Методика теплового и гидравлического расчетов

Введение

Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надежности и долговечности обуславливает создание надежных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых теплообменных аппаратов, являющихся неотьемлимой частью энергетических установок.

Судовые охладители и подогреватели жидкостей представляют собой устройства, в которых происходит передача тепла от одной среды (теплоотдающей) к другой (тепловоспринимающей).

По характеру обмена теплом судовые охладители и подогреватели являются в основном теплообменными аппаратами поверхностного типа, когда передача тепла от теплоотдающей среды к тепловоспринимающей происходит через разделяющую их поверхность, а по принципу работы – рекуперативными (передача тепла происходит при одновременном протекании теплообменивающихся сред).

По назначению судовые охладители и подогреватели жидкостей можно подразделить на энергетические, вспомогательные и бытовые. Аппараты первой группы применяются в системах охлаждения воды и масла главных двигателей, для подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и подогрева топлива перед форсунками паровых котлов. Аппараты второй группы используются в судовых системах и вспомогательных установках для охлаждения или подогрева воды или вязких жидкостей. В системах кондиционирования воздуха, отопления судовых помещений и санитарно-бытовых системах применяются аппараты третьей группы.

Несмотря на то, что судовые охладители и подогреватели жидкостей различаются по назначению, роду теплоносителей и конструкции, можно сформулировать общие требования, которые необходимо учитывать при их проектировании. Основные эксплуатационные требования – это надежность аппаратов в течение заданного срока и простота обслуживания в судовых условиях.

В данной работе перед студентом поставлена задача – рассчитать несколько видов судовых теплообменных аппаратов с техническими характеристиками, указанными в задании и сделать анализ проделанной работы. Также необходимо провести сравнение полученных параметров аппаратов с параметрами аппаратов из каталога фирм-производителей.

Целью данной работы является ознакомление студента с методиками конструирования теплообменных аппаратов и их особенностями.

 

 

Расчет подогревателя масла

Исходные данные

Количество подогреваемой вязкой жидкости: Gж = 20000 кг/ч

    Температура вязкой жидкости на входе в подогреватель: t_ж1=10˚С

Температура вязкой жидкости на выходе из подогревателя: t_ж2 = 50˚С

    Давление греющего пара: p₁ = 2,5 МПа

    Марка жидкости: Т-46        

Описание объекта

Подогреватели масла применяются при необходимости уменьшения вязкости масла, например перед его сепарированием или иногда при подготовке установки к вводу в действие. В судовых маслоподогревателях греющей средой служит пар или горячая вода. Это приводит к тому, что в деталях и узлах маслоподогревателей возникают значительные напряжения. Эти напряжения устраняются применением в конструкции изогнутых U-образных трубок. В основном конструкция маслоподогревателей мало отличается от конструкции кожухотрубных аппаратов с U-образными трубками. Возможно также применение аппаратов змеевикового типа.

Рис. 1. Подогреватель масла с U-образными трубками.

Методика теплового и гидравлического расчетов

Одним из основных вопросов при проектировании подогревателей вязких жидкостей является определение α_в от внутренней поверхности трубки к жидкости.

       Для определения α_в приводятся различные формулы. По результатам обработки опытных данных, полученных при испытаниях флотских мазутов марок 12, 20 и топочного 40, составлено критериальное уравнение для мазутов:

для    ; .

 

Критерий Нуссельта   характеризует интенсивность теплообмена;

- коэффициент теплопроводности жидкости [Вт/м*К].

Критерий Пекле  характеризует подобие тепловых потоков.

 - температуропроводность [м²/с]; 

 - коэффициент кинематической вязкости.

       После преобразования уравнения получают расчётную зависимость для мазутов:

[Вт/м²*К]

где  - [Вт/м*К]

С – теплоёмкость [Дж/кг*К]

 - коэффициент динамической вязкости [Па*с]

 - весовая скорость [кг/с*м²]; ;

 - внутренний диаметр трубки [м];

 - число трубок в одном ходе;

 - гидравлический (эвивалентный) диаметр [м]; ; 4f – площадь сечения

 

       Аналогично составлено критериальное уравнение для масел по результатам испытаний турбинных масел УТ и Т.

 и

       После преобразования уравнения получают расчётную зависимость для масел:           

Все физические параметры вязкой жидкости определяют при средней температуре. Желательно, входящие в формулы величины определять опытным путём. На практике допустимы приближённые формулы.

       Коэффициент теплопередачи определяют по зависимости:

[Вт/м²*К]

       Для вязких жидкостей величинами  и  можно пренебречь, так как их абсолютные значения малы по сравнению с , т.е. принять .

       Расчёт подогревателя для вязкой жидкости ведут для каждого отдельного хода (при этом - мала и средние  можно определить точнее).

Затем находят среднее значение k_срдля всего подогревателя:

[Вт/м²*К].

где z –число ходов;  - среднелогарифмическая разность температур.

Критерием правильности расчёта подогревателя может быть комплекс

                                                                  ,

где  - средняя разность температур для каждого хода;

 - на выходе данного входа;  - на входе данного входа;

 - разность температур двух сред в начале потока жидкости в рассматриваемом ходе;  – в конце.

Отклонение этого критерия для каждого хода от средней арифметической величины всех значений  для данного подогревателя должно находятся в пределах .

 [м²].