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;