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:
выбор или создание принципиальной схемы работы термостата;
тепловой расчет режимных характеристик схемы (температур в заданных сечениях схемы, расходных соотношений, эффективности);
термодинамический анализ схемы и его узлов. Определение оптимальных режимов работы схемы;
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 обозначений
/>температура, />;
/>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;--PAGE_BREAK--
/>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 ЧАСТЬ
1 Принцип действия установки
/>
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема термостата
1 – 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 1.1
/>
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,86
0,88
0,9
/>
/>
0,852
0,86
0,87
0,882
0,896
0,912
0,937
0,934
0,942
/>
/>
0,828
0,841
0,855
0,871
0,889
0,91
0,925
0,932
0,94
/>
/>
0,8
0,924
0,943
0,862
0,883
0,906
0,922
0,928
0,937
Значение относительной доли охлажденного потока />и эффектов охлаждения вихревой трубы с дополнительным потоком />сведены в таблице 2. продолжение
--PAGE_BREAK--
Таблица 1.2
/>
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
/>
/>
0,85
0,845
0,842
0,856
0,875
0,894
0,913
0,915
0,938
0,944
/>
/>
0,87
0,865
0,862
0,876
0,895
0,912
0,907
0,92
0,939
0,94
/>
/>
0,94
0,937
0,935
0,903
0,904
0,907
0,9
0,93
0,943
0,947
Схема термодинамического расчета:
/>
Рисунок 1.1 – Схема термодинамического расчета
1 – подогреваемый объект; 2 – охлаждаемый объект; 3 – противоточная вихревая труба;
4 – двухконтурная вихревая труба; 5 – теплообменники; 6 – эжектор.
2 Определение оптимальных режимов работы схемы
Основным 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:
/>;
/>. продолжение
--PAGE_BREAK--
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 />. продолжение
--PAGE_BREAK--
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:
/>
/> продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
316,8
334,4
353,3
372,1
366,5
/>
К
290
289,2
288,2
286,9
284,9
281,7
278,2
274,6
275,7
/>
К
357,9
361,8
366,9
373,4
383
399,4
417,2
434,8
429,6
/>
К
285
284,2
283,2
281,9
279,9
276,7
273,2
269,6
270,7
/>
К
298
298
298
298
298
298
298
298
298
/>
К
357,9
361,8
366,9
373,4
383
399,4
417,2
434,8
429,6
/>
К
293
293
293
293
293
293
293
293
293
/>
К
298
298
298
298
298
298
298
298
298
/>
К
296,7
297,4
298,3
299,4
301,1
304,1
307,2
310,4
309,4
/>
%
8,39
10,9
14,1
15,5
15,7
15,1
13,4
12
11,4
/>
%
3,7
5
6,3
7
7,3
7
6
4,9
4
/>
%
23,6
30,8
36,7
42,3
45,1
43,3
36,7
32,1
27,5
/>
Рис.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 доли продолжение
--PAGE_BREAK--
охлажденного потока при />
3 – Зависимость термического КПД от суммарной доли
охлажденного 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 термокамеры
/>
4 Расчет эжектора.
Эжектор 6
Исходные данные:
/>
Где />— давление, температура и расход эжектирующего (активного) газа;
/>— давление, температура и расход эжектируемого (пассивного) газа;
Статическое давление на выходе из эжектора принимаем равным />
/>
сопло эжектирующего газа
сопло эжектируемого газа
камера смешения
диффузор
Рис. 4.1 – Расчетная схема эжектора
Считая ср=constопределяем 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. продолжение
--PAGE_BREAK--
Этому значению соответствует предельно возможное значение λ2=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 (λ2=0,90).
Принимаем />.
Для расчета эжектора зададимся рядом значений коэффициента скорости λ2 . Задаемся несколькими значениями />и проводим расчет по изложенному выше методу.
Данные расчета и результаты заносим в таблицу 2.4.
Таблица 2.4
Величина
Размерность
Значение величин при λ2 равном
0,65
0,7
0,75
0,8
0,85
/>
МПа
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
/>
МПа
1,25
1,25
1,25
1,25
1,25
/>
К
331,9
331,9
331,9
331,9
331,9
/>
К
269,9
269,9
269,9
269,9
269,9
/>
кг/с
0,0027
0,0027
0,0027
0,0027
0,0027
/>
кг/с
0,022
0,022
0,022
0,022
0,022
/>
МПа
5
5
5
5
5
/>
-
2
2
2
2
2
n
-
8,1
8,1
8,1
8,1
8,1
Θ
-
0,81
0,81
0,81
0,81
0,81
/>
-
1
1
1
1
1
/>
-
1
1
1
1
1
/>
-
1,012
1,008
1,006
1,003
1,002
/>
-
0,0694
0,0692
0,0689
0,688
0,0687
/>
-
1
1
1
1
1
/>
-
2,19
2,13
2,08
2,05
2,03
/>
-
2,16
2,11
2,07
2,04
2,02
/>
-
0,672
0,719
0,768
0,819
0,868 продолжение
--PAGE_BREAK--
5 Расчет эксергии потоков в элементах схемы термостата
5.1 Теплообменные аппараты 5
В 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 ВХНА
По 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:
/>
Заключение
В 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 литературы
Пиралишвили, Ш.А. Термодинамика технических устройств. Учебное пособие/[Текст] Ш.А. Пиралишвили, М.Н. Сергеев. — Рыбинск, РГАТА, 2001
Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения/[Текст] Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. — М.: УНПЦ Энергомаш, 2000.- 415с.
Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика/[Текст] Г.Н. Абрамович.- М.: Наука, 1991.-600с.