическим окружностям (рис.4,д), распо-
От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен меж-
ду ними, поэтому схемы движения жидкости еще называют схемами теплообмена.
В основу теплового расчета поверхностных ТОА положены уравнения
теплового баланса и обобщенные уравнения теплопередачи при переменных
. Разбивка трубок по этим
.
13
температурах, действительных для любых схем теплообмена и для конструк-
Км
Вт
2
4,0
Pr
Nu
4,0
Pr
Nu
тивных и поверочных расчетов.
Основными характеристиками ТОА являются тепловая нагрузка и гид-
равлическое сопротивление (потери напора на преодоление сил трения на стенках и местных сопротивлений).
Надежность и эффективность ТОА определяемся скоростью рабочих
сред, аэродинамическим совершенством теплообменных поверхностей и раздаточных устройств, а также технологией изготовления. Так, для кожухотрубного
охладителя пресной воды (охлаждаемой жидкости) тепловая нагрузка составляет 100–10000 кВт, площадь поверхности теплообмена 0,5–500 м2, коэффициент
теплопередачи 500–2000
.
Для уменьшения площади поверхности теплообмена при отсутствии изменения агрегатного состояния жидкости желательно применять в ТОА противоточное движение жидкостей. При кипении воды или конденсации пара хотя
бы с одной стороны поверхности теплообмена все схемы движения принципиально равноценны.
При выборе продольной или поперечной схемы омывания трубок водой
стремятся к выравниванию коэффициентов теплоотдачи для обеих жидкостей
— внутреннего контура и охлаждающей жидкости. При этом имеют в виду, что
при отношении
>5,8 выгоднее продольное, а при
< 5,8 — поперечное
омывание трубок водой.
Однако вопрос о том, какой из теплоносителей направлять по трубкам, а
какой в межтрубном пространстве, решают в зависимости от ряда факторов.
Так, например, целесообразно воду с большим давлением направлять по трубкам, что позволит уменьшить массу корпуса аппарата. Также имеют в виду и
эксплуатационные требования с учетом отложения загрязнений, удобства
очистки от них и т. д.
На основании проведенного анализа задания студентом приводятся схемы системы охлаждения двигателя и ТОА, дается краткое описание приведенной схемы системы охлаждения и ТОА.
В зависимости от полученного варианта задания после согласования с
руководителем курсовой работы студентом может быть выбрана и разбивка
трубных досок теплообменника, схема которой также должна быть приведена в
соответствующем месте расчета ТОА.
2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТОА
14
При расчете ТОА основными расчетными уравнениями являются урав-
ЗВСО
QQQ
2
м
Вт
Tкq
ср
охлаждающая вода в трубках масло– и водоохладителей ……….
0,4–1,2
газообразные продукты сгорания и воздух в трубках воздухоподогревателей…………………………………………………………..
5–15
воздух в межтрубном пространстве ТОА …………………………..
5–20
e
q
e
q
e
e
в
d
н
d
в
d
н
d
1
G
2
G
1p
с
2p
с
,
e
e
e
P
q
Q
c
кДж
ЗВСО
QQQ
КTЗВ,
__
3
,
м
кг
ЗВ
кгК
кДж
с
ЗВ
P
,
нение теплового баланса
, и уравнение теплопередачи
. Для решения этих уравнений надо определить коэффициент
теплопередачи и среднелогарифмический температурный напор. Для этого
вначале выбирают скорости движения жидкостей и их распределение в ТОА.
Тип поверхности теплообмена и предварительная компоновка поверхности
теплообмена даны в задании.
При выборе расчетных скоростей жидкостей необходимо стремиться к
получению развитого турбулентного режима, так как это позволяет повысить
коэффициент теплоотдачи. Однако следует иметь в виду, что применение
слишком высокой скорости жидкости может привести к большим гидравлическим сопротивлениям, что является нежелательным.
Скорости жидкостей, м/с в судовых теплообменных аппаратах рекомендуется принимать в пределах:
Для определения теплового потока, который необходимо отвести от
охлаждаемой жидкости, следует задаться долей теплоты
ждаемой жидкости передается охлаждающей жидкости
, которая от охла-
=0,18–0,25 (для дви-
гателя без наддува – наибольшая доля). По данным двигателя в задании выбирают КПД
значения
трубок (например,
= 0,39–0,45 (для высокооборотного двигателя выбирают меньшие
). Из приложения 4 выбирают диаметры
=10мм,
=12 мм материал трубки медь).
,
, а также материал
При расчетах ТОА принимают допущения: массовые расходы жидкостей
,
, их удельные массовые изобарные теплоемкости
,
, коэффи-
циент теплопередачи к принимаются постоянными, процесс теплопередачи стационарным.
При этих допущениях тепловой поток, передаваемый от охлаждаемой
жидкости через ТОА к забортной воде (тепловая нагрузка ТОА), определяется
по формуле:
; (2.1)
где
на основании теплового баланса.
По средней температуре охлаждающей жидкости
лофизические параметры (приложение 6):
плотность
; изобарную удельную массовую теплоемкость
находят ее теп-
;
15
теплопроводность:
Км
Вт
ЗВ
,
с
м
ЗВ
2
,
ЗВ
Pr
1
11
11
1
ii
ii
ii
ii
xx
xx
yy
yy
ЗВЗВPЗВЗВ
TTСGQQ
ЗВ
с
кг
,
TTC
Q
G
ЗВЗВP
ЗВ
ЗВ
зв
1
см
ТРТРЗВЗВЗВЗВ
zfGn
трзвзв
звзв
ТР
f
Gn
z
зв
n
тр
f
113 )a(az
TP
a
6/)3312(
ТР
za
a
12 ab
тртрзв
звзв
зв
fz
Gn
ЗВ
в
ЗВЗВ
d
Re
4
10Re
ЗВ
1
l
50
в
тр
d
l
мlтр,
1
Pr
Pr
СТ
ЗВ
; кинематическую вязкость
;
число Прандтля
.
Пользуясь таблицей физических параметров (см. приложение 6),
применяют метод интерполяции:
. (2.2)
Зная тепловую нагрузку ТОА, т.е., количество теплоты, отведенное забортной
водой
, определяем ее расход через ТОА:
(2.3)
Приняв скорость движения охлаждающей жидкости
стр.13), из уравнения расхода
определяем количество трубок в пучке труб охладителя:
. (2.4)
где
— число ходов в ТОА по направлению движения охлаждающей жид-
кости;
— площадь проходного сечения трубки.
=1
(см.
предварительно
Если выбирают расположение труб в трубных досках по сторонам шести-
угольников (для треугольной разбивки), число труб, которое можно разместить
в ТОА определится из соотношения:
считая от центра.
Округляем
с избытком до ближайшего целого, тогда
, где
— порядковый номер шестиугольника,
— число труб по диагонали шестиугольника;
После нахождения числа трубок необходимо уточнить скорость охла-
ждающей жидкости через ТОА:
.
Критерий Рейнольдса для охлаждающей жидкости рассчитывается при
внутреннем диаметре трубок:
(2.5)
Режим течения охлаждающей жидкости должен быть турбулентным
(
), в первом приближении принимают
, а так как в расчетах
должно соблюдаться соотношение
условиях отношение
определяется
. При этих
.
16
Критерий Нуссельта для теплоотдачи забортной воде при вынужденной
l
.
CТ
ЗВ
.
ЗВ
.
ЗВ
ЗВ
Pr
Pr
PrRe.Nu
250
43080
0210
мdв,
Км
Вт
,
d
Nu
в
ЗВЗВ
ЗВ
2
м
кВт
,
zl
Q
q
ТРТР
e
P
кВт
с
кДж
e
e
q
с
кДж
P
q
Q
e
e
e
55100
40
220
,
,
Cttt
ЗВЗВ
ЗВ
282/)2234(2/)(
__
3
2,996
м
кг
ЗВ
Ккг
кДж
с
ЗВP
1758,4
Км
Вт
ЗВ
614,0
с
м
ЗВ
2
6
108452,0
74,5Pr
ЗВ
с
кг
TTC
Q
G
ЗВЗВP
ЗВ
ЗВ
098,1
22341757,4
55000
зв
ЗВ
n
шт
f
Gn
z
трзвзв
звзв
ТР
22
000154,00,1200,996
098,13
2
2
2
000154,0
4
014,014,3
4
м
d
f
в
тр
371)13(331)1(3 aaz
TP
2,26/)332212( a
3a
713212 ab
конвекции:
Коэффициент теплоотдачи стенки трубки ТОА диаметром
(2.6)
заборт-
ной воде:
(2.7)
Плотность теплового потока на 1 м длины трубки ТОА:
(2.8)
Например, для двигателя с мощностью
=100
=100
;
=0,4;
=0,22.
Тепловой поток, передаваемый от охлаждаемой жидкости через ТОА к
охлаждающей жидкости:
.
Для температур охлаждающей жидкости на входе в ТОА и на выходе из
него соответственно равных t'ЗВ = 22˚С, t''ЗВ = 34˚С средняя температура равна
и соответственно теплофизические
параметры при этой температуре равны:
,
,
,
,
Расход охлаждающей жидкости через ТОА:
Приняв скорость движения охлаждающей жидкости
= 1,0 м/с и
=3 (см. прил. 1, схема 1) предварительно определяем количество трубок в пучке
труб охладителя:
.
— площадь проходного сечения трубки
Если расположить трубы в трубных досках по сторонам шестиугольни-
ков, то число труб, которое можно разместить в аппарате равно:
где:
центра (округляем с избытком до ближайшего целого:
Уточняем скорость охлаждающей жидкости через ТОА.
— порядковый номер шестиугольника, считая от
— число труб по диагонали шестиугольника;
).
17
см
fz
Gn
тртрзв
звзв
зв
/580,0
000154,037200,966
098,13
2/)(
__
coco
со
ttt
3
,
м
кг
CO
кгК
кДж
C
co
p
,
с
м
CO
2
,
co
Pr
Км
Вт
co
,
cocopcoco
TTCGQQ
co
с
кг
,
TTC
Q
G
COCOp
co
CO
Cttt
coco
co
812/)8874(2/)(
__
3
150,971
м
кг
co
Ккг
кДж
с
coP
1963,4
Км
Вт
co
6746,0
с
м
co
2
6
103611,0
184,2Pr
co
с
кг
TTC
Q
G
COCOp
co
CO
936,0
)7488(1963,4
55
прCOCOCOCO
fnG
с
м
f
Gn
прCO
COCO
CO
,
2
, м
ln
hf
f
прСО
перМТ
пр
СО
n
ВН
D
МТ
f
2
),( мbdDlf
нВНтрМТ
713212 ab
м
n
l
h
co
ТР
пер
,
По средней температуре охлаждаемой жидкости
, из при-
ложения 6, воспользовавшись формулой (2.2) находят теплофизические параметры охлаждаемой жидкости системы охлаждения двигателя:
плотность
кинематическую вязкость
теплопроводность
Зная, что
; удельную теплоемкость
; число Прандтля
.
, определем расход охлаждаемой
;
;
жидкости в ТОА:
(2.9)
Для температур охлаждаемой жидкости на входе в ТОА и на выходе из
него примем: t'со = 88˚С, t''со = 74˚С (t'
– t''со = 10–14оС, температура на выходе
со
из двигателя 90˚С). Средняя температура охлаждаемой жидкости равна
и соответственно теплофизические параметры
при этой температуре равны:
,
,
,
,
.
Расход охлаждаемой жидкости в ТОА:
Теперь из уравнения расхода
для охлаждаемой
жидкости определяем среднюю скорость ее движения в межтрубном пространстве ТОА:
(2.10)
где проходное сечение межтрубного пространства находится из выражения:
(2.11)
здесь
— число ходов по направлению движения охлаждаемой жидкости,
— внутренний диаметр корпуса ТОА, м.
родок:
— проходное сечение межтрубного пространства в ТОА без перего-
(
Расстояние между перегородками:
, (2.12)
).
18
Известно, что шаг расположения трубок
ммSdS
н
,
0
ммS 80
5917,0
9.01
1
2
S
d
S
d
н
н
cDhl
ВНп ерпр
33,1
ВН
Dc )4,02,0(
ТР
ТР
z
SD
05.1
.8.06.0
ТР
ммdDD
нВН
),53(2
с
м
CO
,
CO
экв
COCO
d
Re
м
zd
f
d
трн
МТ
экв
,
4
.
4
10Re
CO
25.0
33,06,0
Pr
Pr
PrRe41.0
CТ
CO
COCOCO
Nu
25.0
Pr
Pr
CТ
CO
Км
Вт
d
Nu
экв
CO
COCO
2
,
Км
Вт
ст
385
1
50
в
тр
d
l
25.0
43,08,0
Pr
Pr
PrRe021.0
CТ
CO
COCOCO
Nu
, обычно
Тогда коэффициент, учитывающий сужение сечения при наиболее распространенном в ТОА шаге расположения трубок:
. (2.13)
Приведенная длина пути охлаждаемой жидкости:
,
.
где
, c – свободное расстояние между краем перегородки и ко-
жухом (корпусом) ТОА, мм.
Диаметр пучка трубок равен
ния трубной доски
Внутренний диаметр корпуса ТОА находят по эмпирической формуле:
и окончательно его значение принимают по ОСТ.
Определив скорость движения охлаждаемой жидкости
число Рейнольдса:
(2.14)
где эквивалентный диаметр
Если окажется, что режим движения охлаждаемой жидкости турбулент-
ный (
), то критерий Нуссельта для теплоотдачи при вынужденной
при коэффициенте заполне-
, найдем
.
конвекции равен1:
(2.15)
Для первого приближения принимаем
=1.
Теперь определяем коэффициент теплоотдачи охлаждаемой жидкости
стенке:
емой жидкости к охлаждающей (при теплопроводности меди
Кроме формулы (2.15) в случае движения охлаждаемой жидкости вдоль трубок при
рекомендуется использовать:
и, наконец, коэффициент теплопередачи от охлажда-
):
19
Км
Вт
d
dd
d
d
к
ср
BЗВB
H
стHCO
2
1
,
1
ln
2
11
Среднелогарифмический температурный напор между двумя средами в
C
T
T
TT
T
о
м
б
мб
m
,
ln
б
T
м
T
а) Прямоток
б) Противоток
Рис. 5
б
T
1
зв
T
2
со
T
м
T
со
T
зв
T
м
T
со
T
зв
T
б
T
со
T
зв
T
б
T
м
T
7,1
м
б
T
T
T
2
мб
TT
Tmcp
TT
m
T
t
t
t
ТОА вычисляется по формуле:
(2.16)
, (2.17)
где
и
— большие и меньшие температурные напоры между ра-
бочими жидкостями вне зависимости от схемы движения жидкости (прямоток
или противоток).
Если по оси абсцисс откладывать площади поверхности ТОА, а по оси
ординат — значения температур в различных точках поверхности, то для ТОА с
прямотоком можно дать температурные графики, представленные на рис. 5,а.
Для аппаратов с противотоком (рис. 5,б) верхние кривые показывают изменение температуры горячего теплоносителя, нижние — холодного.
Для прямотока (рис. 5,а):
В случае противотока (рис.5,б):
Если величины
отношение
и
, то средний температурный напор можно приближенно
определить из выражения
=
=
–
;
–
;
=
=
–
.
–
незначительно отличаются друг от друга, а их
=
.
Для сложных ТОА, где число труб больше одной, а жидкости текут не
параллельно, средний температурный напор определяем по формуле
(2.18)
где
— среднелогарифмический температурный напор;
— поправочный коэффициент, являющийся функцией температур на входе в
ТОА и выходе из него и взаимно ориентации направлений потоков жидкостей.
Для ТОА из одной трубы с противотоком
=1, а для всех других —
меньше.
Для ТОА со сложной поверхностью нагрева
определяем экспери-
ментально.
20
В приложении 1 представлены графики
t
)(
)(
звсо
звзв
TT
TT
P
)(
)(
звзв
сосо
TT
TT
R
t
cp
T
cp
T
2
,
м
Вт
Tкq
ср
C
q
tt
o
CO
CO
CO
CT
,
Cqtt
oCO
CT
ЗВ
CT
,
ЗВ
СТ
ЗВ
СТ
СО
СТ
СО
СТ
Сtпри
Сtпри
Pr;,
Pr;,
2
, м
кT
Q
F
ср
H
=f (P,R) ТОА с различными
схемами включения потоков охлаждаемой и охлаждающей жидкостей в ТОА.
Формулы для определения P и R имеют вид:
Для конкретной схемы ТОА, определив P и R, находят коэффициент
;
по од-
ной из номограмм приложения 1. Затем вычисляют средний температурный
напор
по формуле (2.17,а).
Критерием для оценки эффективности ТОА (схемы движения теплоноси-
телей) служит значение среднего температурного напора
(2.18).
При выводе основного уравнения теплопередачи (2.20) принималось, что
температуры горячего и холодного теплоносителей в ТОА не изменяются. В
действительности температуры рабочих жидкостей при прохождении через
ТОА изменяются, причем на изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов.
Как видно из рис. 5,а, при прямотоке конечная температура холодного
теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя.
При противотоке (рис. 5,б) конечная температура холодного теплоносителя
может быть значительно выше конечной температуры горячего теплоносителя.
Следовательно, в ТОА с противотоком можно нагреть холодный теплоноситель
при одинаковых начальных условиях до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между рабочими жидкостями.
Плотность теплового потока:
.
(2.19)
Температура стенки со стороны охлаждаемой жидкости
(2.20)
Температура стенки со стороны охлаждающей жидкости:
(2.21)
Уточняют критерии Нуссельта при турбулентном режиме течения с уче-
том температур наружной и внутренней стенок ТОА, критериев Прандтля при
этих температурах:
(2.22)
Площадь поверхности охлаждения ТОА:
(2.23)
Необходимая длина трубок ТОА:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]