Расчет вихревого холодильно-нагревательного аппарата

3

Курсовой проект

по дисциплине

Термодинамика технических устройств

на тему:

“Расчет вихревого холодильно-нагревательного аппарата”

Задание

Спроектировать систему термостатирования электронных устройств.

Технические условия работы системы: температура в камере термостатирования , холодопроизводительность . Давление и температура сжатого газа на входе в систему (магистральные параметры) , . Необходимый объем термокамеры и ее геометрия.

Требуется произвести:

1) выбор или создание принципиальной схемы работы термостата;

2) тепловой расчет режимных характеристик схемы (температур в заданных сечениях схемы, расходных соотношений, эффективности);

3) термодинамический анализ схемы и его узлов. Определение оптимальных режимов работы схемы;

4) расчет потрубных значений расхода воздуха.

Содержание

Список условных обозначений

Введение

Расчетная часть

1 Принцип действия установки

2 Определение оптимальных режимов работы схемы

2.1 Теплообменные аппараты 5

2.2 Противоточная вихревая труба 3

2.3 Охлаждаемый объект 2

2.4 Подогреваемый объект 1

2.5 Двухконтурная вихревая труба 4

2.6 Эжектор 6

3 Расчет потребного количества сжатого воздуха

4 Расчет эжектора

5 Расчет эксергии потоков в элементах схемы термостата

6 Геометрические параметры ВХНА

Заключение

Список использованных источников

Список условных обозначенийтемпература, ;относительная температура;давление, ;изменение температуры, ;расход, ; относительная доля охлажденного потока;энтальпия, ;степень расширения воздуха;площадь, ;ширина, ;длина, ;высота, ;теплонапряженность установки, ;теплопроводность, ;толщина изоляции, ;коэффициент запаса по сжатому воздуху;изобарная теплоемкость, ;диаметр, ;коэффициент эжекции;адиабатный КПД, ;эксергетический КПД, ; термический КПД, ;холодильный коэффициент;эксергия, ;показатель адиабаты;геометрический параметр;газовая постоянная, ;радиус сопряжения, .Надстрочные индексы* - параметры торможения. Подстрочные индексы - магистральные параметры; - параметры подогреваемого объекта; - параметры охлаждаемого объекта; - параметры теплообменных аппаратов; - параметры вихревых труб с дополнительным потоком; - параметры эжектора; - параметры подогретого потока;параметры охлажденного потока;д - параметры дополнительного потока;параметры изоляции;параметры стенки;внешние параметры;внутренние параметры;средние параметры;эксергетический;адиабатный;камера;труба;параметры привода;полные параметры;суммарный;сопло.Введение

В настоящее время все более актуальной становится проблема энергетического обеспечения жизни общества. Энергетические кризисы, поражают время от времени различные регионы из-за снижения добычи энергоносителей или их дорогостоящей транспортировки к месту использования. Возникают экологические проблемы, связанные с негативным влиянием выбросов при сжигании топлива и его переработкой и хранением. Недостаток энергоресурсов связан с тем, что запасы органических топлив - нефти, газа, угля, истощаются и не возобновляются. Поэтому удовлетворение потребностей общества в энергии возможно при комплексном решении проблем энергетики. В связи с ограниченностью запасов энергоносителей важными становятся вопросы их эффективного использования и создания энергетических установок с высоким коэффициентом использования топлива, тепловым коэффициентом и КПД. Экономия топлива и сопутствующих материалов - главная задача этого направления развития энергетики. Современные технологии использования возобновляемых энергетических ресурсов недостаточно эффективны или дороги по сравнению с технологиями преобразования энергии органических топлив. Анализ современных энергетических технологий, показывает, что один из перспективных - способ преобразования тепловой энергии на основе вихревого эффекта, который выгодно отличается от известных устройств простотой технического выполнения и обслуживания, а также является более дешевым в промышленном производстве. Вихревые трубы безопасны, компактны и надежны в промышленнойэксплуатации.

Применение вихревой трубы в различных технологиях целесообразно при наличии неиспользуемой энергии перепадов давления для очистки и охлаждения любых газов и газовых смесей в том числе содержащих жидкие и конденсирующиеся примеси. Так, в южных городах существует проблема - из-за высокой температуры воздуха из крана для холодной воды течет отнюдь не холодная, а теплая вода и в начале 90-х годов исследователи решили использовать вихревую трубу для разделения воды на горячую и холодную. Результаты оказались сенсационными. Температура вращающейся в трубе воды повышалась, будто ее согревал невидимый кипятильник.

Работа вихревой трубы заключается в создании сверхзвукового закрученного потока газа и последующего его разделения на холодный и горячий (или тёплый) потоки, образующиеся в результате проявления вихревого эффекта Ранка. Особенно эффективно вихревая труба может быть использована при добыче и транспорте газа, когда требуется многократно снизить пластовое давление газа перед подачей в магистральный трубопровод с 200 - 250 ат до 50 -60 ат и на газораспределительных станциях с 20 - 35 ат до 1 - 6 ат. Дополнительная установка достаточно простого оборудования при незначительных затратах даёт возможность повысить выход газоконденсата из газа на 20 - 25 % и более. Другое перспективное использование вихревой трубы основано на применении электрогидродинамического течения газа для осуществления эффекта Ранка. Это даёт возможность создать холодильное устройство, в котором отсутствуют агрессивные хладагенты и компрессор. Вихревые трубы могут быть использованы как индивидуально, так и в технологической схеме с теплообменником-рекуператором и сепаратором. Вот насколько обширно применение вихревых труб. В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ1 Принцип действия установки Рисунок 1.1 - Принципиальная схема термостата1 - подогреваемый объект; 2 - охлаждаемый объект; 3 - противоточная вихревая труба;4 - двухконтурная вихревая труба; 5 - теплообменники; 6 - эжектор.Работа холодильно-нагревательного аппарата осуществляется следующим образом: при работе сжатый воздух из магистрали разделяется на два потока по числу вихревых труб. Один из потоков сжатого воздуха, минуя теплообменник 5, подается к сопловому устройству двухконтурной вихревой трубы 4, проходя через которую охлаждается. Одна часть воздуха поступает в эжектор 6 в качестве эжектируемого потока. Другая часть воздуха направляется в подогреваемый объект 1, где нагреваясь, и минуя теплообменник 5 поступает в эжектор 6 в качестве эжектирующего потока.Второй поток сжатого воздуха, проходя через теплообменник 5 поступает в противоточную вихревую трубу3. Поток, выходящий со стороны горячего конца, поступает в двухконтурную вихревую трубу 4. Выходя из нее часть воздуха, направляется в эжектор 6 в качестве эжектируемого газа. Другая часть воздуха поступает в подогреваемый объект 1, и минуя теплообменник 5 поступает в эжектор 6 в качестве эжектирующего газа. Поток, выходя из отверстия диафрагмы противоточной вихревой трубы 3, потсупает в охлаждаемый объект 2. Там охлаждаясь, воздух, минуя теплообменник 5 выходит в атмосферу. Схема термодинамического расчета с обозначением характерных узлов и сечений представлена на рисунке 1.2. Принятые допущения:- гидравлические сопротивления в такте установки не существенны;- изобарная теплоемкость газа в рабочем интервале температур принимается постоянной ;- давление холодного потока считается равным давлению среды, в которую происходит истечение;- в виду малых скоростей в рассматриваемых сечениях расчеты производятся по параметрам торможения.Для расчета выбираются трубы с относительной длиной камеры энергоразделения . Значение эффектов охлаждения противоточной вихревой трубы в зависимости от степени расширения сжатого воздуха и доли охлажденного потока сведены в таблице 1.Таблица 1.1Значение относительной доли охлажденного потока и эффектов охлаждения вихревой трубы с дополнительным потоком сведены в таблице 2.Таблица 1.2Схема термодинамического расчета:Рисунок 1.1 - Схема термодинамического расчета1 - подогреваемый объект; 2 - охлаждаемый объект; 3 - противоточная вихревая труба;4 - двухконтурная вихревая труба; 5 - теплообменники; 6 - эжектор.2 Определение оптимальных режимов работы схемыОсновным критерием для выбора режима работы отдельных агрегатов схамы при их совместном использовании является достижение необходимой температуры воздуха, поступающего в камеру климатических испытаний при максимально возможной энергетической эффективности работы схемы.Опишем работу отдельных узлов аналитическими зависимостями.2.1 Теплообменные аппараты 5.Рассмотрим теплообменник 5а.Запишем уравнение теплового баланса для теплообменника 5а с учетом уравнения сохранения энергии Так как , а , то уравнение для теплообменника 5а примет вид.; ;;.Расходы найдем по формулам:;.Давление:;Рассмотрим теплообменник 5б.Запишем уравнение теплового баланса для теплообменника 5б с учетом уравнения сохранения энергии Так как , а , то уравнение для теплообменника 5а примет вид.; ;;, тогда составим систему уравнений;.Примем, что , , ; и зная, что , получим.Из второго выражения системы выразим :.Подставим получившееся выражение для в первое уравнение системы.Отсюда .Расходы определим по формулам:;.Давление:;2.2 Противоточная вихревая труба 3.Запишем уравнение теплового баланса с учетом уравнения сохранения энергии.Примем , а . Тогда уравнение баланса примет вид,где , а .Отсюда.Найдем расходы:;;.Давление; ; 2.3 Охлаждаемый объект 2.Запишем уравнение теплового баланса с учетом уравнения сохранения энергии.Температура на выходе из холодильной камеры.Температура на выходе из сопла противоточной вихревой трубы.Расходы;.Давление:.2.4 Подогреваемый объект 1.Запишем уравнение теплового баланса с учетом уравнения сохранения энергии.Относительная доля потока.Температура на входе в подогреваемый объект.Тогда температура на выходе из объекта .Расходы;.Давление:2.5 Двухконтурная вихревая труба 4.Эффект охлаждения:, где . определяется из уравнения для противоточной трубы 3.Запишем уравнение теплового баланса с учетом уравнения сохранения энергии.Составим систему уравнений;.Примем, что , , ; и зная, что , получим.Из второго выражения системы выразим :.Подставим получившееся выражение для в первое уравнение системы.Отсюда .Расходы;.Давление:; .2.6 Эжектор 6.Запишем уравнение теплового баланса для эжектора.Нам известно, что , . Если мы разделим каждое слагаемое уравнения баланса на , то получим.Расходы;;.Давление:; ; .Адиабатный КПД системы, характеризующий внутреннее совершенство процесса энергоразделения в вихревых трубах, рассчитывается по зависимости, где .Термический КПД,где ; - изоэнтропное охлаждение газа в процессе адиабатного истечения от давления дополнительно вводимых масс газа до давления среды, в которую происходит истечение охлажденных масс.Эксергетический КПД будем определять следующим образом,где - полезно используемая эксергия; - полная эксергия привода.,где - эксергия привода для производства кг/с газа, сжатого до давления ; - эксергия привода, необходимая для сжатия кг/с газа до давления .Составим систему уравнений:;;;;;;;;;;;;.Решая данную систему уравнений, мы найдем все неизвестные величины.Приведем пример для наиболее оптимального режима.Выбираем Подставим все в систему:;;;.;..Давления и расходы представлены в таблицах 2.1 и 2.2:Результаты расчетов сведены в таблицы 2.3, 2.4, 2.5 и представлены на рисунках 2.1, 2.2, 2.3.Таблица 2.1Таблица 2.2Таблица 2.3Рис.2.1 - 1 - Зависимость адиабатного КПД схемы от суммарной доли охлажденного потока при 2 - Зависимость адиабатного КПД схемы от суммарной доли охлажденного потока при 3 -Зависимость адиабатного КПД схемы от суммарной доли охлажденного потока при Рис.2.2 - 1 - Зависимость эксергетического КПД от суммарной доли охлажденного потока при 2 - Зависимость эксергетического КПД от суммарной доли охлажденного потока при 3 - Зависимость эксергетического КПД от суммарной доли охлажденного потока при Рис.2.3 - 1 - Зависимость термического КПД от суммарной доли охлажденного потока 2 - Зависимость термического КПД от суммарной долиохлажденного потока при 3 - Зависимость термического КПД от суммарной долиохлажденного потока при 3 Расчет потребного количества сжатого воздуха Расчетная холодопроизводительность схемы,где - потребная холодопроизводительность. По техническому заданию , - потери тепла через изоляцию стенок термокамеры, ,где - поверхность теплообмена ; - внутренняя поверхность термокамеры. Потребный объем термокамеры Толщина изоляции: .Внешняя поверхность камеры: .Расчетная поверхность теплообмена: .Изоляция: пенопласт марки Ф-Ф.Коэффициент теплопроводности изоляции: Расчет холодного воздуха для охлаждения стенок термокамеры4 Расчет эжектора.Эжектор 6Исходные данные:Где - давление, температура и расход эжектирующего (активного) газа; - давление, температура и расход эжектируемого (пассивного) газа;Статическое давление на выходе из эжектора принимаем равным 1- сопло эжектирующего газа2- сопло эжектируемого газа3- камера смешения4- диффузорРис. 4.1 - Расчетная схема эжектораСчитая ср=const определяем коэффициент эжекции.Определяем безразмерные параметры: Область реально возможных режимов. Найдем критическую величину - предельно возможное значение , при котором в сечении запирания скорость эжектируемого газа, то есть . Так как отношение - невелико, то воспользуемся уравнением, полученным в предположении равенства статических давлений в сечении запирания:Откуда следует при Определяем из уравнения Подставляя численные значения, получим =0,987.Этому значению соответствует предельно возможное значение л2=0,90.Из уравнения импульсов, которое принимает вид,Определим значение , то есть при или Таким образом, предельно возможное значение оказывается выше, чем определено из рассмотрения потоков сечении запирания (л2=0,90).Принимаем .Для расчета эжектора зададимся рядом значений коэффициента скорости л2 . Задаемся несколькими значениями и проводим расчет по изложенному выше методу.Данные расчета и результаты заносим в таблицу 2.4.Таблица 2.45 Расчет эксергии потоков в элементах схемы термостата5.1 Теплообменные аппараты 5В теплообменник 5а от источника сжатого воздуха подводится энергия и от охлаждаемого объекта 2 энергия , которые рассчитываются:От теплообменника 5а отводится энергия и :В теплообменник 5б от источника сжатого воздуха подводится энергия и от подогреваемого объекта 1 энергия , которые рассчитываются:От теплообменника 5б отводится энергия и :5.2 Противоточная вихревая труба 3.К противоточной вихревой трубе подводится энергия , а отводится с холодного конца и с горячего :5.3 Охлаждаемый объект 2.К охлаждаемому объекту с холодного конца противоточной вихревой трубы 3 подводится , а отводится , рассчитанные ранее.5.4 Подогреваемый объект 1.К подогреваемому объекту с горячего конца двухконтурной вихревой трубы 4 подводится , а отводится (рассчитана ранее):5.5 Двухконтурная вихревая труба 4.К двухконтурной вихревой трубе подводится от противоточной вихревой трубы 3 энергия (рассчитана ранее) и от теплообменника , а отводится с горячего конца трубы (рассчитана ранее) и с холодного конца :5.6 Эжектор 6.К эжектору подводится с холодного конца двухконтурной вихревой трубы энергия (рассчитана ранее) и от теплообменника (рассчитана ранее), а отводится :Геометрические параметры ВХНАПо известному расходу и параметрам сжатого воздуха найдем минимальный диаметр камеры энергоразделения противоточной вихревой трубы, предварительно определив площадь проходного сечения сопла завихрителя:- коэффициент расхода сопла.Размеры проходного сечения прямоугольного сопла:Относительный диаметр отверстия диафрагмы:Диаметр вихревой трубы: где Диаметр диафрагмы:Длина трубы выбирается:ЗаключениеВ процессе выполнения курсовой работы в соответствии с заданием варианта ВХНА № 1 осуществлен тепловой расчет схемы в целом и произведен термодинамический расчет вихревой трубы в характерных сечениях. Оптимальный режим достигается при относительной доле холодного потока в двухконтурной вихревой трубе 4 ; в противоточной вихревой трубе 3 при степени расширения потока .На эксергетической диаграмме видно, что наибольшие потери эксергии возникают в вихревых трубах.Рассчитана геометрия противоточной вихревой трубы: площадь проходного сечения сопла завихрителя ; диаметр вихревой трубы ; диаметр диафрагмы ; длина трубы .Список используемой литературы1. Пиралишвили, Ш.А. Термодинамика технических устройств. Учебное пособие/[Текст] Ш.А. Пиралишвили, М.Н. Сергеев. - Рыбинск, РГАТА, 20012. Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения/[Текст] Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. - М.: УНПЦ Энергомаш, 2000.- 415с.3. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика/[Текст] Г.Н. Абрамович.- М.: Наука, 1991.-600с.