3.4 Тепловой и гидравлический расчёты водомасляного теплообменника

1.1 Температура воды на входе в ВМТ (- задаем по результатам расчетаII контура системы охлаждения):

1.2 Температура масла на входе в ВМТ:

1.3 Допустимый перепад температуры масла во внутренней масляной системе дизеля:

1.4 Расчетная производительность водяного насоса:.

1.5 Теплоотвод от масла в воду ВМТ: .

2) Условия работы ВМТ.

2.1 Расчетная подача масляного насоса:

где , теплоемкость и плотность масла присоответственно (определяется по универсальному уравнению).

;

.

Теперь можно определить:

2.2 Температуры воды и масла в ВМТ:

1. температура масла на выходе из ВМТ:

2. температура воды на выходе из ВМТ:

где , теплоемкость и плотность воды присоответственно (определяется по универсальному уравнению).

;

Тогда имеем:

2.3 Средние температуры теплоносителей в пределах ВМТ:

- масло

-вода

3) Геометрические характеристики трубок ВМТ.

Дизель в курсовом проекте типа Д49, поэтому для расчёта ВМТ выбираем оребрённые трубки:

диаметр трубки по вершинам ребер;

наружный диаметр трубки;

_{внутренний диаметр трубки};

шаг оребрения;

толщина основания ребра;

толщина вершины ребра;

шаг разбивки трубок по фронту течения масла.

_{Теперь рассчитаем остальные параметры трубок ВМТ.}

_{Высота ребра:}

Средняя толщина ребра:

Боковая площадь одного витка 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:

4) Расчет коэффициента теплопередачи ВМТ.

1. Теплофизические параметры для масла, при температуре (определяем по универсальному уравнению):

;

;

;

.

2. Теплофизические параметры для воды, при температуре :

;

;

;

.

3. Число Рейнольдса для потока воды:

_где скорость воды в трубках.

4. Число Прандтля для потока воды:

5. Число Нуссельта для потока воды:

6. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде:

7. Число Рейнольдса для потока масла:

где условный диаметр трубки с оребренной стороны;

скорость масла между водяными трубками.

Условный диаметр трубки с оребренной стороны можно найти так:

8. Число Прандтля для потока масла:

Температура стенки трубки:

10. Теплофизические параметры для масла, при температуре =

;

;

;

.

11. Число Прандтля для потока масла при температуре стенки трубки =

12.Число Нуссельта для потока масла:

где параметр шаговых отношений, учитывающий расположение трубок в трубном пучке;

параметр оребрения.

Теперь можно найти:

13. Конвективный коэффициент теплоотдачи от масла к стенке трубки:

14. Расчетная температура стенки водяной трубки:

15. 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:

16. Коэффициент теплопередачи ВМТ:

5) Расчет технических параметров ВМТ.

1. Теплопередающая поверхность ВМТ со стороны масла:

- расчетный температурный напор между теплоносителями,

Тогда можно определить:

2. Живое сечение водяных трубок для прохода воды:

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

где число ходов воды в ВМТ.

4. Диаметр трубного пучка:

где коэффициент заполнения трубной решётки.

5. Ориентировочная длина трубного пучка:

Принимаем 2 теплообменника длиной 2.73/2=1.37 м.

6. Живое сечение между трубками, требуемое для пропуска масла с заданной скоростью:

7. Площадь окна перегородки (сегмента), требуемое для пропуска масла над перегородкой с заданной скоростью:

8. Геометрическая площадь сегмента перегородки:

где - центральный угол сегмента (подбирается так, чтобы).

Принимаем угол

9. Высота сегмента перегородки:

10. Ширина условного среднего сечения для прохода масла между перегородками:

11. Расстояние между перегородками, требуемое для пропуска масла в межтрубном пространстве с заданной скоростью:

12. Число ходов масла в ВМТ:

13. Расчётная длина трубного пучка:

где - толщина перегородки.

14. 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.

где относительный диаметр трубного пучка.

Тогда можно найти:

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу масла:

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

где η_мн=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-Вейсбаха ):

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

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

Значение коэффициента Дарси можно определить так:

Тогда можем найти:

- гидравлическое сопротивление ВМТ проходу воды:

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

где η_вн=0,75 – КПД водяного насоса.

3. Показатель энергетической эффективности ВМТ.

4. Коэффициент использования объема ВМТ.

Эскиз водомасляного теплообменника представлен на рисунке 5