Пример расчета охлаждающих устройств

Исходные данные для расчета приведены в табл.1 и 2:

– мощность ДВС N_e = 2200 кВт;

– удельный расход топлива b_e = 0,228 кг/кВт ч;

– теплоотвод: в воду ДВС a_В = 16,0 %;

– в масло ДВС a_М = 11,0 %;

– в наддувочный воздух a_ВН = 4,1 %;

Принимаем:

– температуру воды на выходе из ДВС t₁^B = 105 ^оC;

– температуру воды ДВС после охлаждения в ОУ t₂^B = 95 ^оC;

– температуру масла на выходе из ДВС t₁^M = 100 ^оC;

– температуру масла после охлаждения в ОУ t₂^M = 85 ^оC;

– температуру воды на входе в холодильник наддувочного воздуха t₁^HB = 70 ^оC;

– температуру воды на выходе из холодильника наддувочного воздуха t₂^HB = 75 ^оC;

– температуру воды на входе в ВМТ t₁^BMT = 75 ^оC;

– температуру воды на выходе из ВМТ t₂^BMT = 85 ^оC^;

– температуру наружного воздуха t₁ = + 40 ^оC;

– температуру наружного воздуха после охлаждения радиаторов воды ДВС t₂^В= 80 ^оC;

– температуру воздуха после охлаждения радиаторов второго контура t₂^М,НВ = 70 ^оC;

– массовая скорость воздуха в водяных радиаторах U_BЗ = 8 кг/м² с;

– линейная скорость воды в водяных радиаторах V_B = 1 м/c;

– коэффициент теплопередачи водяных радиаторов

К_В = 0,05 кВт/м² К;

– поверхность охлаждения, омываемая воздухом, одного серийного радиатора DF_C = 29,52 м²;

– поверхность охлаждения, омываемая воздухом, одного короткого радиатора DF_K = 16,9 м²;

– живое сечение для прохода воздуха серийного радиатора W_C = 0,148 м²;

– живое сечение для прохода воздуха короткого радиатора W_K = 0,078 м²;

– удельную теплоемкость воды с_В = 4,19 кДж/кг К;

– удельную теплоемкость масла с_М = 2,0 кДж/кг К;

– удельную теплоемкость воздуха с_ВЗ = 1,0 кДж/кг К;

– низшую теплота сгорания топлива Q_Н^Р = 42500 кДж/кг.

Контур охлаждения воды ДВС

1. Расчет количества тепла, отводимого с водой от ДВС:

Q_B = (a_B b_e N_e Q_H^B )/ 3600 = (0,166 × 0,228× 2200 × 42500) / 3600 = 947,4 кДж/с.

2. Расчет поверхности теплообмена:

F_B = Q_B /[K_B Dt] = 947,4 / [0,05 × ( – )] = 947,4 / [0,05× 40] = = 473,1 м²

3. Расчет действительной поверхности охлаждения:

F_ДВ = 1,2 F_B = 1,2× 473,1 = 568,4 м².

4. Расчет числа радиаторов. В связи с тем, что радиаторы имеют двухэтажное расположение и состоят из серийных и коротких, их число определяется следующим образом:

Z_B = F_ДВ / (DF_C + DF_K) = 568,4 / (29,5 + 16,9) = 12,2» 13 шт.

Таким образом, по фронту, с левой стороны ОУ располагается 13 серийных и 13 коротких радиаторов.

5. Расчет расхода воды:

G_B = Q_B / [c_B (t₁^B – t₂^B)] = 947,4 / [4,19 × (105 – 95)] = 947,4 / 20,95 = 22,6 кг/с.

6. Расчет расхода воздуха:

G_ВЗ = Q_B / [c_ВЗ (t₂^В - t₁^В)] = 947,4 / [1× (80 – 40)]= 947,4 / 40 = 23,6 кг/с.

7. Проверка выполненного расчета:

G_ВЗ¹ = U_ВЗ (Z_CW_C + Z_KW_K) = 8×(13 × 0,148 + 13 × 0,078) = 8×(1,92 + 1,01) = =23,4 кг/с. Так как G_ВЗ отличается от G_ВЗ¹ на 0,8 %, то расчет числа радиаторов первого контура выполнен верно.

Контур охлаждения масла и наддувочного воздуха

1. Расчет количества тепла, отводимого от масла и наддувочного воздуха: Q_М = (0,11× 0,228 × 2200 × 42500) / 3600 = 651,3 кДж/с.

Q_HB = (0,04 × 0,228 × 2200 × 42500) / 3600 = 242,7 кДж/с.

2. Расчет поверхности теплообмена:

F_{М, НВ} = (651,3 + 242,7) / [0,05× ( - )]= 894,0 / [0,05 × 22,5] = =894,0 / 1,125 = 794,6 м².

3. Расчет действительной поверхности охлаждения:

F_Д = 1,2 × 794,6 = 953,5 м².

4. Расчет числа радиаторов: Z = 953,5 / 46,42 = 20,5» 21 шт.

Таким образом, во втором контуре располагается 21 серийный и 21 короткий радиатор.

5. Расчет расхода воды:

G_B = 894,0 / [ 4,19 × (85 – 70)]= 894,0 / 62.8 =14,2 кг/с.

6. Расчет расхода воздуха:

G_ВЗ = 894,0 / [1× (70 – 40)] = 894,0 / 30 = 29,8 кг/с.

7. Проверка выполненного расчета:

G_ВЗ¹ = 8 × (21 × 0,148 + 21 × 0,078) = 8× (3.1 + 1.63) = 37,84 кг/с.

Так как G_ВЗ меньше G_ВЗ¹ на 23,3 %, то тепло от масла и наддувочного воздуха будет полностью отводиться через радиаторы проектируемого тепловоза. Однако, для повышения кпд тепловоза необходимо уменьшить число радиаторов на 23 %, т.е. на 8 (4 серийных и 4 коротких). Число радиаторов во втором контуре после уточненного расчета составило 17 серийных и 17 коротких.

Выполним проверку: G_ВЗ¹ = 8 (17 × 0,148 + 17 × 0,078) = 8 × 3,83 = 30,6 кг/с. Расхождение между G_ВЗ и G_ВЗ¹ составляет 2,6 %, что в пределах установленной нормы.

Компоновка радиаторов в ОУ: общее число радиаторов в первом и втором контурах составляет 13 + 17 = 30 шт, т.е. 30 серийных и 30 коротких радиаторов. Тогда по фронту ОУ с каждой стороны будет располагаться 15 серийных и 15 коротких радиаторов: с левой стороны по ходу тепловоза – радиаторы первого и второго контура, а с правой стороны – радиаторы второго контура.

Расчет водомасляного теплообменника

1. Расчет поверхности теплообмена: F_ВМТ = Q_М / (К_ВМТ Dt);

Dt = t_CP^M - t_CP^B = - = - = 12,5 ^оC.

Принимаем К_ВМТ = 0, 8 кДж/кг К; тогда F_ВМТ = 651,3/ 0,8 × 12,5 = 65,1 м².

2. Расчет числа трубок:

принимаем d = 0,01 м; l = 2,0 м;

тогда n = F_BMT / p d l = 65,1 / 3,14 × 0,01 × 2,0 = 1036 шт.

Расчет вентилятора

1. Расчет напора, создаваемого вентилятором.

Так как ОУ имеют только водяные радиаторы, то расчет напора производится по следующей формуле: Н = 2,8 × 4,6 U_В^1,83 = 12,88 U_В^1,83.

Подставляя выбранное значение U_В= 8 кг/м², получим выражение:

Н = 12.88 × 8^1,83 = 578.8 Н/м².

2. Расчет производительности вентилятора: Q_B = G_B/ g_B.

Определим G_B и g_B:

G_B = U_B(Z_C W_C + Z_K W_K) = 8 × (30 × 0,148 + 30 × 0,078) = 8 × 6,74 = 53,92 кг/с;

g_ВЗ = 10⁵/ [R_B(t₂ + 273)] = 10⁵ / [287 (80 + 273)] = 0,987 кг/м³;

тогда Q_B = 53,92 / 0,987 = 54,63 м³/с.

3. Построение характеристики сети: Задаемся диаметром вентиляторного колеса 2 м и значениями частоты вращения вентилятора n, об/мин: n₁ = 1100, n₂ = 900; n₃ = 700; n₄ = 500. Для каждого значения n_i определяем значение w_I:

w₁ = p D_B n₁ = 3,14 × 2,0 × 1100 = 115,1 м/с;

w₂ = 3,14 × 2,0 × 900 = 94.2 м/с;

w₃ = 3,14 × 2,0 × 700 = 73.2 м/с;

w₄ = 3,14 × 2,0 × 500 = 53.2 м/с.

Рассчитываем для каждого значения w_I значения коэффициента напора _i и коэффициента производительности `Q_i:

₁ = g H / 10 g_B w = 9,81× 578,8 / 10 × 0,987× 115² = 0,043;

₂ = 9,81 × 578,8 / 10 × 0,987× 94,2² = 0,064;

₃ = 9,81 × 578,8 / 10 × 0,987× 73,2² = 0,10;

₄ = 9,81 × 578,8 / 10 × 0,987× 52,3² = 0,21.

Для определения `Q необходимо найти F_D = p D_B²/ 4 = 3,14 × 2² / 4 = 3,14 м².

Тогда:

₁ = Q_B / F_D w₁ = 54,63 / 3,14 × 115,1 = 0,15;

₂ = Q_B / F_D w₁ = 54,63 / 3,14 × 94,2 = 0,18;

₃ = Q_B / F_D w₁ = 54,63 / 3,14 × 73,2 = 0,23;

₄ = Q_B / F_D w₁ = 54,63 / 3,14 × 52,3 = 0,33.

Наносим полученные точки на зависимость `Н = f() и строим характеристику сети (рис. 4.). Находим точки пересечения 1,2,3,4 и сносим их проекции на зависимость h_В = f (). По максимальной ординате определяем угол установки лопастей, при котором КПД вентилятора будет максимальным. В нашем примере этим углом будет 25 ^о.

4. Расчет параметров вентилятора n_B, D_B и N_B. Для этого определим измеритель напора К_Н, Н/м² и измеритель производительности К_Q, м³/с соответствующие углу установки лопастей равным 25 ^о:

К_Н = Н / ₂₅ = 578,8 / 0,075 = 7717 Н/м²;

К_Q = Q/ ₂₅ = 54,63 / 0,23 = 273,5 м³/с.

n_B = = = 14,2 1/c = 852 об/мин,

D_B = = = 1,98 м,

N_B = = = 37,2 кВт.