Теплообмен в элементах конструкции двигателей ЛА Методические указания к курсовым работам, страница 3

Еэчертить эскиз теплообменного аппарата с оптимельныыи параметрэыи. ЫЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО А)ШАРАТА НА ЗАДАННОЕ ГИДЕ(НЛИЧЕСКОЕ СОКРО)ИВЛЕНИЕ Рис. З.З Для расчета одного варнаита теплообменного аппарата без црнмененля ЭНМ авданы: наружный диаметр трубЛ~~; внутренний диаметр трубф ; продольный шаг размещения труб в пучке 5~ и поперечный шаг5 ; раоход горячего газаУ,, ь температура горячего газа на зхо/ / де у~ ; давление горячего газа на вкодеф.

; коэффициент потерь давления по горячей стороне б,,; расход воэдухаУ„.; температура воздуха на входе 7» , -температура воздуха на выходе Р»; давление воэ- 18 Процеос тецнопередачв э теплообменных аппаратах связан с гидравлическими потерями, т.е. о затратэыв мощности на прокачку теплонооителей через теплообменэые аппараты. Уменьшение гвдравлкчеокэх потерь приводит к уменьшению скорости течения, росту проходных сечений, габарятнэх размероз н маоаы теплообменных аппаратов. Обычно в инженерной практике прн прямом расчете теплообменнзка определю>тся прн заданных скоростях его геометрнчеокве характеристики в гидравлическое ссцротивление.

Для обеспечения зеленного гидравлического соцротиэлензл расчеты ведутоя путем последонательных приближений. Н данной работе используется предложенная н Г5~ ыетодика расчета трубчатого теплообменного аппарата с поперечным омываниеы межтрубного пространства на заданное гидравлическое сопротивление по горячему газу (по межтрубному пространству) и по холодному воздуху (внутри труб), 19 Пначзла определяштоя тепловая мощность аппарата~7 средне- логарифмический температурный напор НТа,., средние температуры горячего Тл н холодного Т теплоносителей, средние плотаости теплоносителей Р и~бл .

Рвсомотрим теплообмен и гидразлиЧЕсное сопротиэлзяие при течении горячего теплоносителя в межтрубном проотранстне. Расчет коэффициента теплоотдачи цоперечно омываемых пучков труб леде тая прн Ре„) 6 ° 10 ь 63 по фо)лзулам: 3 а) црн коридорйом расположении гладких труб 4ЮЮ 2 е~~д7~' "(г)о»" г у- ~)~ ) ° 4 ВгЛм К); (3.П Я:ф б) прн шахыатаом располОжении, гладкиХ труб и > 0,7 ь' в) прн шахматном расположении гладких труб и ' с 0,7 м — у „.,уерй~с ~'аг,~ц~~' вЛ~к).

а.а У а о Г Здесь Ỡ— попранка йа число рядов я в продольном направлении; приЯ. 10 б~= 1; 4л, А~ — продольный и поперечный шаги труб соотАхою~у „.. и ..руа;;„- .р.,~ скорооть потока в узком оечении пучка;(~~- наружный диаметр трубы: А„,— козффициент теплопроноднооти газа прз средней температуре Т;; ъ~ — козффнциент кинематической гязкости газа пра Т и давлении 0,5)7~(У б );Й"„- число Прандтля при Тг .

г Г ° г В общем вндв для поперечно омываемых шахматных пучков тру б формулу для теплоотдачи можно предатавить з виде Фц= б;Ре,", (3.4) „= ~Й~~Ж,7' РЕ~ Вт,ф(,нл. с) (3.5) ~н где сбг - козффициент теплоотдача з межтрубном пространстве (по горячей стороне); С КЛЮМ~Р~ ' ( ~ — м ( ' при =фЫК~» Д р прн Рлдранлнчвское сопротиэление псперечяо омываемых шахматных пуп он труб [6): ол аа з,/л„ (3.10) ~ф„=~яС~Я'~ 1(Ре л ~опт.г,, Па, (3, ) где б~ — коэффициент, зависящий от ~~ Щ ь бй — коэффициент, зависящий стаф; д'- число рядок в продольном напревленияьЯ„- плотность газа при Т; ьт„' — оредаяя скорость пощока в узком сечениа =~) ~Вь~, т„-~яб,~к'~~) Ре,,""'. (3.7) Вависимости.б~.

от ~~/~~~ и б~ от Я9 ( 4~ праэеденн на ршс. 3.4. Если по межтрубному црострааству теплообыенннк многоходо;. ной, то +гй~Рг ь4. 'оЖ~тг~ с ао'г а (3.8) гдето - число рядов в продольном направлении на один ход; е,,— число ходов по мвжтрубноыу пространству;ать = -0,27. П)зг получении уравнения (3.6) учитыннлооь, что обыч- л э й„ а с~ но число рядов труб велико, и, следовательно, можно при- Д нять -~ 1.

й'~ У Число рядов труб в Продольном непреллвнли И неизвестно. #ля его определения носпользуемся следулщими соотношвазямн. 0бозначим габаратные размеры теплообменника через ~,~ и б (рис. 3.3). М~ Тогда поверхнооть теплообме- з на, определенная по нвружно- Ряо. 3.4 му диаметру трубок, Гу ОбсзтЯу ~бу~~ „' (3.9) площадь проходного сечения межтрубного простракства с2С К» Л' площадь фронта теплообменника цо горячему теплонсснтелю (3. 11) Г = аС,"77 . 20 21 йИ-Т)К2г Рх Тх (Х 6») (т. х Я ~ от» ~~~;,,о~ »~» »о Ф вЂ” ф / Местные сопротивления включают в себя сопротивления прн входе потока з труби (резкое оужение), при выходе потока из труб (резкое расширение) и прн поворота потока между ходами. Соответствуюние козффициенты местных сопротивлений обозначим ух оол»» ~л,~ои~, иД у.

Тогда суммарный козффзциент меотных соцротивленвй ул»' ~хоуо»- Р~хрохш (Я ')~хпоо козффицненты~хо, и 7» завиаат от ооотвошеака меньшей и большей площадей проходных сечений канала Р'Л~. Зтн козффзцденты можно определить с помощью графиков, приведенных на (ша. 3.5, или по формулаы: ~,',„=ебр-Р "Р) ЖФ (3.30) 1х ро = (РНIР6)х 3 Р!'о (3.31) Лля входа и вихода потока в трубы, размещенные в пучке с шагами ~~ вс (3.

32) р/ ол о» оо оо» хо Рио. 3.5 г р„, Р - Ы~14ЖУ,. Коэффициент сопротивления поворота принять~» у = 1,52. В уравнении (3.28) неизвестным яиляетоя произведение ~ — тл», которое алабо званы е ~А~Уу» ант от числа Рейнольдаа. )(лн труб прш турбулентном режиме течения р,7уб.уРе„"2~ (з.зз) Введем обозначения: о — площедь проходного сечения одного хода; А' — полное члоло труб; Ру — поверхноать теплосбыена, определеннея по внутреннему диаметру труб.

Поскольку с=7~~~тПуй, (3.34) л~ 4'г„г,~уф (з.з5) то можно получать С~Яр = 7~/ЧЯх И» . (3.36) Поток тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, можно предатавить как »Г=щ»9~я Т», (3,37) где я 7„ - среднзй температурнай напор цо холодной стороне, или в виде »7'= й~ср (Т - Т»)-ьх»Р»о»ср»Л» — Т"), (3.38) где ор» — аредзяя теплоемкость, 0„- плотаооть газа прш Т» и ф„ и) - средняя акорооть газа в трубах.

используя (3.35)... (3.38), » получаем л с г.г»с (Т~л-Ч„') Ре„Р. ср (Т»'-Т») При турбулентном течении газа в трубе в его нагревании козфри- циент теплоотдачи [7) Ю ~~ЕРР РФ" »' »ь (Т х71 ) '» (3 40) где Д вЂ” коэффициент теплоцроводяооти; 7~ - средняя температура стенх кв. Поскольку в рассматриваемоы аппарате обычно со значительно выще, чеы с»о, и раэноать температур уТ» =Та- 7» значительно меньше оред- нелогарифмичеокого температурного напора в аппарате лТ», можно пренебречь влиянием температурного фактора ( То/7» ) на теплообмен "оук и принять оР УФ »ох с(„= Ф~~Ре ~ )Сл ~".Ф-% Ре (3.41) Падет .

(3,41) В (3 39) И У тмз Ссстиаизз Е ДЛН Ла ПР'"Дт 0~"» =(т' ар~;Я . уч С УгР б~(т» Т,')~0 7472~ Т» (З 42) Используя (3.33), получаем с о о9~~'о"-Ф ~~Б(~ о~ х~ о ош ул)7у~л РЕ»Зх~лТ„д» » 4 5 так как длн газов Р~" =,0,71, а для Ре = 10 ...10 Ре„, = 1,6... 1,78 то с запасом можно принять РЕ ' = 1,6. С учетом (3.22) можно яоо' г получить 25 (3.44) Исполъзуя ооотвошенвя (3.5) и (3.41) для ковффициевтов тепло- отдачи, (3.25) и (3.28) для чвсел Рзйяольдоа, а такие (3.22), (3.43), (3.44), получаем уравнение для определена» неизвестной веФр;ащ,а~К, ),ГГ„с- тФ -Ф„~ '~~У Х~~ ' „, 7 5 Уранение (3.45) может быть сравнительно просто решено грвфи- чеови. Знаемая~~ позволит нейтв ИУ' по (3.22), с7» — цо (3.44), Ф,.

- по (3.25) и (3.21), Ае„— ко (3.28) и (3.43), а затем пло- щадь проходного сечения в межтрубноы пространстве $ -И~Ц,/Ре р~, площадь фронта теплообменника яо горячему теплонооителш У шов Кк ог гб" -д„ (3.47) и плссис(ь пРоходвого оечения внутри труб А»= Р,Юг/Ре„р.у . (3.48) ЗатеМ по (3.35) определяетоя число труб теплообменника, по (3.5) и (3 41) находятся козффициенты теплоотдачи мр и сб„,.далее вычисля- ется козффицвент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности трубок: Вт/(м .К), (3.49) 2 где Лс — козффицвент тейлояроводнооти мате(аела труб. Принять для нериавешщей стели Лс = 20 Вт/(М'К).

Позе(шность тецлопередачи, сцределеннея по наружной поверх- ности труб, будет Т' = Я/К~Г „, (3.50) Палее, используя соотношения Ф= 2АЗ~~~, Р~ - -айЖ~,/5;5», 5;,= =сап(~~Щ,)4ч Г~, можно найти габаритные ранке(ы теплообменника (рис. З.З): 25 ~"=~~ ФЯ;4Фтг ~ = бра 'Ф~ /с,$ Я~ ~г /с ('5у — Я~ ) .

~= бб~5~/а, (3.51) (3.52) (ЗЛЗ) а число рядов для одного хода горячего газа будет .Е = 8( У, = Л(5; /2 . (3.54) Такам образом, предлагаемая методика позволяет непосредственно определить разме)ш трубчатого теплообменника с поперечным омынаниеы Мсжтрубного пространства прз заданных цотернх давления в межтрубном пространстве и внутри труб.

ИНТЕНСИИПЙЦИН ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ ПИ ТЕЧЕНИИ ТЕПКОНОСИТЕАИ К тевлообменным аппаратам двигателей летательных аппаратов предъявляются повышенные требования по компактности, габаритам и масоам. П(щ заданных значениях тепловой мощности, расходов теплоноситепей и гидранличесКИх сопротиВЛЕНий Умеиьщить габариты и массу аппаратов можно за счет увеличения коэффициентов теплопередачи либо за счет более плотной компоновки (уменьшения днзметра труб, раостонния между трубами).

Уменьшение диаметра труб н расстояния мекку нимв ограничивается технологическими требованиями, позтому практически возможности этого пути иочерпзны. Остается один путь уменьшения габарштных размеров и массы — интенанфикзцяя теплопередачи. Наиболее реальным и доступным путем интенсификации теплоотдачи является искусственная турбулизация потока [8). Интенсификзция теплообмена, сопровслднли)няся умеренным ростом гидравлических потерь, позволяет снизить габариты и массу теплообменников. Как показано в ~8~, наилучшие результаты дашт методы интенсификзцив тепло- обмена, построенные на основе детального изучения структуры турбулентного течения з каналах.