Расчет ребристотрубного воздухоохладителя с прямоугольными ребрами.

Ребристотрубный воздухоохладитель с прямоугольными ребрами полагается базовым. С его характеристиками будут сравниваться параметры динамических воздухоохладителей.

Номинальную холодопроизводительность примем равной Вт, в качестве холодильного агента используется аммиак при рабочей температуре t₀ = -40°=233,15 К. Исходная температура воздуха t₁=+20°=293,15 К. Вид теплообмена - от охлаждаемого воздуха к хладоагенту с перекрестным током.

Введем постоянные величины, характеризующие процесс охлаждения:

1) барометрическое давление Па; 2) ускорение свободного падения g=9,81, м/c²; 3) газовая постоянная сухого воздуха = 29,27 м/К; 4) теплоемкость сухого воздуха при исходной температуре =20^С равна Дж/кг, а при конечной температуре =-35° C она составит Дж/кг, поэтому расчетное значение равно Дж/кг; 5) примем массовое расходное паросодержание аммиака на входе в теплообменник =0,2, и, задавая кратность циркуляции аммиака =5, найдем величину массового расходного паросодержания на выходе из аппарата ; 6) удельная теплота парообразования аммиака при заданной температуре Дж/кг; 7) коэффициент теплопроводности материала трубы (сталь) Вт/(мК); 8) коэффициент теплопроводности материала ребра (сталь) Вт/(мК); 9) шаг труб по фронту м; 10) шаг труб по потоку воздуха м; 11) наружный диаметр труб 0,022 м; 12) внутренний диаметр труб м; 13) число труб по фронту ; 14) толщина ребра м; 15) высота пластины по фронту м; 16) ширина пластины по потоку м; 17) число труб, охватываемых пластиной ; 18) расход воздуха м³/с.

Произведем расчет параметров хладоагента (аммиака).

1. Введем безразмерную температуру .

2. Параметр .

3. Вязкость жидкой фазы (на линии насыщения)

Пас.

4. Теплопроводность жидкой фазы Вт/(мК).

5. Вязкость паров (на линии насыщения) Пас.

6. Теплопроводность паров Вт/(мК).

7. Параметр .

8. Плотность аммиака кг/м³.

9. Плотность паров кг/м³.

10. Коэффициент поверхностного натяжения Н/м.

11. Коэффициент кинематической вязкости аммиака м²/с.

12. Коэффициент кинематической вязкости паров аммиака м²/с.

13. Параметр .

14. Давление насыщенных паров Па.

15. Параметр температуры .

16. Изобарная теплоемкость кипящей жидкости

Дж/(кг К).

17. Коэффициент температуропроводности жидкой фазы .

18. Число Прандтля жидкой фазы .

19. Число Прандтля паров .

20. Массовый расход двухфазной смеси кг/с.

21. Среднее расходное паросодержание в аппарате .

22. Объемный расход аммиака м³/с.

23. Объемный расход паров м³/с.

24. Скорость циркуляции смеси м/с.

25. Число Фруда смеси .

26. Число Галилея .

27. Коэффициент истинного объемного паросодержания

.

28. Условный диаметр м.

29. Истинная скорость аммиака м/с.

30. Число Рейнольдса аммиака .

31. Число Нуссельта .

32. Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции Вт/(мК).

33. Скорость отвода паров .

34. Коэффициент теплоотдачи при кипении аммиака

Вт/(мК).

35. Среднерасходный коэффициент объемного паросодержания .

36. Поскольку , то коэффициент внутренней теплоотдачи

Вт/(м² К).

37. Введем параметры ; .

38. Средняя массовая скорость кг/(м² с).

39. Потери давления при испарении Па.

40. Коэффициент сопротивления трения .

41. Средняя плотность смеси кг/м³.

42. Потери на трение Па.

43. Потери на местные сопротивления Па.

Примем длину трубы по фронту м, а сумму коэффициентов местных сопротивлений .

44. Гидравлическое сопротивление движению хладоагента Па.

где =5 - принятое значение числа рядов труб по ходу воздуха.

45. Принимая ряд значений рассчитываем тракт по воздуху, где - погонная площадь оребренной поверхности, а длина оребренной поверхности и - число рядов по потоку воздуха.

46. Параметры воздуха определим при средней его температуре °C, где принята конечная температура воздуха принята 37°C. При этом параметры воздуха равны: кг/м³; Дж/(кг К); ; Вт/(м К); м²/с.

47. Погонная площадь ребер м, где принят шаг ребер 0,007 м.

48. Площадь межреберной поверхности м, где - толщина ребра, м.

49. Площадь оребренной поверхности на погонный метр м.

50. Площадь внутренней поверхности труб на погонный метр м.

51. Характеристика ребер .

52. Условная высота ребра м.

53. Коэффициент эффективности ребра =0,526.

54. Коэффициент сужения канала воздуха .

55. Площадь сжатого сечения м², где м².

56. Скорость воздуха в сжатом сечении м/с.

57. Число Рейнольдса для воздуха .

58. Поскольку число Прандтля равно , то число Нуссельта будет .

59. Коэффициент теплоотдачи от воздуха ребру Вт/(м² К).

60. Конечная температура воздуха имеет ряд значений при ряде значений коэффициентов теплопередачи =251,9 Вт/(м К), где приведенный коэффициент теплоотдачи от воздуха равен =15 Вт/(м² К).

61. Конечной температуре воздуха -37°C соответствует температурный напор °C, где и , а величина поправки , что следует из значений , и графика при 39°C (поскольку температура хладоагента не должна изменяться более чем на 1°C).

62. Площадь оребрения воздухоохладителя м², где Вт/(мК).

63. Поскольку , то число рядов по потоку воздуха .

Таким образом, проектный расчет завершен.

Расчет подшипникового узла. Для расчета динамических теплообменников используем однотрубную систему снабжения хладоагентом, ориентируясь на параметры базового ребристотрубного воздухоохладителя. Оставив геометрические характеристики сечения без изменения, определим минимальную длину трубопровода в его активной части.

1. Активная длина трубопровода м.

2. Произведем расчет подшипника скольжения при следующих условиях задания: 1) радиус цапфы м; 2) длина подшипника м, где - активная длина трубопровода; 3) относительный зазор ; 4) модуль упругости материала вкладыша (корпуса), изготовленного из стали Н/м², где м²/Н, - модули упругости (модули Юнга 1-го рода) для корпуса и цапфы; 5) скорость скольжения м/с, где n=1000 об/мин - число оборотов корпуса подшипника; м; м; 6) в качестве смазки используем раствор CaClH₂ с характеристиками при рабочей температуре 37 °C равными: кг/м³; Дж/(кг °С); Вт/(м °С); м/с и числом Прандтля Рr=12,9, Па с.

3. Зададим минимальную толщину смазочного слоя м и вычислим параметры номограммы: , , где суммарная нагрузка от 5 лент длиной L=2 м при погонной массе кг/м ( Н/м - удельный вес стали; b=0,2 - ширина ленты; h=0,0005 м - толщина ленты) равна Н.

Из диаграммы находим значение , поэтому толщина слоя смазки м.

4. Основной характер теплопередачи в подшипнике осуществляется путем теплопроводности. Тепловое сопротивление подшипника равно м² К/Вт, где Вт/(мК) - теплопроводность поперек слоя смазки; м - ширина площадки контакта; Н/м - погонная нагрузка контакта; - приведенная кривизна, 1/м.

5. При заданной скорости движения ленты 1,31 м/с и средней температуре возуха -18 °С, приняв длину прямолинейного участка ленты равным l/3=0,67 м, определим число Рейнольдса в продольном направлении . Поскольку критическое число Рейнольдса в продольном направлении , то обтекание ленты воздухом носит ламинарный характер.

6. Локальный коэффициент трения в ламинарном слое , а осредненное его значение по длине . Сопротивление трения ленты Н.

7. Число Нуссельта в ламинарном режиме , поэтому коэффициент теплоотдачи от воздуха может быть определен в виде Вт/(мК), где м.

Поскольку среднее значение коэффициента теплоотдачи равно , то Вт/(мК).

8. Криволинейный участок представим в виде полуокружности с радиусом кривизны м, где - длина криволинейного участка. Число Рейнольдса на этом участке , поэтому число Нуссельта на участке . Криволинейный участок имеет коэффициент теплоотдачи Вт/(м К). Поскольку коэффициент теплоотдачи на криволинейном участке и обеспечивает осреднение процесса по поверхности ленты, определим средний коэффициент теплоотдачи Вт/(м К).

9. Коэффициент теплопередачи, приведенный к внутренней поверхности трубопровода с хладоагентом =5730,7 Вт/(мК).

10. Коэффициент теплопередачи, приведенный к поверхности ленты Вт/(м К).

11. Холодопроизводительность теплообменника Вт. Отметим, что режим обтекания пластины близок к турбулентному, а для диапазона чисел Рейнольдса число Нуссельта следует определять по эмпирической зависимости и среднее значение . Это указывает на то, что турбулизация пограничного слоя может привести к существенному увеличению коэффициента теплопередачи динамического теплообменника. Теплопроводность ленты равна Вт, что явно недостаточно для обеспечения производительности теплообменника. Основная доля теплопереноса обеспечивается за счет движения ленты Вт, поэтому теплоперенос ленты Вт. Последнее соотношение указывает на резерв теплопередачи, который может быть реализован за счет повышения коэффициента теплопередачи от воздуха к ленте, например, за счет искусственной турбулизации потока воздуха.

При определении коэффициента теплоотдачи в качестве характерного размера использовалась толщина пограничного слоя. Это вызвано тем, что при движении ленты происходит отрыв потока воздуха от ленты в точках поворота потока (криволинейный участок ленты). Эффективным размером в этом случае является толщина вытеснения (потери) энергии или толщина теплового пограничного слоя .

Поскольку для воздуха число Прандтля близко к единице, то можно считать .

В заключение определим характеристики движения ленты теплообменника.

Найдем параметр скорости ленты м/с, который меньше величины , поэтому равновесных форм стационарного движения ленты не существует. Лента может сохранять свою динамическую форму только в направляющих.

Выводы. В результате расчетов получены тепловые характеристики теплообменников с динамическим ленточным радиатором и теплопроводным подшипником.

Все теплофизические параметры воздухоохладителей сравниваются с базовым стационарным ребристотрубным воздухоохладителем с прямоугольными ребрами. В результате установлено преимущество динамических систем воздухоохлаждения над стационарными.