Теплообменные аппараты
Теплообменник как устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры. Сравнение объёмов и массы трубчатых и пластинчатых водяных охладителей. Гидравлическое сопротивление выпускных трубопроводов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.06.2015 |
| Размер файла | 446,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
Введение
1. Общие сведения о теплообменных аппаратах
2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС
3. Охладители воды и масла
3.1 Водо-водяные охладители
3.2 Масляные охладители
4. Охладители наддувочного воздуха ДВС
5. Тепловой расчет двигателя
Заключение
Список литературы
Введение
Первые упоминания о теплообменнике историки относят к VI веку до нашей эры. До нас дошли прекрасно сохранившиеся фрески с изображениями воинов древней Галлии, которые первыми смогли использовать принцип передачи тепла в так называемых «термах» - древнеримских (древнегреческих) банях. Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называют теплообменными. Эти аппараты имеют разнообразное конструктивное оформление, которое зависит от характера протекающих в них процессов и условий проведения этих процессов. теплообменник трубопровод гидравлический
Теплообменник -- одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далеким от техники людям. В самом деле. В каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления -- массивные. Ощетинившиеся ребрами чугунные трубы или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель -- горячая вода -- отдает через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.
Радиаторы отопления -- самые распространенные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без надежно работающих теплообменников.
Теплообменники относятся к энергопотребляющему оборудованию и могут использоваться как отдельно, так и в технологическом процессе. По конструкции теплообменники очень разнообразны в зависимости от условий производства и технико-экономических требований. Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определенной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом -- охлаждать, в третьем -- утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники -- разных размеров, разных конструкций. Они требуется не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты на каждом производстве относят к основным, что составляют фундамент технологии.
В химической технологии теплообменники используются в процессах нагревания и охлаждения, при конденсации паров и кипении жидкостей, в процессах ректификации, абсорбции, кристаллизации, в экзо -- и эндотермических реакциях, при выпаривании и других процессах.
Есть еще одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство -- автомобиль, трактор, морское судно, самолет, космический корабль -- немыслимо без радиаторов и другой теплообменной аппаратуры.
1. Общие сведения о теплообменных аппаратах
При работе современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо постоянно отводить от них теплоту в окружающую среду. Часть теплоты отводится вместе с выхлопными газами, и этот процесс обусловлен вторым законом термодинамики - для получения полезной работы в тепловых двигателях обязателен как подвод теплоты, так и её отвод. Кроме этой теплоты, её соизмеримое количество отводится в окружающую среду системой охлаждения двигателя. Отвод этой части теплоты имеет в основном иную причину. Она связана, в первую очередь, с необходимостью поддержания допустимого термического и напряжённого состояния деталей двигателя, а также с поддержанием определённой температуры смазочного масла, при котором оно обеспечивает оптимальный режим смазывания трущихся пар.
С учётом сформулированной оценки функций системы охлаждения следует понимать, что такой теплоотвод является вынужденным и что он вреден с точки зрения термодинамики, поскольку в этом процессе теплота, подведенная с топливом, просто теряется, пусть даже вынужденно. Очевидно, что для повышения экономичности двигателя следует по возможности уменьшать количество теплоты, отведенной по названной причине. Такая концепция успешно реализуется в современном двигателестроении и должна учитываться при проектировании систем охлаждения и их аппаратов. Так, охлаждение камеры сгорания двигателя должно обеспечивать не только допустимое термическое и напряжённое состояние деталей этого элемента, но и поддерживать температуру внутренних стенок на том уровне, при котором процессы наполнения цилиндра воздушным зарядом и сгорания в цилиндре двигателя будут проходить наиболее эффективно. Аналогичным образом, охлаждение наддувочного воздуха нельзя свести только к оценке количества отводимой в этом случае теплоты. Охлаждение наддувочного воздуха сильно влияет на рабочий цикл двигателя и должно оцениваться с учётом такого влияния. Затраты энергии на работу системы охлаждения составляют в отдельных случаях до 7% мощности двигателя, а масса и габариты - примерно такую же величину от массы и объёма двигателя.
Теплообменные аппараты ДВС достаточно разнообразны по своей конструкции, по назначению, по видам теплоносителей, по особенности влияния на работу двигателя, по особенностям компоновки в системе охлаждения и на двигателе и по ряду других параметров. Соответственно на современных двигателях могут одновременно применяться от 3 до 6 и даже более существенно различных по всем своим особенностям теплообменников, которые должны работать согласованно в одной системе и обеспечивать нормальную работу двигателя для всех возможных режимов и условий эксплуатации.
2. Классификация теплообменных аппаратов ДВС
В системах охлаждения ДВС используются различные теплообменники. Все они, как правило, являются рекуперативными. К рекуперативным относят теплообменники, в которых теплопередача происходит через стенку, разделяющую теплоносители.
Существует множество теплообменников иного типа. В частности, известны водоконтактные теплообменники, к которым относятся градирни. Их применяют в стационарной энергетике, в том числе и для охлаждения дизелей. Градирня представляет собой башенную конструкцию, которая обычно заполнена решётчатыми элементами из дерева, керамики или металла. Горячая вода распиливается над заполнителем и стекает по нему вниз. Наличие заполнителя увеличивает время прохождения воды через зону охлаждения и увеличивает поверхность контакта воды с охлаждающими воздухом. Воздух поступает в башню градирни снизу и выходит в верхней части. Воздух может прокачиваться вентилятором или под действием естественной конвекции. Охлаждённая вода собирается в ёмкость в нижней части градирни, откуда насосом направляется в систему охлаждения. Градирни относительно просты и дёшевы, но велики по размерам, подвергают теплоноситель запыливанию и замораживанию в зимнее время. Известны также водоконтактно-испарительные аппараты, в которых охлаждение жидкости производится при барботировании (продувании воздуха через объём с водой). В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания могут быть применены регенеративные теплообменники. В частности, они могут использоваться для подогревания всасываемого воздуха выхлопными газами. Конструктивно такой теплообменник можно представить как сетчатый барабан, заполненный металлической стружкой или аналогичным пористым материалом с близкой теплоёмкостью. Барабан вращается относительно оси. Обычно диаметр барабана больше его осевой длины. Параллельно оси вращения к поверхности барабана подведены две трубы. По одной идут выхлопные газы. По другой всасывается воздух. После прогрева набивки барабана выпускными газами она способна нагревать просасываемый через неё воздух, когда прогретый фрагмент переместится к срезу всасывающей трубы в результате вращения барабана.
Кроме рассмотренных конструкций, получивших хотя бы некоторое распространение, известны и иные, практически не применявшиеся в серийных устройствах, например жидкостно-плёночные, вакуумно-испарительные и некоторые другие. В то же время основным типом теплообменного аппарата в системах ДВС остаётся рекуперативный, который имеет достаточно много разновидностей, различающихся по многим параметрам. Существующее многообразие отличий является причиной того, чтобы систематизированное представление об этих аппаратах давалось основе их классификации. Предлагаемая классификация делит аппараты по следующим основным признакам.
1)По назначению.
2)По виду теплоносителей.
3)По схеме взаимного течения теплоносителей в теплообменнике.
4)По особенностям перемешивания теплоносителей в каждом последующем сечении по ходу теплоносителей.
5)По виду поверхности теплообмена.
6)По общей схеме конструкции теплообменника.
По назначению теплообменники ДВС можно разделить на охладители наддувочного воздуха (ОНВ), охладители воды (ВО), маслоохладители (МО), охладители топлива (ТО), охладителями гидравлических жидкостей (ОГ), подогреватели воды, масла, топлива и наддувочного воздуха.
По виду теплоносителей различают газо-жидкосгные (воздухо-жидкостные), воздухо-воздушные (газо-воздушные, газо-газовые), жидкостно-жидкостные теплообменники. Соответственно ОНВ бывают воздухо-воздушными и воздухо-водя ными, ВО бывают водо-водяными и водо-воздушными (радиаторы), МО бывают жидкостно-масляными (ЖМТ) или воздухомасляными (масляные радиаторы). Аналогично делаются охладители гидравлических жидкостей. Охладители топлива обычно выполняют жидкостными, а подогреватели иногда паровыми. Могут также применяться элекетроподогроеватели. В качестве подогревателей всех типов часто выступают охладители, в которые подают греющую среду вместо охлаждающей. Иногда подогреватели делаются в виде специальных конструкций и подсоединяются к специальным теплоносителям (например, к паровой магистрали)
По схеме взаимного течения теплоносителей (см. рис.1) различают теплообменники противоточные (а), прямоточные (б), перекрёстноточные (в), с реверсивным током (г). Кроме этих основных схем применяют конструкции с многократным перекрёстным током при общем противотоке (д), теплообменники с многократным реверсивным током (е) и ряд других. Нередко действительная схема взаимного течения теплоносителей не может быть отнесена чётко ни к одному из известных и описанных вариантов или отнесена к ним с определёнными отклонениями. Рассматривая перекрёстноточные теплообменники, выделим понятие ход как часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения потоков теплоносителей (см. рис.1 д). При этом отдельным ходом (или точнее теплотехническим ходом) можно считать только очередную часть теплообменного элемента в пределах однократного пересечения тепло - носителей, которая будет смещена относительно предыдущей вдоль по течению или против течения второго теплоносителя.
Если часть теплообменного элемента с однократным пересечением потоков смещается перпендикулярно ходу течения второго теплоносителя, то такая часть ходом с точки зрения теории теплообмена не считается. Эту часть в данном случае можно считать гидравлическим ходом.
Рис 1. Схемы взаимного течения теплоносителей
По особенностям перемешивания теплоносителя в каждом последующем сечении по ходу теплоносителя теплообменники бывают с перемешиваемыми и не перемешиваемыми теплоносителями, причём каждое из названных выше определений может относиться либо сразу к двум теплоносителям, либо каждый теплоноситель может иметь свой характер перемешивания.
Примером перемешиваемого или смешиваемого течения может быть течение воздуха поперёк пучка труб. Здесь за каждым рядом труб воздух полностью перемешивается по всему сечению теплообменника. В результате этого изменение температуры воздуха по ходу теплоносителя зависит только от одной координаты - длины теплообменника по ходу течения воздушного потока. Перпендикулярно этому направлению вдоль или поперёк трубок в любой точке сечения теплообменника температура воздуха теоретически одинакова. Примером не смешиваемого течения теплоносителя может быть ток воды по трубкам пучка перпендикулярно потоку воздуха.
В первом раду трубок по ходу воздуха вода будет нагреваться сильнее, поскольку воздух здесь самый горячий, а в последующих рядах трубок вода будет нагреваться слабее. В результате в каждом сечении водяного потока, перпендикулярного пучку трубок, в том числе и в сечении на выходе из трубного пучка температура воды различна в различных точках сечения, т.е. температура воды будет функцией не только координаты, направленной вдоль по ходу течения потока, но и координаты, направленной по ходу течения воздуха, перпендикулярно названному выше направлению. Кроме отмеченной особенности перемешивания в пределах хода учитывается также перемешивание или не перемешивание потока между ходами. Отмеченные особенности перемешиваний и соответственного характера изменения температур будут влиять, в конечном счёте на значение средней по сечению температуры и, соответственно, на эффективность охлаждения в том или ином теплообменнике. Эти особенности, связанные с характером перемешивания потоков, должны учитываться выбором соответствующих расчётных зависимостей при формировании методики расчёта каждого конкретного теплообменника.
По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменники в основном делят на трубчатые, пластинчатые и трубчато-пластинчатые. Для подробной характеристики теплообменника может использоваться и более обстоятельная классификация в этом направлении, при которой будут определены дополнительные характеристики поверхностей теплообмена (ПТ). Последние, как правило, связаны с дополнениями к уже названным особенностям классификации. Например, можно дать такое определение одному из возможных видов ПТ: "шахматный пучок из круглых труб с индивидуальным ленточным оребрением".
По общей схеме конструкции теплообменники можно подразделить на кожухотрубные, кожухокоробчатые, типа "труба в трубе", змеевиковые, пакетнопластинчатые и некоторые другие. Примером кожухотрубного теплообменника может служить водоводяной теплообменник с корпусом (кожухом) в виде трубы относительно большого диаметра, в которой размещается трубый пучок из труб малого диаметра. Кожухокоробчатым можно назвать охладитель наддувочного воздуха, в котором теплообменный элемент (пакет или пучок) установлен в коробчатом кожухе. Этот кожух имеет патрубки для подвода и отвода воздуха, а его Пакет снабжён крышками с патрубками отвода - подвода веды. Теплообменник типа "труба в трубе" выполнен наподобие кожухотрубного, но только в его кожухе вместо пучка труб устанавливается одна труба. Обычно такой теплообменник имеет малое поперечное сечение при большой длине корпуса. Пакетнопластнчатые (также называемые консольными) теплообменники имеют конструкцию, в которой короб отсутствует а соединение пластин в пакете производится стяжными анкерами, проходящими через специальные отверстия в наружных углах пластин. В таком теплообменнике две наружные пластины обычно делают утолщёнными (они выполняют роль опорных плит).
Прочие пластины зажимаются между ними. Разновидностью таких теплообменников может быть неразборная конструкция, в которой пластины соединяются сваркой или пайкой (спеканием). По таким схемам могут быть изготовлены охладители воды, масла и наддувочного воздуха. Змеевиковые теплообменники могут быть выполнены на основе трубчатого корпуса сравнительно большого диаметра, в который вставляются змеевики, выполненные в виде спиральных "дисков", образованных сгибанием в одной плоскости труб относительно малого диаметра.
Начало и конец трубы в каждом таком "диске" соединяется с общим для всех "дисков" коллектором. Примером такого теплообменника может служить утилизационный котёл. В нём через трубчатый корпус снизу поступают выхлопные газы, которые омывают "диски" из тонких труб, проходя перпендикулярно их плоскости. Внутри спиральных труб проходит вода или пар. Возможны иные конструктивные варианты змеевиковых теплообменников.
3. Охладители воды и масла
Охладители воды судовых ДВС обычно выполняются водо-водяными (ВВО). Охладители воды транспортных и стационарных ДВС выполняются водо-воздушными. Водо-воздушные рекуперативные теплообменники обычно называют радиаторами. Охладители воды стационарных ДВС могут выполняться как в виде радиаторов, так и в виде градирен или барботерных теплообменных аппаратов (вода охлаждается при пропускании (барботировании) через ёмкость с водой пузырьков охлаждающего воздуха). Для стационарных ДВС возможно также использование ВВО, если имеются подходящие условия для применения системы охлаждения с такими теплообменниками.
3.1 Водо-водяные охладители
Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО) выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема кожухотрубного теплообменника показана на рис.2.
Корпус такого теплообменника изготавливается в виде трубы большого диаметра, в котором размещается трубный пучок из гладких (не оребрённых) трубок малого диаметра. Концы трубок крепятся в трубных досках. Обычно одна из трубных досок обладает подвижностью для обеспечения компенсации тепловых расширений.
Размещение трубок в трубных досках может выполняться по системе диагональной разбивки, по системе концентрических окружностей и по ряду иных возможных геометрий. Основой выбора системы расположения труб в трубных досках является стремление к максимальному заполнению объёма корпуса при обеспечении возможной равномерности размещения теплообменной поверхности по этому объёму.
Одновременно учитываются требования к технологичности, прочности, устойчивости пучка к загрязнениям и некоторые другие. Обычно заборная вода проходит внутри трубок пучка, а пресная вода проходит между трубками. Для регулирования скорости воды внутри трубок охладитель может выполняться по забортной воде как одноходовым, так и многоходовым. Для обеспечения необходимой скорости пресной воды и придания определённого направления её течению внутри корпуса устанавливаются диафрагмы. Благодаря установке диафрагм схема течения теплоносителя с внешней стороны трубного пучка приближается к многократно-перекрёстному току.
Рис. 2. Конструктивная схема кожухотрубного водо-водяного охладителя с сегментными диафрагмами: 1 - подвижная трубная доска; 2,5 - водяные крышки; 3 - уплотнение между корпусом подвижной трубной доской; 4 - неподвижная трубная доска; 6 - трубки трубного пучка; 7 - диафрагмы; 8 - корпус (кожух)
Всё это делает реальную картину обтекания пучка трубок потоком весьма сложной и влияет на точность и сложность теплотехнических расчётов теплообменника. Кроме сегментных диафрагм встречаются также кольцевые и стержневые.
Стержневая диафрагма представляет собой набор стержней, расположенных примерно в одной плоскости, перпендикулярной осям трубок пучка (подобно струнам в теннисной ракетке). Стержни пропускают между трубками, а наружные концы крепят в отверстиях колец, охватывающих пучок в местах размещения диафрагм. Часть сечения пучка, как и в случае применения диафрагм иной конструкции, остаётся свободной и используется для поворота потока в обратном направлении перед его движением через последующий зазор с рядом расположенной диафрагмой. Имеются сведения, что наиболее компактные конструкции кожухотрубных теплообменников обеспечиваются применением сегментных диафрагм.
Подводящие и отводящие патрубки теплоносителей в подобных конструкциях могут располагаться как по одну сторону пакета, так и с обеих его сторон. Поверхности пластин имеют систему выступов и впадин, образованных штамповкой. В настоящее время на поверхности пластин штампуют горизонтальные гофры треугольного или синусоидального сечения. Возможны также не только сплошные горизонтальные формы гофр, но и гофры дугообразной формы, прерывистые гофры треугольного, цилиндрического или сфероидального профиля. Это так называемые ленточно-поточные пластины, имеющие наибольшее распространение для ВВО. Жидкость между пластинами здесь движется в основном поперечно осевым линиям гофр. Форма потока жидкости между пластинами подобна форме волнистой ленты. Такая структура потока способствует интенсивной турбулизации теплоносителя и улучшает теплообмен при прочих равных условиях. Ранее применялись пластины с иной организацией потока. Они. либо имели выступы, предназначенные только для обеспечения жёсткости (плоские пластины), либо имели выштампованные зигзагообразные или продольные каналы, вдоль которых двигалась жидкость (канальчатые пластины). Такие каналы мало интенсифицировали теплообмен, но сильно увеличивали гидравлическое сопротивление. Если рабочие скорости воды в аппаратах из канальчатых пластин должны быть в пределах 1,5.2,5 м/с, то в аппаратах из ленточно-поточных пластин эти скорости при той же интенсивности теплообмена могут быть снижены до 0,3.0,9 м/с.
Большинство применяемых пластинчатых охладителей отличаются от трубчатых прежде всего тем, что допускают разборку и последующую качественную механическую чистку. В то же время опыт эксплуатации судовых теплообменников свидетельствует, что при обычных условиях эксплуатации необходимость в таких операциях в межремонтные периоды чаще всего отсутствует, а существующие способы очистки кожухотрубных теплообменников в условиях периодических ремонтов не представляют особых сложностей.
Одновременно отмечается относительно меньшая надёжность работы пластинчатых теплообменников. Вероятность появления течи в полостях таких теплообменников и смешения теплоносителей для них выше, чем для кожухотрубных. Последнее обстоятельство может быть решающим, если условия эксплуатации соответствуют вышеназванным. В то же время есть отдельные районы эксплуатации дизельных энергетических установок, где возможность срочной и качественной очистки в межремонтные периоды может быть важным преимуществом. В частности, необходимости в таких чистках возникают при работе ВВО в водоёмах с тёплой, минерализованной водой и сильно развитой системой водных микроорганизмов, склонных образовывать отложения на стенках водяных каналов теплообменников.
Если же сравнивать объёмы и массы трубчатых и пластинчатых водо-водяных охладителей, то их соотношение зависит от удельной тепловой нагрузки. При нагрузках выше 0,0055 кВт/м2 преимущество имеют кожухотрубные охладители. Указанное соотношение справедливо для типовых конструкций пластинчатых ВВО.
Эти конструкции содержат большое число тяжёлых и громоздких элементов, применение которых не всегда и не везде является принципиально необходимым. В принципе, возможно создание более лёгких и компактных конструкций, основанных на неразборных (сварных) соединениях пластин. Однако в этом случае теряется важное преимущество возможности межремонтной очистки, а также снижается надёжность в связи с появлением дополнительных напряжений от сварки и появления всякого рода неоднородностей в металле теплообменной поверхности, ведущих к образованию трещин и свищей в соединениях пластин. Следует отметить, что поиски более рациональных конструкций пластинчатых теплообменников продолжаются, в то время как принципиальное развитие конструкций кожухотрубных практически завершено. Соответственно не следует исключать возможности появления новых пластинчатых ВВО с более удачными показателями.
Поток воздуха принято направлять от вентилятора к радиатору, что обеспечивает повышенную турбулизацию потока перед входом в теплообменный элемент. Часто ВВР устанавливают в одном блоке с масляным радиатором, воздуховоздушным охладителем наддувочного воздуха, а возможно и с другими теплообменниками, которые размещают последовательно по ходу охлаждающего воздуха от вентилятора. Расход воздуха от вентилятора может регулироваться с помощью жалюзи.
3.2 Масляные охладители
Охладители масла судовых и стационарных ДВС обычно выполняются водомасляными (жидкостно-масляными или ЖМТ). Для стационарных двигателей возможно также исполнение маслоохладителей в виде воздушно-масляных теплообменников или радиаторов (BMP). Охладители масла транспортных ДВС часто выполняют в виде BMP, но могут изготавливать и как ЖМТ.
Конструктивно ЖМТ могут выполняться близкими к водоводяным охладителям. В этом случае они изготавливаются либо кожухотрубными, либо пакетно-пластинчатыми. Кроме таких конструкций возможны кожухокоробчатые аппараты. Для двигателей относительно малой мощности возможно применение маслоохладителей на основе схемы "труба в трубе" и некоторых других. Поверхность теплообмена со стороны масла у современных ЖМТ обычно оребряется.
Принципиальным отличием ЖМТ от ВВО будет то, что ПТ со стороны масла обычно выполняется оребрённой. И кожухотрубные, и кожухокоробчатые ЖМТ обычно имеют по маслу и по воде несколько ходов. Взаимная схема течения теплоносителей может соответствовать многократному перекрёстному току при общем противотоке или реверсивному току
Возможны и иные схемы взаимного течения теплоносителей, в том числе не соответствующие каноническим.
Воздушно-масляные охладители (радиаторы) или BMP изготавливаются на основе прямоугольных пучков (пакетов) круглых или плоско-овальных труб. Для интенсификации теплообмена поверхности труб как со стороны воздуха, так и со стороны масла должны иметь оребрение. В этом случае обеспечивается наибольшая компактность соответствующих теплообменников.
Обычно же при изготовлении таких теплообменников учитываются технологические возможности производителя и то, что количество отводимой теплоты в BMP сравнительно невелико по отношению к ВВР.
В реальных условиях производства агрегатов ДВС часто реализуют компромиссные ранения, не обеспечивающие максимума компактности, но отвечающие приемлемой технологичности
В этих случаях для BMP применяют трубки, оребрённые только со стороны воздуха, а в некоторых случаях даже трубки без оребрения. Одновременно учитывается сравнительна. высокое давление масла в трубках BMP и отсутствие коррозионного воздействия масла на поверхности теплообмена.
С учётом последних обстоятельств трубки могут выполняться из стали или алюминия. Оребрение со стороны воздуха по конструктивным особенностям не отличается от применяемого для охладителей наддувочного воздуха, хотя характерные размеры оребрения могут иметь определённые отличия, устанавливаемые в ходе оптимизации BMP. Конструктивно BMP весьма близок к ВВР, но отличается меньшими размерами площади теплопередающей поверхности, а также формой и прочностью бачков (коллекторов).
4. Охладители наддувочного воздуха ДВС
Охладители наддувочного воздуха могут быть воздухо-воздушными или воздухо-водяными. Рассмотрим воздухо-водяные охладители наддувочного воздуха (ОНВ). Наибольшее распространение имеют кожухокоробчатые конструкции, с теплообменным элементом в виде трубного пучка (пакета) оребрённых труб или пакета пластин, или трубчато-пластинчатого пакета. Теплообменный элемент размещается в корпусе (кожухе) коробчатой формы. Корпус имеет патрубки для подвода и отвода воздуха. Вода подводится и отводится через крышки, прикреплённые к теплообменному элементу. Соединение пучка и корпуса может быть разборным и неразборным. В последнем случае элементы корпуса, дополняющие теплообменный элемент в общей конструкции ОНВ, сведены к минимуму.
ОНВ с трубчатым теплообменным элементом обычно имеет одну или две трубные доски, в которых крепятся концы труб. Такой элемент вставляется в кожух по направлению осей труб через отверстие в одной из граней кожуха и крепится к ней за трубную доску по периметру этого отверстия. Вторая сторона теплообменного элемента при этом может свободно перемещаться под действием тепловых деформаций. Для теплообменников не очень больших размеров возможно жёсткое крепление к кожуху за обе трубные доски с учётом относительно небольших температурных деформаций.
5. Тепловой расчет двигателя (характеризующие процессы впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска)
1. Процесс впуска
В приближенных расчетах абсолютное давление газов в процессе впуска принимают неизменным, зависящим от гидравлического сопротивления впускного тракта, степени подогрева заряда и количества газов, оставшихся в цилиндре после выпуска.
Давление газов в конце впуска зависит от гидравлического сопротивления впускного такта, степени подогрева на впуске, количества газов, оставшихся в цилиндре в конце впуска, и других факторов.
Давление в конце впуска для двигателей без наддува определяют:
, МПа (2.1)
где - потери давления во впускной магистрали, МПа. ро = 0,1 МПа.
С целью лучшего наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом необходимо эти потери свести к минимуму.
Для 4-тактных двигателей указанные потери можно ориентировочно подсчитать по эмпирической формуле:
ра = (0,03...0,18) ро или ра = 0,055• 10-4 n, МПа, (2.2)
где n - частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Давление в конце впуска для двигателей с наддувом определяют по зависимости:
ра = рк ?рак, МПа, (2.3)
где рк - давление наддува, МПа (принимается по заданию) или определяется по формуле:
рк = (1,4...2,0) ро, МПа. (2.4)
Потери давления на впуске после компрессора равны:
рак = (0,04...0,1)рк, МПа. (2.5)
Конечную температуру впуска Та для 4-тактного двигателя можно определить для двигателей без наддува по выражению:
, К, (2.6) а для двигателей с наддувом
, К, (2.7)
где t - подогрев свежего заряда во впускном трубопроводе (может быть принят по табл. 2.1) .
Тк - температура газов после компрессора
, (2.8)
где nк - показатель политропы сжатия воздуха в компрессоре (для центробежных компрессоров nк = 1.4...2,0).
Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэф-фициентом наполнения v, который представляет собой отношение количества свежего заряда, поступившего в цилиндр при работе двигателя, к тому количеству заряда, которое мог бы заполнить этот цилиндр при температуре и давлении окружающей среды.
Для двигателей без наддува
; (2.9)
для двигателей с наддувом
. (2.10)
Значения основных параметров процесса впуска современных ДВС представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Основные параметры процесса впуска
|
Тип ДВС |
ра, МПа |
рк, МПа |
Та, К |
v |
Дt, оС |
|
|
Дизель без наддува |
0.085…0,09 |
- |
310…350 |
0,8…0,94 |
20…40 |
|
|
Дизель с турбонаддувом |
(0,9...0,96) рк |
0,15…0,25 |
310…400 |
0,8…0,97 |
0…10 |
|
|
Бензиновый карбюраторный |
0,07... 0,08 |
- |
320…380 |
0,75…0,85 |
-5…+25 |
|
|
Бензиновый с впрыском |
0,07…0,08 |
- |
320…380 |
0,8…0,96 |
-5…+25 |
2. Процесс сжатия
Определение давления и температуры в конце такта сжатия проводят с рядом допущений, а именно: в период сжатия отсутствуют утечки газа через неплотности в клапанах и поршневых кольцах, в газе не протекает никаких химических реакций и испарений топлива, теплоемкость газа не меняется, сжатие начинается с НМТ и заканчивается в ВМТ, показатель политропы сжатия применяется постоянным. Тогда, используя уравнение политропического процесса, нетрудно определить давление рс и температуру Тс газа в конце такта сжатия
, МПа;
,
где е -степень сжатия;
n1 - показатель политропы сжатия.
Ориентировочно показатель политропы сжатия можно определить по эмпирическим зависимостям:
для карбюраторных двигателей
n1 = 1,41-110/n
для дизелей
n1 = 1,41-110/n - 0,02
Значения основных параметров процесса сжатия представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 - Основные параметры процесса сжатия
|
Тип ДВС |
рс, МПа |
Тс, К |
n1 |
е |
|
|
Дизель без наддува |
3...5.5 |
750... 900 |
1,38. ..1,42 |
15. ..22 |
|
|
Дизель с турбонаддувом |
6. ..8 |
950... 1200 |
1,35. ..1,38 |
12. ..15 |
|
|
Бензиновый карбюраторный |
0,5. ..2,0 |
400. ..700 |
1,34. ..1,39 |
6. ..9 |
|
|
Бензиновый с впрыском |
1,0. ..2,5 |
400... 800 |
1,34. ..1,39 |
8. ..11 |
3. Процесс сгорания
При анализе и расчете процесса сгорания необходимо различать сгорание в бензиновом и дизельном двигателях.
Уравнение сгорания (баланс тепла) для карбюраторного двигателя
, (2.13)
где Qс - количество тепла в газе в конце сжатия (до начала сгорания), кДж;
Qсг - количество тепла, выделившегося при сгорании топлива и переданного сжатому газу, кДж; Qz - ко-личество тепла в газе после сгорания топлива, кДж.
Для дизельного двигателя
Qс + Qсг = Qz +Qz'-z , (2.14)
где - количество тепла, затраченного на работу расши-рения газов при движении поршня от ВМТ до расчетного конца сгорания, кДж.
Температура газов в конце сгорания Тz определяется по уравнениям сгорания, выраженным через параметры состоя-ния газов [2]:
для бензинового двигателя при <1
; (2.15)
для дизельного двигателя
(2.16)
Значение Тz также можно выбрать из таблицы 2.4, учиты-вая, что дизелям с наддувом соответствуют большие значения температуры.
Давление газов в конце сгорания Рг ориентировочно определяется по эмпирическим выражениям
для дизельных двигателей
, МПа (2.17)
для бензиновых двигателей
, МПа (2.18)
где - коэффициент молекулярного изменения ( = 1,01... 1,05);
р = Рr/Рс - степень повышения давления, пока-зывающая увеличение давления газов в цилиндре ДВС в про-цессе сгорания.
Величину р подсчитать теоретически довольно сложно, поэтому ее значение принимают ориентировочно в зависимо-сти от способа смесеобразования:
Таблица 1.3 - Зависимость р от способа смесеобразования
|
Тип ДВС |
р |
|
|
Дизель с предкамерным или вихрекамерным смесеобразованием |
1,2…1,4 |
|
|
Дизель с пленочным/объемно-пленочным смесеобразованием |
1,4…1,8 |
|
|
Дизель с объемным смесеобразованием |
1,6…2,5 |
|
|
Бензиновые двигатели |
3,0…4,0 |
|
|
Газовые двигатели |
3,0…5,0 |
Подобрав значения Тz и р рассчитывают значения рz по выражениям (2.16) или (2.17) в зависимости от типа заданного двигателя.
Параметры процесса сгорания представлены в таблице 1.4.
Таблица 1.4 - Основные параметры процесса сгорания современных ДВС
|
Тип ДВС |
рz, МПа |
Тz, К |
р |
|
|
Дизель без наддува |
5…10 |
1800…2200 |
1,4… 2,5 |
|
|
Дизель с турбонаддувом |
6…12 |
2000…2300 |
1,4…2,5 |
|
|
Бензиновый карбюраторный |
3,5…6,5 |
2000…2500 |
3...4 |
|
|
Бензиновый с впрыском |
3,5…7,5 |
2400…3100 |
3...4 |
4. Процесс расширения
При теоретических расчетах этот процесс описывается политропой расширения с постоянным показате-лем n2. Тогда давление и температура газов в конце расшире-ния определяются по выражениям
для бензинового двигателя
, МПа (2.19)
, К ; (2.20)
для дизеля
МПа (2.21)
К, (2.22)
где n2 - показатель политроны расширения, который имеет тот же физический смысл, что и показатель политропы сжа-тия, и ориентировочно определяется по выражениям
для карбюраторных двигателей n2 = 1,21 + 130/n;
для дизелей n2 = 1,21 + 130/n - 0,02;
степень последующего расширения (изменение объема га-зов в цилиндре от начала до конца расширения или от конца расчетного сгорания до НМТ) подсчитывается по формуле
(2.23)
где степень предварительного расширения (изменение объема газов от начала до конца расчетного периода сгорания или от ВМТ до конца расчетного сгорания) рассчитывается по формуле
(2.24)
Параметры процесса расширения приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 - Основные параметры процесса расширения современных ДВС
|
Тип ДВС |
рв, МПа |
Тв, К |
n2 |
||
|
Дизель без наддува |
0,2…0,5 |
1000…1200 |
1,18…1,28 |
1,2…1,4 |
|
|
Дизель с турбонаддувом |
0,2…0,5 |
1000…1200 |
1,18…1,28 |
1,2…1,4 |
|
|
Бензиновый карбюраторный |
0,35…0,6 |
1200…1700 |
1,23…1,3 |
- |
|
|
Бензиновый с впрыском |
0,35…0,6 |
1200…1700 |
1,23…1,3 |
- |
5. Процесс выпуска
Давление остаточных газов в цилиндре в конце выпуска зависит от конструктивных, эксплуатационных и других факторов и может быть ориентировочно определено по формуле:
, МПа (2.25)
где ро - давление окружающей среды; ?рг - избыточное давление в цилиндре за счет гидравлического сопротивления выпускных трубопроводов, глушителя, газовой турбины (при наличии турбонаддува).
В целях лучшей очистки цилиндров от остаточных газов необходимо стремиться, чтобы это давление было как можно меньше.
При расчете давления остаточных газов пр;инимают:
Для двигателей без наддува рг = (1,05...1,25) ро;
Для двигателей с турбонаддувом рг = (0,75…0,95)рк, где рк - давление наддува после компрессора.
Для автотракторных двигателей рк = ( 1,4...2,0)ро. „
Температура газов Тг в конце выпуска также принимают ориентировочно: для дизелей 700...900 К, для карбюраторных двигателей 900…1100 К.
Качество очистки цилиндров от остаточных газов в конце выпуска характеризуется коэффициентом остаточных газов ?, который представляет собой отношение количества оставшихся в цилиндре газов к свежепоступившему заряду.
Для двигателей без наддува
; (2.26)
Для двигателей с наддувом
, (2.27)
где То - температура окружающей среды, К; То = 298 К;
Тк - температура воздуха после компрессора (см. такт впуска), К;
степень сжатия;
Т - температура подогрева во впускном трубопроводе.
При расчетах значение параметров процесса выпуска принимают в соответствии с таблицей 1.6.
Таблица 1.6 - Параметры процесса выпуска
|
Тип ДВС |
рr, МПа |
Тr, К |
Т |
r |
|
|
Дизели без наддува |
0,105. ..0,125 |
600... 900 |
20... 40 |
0,03... 0,06 |
|
|
Дизели с турбонаддувом |
(0,75... 0,95) Рк |
700... 950 |
0...10 |
0,02... 0,05 |
|
|
Бензиновые карбюраторные |
0,102. ..0,120 |
900... 1000 |
-5. ..+25 |
0,04... 0,08 |
|
|
Бензиновые с впрыском |
0,102. ..0,120 |
900... 1000 |
-5... +25 |
0,02... 0,05 |
Заключение
В заключение по поводу выбора типа ПТ для создания ОНВ следует сказать, что реализованная конструкция теплообменника при одинаковых теплотехнических параметрах характеризуется большим числом параметров. Это масса, объём, соотношение габаритных размеров, стоимость, технологичность, стойкость к механическим нагрузкам, стойкость к химическим и эрозионным воздействиям, стойкость к загрязнениям и некоторыми другие.
Ни один из вариантов конструкции не может обладать только наилучшими значениями всех возможных определяющих качеств. Обычно реализуется некий компромиссный выбор, удовлетворяющий заказчика и изготовителя по наиболее важным для них в данное время параметрам. В этих условиях трудно выделить абсолютно предпочтительные геометрии ПТ среди потенциально возможных для реализации.
Можно лишь указать самые общие принципы оптимизации ПТ, которых желательно придерживаться при выборе типа теплообменной поверхности и размеров её геометрии. Они состоят в том, что оребрённые ПТ компактнее не оребрённых и что компактность теплообменников возрастает с увеличением площади поверхности теплообмена, заключённой в единице объёма пучка. При этом само оребрение должно по возможности наилучшим образом способствовать как увеличению площади поверхности в единице объёма, так и максимальной интенсификации теплообмена при наименьшем сопротивлении движению тепло - Окончательное решение по выбору ПТ обычно принимается на основании рассмотрения численных результатов расчётов для целого ряда сравниваемых вариантов.
Следует добавить, что современные ДВС относятся к самым совершенным тепловым двигателям в мире. Это достигнуто благодаря тщательному совершенствованию всех рабочих процессов в этих машинах. В то же время в мире рыночной экономики работа по дальнейшему совершенствованию их параметров постоянно продолжается. В настоящее время она вынуждена концентрироваться на тех объектах, которые ранее оставались на втором плане, пока совершенствовались элементы основных направлений. В этом плане система охлаждения обладает достаточными резервами совершенствования, притом, что такие резервы практически исчерпаны на других направлениях.
Список литературы
1. Н.В. Барановский, Л.М. Коваленко "Пластинчатые и спиральные теплообменники";
2. Бажан П. И "Справочник по теплообменным аппаратам"
3. http://www.kolomnadiesel.com; http://mexanik. ucoz.ru;
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Теплообменный аппарат - устройство для передачи теплоты от горячей среды к холодной. Виды и конструкции теплообменных аппаратов, применяемых в котельных. Устройство кожухотрубчатых элементных (секционных) и пластинчатых теплообменников; экономайзеры.
реферат [1,6 M], добавлен 20.11.2012Ребристые, спиральные и витые теплообменные аппараты. Теплообменники с неподвижными трубными решетками, с температурными компенсаторами на кожухе, с плавающей головкой. Аппараты теплообменные с воздушным охлаждением. Теплообменники пластинчатые разборные.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 17.10.2014Теплообменные аппараты – устройства передачи тепла от одной среды к другой, их классификация; схемы движения теплоносителей. Гидравлическое сопротивление элементов теплообменного аппарата. Подбор нормативного вертикального подогревателя сетевой воды.
курсовая работа [368,3 K], добавлен 10.04.2012Определение величины и направления потоков теплоты и массы. Критериальные уравнения для расчета теплообмена. Конденсация пара в пластинчатых и кожухотрубчатых теплообменниках. Допущения Нуссельта, их решения. Поверхностная и объемная конденсация.
лекция [858,4 K], добавлен 15.03.2014Технологическая схема устройства, ее анализ и обоснование. Выбор конструкционного материала, тепловой и материальный расчет кожухотрубного теплообменника. Определение параметров тепловой изоляции. Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 18.04.2016Конструкторский расчет вертикального подогревателя низкого давления с пучком U–образных латунных труб диаметром d=160,75 мм. Определение поверхности теплообмена и геометрических параметров пучка. Гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта.
контрольная работа [230,6 K], добавлен 18.08.2013Сравнительный анализ теплообменников. Технологический процесс нагрева растительного масла. Теплотехнический, конструктивный, гидравлический и прочностной расчет теплообменника. Определение тепловой изоляции внутренней и наружной поверхностей трубы.
дипломная работа [710,6 K], добавлен 08.09.2014Общая схема пастеризационно–охладительной установки и особенности конструирования пластинчатых теплообменников. Влияние загрязнений и конструктивных особенностей пластинчатых теплообменников на коэффициент теплопередачи. Установка осветительного фильтра.
курсовая работа [586,1 K], добавлен 30.06.2014Цели, принципы и формула теплообмена. Влияние на него потока и температуры. Схема теплового баланса. Определение разницы температур между холодной и теплой средами. Организация противопотока. Различные типы распределителей и ребер теплообменника.
презентация [2,9 M], добавлен 28.10.2013Расчет кожухотрубных и пластинчатых теплообменников. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды, выбор насосов и конденсатоотводчика.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 30.11.2015Конвективный теплообмен при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности. Теплообмен излучением между газом и твердой поверхностью. Процессы прогрева или охлаждения тел. Процесс нестационарной теплопроводности. Толщина теплового пограничного слоя.
реферат [964,3 K], добавлен 26.11.2012Понятие теплоотдачи как процесса теплообмена между поверхностью твёрдого тела и жидкой (газообразной) средой при их соприкосновении. Подобие процессов теплоотдачи. Процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. Лучистый теплообмен между телами.
презентация [152,1 K], добавлен 29.09.2013Технологическая схема процесса сушки твердого материала в псевдоожиженном (кипящем) слое. Оценка лимитирующей стадии. Сопротивление газораспределительной решетки и выбор живого сечения. Расчёт шнекового питателя. Гидравлическое сопротивление циклона.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 23.03.2013Определение напряжения на переходе при прямом включении при заданной температуре и заданном токе. Влияние температуры на прямое напряжение при увеличении температуры на указанное число градусов. Сопротивление диода постоянному току при прямом включении.
контрольная работа [2,9 M], добавлен 21.07.2014Основные понятия конвективного теплообмена: конвекция, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов теплообмена. Циклонные топки для сжигания дробленого угля. Характеристики газообразного топлива, доменного газа.
контрольная работа [122,9 K], добавлен 25.10.2009Изучение основных свойств термического сопротивления воздушной прослойки. Расчет линии снижения температуры в толще многослойного ограждения с координатами "температура-термическое сопротивление". Сопротивление разности давления со сторон ограждения.
контрольная работа [139,0 K], добавлен 24.01.2012Понятие о вечном двигателе второго рода. Температурный режим при пожаре в помещении. Метод последовательных приближений. Параметры смеси газов. Конвективный и лучистый теплообмен. Режим истечения газа. Расчет температуры среды над факелом под перекрытием.
контрольная работа [1,2 M], добавлен 21.01.2015Устройство и принцип работы регенеративного теплообменника. Характеристика материалов, используемых для кладки печи, а также основные требования, предъявляемые к их химическим и механическим свойствам. Расчет горения топлива и параметров регенератора.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 17.12.2014Классификация теплообменных аппаратов по принципу действия (поверхностные и смесительные). Особенности подбора устройства. Схема кожухотрубного теплообменника. Основные удельные показатели, которые характеризуют эффективность теплообменных аппаратов.
презентация [206,5 K], добавлен 28.09.2013Описание конструкции кожухотрубчатого теплообменного аппарата. Гидравлический расчет патрубка. Выбор соединения трубок с трубными решётками. Определение толщины обечайки и цилиндрической части. Дополнительные условия проверки прочности трубной доски.
реферат [1,6 M], добавлен 04.07.2013
