Расчет вихревого холодильно-нагревательного аппарата

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 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;

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

Значение относительной доли охлажденного потока  и эффектов охлаждения вихревой трубы с дополнительным потоком  сведены в таблице 2.

Таблица 1.2

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:

;

.

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 2.1

Таблица 2.2

Таблица 2.3

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

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

1-   сопло эжектирующего газа

2-   сопло эжектируемого газа

3-   камера смешения

4-   диффузор

Рис. 4.1 – Расчетная схема эжектора

Считая с_р=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 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

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

1.  Пиралишвили, Ш.А. Термодинамика технических устройств. Учебное пособие/[Текст] Ш.А. Пиралишвили, М.Н. Сергеев. - Рыбинск, РГАТА, 2001

2.  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.