145786 (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;

t_м.ср =0,5*(60+48)=54^оС.

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

С_рmм=1,876 кДж/(кг ^оС)

_м=859,3кг/м³

_м=6,68*10^-6 м² /с

Pr_м=101

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

Qм=(Gм*м* Срmм*( t_м1-t_м2))/3600, кВт/с (2.2)

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

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

С_рmм –удельная теплоемкость масла при tм.ср.= 54^оС, 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]

С_рmв=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)=19^оС

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/(м^2.К) определяется по уравнению (4.29) [7,стр. 108] :

К=1/((1/_мпр)+(d_н/d_вн_лат)+(d_н/d_вн_в)), Вт/(м²*К) (2.6)

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

_в- коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м²*К);

d_н –наружный диаметр трубки,м;

d_вн-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 /)*Re^0,6*Prм^0,33*(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=(w_м*/_м) (2.9)

где w_м –скорость масла, м/с;

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

Reм=(0,5*0,003/6,68*10^-6)=224

м=0,354(0,107/0,003)*224^0,5*101,72^0,33*(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)* Reв^0,8* Prf^0,43*( Prf/ Prw)^0,25, Вт/( м²*К) (2.11)

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

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)* 11000^0,8* 7,02^0,43*( 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)* 11000^0,8* 7,02^0,43*( 7,02/6,78)^0,25=4263,5 Вт/( м²*К)

qв=4263,5 *( 22,2- 19)=13643 Вт/м²

Prм(при tст.м.= 32,7^оС)=132,8