Оптимизация конструкции воздухоохлаждающего маслоохладителя

Оптимизация конструкции воздухоохлаждающего маслоохладителя

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТА

Конструкция воздухоохлаждающего маслоохладителя приведена на рисунке 1.1.

Для трансформаторов мощностью 10000 кВ∙А и более преимущественно применяется охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воздуха, условно обозначаемое ДЦ. Воздушные маслоохладители особенно незаменимы в местностях с недостатком технологической охлаждающей воды. Эти охлаждающие устройства обладают достаточно высокой эффективностью, однако реальные возможности заметного повышения ее не исчерпаны полностью до настоящего времени.

Конструкции воздушных маслоохладителей (рисунок 1.1) отличаются друг от друга в основном только типом поверхности теплообмена. Охладитель состоит из нескольких рядов оребренных труб, вваренных или развальцованных в трубные решетки. К патрубку верхней камеры присоединяется насос, а к патрубку нижней камеры - сильфонный компенсатор, струйное реле и фильтр. На кронштейнах, установленных на охладителе, устанавливаются осевые вентиляторы с направляющими воздушный поток диффузорами. Холодный поток воздуха омывает снаружи трубы пучка, а нагретое при работе трансформаторное масло забирается насосом из верхней части бака трансформатора, движется принудительно внутри труб, охлаждается в них, передавая тепло воздуху, а затем возвращается в нижнюю часть бака. Контроль за циркуляцией масла в маслоохладителе осуществляется с помощью струйного реле. Конструкция охладителя должна предусматривать компенсацию температурных удлинений труб пучка. Фильтр масляный, сетчатый, предназначен для очистки масла от волокон и других твердых частиц, находящихся в масле. Устанавливается фильтр вблизи входа охлажденного масла в бак трансформатора.

Для циркуляции масла применяются центробежные герметические (бессальниковые) насосы с мокрым и экранированным статором для тансформаторов стационарных установок. Нормальная работа насоса обеспечивается при температуре окружающего воздуха от -45 до +55 оС.

Принудительный поток воздуха через пучок создается осевым вентилятором. Вентиляторы направляют воздушный поток на трубный пучок, электродвигатель расположен перед рабочим колесом на ходу воздуха.

Поверхность теплообмена шахматного пучка маслоохладителя выполняют из биметаллических труб с алюминиевыми спирально-накатанными гладкими или переферийно насеченными по винтовой линии ребрами, а так же навитыми петельно-проволочными ребрами из стали.

Рисунок 1.1. Конструкция воздухоохлаждающего маслоохладителя

- электронасос; 2 - маслоохладитель; 3 - вентилятор.

2. СОСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

воздухоохлаждающий маслоохладитель оптимизация

Рисунок 2.1 - Алгоритм теплового конструктивного расчёта

Расчет воздушного маслоохладителя в соответствии с исходными данными производим по программе, составленной в среде Microsoft Excel. На рисунке 2.1 представлен алгоритм программы.

.1 Внешние параметры

Таблица 2.1 - Внешние параметры

.2 Теплофизические свойства теплоносителей

По следующим зависимостям определяем теплофизические свойства теплоносителей.

Средняя температура нагреваемого теплоносителя (атмосферного воздуха) ,˚С, определяется по формуле:

, (2.2.1)

где  - температура нагреваемого теплоносителя на входе, ˚С;

По средней температуре атмосферного воздуха определяются его теплофизические свойства.

Средняя теплоемкость атмосферного воздуха Ср2, кДж/(кг×˚С), в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.2)

Плотность атмосферного воздуха r2, кг/м3, в диапазоне  оС определяется по формуле:

 (2.2.3)

Коэффициент кинематической вязкости атмосферного воздуха n2, м2/с, в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.4)

Коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха l2, Вт/(м×К), в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.5)

Средняя температура греющего теплоносителя (трансформаторного масла) ,˚С, определяется по формуле:

, (2.2.6)

По средней температуре трансформаторного масла определяются его теплофизические свойства.

Средняя теплоемкость трансформаторного масла Ср1, кДж/(кг×˚С), в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.7)

Плотность трансформаторного масла r1, кг/м3, в диапазоне  оС определяется по формуле:

 (2.2.8)

Коэффициент кинематической вязкости трансформаторного масла n1, м2/с, в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.9)

Коэффициент теплопроводности трансформаторного масла l1, Вт/(м×К), в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.10)

Число Прандтля трансформаторного масла Pr1, в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.11)

Коэффициент объемного расширения трансформаторного масла β1, 1/К, в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.12)

Задаемся температурой стенки со стороны греющего теплоносителя tст1, oС.

Число Прандтля стенки со стороны масла Prст1, в диапазоне  оС определяется по формуле:

. (2.2.13)

.3 Недостающие параметры

Температуру воздуха на входе в маслоохладитель , oC, можно определить по формуле:

, (2.3.1)

Значение температур tв, tвmax приводятся в климатических таблицах.

Тепловую нагрузку аппарата определяем из уравнения теплового баланса Q, кВт:

, (2.3.2)

Исходя из уравнения теплового баланса, можно найти массовый расход нагреваемого теплоносителя G2, кг/с:

 (2.3.3)

.4 Оптимизируемые параметры

Относительный поперечный шаг труб в пучке - σ1;

Относительный продольный шаг труб в пучке - σ2;

Число рядов труб - z2, шт.;

Число ходов - z1, шт.;

Число труб в одном ряду - n , шт.

.5 Компоновочный расчёт теплообменного аппарата

Диаметр по вершине ребра d, м, определяется по формуле:

; (2.5.1)

Поперечный шаг труб в пучке S1, м, вычисляем по формуле:

; (2.5.2)

Продольный шаг труб в пучке S2, м, вычисляем по формуле:

; (2.5.3)

Диагональный шаг труб в пучке S2’, м, вычисляем по формуле:

; (2.5.4)

Относительный диагональный шаг труб в пучке σ2’, вычисляем по формуле:

; (2.5.5)

Коэффициент оребрения φ, определяется по формуле:

 (2.5.6)

Общее число труб m, шт, определяется по формуле:

; (2.5.7)

Полученный результат округляем до целого значения.

Внутренний диаметр трубки dвн, м, определяется по формуле:

dвн= dн - 2d; (2.5.8)

Толщина ребристой алюминиевой оболочки σал, м, определяется по формуле:

; (2.5.9)

Число ребер на 1м длины трубы n, шт:

n = 1/s (2.5.10)

Площадь торцевых поверхностей рёбер Fт, м2/м, определяется по формуле:

 (2.5.11)

Площадь боковой поверхности рёбер на 1м длины трубы Fб, м2/м, определяется по формуле:

, (2.5.12)

Площадь поверхности ребер на 1м длины трубы Fp, м2/м, определяется по формуле:

 (2.5.13)

Площадь поверхности трубы длиной 1м по основанию рёбер Fтр, м2/м, определяется по формуле:

 (2.5.14)

Полная поверхность 1 погонного м трубы F, м2/м, определяется по формуле:

 (2.5.15)

Площадь внутренней поверхности всех трубок F1, м2, определяется по формуле: (2.5.16)

Коэффициент фронтального сечения пучка труб Xфр, м2, определяется по формуле:

; (2.5.17)

Коэффициент диагонального сечения пучка труб Xдиаг, м2, определяется по формуле:

; (2.5.18)

Приведенная длина обтекания l, м, определяется по формуле:

 (2.5.19)

Ширина теплообменника В, м, определяется по формуле:

 (2.5.20)

Глубина теплообменника Г, м, определяется по формуле:

 (2.5.21)

Соотношение ширины и длины теплообменника A, определяется по формуле:

 (2.5.22)

2.6 Тепловой конструктивный расчет теплообменного аппарата

Площадь сечения трубки для прохода масла f1, м2, определяется по формуле:

 (2.6.1)

Скорость масла внутри труб w1, м/с, определяется по формуле:

 (2.6.2)

Значение Рейнольдса Re1 для греющего теплоносителя, определяется по формуле:

 (2.6.3)

Критерий Грастгоффа Gr1:

Gr1=g×b1×la3×(t1- tст1)/n12 (2.6.4)

Значение числа Нуссельта Nu для Re<2300 (ламинарный режим течения жидкости) находим по уравнению:

 (2.6.5)

Коэффициент теплоотдачи α1 со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2К), определяется по формуле:

 (2.6.6)

Площадь сжатого сечения пучка f2, м2, определяется по формуле:

 (2.6.7)

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка w2, м/с, определяется по формуле:

 (2.6.8)

Число Рейнольдса Re2 для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле:

 (2.6.9)

Число Нуссельта Nu для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле:

 (2.6.10)

где m=0,53-0,019φ - показатель степени; (2.6.11)

Cz - поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке;

Выбираем в зависимости от количества рядов в пучке (таблица 2.2):

Таблица 2.2 - Влияние числа рядов труб на коэффициент Cz

Коэффициент теплоотдачи αк, Вт/(м2К), определяется по формуле:

; (2.6.12)

Cчитаем комплекс  (2.6.13)

Коэффициент эффективности рёбер E:

 (2.6.14)

 (2.6.15)

Приведённый коэффициент теплообмена αпр, Вт/(м2К), определяется по формуле:

 (2.6.16)

Коэффициент теплопередачи, биметаллической оребренной трубы, отнесенный к площади полной наружной теплопроводящей поверхности аппарата для тонкостенных труб k, Вт/(м2К), определяется по формуле:

 (2.6.17)

Средний логарифмический температурный напор , , определяется по формуле:

 (2.6.18)

Находим Δ1 и Δ2:

 (2.6.19)

; (2.6.20)

Сравниваем полученные значения: если Δ1>Δ2,то Δtб= Δ1 или если Δ1<Δ2, то

Δtб= Δ2,

где Δtб - большая разность температур;

Δtм - меньшая разность температур;

Расчетная площадь поверхности теплообмена FР, м2, определяется по формуле:

 (2.6.21)

Уточненная длина труб аппарата la, м, определяется по формуле:

 (2.6.22)

Уточняем температуру стенки tстр1, oС:

; (2.6.23)

.7 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент потерь давления на пучке труб ζ, определяется по формуле:

 (2.7.1)

где Cz’ - поправочный коэффициент на число поперечных рядов в пучке;

dэ - эквивалентный диаметр проходного сечения;

Cz’ выбираем в зависимости от количества рядов в пучке (таблица 2.3):

Таблица 2.3 - Влияние числа рядов труб на коэффициент Cz’

Чтобы найти dэ сравниваем коэффициенты фронтального и диагонального сечения пучка труб:

Если Xфр<Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле:

 (2.7.2)

Если Xфр>Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле:

 (2.7.3)

Число Рейнольдса Re2, определяется по формуле:

 ; (2.7.4)

Потери давления на пучке ΔРпуч, Па, определяется по формуле:

 ; (2.7.5)

Потери давления при ускорении, торможении потока ΔРут, Па, определяется по формуле:

 (2.7.6)

Суммарные потери давления воздуха ΔР2, Па, определяется по формуле:

ΔР2 = ΔРпуч + ΔРут (2.7.7)

Затраты электрической мощности вентилятора на прокачку воздуха N2, кВт, определяются по формуле:

; (2.7.8)

Потери давления, обусловленные сопротивлением трения ∆Ртр1, Па:

; (2.7.9)

где λтр1 - коэффициент гидравлического трения:

; (2.7.10)

Потери давления, обусловленные местными сопротивлениями ∆Рмес1, Па:

∆Рмес1= , (2.7.11)

где Sξ1 - сумма коэффициентов местных сопротивлений:

 (2.7.12)

Суммарное гидравлическое сопротивление ∆Р1, Па, определяется по формуле:

∆Р1= ∆Ртр1 + ∆Рмес1, (2.7.13)

Затраты электрической мощности насоса на прокачку масла N1, кВт, определяются по формуле:

; (2.7.14)

.8 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Масса поверхности несущей трубы , кг, определяется по формуле:

, (2.8.1)

Масса поверхности ребристой оболочки , кг, определяется по формуле:

, (2.8.2)

Капитальные вложения в теплообменный материал , тыс. руб., определяются по формуле:

, (2.8.3)

Годовые эксплуатационные издержки И, тыс. руб., определяются по формуле:

, (2.8.4)

Приведенные годовые затраты З, тыс.руб., определяются по формуле:

, (2.8.5)

3. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ

Таким образом, в итоге расчета получаем приведенные затраты (З). Целью расчета является получение минимальных приведенных затрат в год. Для этого используем функцию Microsoft Excel “Поиск решения”, целевой ячейкой являются приведенные затраты (З), изменяемыми ячейками являются: относительный поперечный шаг труб в пучке (σ1); относительный продольный шаг труб в пучке (σ2); число рядов труб (z2); число ходов (z1); число труб в одном ряду (n).

Накладываемые ограничения:

1. ;

.

. Re1 ;

. ;

.  - целое, ;

.  - целое, ;

.  - целое, ;

. ;

Результаты расчета воздушного маслоохладителя по программе, согласно исходным данным, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Результаты расчета программы, составленной в MS Excel

По результатам расчета получили, что минимальные приведенные затраты в год З = 100,6 тыс. руб., при изменяемых геометрических параметрах: = 1,390, =0,540, =5, =2, =78.

4. ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛУЧЕННОГО РЕШЕНИЯ

Проведем проверку устойчивости полученного решения оптимизационной задачи для каждого из оптимизируемых параметров. Результаты расчетов приведены в табл. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 и 4.5; на рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 и 4.5.

Таблица 4.1 - Проверка устойчивости решения при изменении относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника

Рисунок 4.1 - Проверка на устойчивость для относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника

На основании таблицы 4.1 и рисунка 4.1 наблюдаем, что при изменении относительного поперечного шага труб в пучке теплообменника в большую и в меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при = 1,390 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.2 - Проверка устойчивости решения при изменении относительного продольного шага труб в пучке теплообменника

Рисунок 4.2 - Проверка на устойчивость для относительного продольного шага труб в пучке теплообменника

Так как при решении оптимизационной задачи параметр σ2 принимает свое наименьшее значение, то мы можем изменить его только в сторону увеличения. На основании таблицы 4.2 и рисунка 4.2 наблюдаем, что при изменении относительного продольного шага труб в пучке теплообменника в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =0,540 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.3 - Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов в пучке труб

Так как при решении оптимизационной задачи параметр z2 принимает свое наименьшее значение, то мы можем изменить его только в сторону увеличения. На основании таблицы 4.3 и рисунка 4.3 наблюдаем, что при изменении числа рядов в пучке труб в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при z2 = 2 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Рисунок 4.3 - Проверка на устойчивость для числа рядов в пучке труб

Таблица 4.4 - Проверка устойчивости решения при изменении числа ходов

Рисунок 4.4 - Проверка на устойчивость для числа ходов

На основании таблицы 4.4 и рисунка 4.4 наблюдаем, что при изменении числа ходов в большую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, нарушается ограничение, накладываемое на режим течения масла . При изменении числа ходов в меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат, и такое увеличение так же приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =5 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4.5 - Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в 1 ряду

Рисунок 4.5 - Проверка на устойчивость для числа труб в 1 ряду

На основании таблицы 4.5 и рисунка 4.5 наблюдаем, что при изменении числа труб в 1 ряду в большую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Изменение числа труб в 1 ряду в меньшую сторону относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность теплообменного аппарата ., Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при =78 наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

5. ПРИМЕР КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

Примем относительный поперечный шаг =1,390, относительный продольный шаг =0,540, число ходов =5, число рядов в пучке труб =2, число труб в 1 ряду =78.

.1 Теплофизические свойства теплоносителей

Средняя температура нагреваемого теплоносителя ,˚С, определяется по формуле (2.2.1):

Средняя теплоемкость атмосферного воздуха Ср2, кДж/(кг×˚С), в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.2):

.

Плотность атмосферного воздуха r2, кг/м3, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.3):

Коэффициент кинематической атмосферного воздуха вязкости n2, м2/с, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.4):

.

.

Средняя температура греющего теплоносителя ,˚С, определяется по формуле (2.2.6):

,

Средняя теплоемкость трансформаторного масла Ср1, кДж/(кг×˚С), в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.7):

.

Плотность трансформаторного масла r1, кг/м3, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.8):

Коэффициент кинематической вязкости трансформаторного масла n1, м2/с, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.9):

.

Коэффициент теплопроводности трансформаторного масла l1, Вт/(м×К), в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.10):

.

Число Прандтля трансформаторного масла Pr1, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.11):

.

Коэффициент объемного расширения трансформаторного масла β1, 1/К, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.12):

.

Задаемся температурой стенки со стороны греющего теплоносителя tст1, oС.

Число Прандтля стенки со стороны масла Prст1, в диапазоне  оС определяется по формуле (2.2.13):

.

.2 Недостающие параметры

Температуру воздуха на входе в маслоохладитель ,oC, можно определить по формуле (2.3.1):

Тепловую нагрузку аппарата Q, кВт можно определить по формуле (2.3.2):

Исходя из уравнения теплового баланса, можно найти массовый расход нагреваемого теплоносителя G2, кг/с (2.3.3):

.

.3 Компоновочный расчёт теплообменного аппарата

Диаметр по вершине ребра d, м, определяется по формуле (2.5.1):

;

Поперечный шаг труб в пучке S1, м, вычисляем по формуле (2.5.2):

;

Продольный шаг труб в пучке S2, м, вычисляем по формуле (2.5.3):

;

Диагональный шаг труб в пучке S2’, м, вычисляем по формуле (2.5.4):

;

Относительный диагональный шаг труб в пучке σ2’, вычисляем по формуле (2.5.5):

;

Коэффициент оребрения φ, определяется по формуле (2.5.6):

Общее число труб m, шт, определяется по формуле (2.5.7):

;

Внутренний диаметр трубки dвн, м, определяется по формуле (2.5.8):

dвн= 0,025 - 2.0,002 = 0,021;

Толщина ребристой алюминиевой оболочки σал, м, определяется по формуле (2.5.9):

;

Число ребер на 1м длины трубы n, шт, определяется по формуле (2.5.10):

n = 1/0,0035=286

Площадь торцевых поверхностей рёбер Fт, м2/м, определяется по формуле (2.5.11):

Площадь боковой поверхности рёбер на 1м длины трубы Fб, м2/м, определяется по формуле (2.5.12):

;

Площадь поверхности ребер на 1м длины трубы Fp, м2/м, определяется по формуле (2.5.13):

;

Площадь поверхности трубы длиной 1м по основанию рёбер Fтр, м2/м, определяется по формуле (2.5.14):

;

Полная поверхность 1 погонного м трубы F, м2/м, определяется по формуле (2.5.15):

;

Площадь внутренней поверхности всех трубок F1, м2, определяется по формуле (2.5.16):

;

Коэффициент фронтального сечения пучка труб Xфр, м2, определяется по формуле (2.5.17):

;

Коэффициент диагонального сечения пучка труб Xдиаг, м2, определяется по формуле (2.5.18):

;

Приведенная длина обтекания l, м, определяется по формуле (2.5.19):

;

Ширина теплообменника В, м, определяется по формуле (2.5.20):

;

Глубина теплообменника Г, м, определяется по формуле (2.5.21):

;

Соотношение ширины и высоты теплообменника А, определяется по формуле (2.5.22):

.

.4 Тепловой конструктивный расчет теплообменного аппарата

Площадь сечения трубки для прохода масла f1, м2, определяется по формуле (2.6.1):

;

Скорость масла внутри труб w1, м/с, определяется по формуле (2.6.2):

;

Значение Рейнольдса Re1 для греющего теплоносителя, определяется по формуле (2.6.3):

;

Критерий Грастгоффа Gr1, определяется по формуле (2.6.4):

;

Значение числа Нуссельта Nu для Re<2300 (ламинарный режим течения жидкости) находим по формуле (2.6.5):

;

Коэффициент теплоотдачи α1 со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.6):

;

Площадь сжатого сечения пучка f2, м2, определяется по формуле (2.6.7):

;

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка w2, м/с, определяется по формуле (2.6.8):

;

Число Рейнольдса Re2 для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле (2.6.9):

;

Число Нуссельта Nu для нагреваемого теплоносителя, определяется по формуле (2.6.10):

;

где m=0,53-0,019. 8,93=0,360;

Коэффициент теплоотдачи αк, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.12):

;

;

Коэффициент эффективности рёбер E, определяется по формуле (2.6.14):

;

Коэффициент неравномерности распределения теплоотдачи по поверхности рёбер Ψp, определяется по формуле (2.6.15):

;

Приведённый коэффициент теплообмена αпр, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.16):

;

Коэффициент теплопередачи, биметаллической оребренной трубы, отнесенный к площади полной наружной теплопроводящей поверхности аппарата для тонкостенных труб k, Вт/(м2К), определяется по формуле (2.6.17):

Средний логарифмический температурный напор , , определяется по формуле (2.6.18):

 ;

Находим Δ1 и Δ2:

;

;

Т.к. Δ1>Δ2,то Δtб= Δ1, а Δtм= Δ2;

Расчетная площадь поверхности теплообмена FР, м2, определяется по формуле (2.6.21):

;

Уточненная длина труб аппарата la, м, определяется по формуле (2.6.22):

;

Уточняем температуру стенки tстр1, oС по формуле (2.6.23):

.

.5 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент потерь давления на пучке труб ζ, определяется по формуле (2.7.1):

;

Т.к. Xфр<Xдиаг, то dэ, м, определяется по формуле (2.7.2):

;

Число Рейнольдса Re2, определяется по формуле (2.7.4):

 ;

Потери давления на пучке ΔРпуч, Па, определяется по формуле (2.7.5):

 ;

Потери давления при ускорении, торможении потока ΔРут, Па, определяется по формуле (2.7.6):

;

Суммарные потери давления воздуха ΔР2, Па, определяется по формуле (2.7.7):

ΔР2 = 7,63 + 0,15=7,78;

Затраты электрической мощности вентилятора на прокачку воздуха N2, кВт, определяются по формуле (2.7.8):

;

Потери давления, обусловленные сопротивлением трения ∆Ртр1, Па, определяются по формуле (2.7.9):

;

где λтр1 - коэффициент гидравлического трения:

;

Потери давления, обусловленные местными сопротивлениями ∆Рмес1, Па, определяются по формуле (2.7.11):

 ;

Суммарное гидравлическое сопротивление ∆Р1, Па, определяется по формуле (2.7.13):

∆Р1= 7510 + 3044=10554 ;

Затраты электрической мощности насоса на прокачку масла N1, кВт, определяются по формуле (2.7.14):

.

.8 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Масса поверхности несущей трубы , кг, определяется по формуле (2.8.1):

;

Масса поверхности ребристой оболочки , кг, определяется по формуле (2.8.2):

Капитальные вложения в теплообменный материал , тыс. руб., определяются по формуле (2.8.3):

;

Годовые эксплуатационные издержки И, тыс. руб., определяются по формуле (2.8.4):

;

Приведенные годовые затраты З, тыс.руб., определяются по формуле (2.8.5):

;

Погрешность расчета:

%;

По результатам расчета вручную видно, что полученные значения отличаются меньше чем на 3% от значений, полученных по программе MS Excel. Это связано с тем, что расчеты, проводимые в программе в среде Microsoft Excel, выполняются с достаточно высокой точностью (до 32 значащих цифр). Таким образом, считаем, что расчет по программе и вручную считаются верными.

6. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОНСТРУКЦИЮ АППАРАТА

К входным экономическим параметрам относятся:

стоимость стали - Сст, руб./кг;

стоимость алюминия - Сал, руб./кг;

стоимость электроэнергии - Сэ, руб./(кВт×ч).

Изменим стоимость стали в 2 раза в большую и меньшую сторону, и посмотрим, как это отразится на конструкции аппарата при оптимизации.

Изменим стоимость стали, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.1 - Влияние стоимости стали на конструкцию аппарата

Рисунок 6.1 - Влияние стоимости стали на относительный поперечный шаг

Рисунок 6.2 - Влияние стоимости стали на количество труб в 1 ряду

Рисунок 6.3 - Влияние стоимости стали на число ходов

Как видно по таблице 6.1 и рисункам 6.1, 6.2 и 6.3 уменьшение стоимости стали в 2 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,017, но не сказывается на остальных параметрах, увеличение стоимости стали в 2 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,018, к увеличению числа ходов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 1 и не сказывается на остальных параметрах

Изменим стоимость алюминия в большую и меньшую сторону в 2,5 раза, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.2 - Влияние стоимости алюминия на конструкцию аппарата

Рисунок 6.4 - Влияние стоимости алюминия на относительный поперечный шаг

Рисунок 6.5 - Влияние стоимости алюминия на число труб в 1 ряду

Рисунок 6.6 - Влияние стоимости алюминия на число ходов

Как видно по таблице 6.2 и рисункам 6.3, 6.4 и 6.5 уменьшение стоимости алюминия в 2,5 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,096, к уменьшению числа рядов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 2 и не сказывается на остальных параметрах; увеличение стоимости алюминия в 2,5 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,090, к увеличению числа ходов на 2, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 1 и не сказывается на остальных параметрах

Изменим стоимость электроэнергии в большую и меньшую сторону в 3 раза, и проведем оптимизационный расчёт по прежнему алгоритму.

Таблица 6.3 - Влияние стоимости электроэнергии на конструкцию аппарата

Рисунок 6.7 - Влияние стоимости электроэнергии на относительный поперечный шаг

Рисунок 6.8 - Влияние стоимости электроэнергии на число труб в 1 ряду

Рисунок 6.9 - Влияние стоимости электроэнергии на число ходов

Как видно по таблице 6.3 и рисункам 6.7, 6.8 и 6.9 уменьшение стоимости электроэнергии в 3 раза приводит к уменьшению относительного поперечного шага на 0,090 и не сказывается на остальных параметрах; увеличение стоимости электроэнергии в 3 раза приводит к увеличению относительного поперечного шага на 0,177, к уменьшению числа ходов на 1, а также к увеличению числа труб в 1 ряду на 2 и не сказывается на остальных параметрах.