Охлаждение, компрессионная машина

Пояснительная записка к комплексному курсовому проекту

«»

Исполнитель Руководитель Минск 2000

ВВЕДЕНИЕ

В газотурбинных установках и компрессионных машинах маслоохладители обеспечивают отвод тепла , полученного маслом в подшипниках , редукторных передачах и других элементах . Охлаждение масла производится водой , охлаждаемой в градирнях . В некоторых случаях охлаждение производится проточной водой . Теплообмен между маслом и водой осуществляется в кожухотрубных многоходовых маслоохладителях с кольцевыми или сегментными перегородками между ходами .

В этих аппаратах осуществляется веерное или зигзагообразное течение масла с поперечным обтеканием труб , близким по характеру к обтеканию труб в шахматном пучке . Веерное течение масла осуществляется в маслоохладителях с кольцевыми перегородками , а зигзагообразное – с сегментными . Требуемое число ходов со стороны масла обеспечивается изменением количества перегородок , установленных на пучке труб между трубными досками . В результате значительно уменьшается число креплений труб в трубных досках и снижается трудоемкость изготовления аппарата по сравнению с одноходовой конструкцией . Одновременно с этим снижается эффективность теплообмена в результате перетекания масла из входа в ход через технологические зазоры между перегородками и корпусом и через зазоры около труб пучка .

Со стороны воды маслоохладители выполняются обычно также многоходовыми за счет изменения числа перегородок в крышках , что позволяет регулировать подогрев воды и ее расход без существенного снижения коэффициентов теплоотдачи со стороны воды .[8]

Для охлаждения масла , используемого в подшипниках , редукторных передачах и других элементах компрессорных машин , заводом « Энергомаш « выпускается серия аппаратов типа МА с поверхностью 2;3;5;6;8;16 и 35 м² . Все охладители имеют вертикальное исполнение и состоят из следующих основных узлов : верхней съемной крышки 1 , трубной системы 2 и корпуса 3 . Вода движется внутри труб и камер , масло – в межтрубном пространстве . Направление движения масла в этих аппаратах создается системой сегментных перегородок или перегородок типа диск-кольцо .[7,стр.32]

1. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛА

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ

На рис. 1 показана принципиальная схема системы маслоснабжения газоперекачивающего турбокомпрессорного агрегата НЗЛ типа ГТК – 10 , предназначенного для установки на перекачивающих станциях газопроводов . Общая вместимость маслосистемы – 13 м³ . В данном агрегате маслобак совмещен с рамой газотурбокомпрессора . Заливка масла в него осуществляется по специальной линии через фильтр тонкой очистки 1 . Из нижней части ( картера ) бака 2 масло пусковым 4 или главным 6 масляным насосом через систему обратных клапанов 5 подается к охладителю 8 и далее через фильтр 3 по напорным линиям на смазывание и охлаждение подшипников турбины и компрессора . Из подшипников масло вновь сливается в нижнюю часть маслобака 2 .

Охлаждение масла в аппарате 8 осуществляется антифризом , не замерзающим при понижении температуры наружного воздуха до –40 ⁰ С . Охлаждение антифриза производится в параллельно включенных аппаратах 10 , имеющих систему воздушного охлаждения . Воздух через эти охладители продувается вентиляторами 11 , приводимыми от электродвигателей . Циркуляция антифриза в системе осуществляется с помощью главного насоса 13 . Насос 14 является резервным . Бачок 12 служит демпфером . В баках 15 и 17 вместимостью по 10 м³ каждый содержатся соответственно антифриз и дистиллят . Насос 16 является вспомогательным и служит для заполнения системы охлаждения антифризом или дистиллятом . В летнее время рабочим телом в системе охлаждения служит дистиллят . В этом случае для обеспечения работоспособности схемы в зимних условиях в ней предусмотрен дополнительный подогреватель 9 .

Охлаждение масла в данном агрегате осуществляется , таким образом , по двухконтурной схеме : в аппарате 8 теплота от масла передается антифризу ( дистилляту ) , от которого она в свою очередь отводится воздухом в охладителях 10 . Применение этой двухконтурной схемы охлаждения масла в данном случае продиктовано двумя причинами : отсутствием в месте установки газотурбокомпрессоров необходимого количества охлаждающей воды ; необходимостью обеспечения ее надежной работы при температурах наружного воздуха ниже 0 ⁰ С , так как с целью снижения стоимости сооружения газоперекачивающих станций часть их оборудования располагается на открытых площадках .[7,стр.14]

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННИКА.

Принимаем схему вертикального маслоохладителя с прямыми трубками и перегородками типа диск-кольцо. Внутри трубок течет охлаждающая вода (пресная), в межтрубном пространстве – трансформаторное масло, омывая трубки снаружи.

Средняя температура масла в маслоохладителе[9, стр.54]:

tм.ср.=0,5*(tм1+tм2), ^оС (2.1)

где  tм1-температура масла на входе в маслоохладитель, ^оС;

tм2-температура масла на выходе из маслоохладителя ^оС;

t_м.ср =0,5*(60+48)=54^оС.

Физические свойства при tм.ср.= 54^оС: [9, приложение 3]

С_рmм=1,876 кДж/(кг ^оС)

r_м=859,3кг/м³

n_м=6,68*10^-6 м² /с

Pr_м=101

Количество тепла, которое необходимо отвести охлаждающей водой от масла[9, стр.54]:

Qм=(Gм*rм* Срmм*(t_м1-t_м2))/3600, кВт/с  (2.2)

где Gм - номинальный расход масла через аппарат, м³/ч;

rм – плотность масла при tм.ср.= 54^оС, кг/м³ ;

С_рmм –удельная теплоемкость масла при tм.ср.= 54^оС, кг/м³ ;

Qм =(8,4*859,3*1,876*(60-48))/3600=44,3 кВт/с

Физические свойства воды при tв=18 ^оС:  [9, приложение2]

С_рmв=4,185 кДж/кг*^оС

rв=998,5кг/м³

 

Температура охлаждающей воды при выходе из маслоохладителя:

Qм= Qв

Gм*rм* Срmм*(tм1-tм2)= Gв*rв* Срmв*(tв2-tв1) [9, стр.54] (2.3)

tв2=tв1+(Qв*3600/ (Срmв* Gв*rв)), ^оС

где tв1-температура воды на входе в маслоохладитель, ^оС;

Qв – тепловой поток, воспринимаемый охлаждающей водой, кВт/с;

Gв -номинальный расход воды через аппарат, м³/ч;

tв2=18+(44,3*3600/(4,185*22*998,5))=20 ^оС

Средняя температура воды[9, стр.54]:

tв.ср.=0,5*( tв1+tв2), ^оС (2.4)

tв.ср.=0,5*(18+20)=19^оС

Физические параметры воды при tв.ср.= 19 ^оС: [9, приложение 2]

nв=0,9394*10^-6 м² /с

Prв=6,5996

lв=0,604 Вт/(м*К)

rв=997,45 кг/м³

Среднелогарифмический температурный напор (для противоточной схемы) [7, стр. 104]:

Dtср=((tм1-tв2)-(tм2-tв1))/(ln((tм1-tв2)/(tм2-tв1)))*e_Dt, ^оС (2.5)

e_Dt –поправочный коэффициент, учитывающий особенности принятой схемы движения теплоносителей. Для противоточной схемы e_Dt=1; [7, стр. 104]

Dtср =((60-20)-(48-18))/(ln((60-20)/(48-18)))=34 ^оС

Определение коэффициента теплопередачи:

Среднее значение коэффициента теплопередачи К (Вт/(м^2.К) определяется по уравнению (4.29) [7,стр. 108] :

К=1/((1/a_мпр)+(djd_н/d_внl_лат)+(jd_н/d_внa_в)), Вт/(м²*К) (2.6)

 

где a_{м пр}-приведенный коэффициент теплоотдачи масла, Вт/(м²*К);

 a_в- коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м²*К);

d_н –наружный диаметр трубки,м;

d_вн-внутренний диаметр трубки,м;

 d -толщина стенки трубки, м;

lлат.- коэффициент теплопроводности латуни, Вт/(м*К);

j- коэффициент оребрения (j=2,26)

 

Задаемся температурами стенок со стороны воды и со стороны масла:

tст.в.=25 ^оС

tст.м.=40 ^оС

Задаемся скоростями воды и масла:

wв=1 м/с

wм=0,5 м/с

 Значение приведенного коэффициента теплоотдачи a_{м пр} [Вт/(м²*К)] от масла в пучке трубок с поперечным или близким к нему характером омывания определяется соотношением [7,стр.109]:

a_{м пр}=a_мh_о, (2.7)

где a_м-среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м²*К);

h_о-поправочный коэффициент (h_о=0,95-0,98)

Для вычисления a_м воспользуемся формулой (4.31) [7,стр. 109]:

aм=0,354(lм /d)*Re^0,6*Prм^0,33*(Prм/Prw)^0,18, Вт/( м²*К)(2.8)

где lм - коэффициент теплопроводности масла при tм.ср.= 54 ^оС, Вт/(м*К);

Prf –число Прандтля для масла при tм.ср.= 54 ^оС;

Prw - число Прандтля для масла при tст.м.=40 ^оС;

d-расстояние между внешними образующими трубок,м;

Reм- критерий Рейнольдса для масла. Он определяется следующим образом:

Reм=(w_м*d/n_м) (2.9)

где w_м –скорость масла, м/с;

nм –вязкость масла tм.ср.= 54^оС, м²/с;

Reм=(0,5*0,003/6,68*10^-6)=224

aм=0,354(0,107/0,003)*224^0,5*101,72^0,33*(101,72/143,56)^0,18=673,2 Вт/( м²*К)

a_{м пр}=673,2*0,95=639,5 Вт/( м²*К)

Определяем режим движения воды в трубках. Критерий Рейнольдса для охлаждающей воды [9,стр.55]:

Reв=(wв*dвн/nв) (2.10)

где wв –скорость воды,м/с;

dвн –внутренний диаметр трубки,м;

nв –коэффициент кинематической вязкости, м² /с;

Reв=(1*0,011/(1,006*10^-6))=11000

У нас турбулентный режим течения жидкости, т.к. Reв= 11000>5*10³. При таком режиме среднее значение aв определяется по формуле[7,стр 114]:

aв=0,021*(lв/ dвн)* Reв^0,8* Prf^0,43*( Prf/ Prw)^0,25, Вт/( м²*К) (2.11)

 

lв –коэффициент теплопроводности воды при tв.ср.= 19^оС;

Prf –число Прандтля для воды при tв.ср.= 19 ^оС;

Prw - число Прандтля для воды при tст.в.=25 ^оС;

aв=0,021*(0,58/0,011)* 11000^0,8* 7,02^0,43*( 7,02/ 6,32)^0,25=4460 Вт/( м²*К)

Плотность теплового потока внутри трубок qв[9,стр. 56]:

qв=aв*( tст.в.- tв.ср), Вт/м²  (2.12)

qв=4460 *( 25- 19)=13380 Вт/м²

 

к=1/((1/639,5)+(0,0015*2,26*0,014/104,5*0,011)+(2,26*0,014/4460*0,011))==420 Вт/( м²*К)

Поверхность охлаждения маслоохладителя расчитывается [9,стр. 56]:

F¢=Q/(k*DTср), м² (2.13)

Q - количество охлаждаемого водой тепла, Вт;

DTср - среднелогарифмический температурный напор, ^оС;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/( м²*К);

F¢=44300/(420*34)=3,1 м²

 

Удельная плотность теплового потока[7,стр. 108]:

q=Q/F¢, Вт/( м²*К) (2.14)

q=44300/3,1=14290 Вт/( м²*К);

С другой стороны это можно выразить следующим образом [9,стр.55]:

q=aм*Dtм=461*Dtм (2.15)

Следовательно: Dtм=q/aм=14290/640=21,3 ^оС

Из рис.2.1 видно что tст.м.=tм.ср.- Dtм=54-21,3=32,7 ^оС

Т.к. q=q1=q1=…=qn, то

q=aв*Dtв=4460*Dtв

Dtв=q/aв=14290/4460=3,2 ^оС

tст.в.=tв.ср.+Dtв=19+3,2=22,2 ^оС

По результатам расчета принимаем температуру стенки со стороны воды tст.в.= 22,2 ^оС и температуру стенки со стороны масла tст.м.=32,7 ^оС.

Рис.2.1 График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при противотоке.

Теперь пересчитываем площадь поверхности охлаждения относительно найденных температур стенок:

Prв(при tст.в.= 22,2 ^оС)=6,32

aв=0,021*(0,58/0,011)* 11000^0,8* 7,02^0,43*( 7,02/6,78)^0,25=4263,5 Вт/( м²*К)

qв=4263,5 *( 22,2- 19)=13643 Вт/м²

Prм(при tст.м.= 32,7^оС)=132,8

a_м=0,354(0,107/0,003)*224^0,5*101,72^0,33*(101,72/132,8)^0,18=695,3 Вт/( м²*К)

 a_{м пр}=695,3*0,95=660,5 Вт/( м²*К)

q=660,5*(54-32,7)=14069,4 Вт/м²

 

к=1/((1/660,5)+(0,0015*2,26*0,014/104,5*0,011)+(2,26*0,014/4263,5*0,011))=

=412 Вт/( м²*К)

F¢=44300/412*34=3,16 м²

 

Поверхность охлаждения с учетом загрязнения[9,стр.56]:

F=1,1*F¢, м² (2.16)

F=1,1*3,16=3,47 м²

Далее проводим аналогичный расчет для разных скоростей воды и масла, для того, чтобы выбрать оптимальную площадь поверхности охлаждения и оптимальные скорости воды и масла. Варианты расчетных скоростей и результаты вычислений приведены в табл. 2.1.

 Таблица 2.1

Зависимость поверхности охлаждения маслоохлодителя от скоростей воды и масла .

wв, м/с	0,7	1	1,3	1,5
wм, м/с	0,3	0,5	0,7	0,9
Reв	29806	14903	19374	22354
aв, Вт/( м2*К)	7833	4493,3	5549,7	6222,7
qв, Вт/ м2	18799,5	10784	13319,2	14934,4
Reм	11,8	19,7	27,6	35,5
aм, Вт/( м2*К)	321,5	412	492	557,8
qм, Вт/ м2	7779,4	9969,8	11904	13498
к, Вт/( м2*К)	308,6	384,6	456,6	507,6
F¢, м2	9,24	7,4	6,3	5,6
F, м2	8,4	6,7	5,7	5,1

Выбираем вариант с площадью поверхности охлаждения F=3,47м² и скоростями воды и масла wв=1 м/с и wм=0,5м/с.