Охлаждение, компрессионная машина » Рефераты: скачать бесплатно рефераты на любую тему.

Охлаждение, компрессионная машина

Пояснительная записка к комплексному курсовому проекту

«»

Исполнитель

Руководитель

Минск

2000

ВВЕДЕНИЕ

В газотурбинных установках и компрессионных машинах маслоохладители обеспечивают отвод тепла , полученного маслом в подшипниках , редукторных передачах и других элементах . Охлаждение масла производится водой , охлаждаемой в градирнях . В некоторых случаях охлаждение производится проточной водой . Теплообмен между маслом и водой осуществляется в кожухотрубных многоходовых маслоохладителях с кольцевыми или сегментными перегородками между ходами .

В этих аппаратах осуществляется веерное или зигзагообразное течение масла с поперечным обтеканием труб , близким по характеру к обтеканию труб в шахматном пучке . Веерное течение масла осуществляется в маслоохладителях с кольцевыми перегородками , а зигзагообразное – с сегментными . Требуемое число ходов со стороны масла обеспечивается изменением количества перегородок , установленных на пучке труб между трубными досками . В результате значительно уменьшается число креплений труб в трубных досках и снижается трудоемкость изготовления аппарата по сравнению с одноходовой конструкцией . Одновременно с этим снижается эффективность теплообмена в результате перетекания масла из входа в ход через технологические зазоры между перегородками и корпусом и через зазоры около труб пучка .

Со стороны воды маслоохладители выполняются обычно также многоходовыми за счет изменения числа перегородок в крышках , что позволяет регулировать подогрев воды и ее расход без существенного снижения коэффициентов теплоотдачи со стороны воды .[8]

Для охлаждения масла , используемого в подшипниках , редукторных передачах и других элементах компрессорных машин , заводом « Энергомаш « выпускается серия аппаратов типа МА с поверхностью 2;3;5;6;8;16 и 35 м2 .
Все охладители имеют вертикальное исполнение и состоят из следующих основных узлов : верхней съемной крышки 1 , трубной системы 2 и корпуса 3 .
Вода движется внутри труб и камер , масло – в межтрубном пространстве .
Направление движения масла в этих аппаратах создается системой сегментных перегородок или перегородок типа диск-кольцо .[7,стр.32]

1. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ

На рис. 1 показана принципиальная схема системы маслоснабжения газоперекачивающего турбокомпрессорного агрегата НЗЛ типа ГТК – 10 , предназначенного для установки на перекачивающих станциях газопроводов .
Общая вместимость маслосистемы – 13 м3 . В данном агрегате маслобак совмещен с рамой газотурбокомпрессора . Заливка масла в него осуществляется по специальной линии через фильтр тонкой очистки 1 . Из нижней части ( картера ) бака 2 масло пусковым 4 или главным 6 масляным насосом через систему обратных клапанов 5 подается к охладителю 8 и далее через фильтр 3 по напорным линиям на смазывание и охлаждение подшипников турбины и компрессора . Из подшипников масло вновь сливается в нижнюю часть маслобака
2 .

Охлаждение масла в аппарате 8 осуществляется антифризом , не замерзающим при понижении температуры наружного воздуха до –40 0 С .
Охлаждение антифриза производится в параллельно включенных аппаратах 10 , имеющих систему воздушного охлаждения . Воздух через эти охладители продувается вентиляторами 11 , приводимыми от электродвигателей .
Циркуляция антифриза в системе осуществляется с помощью главного насоса 13
. Насос 14 является резервным . Бачок 12 служит демпфером . В баках 15 и 17 вместимостью по 10 м3 каждый содержатся соответственно антифриз и дистиллят . Насос 16 является вспомогательным и служит для заполнения системы охлаждения антифризом или дистиллятом . В летнее время рабочим телом в системе охлаждения служит дистиллят . В этом случае для обеспечения работоспособности схемы в зимних условиях в ней предусмотрен дополнительный подогреватель 9 .

Охлаждение масла в данном агрегате осуществляется , таким образом , по двухконтурной схеме : в аппарате 8 теплота от масла передается антифризу ( дистилляту ) , от которого она в свою очередь отводится воздухом в охладителях 10 . Применение этой двухконтурной схемы охлаждения масла в данном случае продиктовано двумя причинами : отсутствием в месте установки газотурбокомпрессоров необходимого количества охлаждающей воды ; необходимостью обеспечения ее надежной работы при температурах наружного воздуха ниже 0 0 С , так как с целью снижения стоимости сооружения газоперекачивающих станций часть их оборудования располагается на открытых площадках .[7,стр.14]

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА.

Принимаем схему вертикального маслоохладителя с прямыми трубками и перегородками типа диск-кольцо. Внутри трубок течет охлаждающая вода
(пресная), в межтрубном пространстве – трансформаторное масло, омывая трубки снаружи.

Средняя температура масла в маслоохладителе[9, стр.54]:

tм.ср.=0,5*(tм1+tм2), оС

(2.1) где tм1-температура масла на входе в маслоохладитель, оС; tм2-температура масла на выходе из маслоохладителя оС; tм.ср =0,5*(60+48)=54оС.

Физические свойства при tм.ср.= 54оС: [9, приложение 3]

Срmм=1,876 кДж/(кг оС)

(м=859,3кг/м3

(м=6,68*10-6 м2 /с

Prм=101

Количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающей водой от масла[9, стр.54]:

Qм=(Gм*(м* Срmм*( tм1-tм2))/3600, кВт/с

(2.2)

где Gм - номинальный расход масла через аппарат, м3/ч;

(м – плотность масла при tм.ср.= 54оС, кг/м3 ;

Срmм –удельная теплоемкость масла при tм.ср.= 54оС, кг/м3 ;

Qм =(8,4*859,3*1,876*(60-48))/3600=44,3 кВт/с

Физические свойства воды при tв=18 оС: [9, приложение2]

Срmв=4,185 кДж/кг*оС

(в=998,5кг/м3

Температура охлаждающей воды при выходе из маслоохладителя:

Qм= Qв

Gм*(м* Срmм*( tм1-tм2)= Gв*(в* Срmв*( tв2-tв1) [9, стр.54]
(2.3) tв2=tв1+(Qв*3600/ (Срmв* Gв*(в)), оС где tв1-температура воды на входе в маслоохладитель, оС;

Qв – тепловой поток, воспринимаемый охлаждающей водой, кВт/с;

Gв -номинальный расход воды через аппарат, м3/ч; tв2=18+(44,3*3600/(4,185*22*998,5))=20 оС

Средняя температура воды[9, стр.54]: tв.ср.=0,5*( tв1+tв2), оС

(2.4) tв.ср.=0,5*(18+20)=19оС

Физические параметры воды при tв.ср.= 19 оС: [9, приложение 2]

(в=0,9394*10-6 м2 /с

Prв=6,5996

(в=0,604 Вт/(м*К)

(в=997,45 кг/м3

Среднелогарифмический температурный напор (для противоточной схемы) [7, стр. 104]:

(tср=((tм1-tв2)-(tм2-tв1))/(ln((tм1-tв2)/(tм2-tв1)))*((t, оС

(2.5)

((t –поправочный коэффициент, учитывающий особенности принятой схемы движения теплоносителей. Для противоточной схемы ((t=1; [7, стр. 104]

(tср =((60-20)-(48-18))/(ln((60-20)/(48-18)))=34 оС

Определение коэффициента теплопередачи:

Среднее значение коэффициента теплопередачи К (Вт/(м2.К) определяется по уравнению (4.29) [7,стр. 108] :

К=1/((1/(мпр)+(((dн/dвн(лат)+((dн/dвн(в)), Вт/(м2*К)

(2.6)

где (м пр-приведенный коэффициент теплоотдачи масла, Вт/(м2*К);

(в- коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м2*К); dн –наружный диаметр трубки,м; dвн-внутренний диаметр трубки,м;

( -толщина стенки трубки, м;

(лат.- коэффициент теплопроводности латуни, Вт/(м*К);

(- коэффициент оребрения ((=2,26)

Задаемся температурами стенок со стороны воды и со стороны масла: tст.в.=25 оС tст.м.=40 оС

Задаемся скоростями воды и масла: wв=1 м/с wм=0,5 м/с

Значение приведенного коэффициента теплоотдачи (м пр [Вт/(м2*К)] от масла в пучке трубок с поперечным или близким к нему характером омывания определяется соотношением [7,стр.109]:

(м пр=(м(о,

(2.7) где (м-среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2*К);

(о-поправочный коэффициент ((о=0,95-0,98)

Для вычисления (м воспользуемся формулой (4.31) [7,стр. 109]:

(м=0,354((м /()*Re0,6*Prм0,33*(Prм/Prw)0,18, Вт/( м2*К)

(2.8) где (м - коэффициент теплопроводности масла при tм.ср.= 54 оС,
Вт/(м*К);

Prf –число Прандтля для масла при tм.ср.= 54 оС;

Prw - число Прандтля для масла при tст.м.=40 оС;

(-расстояние между внешними образующими трубок,м;

Reм- критерий Рейнольдса для масла. Он определяется следующим образом:

Reм=(wм*(/(м)

(2.9) где wм –скорость масла, м/с;

(м –вязкость масла tм.ср.= 54оС, м2/с;

Reм=(0,5*0,003/6,68*10-6)=224

(м=0,354(0,107/0,003)*2240,5*101,720,33*(101,72/143,56)0,18=673,2 Вт/( м2*К)

(м пр=673,2*0,95=639,5 Вт/( м2*К)

Определяем режим движения воды в трубках. Критерий Рейнольдса для охлаждающей воды [9,стр.55]:

Reв=(wв*dвн/(в)

(2.10) где wв –скорость воды,м/с; dвн –внутренний диаметр трубки,м;

(в –коэффициент кинематической вязкости, м2 /с;

Reв=(1*0,011/(1,006*10-6))=11000

У нас турбулентный режим течения жидкости, т.к. Reв= 11000>5*103. При таком режиме среднее значение (в определяется по формуле[7,стр 114]:

(в=0,021*((в/ dвн)* Reв0,8* Prf0,43*( Prf/ Prw)0,25, Вт/( м2*К)

(2.11)

(в –коэффициент теплопроводности воды при tв.ср.= 19оС;

Prf –число Прандтля для воды при tв.ср.= 19 оС;

Prw - число Прандтля для воды при tст.в.=25 оС;

(в=0,021*(0,58/0,011)* 110000,8* 7,020,43*( 7,02/ 6,32)0,25=4460 Вт/( м2*К)

Плотность теплового потока внутри трубок qв[9,стр. 56]:

qв=(в*( tст.в.- tв.ср), Вт/м2

(2.12)

qв=4460 *( 25- 19)=13380 Вт/м2

к=1/((1/639,5)+(0,0015*2,26*0,014/104,5*0,011)+(2,26*0,014/4460*0,011))=
=420 Вт/( м2*К)

Поверхность охлаждения маслоохладителя расчитывается [9,стр. 56]:

F(=Q/(k*(Tср), м2

(2.13)

Q - количество охлаждаемого водой тепла, Вт;

(Tср - среднелогарифмический температурный напор, оС; k – коэффициент теплопередачи, Вт/( м2*К);

F(=44300/(420*34)=3,1 м2

Удельная плотность теплового потока[7,стр. 108]:

q=Q/F(, Вт/( м2*К)

(2.14) q=44300/3,1=14290 Вт/( м2*К);

С другой стороны это можно выразить следующим образом [9,стр.55]: q=(м*(tм=461*(tм

(2.15)

Следовательно: (tм=q/(м=14290/640=21,3 оС

Из рис.2.1 видно что tст.м.=tм.ср.- (tм=54-21,3=32,7 оС

Т.к. q=q1=q1=…=qn, то q=(в*(tв=4460*(tв

(tв=q/(в=14290/4460=3,2 оС tст.в.=tв.ср.+(tв=19+3,2=22,2 оС

По результатам расчета принимаем температуру стенки со стороны воды tст.в.= 22,2 оС и температуру стенки со стороны масла tст.м.=32,7 оС.

Рис.2.1 График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при противотоке.

Теперь пересчитываем площадь поверхности охлаждения относительно найденных температур стенок:

Prв(при tст.в.= 22,2 оС)=6,32

(в=0,021*(0,58/0,011)* 110000,8* 7,020,43*( 7,02/6,78)0,25=4263,5 Вт/( м2*К) qв=4263,5 *( 22,2- 19)=13643 Вт/м2

Prм(при tст.м.= 32,7оС)=132,8

(м=0,354(0,107/0,003)*2240,5*101,720,33*(101,72/132,8)0,18=695,3 Вт/( м2*К)

(м пр=695,3*0,95=660,5 Вт/( м2*К) q=660,5*(54-32,7)=14069,4 Вт/м2

к=1/((1/660,5)+(0,0015*2,26*0,014/104,5*0,011)+(2,26*0,014/4263,5*0,011))=

=412 Вт/( м2*К)

F(=44300/412*34=3,16 м2

Поверхность охлаждения с учетом загрязнения[9,стр.56]:

F=1,1*F(, м2

(2.16)

F=1,1*3,16=3,47 м2

Далее проводим аналогичный расчет для разных скоростей воды и масла, для того, чтобы выбрать оптимальную площадь поверхности охлаждения и оптимальные скорости воды и масла. Варианты расчетных скоростей и результаты вычислений приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Зависимость поверхности охлаждения маслоохлодителя от скоростей воды и масла .

|wв, м/с |0,7 |1 |1,3 |1,5 |
|wм, м/с |0,3 |0,5 |0,7 |0,9 |
|Reв |29806 |14903 |19374 |22354 |
|(в, Вт/( м2*К)|7833 |4493,3 |5549,7 |6222,7 |
|qв, Вт/ м2 |18799,5 |10784 |13319,2 |14934,4 |
|Reм |11,8 |19,7 |27,6 |35,5 |
|(м, Вт/( м2*К)|321,5 |412 |492 |557,8 |
|qм, Вт/ м2 |7779,4 |9969,8 |11904 |13498 |
|к, Вт/( м2*К) |308,6 |384,6 |456,6 |507,6 |
|F(, м2 |9,24 |7,4 |6,3 |5,6 |
|F, м2 |8,4 |6,7 |5,7 |5,1 |

Выбираем вариант с площадью поверхности охлаждения F=3,47м2 и скоростями воды и масла wв=1 м/с и wм=0,5м/с.

3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.

3.1 Определение количества трубок и способа их размещения.

Конструктивный расчет кожухотрубных теплообменников состоит в определении количества трубок и способа их размещения, нахождении внутреннего диаметра корпуса и числа ходов в трубном и межтрубном пространстве.

В основу расчета положены исходные и результаты теплового расчета, приведенные выше.

Общая длина трубы в расчете на одноходовой пучок, м[6,стр.26]:

L=900*F(*dвн*wв*(в/Gв

(3.1.1)

F(- поверхность теплообмена, м2; dвн – внутренний диаметр трубы,м; wв – скорость теплоносителя (в нашем случае это скорость воды, т.к. она течет внутри трубок), м/с;

(в – плотность воды, кг/ м3;

Gв – часовой расход воды, кг/ч;

L=900*3,16*0,014*1*997,45/10008=9,3м

Рабочая длина трубы в одном ходу,м:

L’=L/Zв, м

L – общая длина трубы,м;

Zв – число ходов по воде;

(3.1.2) [6,стр26]

Определяем число ходов по воде. Для этого рассчитаем несколько вариантов и выберем оптимальный.

Zв=2 L’=9,3/2=4,65 м

Zв=4 L’=9,3/4=2,325 м

Zв=6 L’=9,3/6=1,55 м

Выбираем Zв=4 и L’=2,325 м.

Число трубок одного хода в трубном пространстве, шт.:

No=(4*Gв)/(3600*(*dвн2*(в*wв )
(3.1.3) [6,стр27]

Gв – массовый расход воды в трубном пространстве, кг/ч; dвн – внутренний диаметр трубок, м;

(в – плотность воды, кг/м3; wв – скорость воды,м/с;

No=(4*10008)/(3600*3,14* (0,014)2*997,45*1)=18 шт

Общее количество трубок, шт;

N=No*Zв,шт

(3.1.4) [6,стр27]

No - число труб одного хода в трубном пространстве, шт;

Zв – число ходов воды в трубном пространстве;

N=18*4=72

Шаг труб в пучке t (расстояние между центрами трубок) принимают из условий прочности:

t=(1,3…1,.5)*dн, м

(3.1.5) [6,стр27]

dн – наружный диаметр трубок,м; t=1,3*0,016=0,02м

Выбираем концентрическое размещение труб из условий максимальной компактности, удобства разметки трубных досок и монтажа пучка труб.
[6,стр27]

3.2 Внутренний диаметр корпуса теплообменника.

Для многоходовых теплообменников внутренний диаметр корпуса определяется:

D=1,1*t*(N/()0,5,м

(3.2.1) [6,стр28]

t – щаг труб в пучке,м;

N – общее количество труб,шт;

( - коэффициент заполнения трубной решетки (принимается 0,6-0,8);

D=1,1*0,02*(72/0,7)0,5=0,223м

3.3 Конструкция и размеры межтрубного пространства.

Для повышения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников используются поперечные перегородки. В нашем случае это перегородки типа диск-кольцо. [6,стр28]

Площадь межтрубного пространства,:

Sмтр=S1=S2=S3=Gм/(3600*(м*wм), м2

(3.3.1) [6,стр29]

S1 – площадь кольцевого зазора между корпусом и диском, м2;

S2 – площадь в вертикальном сечении между кольцевыми и дисковыми перегородками, м2;

S3 – проходное сечение для теплоносителя в кольце, м2;

Gм – массовый расход теплоносителя (в данном случае это масло, т.к. оно течет в межтрубном пространстве) ,кг/ч;

(м – плотность масла, кг/м3; wм – скорость масла в межтрубном пространстве, м/с;

Sмтр=10008/(3600*859,3*0,5)=0,0065 м2

Площадь кольцевого зазора между корпусом и диском:

S1=((/4)*[( D2- D22)-N*dн2], м2

(3.3.2) [6,стр28]

D – внутренний диаметр корпуса, м;

D2 – диаметр дисковой перегородки, м;

N – число труб, шт; dн –наружный диаметр трубки, м;

D2=[((*( D2- N*dн2)-4*S1)/ (]0,5,м

D2=[(3,14*( 0,2232- 72*(0,016)2)-4*0,0065)/3,14]0,5=0,152м

Проходное сечение для теплоносителя в кольце:

S3=((* D12/4)*[1-0,91*(*(dн/t)2], м2

(3.3.3) [6,стр29]

D1 – диаметр кольцевой перегородки, м;

( - коэффициент заполнения трубной решетки (принимается 0,6-0,8); dн –наружный диаметр трубки, м; t – щаг труб в пучке,м;

D1=[4*S3/((1-0,91*(*(dн/t)2)* ()] 0,5,м

D1=[4*0,0065/((1-0,91*0,7*(0,016/0,02)2)*3,14)] 0,5=0,014м

Площадь в вертикальном сечении между кольцевыми и дисковыми перегородками:

S2=(*Do*h*(1-(dн/t)),м2

(3.3.4) [6,стр28]

Do – средний диаметр, м;

Do=0,5*(D1+D2)=0,083м h – расстояние между перегородками, м; dн –наружный диаметр трубки, м; t – щаг труб в пучке,м;

h=S2/[(*Do*(1-(dн/t))], м h=0,0065/[3,14*0,083*(1-(0,016/0,02))]=0,1244 м

Число ходов масла в межтрубном пространстве:

Zм=L’/h

L’ – рабочая длина трубы в одном ходу, м: h – расстояние между перегородками, м;

Zм=2,325/0,1244=18

Число перегородок в межтрубном пространстве равно Zм-1=18-1=17

3.4 Определение диаметра патрубков.

Диаметр патрубков dn зависит от расхода и скорости теплоносителя и определяется из соотношения:

((/dn2)=(G/(3600*(*wn))

(3.4.1) [6,стр31]

G – расход теплоносителя, кг/ч;

( - плотность теплоносителя, кг/м3; wn – скорость теплоносителя, м/с. dn=[(4*G)/( (*3600*(*wn)]0,5,м

Скорости в патрубках обычно принимаются несколько большими, чем в аппарате. Мы принимаем: wв=2,5м/с wм=1м/с

Т.о. диаметр патрубков для воды: dnв=[(4*10008)/( 3,14*3600*997,45*2,5)]0,5=0,0014м, для масла: dnм=[(4*3,6)/( 3,14*859,3*1)]0,5=0,0053м,

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

Задачей гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты.
Падение давления (Рто в теплообменниках при прохождении теплоносителя по трубам и в межтрубном пространстве складывается из потерь на сопротивление трению и на местные сопротивления, Па:

(Рто=(Ртр+(Рмс=[((*L’* w2)/(dэ*2)]*(+((*( (w2*()/2), Па

(4.1.1) [6,стр32]

( - коэффициент гидравлического трения ( для латунных труб (=0,02);

L’ – рабочая длина трубы в одном ходу, м; w – средняя скорость движения теплоносителя на данном участке, м/с; dэ – эквивалентный диаметр сечения канала, равный 4*f/Sсм; f – площадь сечения прохода теплоносителя, м2; f=Sмтр=0,0065 м2 ;

Sсм – смоченный периметр прохода теплоносителя, м;

Sсм=(*D;

D – внутренний диаметр корпуса теплообменника, м;

Sсм=3,14*0,223=0,7м; dэ=4*0,0065/0,7=0,037м

( - плотность теплоносителя, кг/м3;

(( - сумма коэффициентов местных сопротивлений. Ихзначения мы берем из таблицы (табл.1,[9]);

Для воды мы учитываем коэффициенты, приведенные в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Значения коэффициентов местных сопротивлений.

Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений для воды:

((в=1,5*2+2,5*3+1*2=12,5

(Ртов=(Ртр+(Рмс=[(0,02*2,325*12)/(0,037*2)]*997,45+[12,5*((12*997,45)/2)
]=

=6861 Па

Располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом:

(Рр=(Рто+(Ртр,Па

(Ртр=[((*L’* w2)/(dэ*2)]*(=[(0,02*2,235*12)/(0,037*2)]*997,45=626,8 Па

(Ррв=6861+626,8=7478,7 Па

Соответствующее значение температурного напора:

Нр=(Рр/((*g), м

(4.1.2) [6,стр34]

(Рр - располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом, Па;

( - плотность теплоносителя, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м2/с;

Нрв=7487,7/(997,45*9,8)=0,77 м

Мощность N, кВт на валу насоса:

N=(G*(Рр)/(1000*(*(н), кВт

(4.1.3) [6,стр34]

G – расход рабочей среды, кг/с;

(Рр - располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом, Па;

( - плотность теплоносителя, кг/м3;

(н – КПД насоса;

Nв=(2,78*7487,7)/(1000*997,45*0,7)=0,03 кВт

Далее делаем аналогичный расчет для масла.

(=0,02+(1,7/Re 0,5)

(=0,02+(1,7/19,70,5)=0,4

Для масла учитываем коэффициенты, приведенные в таблице 4.2.

Таблица 4.2.

Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений для масла:

((м=1,5*2+1,5*17+1,2*2+0,7*2=32,9

(Ртом=(Ртр+(Рмс=[(0,4*0,325*0,52)/(0,037*2)]*859,3+[32,9*((0,52*859,3)/2
)]=

=6233,7 Па

Располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом:

(Ртрм= (0,4*0,325*0,52)/(0,037*2)]*859,3=2699,8Па

(Ррм=6233,7+2699,8=8933,5 Па

Соответствующее значение температурного напора:

Нрм=8933,5/(859,3*9,8)=1,06 м

Мощность N, кВт на валу насоса:

Nм=(3,6*8933,5)/(1000*859,3*0,7)=0,053 кВт

Вернуться