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;

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.

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:

;

.

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:

0,0044	0,0044	0,0027	0,0248

Результаты расчетов сведены в таблицы 2.3, 2.4, 2.5 и представлены на рисунках 2.1, 2.2, 2.3.

Таблица 2.1

		-	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
		-	0,263	0,357	0,455	0,556	0,66	0,769	0,837	0,871	0,882
		К	293	293	293	293	293	293	293	293	293
		К	248	248	248	248	248	248	248	248	248
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	243	243	243	243	243	243	243	243	243
		К	279,3	276,7	273,6	269,8	265,6	260,9	254	254,8	252,7
		К	238	238	238	238	238	238	238	238	238
		К	297,1	302,6	309,1	317,6	330,1	352,8	352,3	390,9	384,5
		К	252,5	257,1	262,8	269,9	280,6	299,9	299,5	332,3	326,9
		К	298,4	297,6	296,5	295,2	293,3	289,8	289,9	283,9	284,9
		К	315,9	320,2	325,3	331,9	341,5	359,1	358,7	388,6	383,7
		К	293,4	292,6	291,5	290,2	288,3	284,8	284,9	278,9	279,9
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	315,9	320,2	325,3	331,9	341,5	359,1	358,7	388,6	383,7
		К	293	293	293	293	293	293	293	293	293
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	290,4	291,2	292,1	293,3	295,1	298,3	298,2	303,7	302,8
		%	13,8	16,5	19	21	21,1	19,5	16,7	15	14
		%	5,6	6,5	7,4	8	8,16	7,80	6,80	6,1	5,1
		%	29,5	36,1	41,4	45,8	49	46,8	41	36,1	31,5

Таблица 2.2

		-	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,86	0,88	0,9
		-	0,828	0,841	0,855	0,871	0,889	0,91	0,925	0,932	0,94
		-	0,263	0,357	0,455	0,556	0,66	0,769	0,837	0,871	0,882
		К	293	293	293	293	293	293	293	293	293
		К	248	248	248	248	248	248	248	248	248
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	243	243	243	243	243	243	243	243	243
		К	287,4	282,9	278,4	273,2	267,7	261,5	257,3	255,4	253,2
		К	238	238	238	238	238	238	238	238	238
		К	308,6	312,9	318,7	326,1	337,1	355,7	375,8	395,9	389,9
		К	268,5	272,3	277,3	283,7	293,2	309,5	326,9	344,4	339,2
		К	295,1	294,5	293,5	292,4	290,6	287,6	284,4	281,2	282,2
		К	332,3	335,7	340,3	346,2	354,9	369,8	385,9	401,8	397,1
		К	290,1	289,5	288,5	287,4	285,6	282,6	279,4	276,2	277,2
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	332,3	335,7	340,3	346,2	354,9	369,8	385,9	401,8	397,1
		К	293	293	293	293	293	293	293	293	293
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	293,1	293,7	294,5	295,6	297,2	299,9	302,8	305,7	304,9
		%	12,8	15,9	18	19,3	19,6	18,3	15	13	12,3
		%	4,6	5,678	6,8	7,478	7,68	7,32	6,3	5,378	4,341
		%	26	33,5	39,6	44	47	45	39,6	34,7	29,7

Таблица 2.3

		-	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,86	0,88	0,9
		-	0,8	0,824	0,843	0,862	0,883	0,906	0,922	0,928	0,937
		-	0,263	0,357	0,455	0,556	0,66	0,769	0,837	0,871	0,882
		К	293	293	293	293	293	293	293	293	293
		К	248	248	248	248	248	248	248	248	248
		К	298	298	298	298	298	298	298	298	298
		К	243	243	243	243	243	243	243	243	243
		К	287,4	282,9	278,4	273,2	267,7	261,5	257,3	255,4	253,2
		К	238	238	238	238	238	238	238	238	238
		К	308,6	312,9	318,7	326,1	337,1	355,7	375,8	395,9	389,9
		К	290,1	294,2	299,6	306,6	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

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=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

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

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.