Расчет газовой холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Курсовая работа

«Расчет газовой холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга»

Введение

Начало промышленного применения криогенных температур относится к 20-м годам прошлого столетия. Послевоенные годы характеризуются значительным расширением областей применения криогенных машин и установок. Криогеника формируется как самостоятельная отрасль науки и промышленности. В настоящее время криогенные машины применяют в химической промышленности, металлургии, радиоэлектронике, авиации, космонавтике, медицине и сельском хозяйстве. Формируются новые научно-технические направления, такие как криоэлектроника, криоэнергетика, криофизика, криобиология. Криогенные машины стали важным инструментом исследований, проводимых в различных отраслях науки. Исследования свойств материалов при низких температурах позволили открыть ряд новых явлений.

Период бурного развития криогенной техники начался в 50-е годы. Он ознаменован появлением новых машин, новых циклов; высокоэффективных теплообменных аппаратов и теплоизоляционных материалов. Именно в 50-е годы начали применять криогенные газовые машины (КГМ). Так, в 1954 г. фирмой «Филипс» (Голландия) создана КГМ для ожижения воздуха, в которой реализован принцип действия, заложенный в двигателе Стирлинга. В 1959 г. в США созданы КГМ, оригинальные по принципу действия, с большим ресурсом. В 1965--1979 гг. в СССР и ряде других стран созданы первые образцы теплоиспользующих КГМ. В 1970--1975 гг. в Омском политехническом институте созданы КГМ с упругой перегородкой. В 1975--1980 гг. в СССР и США созданы образцы КГМ со свободным вытеснителем; в отечественных машинах роль вытеснителя выполняет газовый столб. Вместе с тем рассматриваемый период характеризуется резким повышением эффективности КГМ, улучшением массогабаритных характеристик и повышением долговечности машин. Все это стало возможным благодаря совершенствованию технологии и многочисленным исследованиям в СССР и за рубежом.

На рис. 1 представлена КГМ с ромбическим приводом.

Рисунок 1 — ГХМ с ромбическим приводом

Принцип действия и классификация машин

Криогенные газовые машины (КГМ) относятся к классу поршневых. Характерной особенностью КГМ является то, что изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия постоянно гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов. Утверждение о том, что теплообменные аппараты расположены в «мертвых» объемах машин, нельзя считать корректным, так как протекающие в аппаратах процессы отличны от процессов в мертвых объемах традиционных поршневых машин.

В теплообменных аппаратах КГМ производится регенерация теплоты, подвод и отвод теплоты от рабочего газа машины к внешним тепловым источникам. Блок теплообменных аппаратов КГМ, как правило, состоит из одного или нескольких аппаратов внешнего теплообмена (АВТ) и одного или нескольких регенераторов. Аппараты внешнего теплообмена предназначены для передачи теплоты от среды с более высокой температурой к среде с низкой температурой, т. е. для обеспечения связи рабочего газа машины с внешними тепловыми источниками.

Регенератор в КГМ является обязательным элементом и выполняет роль своеобразного «теплового аккумулятора», который попеременно получает и отдает теплоту протекающему через аппарат рабочему газу. Этот «тепловой аккумулятор» обладает специфическими свойствами: значительным перепадом температур на концах, зависящим от температур внешних тепловых источников; большой тепловой нагрузкой; высокой эффективностью передачи теплоты.

Принцип действия криогенной газовой машины рассмотрим на примере одного из вариантов конструкции машины Стерлинга, схема которой приведена на рис. 2. Машина имеет цилиндр с двумя противоположно расположенными поршнями 1 и 7. Между поршнями расположены теплообменник нагрузки 3 («мертвый» объем Vтн, температура стенки Тх), регенератор 4 («мертвый» объем Vр, среднемассовая температура газа в объеме Тр) и холодильник 5 («мертвый» объем Vх, температура стенки Тот близкая к условиям окружающей среды Т0). Объем 2, расположенный между торцом левого поршня 1 и теплообменником нагрузки 3, называют полостью расширения или детандерной полостью Vд. Объем 6 между холодильником 5 и торцом правого поршня 7 называют полостью сжатия или компрессорной полостью (Vк), При перемещении поршней 1 и 7 объемы рабочих полостей Vд. и Vк изменяются от своих минимальных значений до, соответственно, максимальных -- Vод. и Vок. При этом газ постоянно течет в том или другом направлении в холодильнике 5, регенераторе 4 и теплообменнике нагрузки 3. В первом аппарате газ непрерывно взаимодействует с тепловым источником с температурой Тот, во втором -- с насадкой регенератора с промежуточными температурами (температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Тот -- Тх) и в третьем -- с тепловым источником с температурой Тх.

Рисунок 2 — Принципиальная схема машины Стирлинга и реализация рабочего цикла: а -- положение поршней в основных точках цикла; б -- диаграмма «время--перемещение -- объем»; в -- р--V диаграмма цикла

Рассмотрим рабочий цикл машины. Предположим, что в начале цикла компрессорный и детандерный поршни 7 и 1 находятся в крайнем правом положении (фаза I); в этом случае рабочее тело машины находится в основном в компрессорной полости 6, а также в блоке теплообменных аппаратов (рис. 2, а, б).

Его объем максимальный, давление соответствует точке 1 на р--V диаграмме (рис. 2, в). Во время процесса сжатия 1--2 компрессорный поршень 7 движется влево, а детандерный поршень 1 остается неподвижным -- фаза II на диаграмме перемещения (рис. 2, б). Рабочее тело сжимается в компрессорной полости 6, давление газа увеличивается, а теплота сжатия Qк отводится от газа в холодильнике 5 в окружающую среду.

В процессе 2--3 оба поршня движутся одновременно таким образом, что объем между ними остается постоянным (фаза II). При переталкивании из компрессорной в детандерную полость рабочий газ охлаждается в холодильнике 5 и далее, непрерывно взаимодействуя с пористой теплоемкой насадкой регенератора, охлаждается от Тот до Тх. Постепенное уменьшение температуры газа при прохождении его через насадку при постоянном суммарном объеме вызывает уменьшение его давления (процесс 2-- 3 на рис. 2, в). Компрессорный поршень 7 достигает своего левого крайнего положения.

В процессе расширения 3--4 детандерный поршень 1 продолжает свое движение влево -- объем расширительной полости Vд увеличивается и достигает максимальной величины Vод; компрессорный поршень остается неподвижным в левой крайней точке вблизи холодильника (фаза III). С увеличением объема в системе происходит уменьшение давления и температуры рабочего газа.

Замыкающим процессом цикла является процесс 4--1, во время которого поршни синхронно перемещаются вправо, переталкивая рабочий газ из полости расширения в компрессорную полость при постоянном объеме -- фаза IV. При прохождении газа через теплообменник нагрузки 3 к нему подводится теплота Qх от внешнего теплового источника Тх. При прохождении через пористую насадку регенератора рабочий газ нагревается, отнимая теплоту, аккумулированную насадкой во время процесса 2--3, и достигает уровня температур Тот.

Все известные в настоящее время КГМ принципиально состоят из двух узлов. В табл. 1Ф машины разделены на группы в зависимости от типа узла, выполняющего роль компрессора, и на ряды в зависимости от типа узла, являющегося генератором холода (детандером). Первая буква в обозначении машин соответствует названию группы, вторая -- названию ряда. Многоступенчатые машины имеют две или три детандерные полости, объемы которых синхронно меняются в течение цикла, т. е. такие полости, по существу, всегда можно заменить одной эквивалентной полостью. В связи с этим классификация машин по числу ступеней охлаждения не может иметь принципиального значения. В предлагаемой классификации многоступенчатые машины маркируются теми же буквами и цифрой, указывающей число ступеней. Например, двухступенчатую КГМ Стирлинга обозначают ПВ-2, а трехступенчатую КГМ Гиффорда--Мак-Магона -- НВ-3.

Таблица 1Ф — Классификация криогенных газовых машин

Группа

Ряд

П

В

К

Н

НП

НВ

НК

П

ПП

ПВ

ПК

В

ВП

ВВ

ВК

К

КП

КВ

КК

Исходные данные

Температурный уровень — Т = 85 К;

Начальная температура — Т0 = 300 К;

Холодопроизводительность — Q = 950 Вт;

Число ступеней — одна;

Привод — ромбический симметричный;

Рабочее тело — гелий;

Среднее давление — р = 2,5 МПа;

Частота вращения вала кривошипа — n = 1450 об/мин;

1. Расчет

Максимальный объем полости расширения

, (1)

где — теоретическая холодопроизводительность,

,

— коэффициент пересчёта холодопроизводительности, с помощью которого в первом приближении оценивают несовершенство процессов, протекающих в ГХМ, и неучтенные потери холодопроизводительности от неидеального теплообмена в регенераторах, от гидравлических сопротивлений, от теплопритоков по тепловым мостам и т. д.

— угол фазового сдвига между максимальным давлением и минимальным объёмом полости расширения,

,

где — отношение температур холодильника и ожижителя,

;

— отношение максимально изменяющихся объемов сжатия и расширения; на основании опыта создания современных ГХМ принимается равным 3,4;

— угол фазового сдвига между максимальным объёмом полости расширения и максимальным объёмом полости сжатия,

,

где — конструктивный угол, принимается равным 75?;

, принимается равным 0,988;

— диаметр штока вытеснителя;

— диаметр цилиндра, внутри которого проходит шток;

— отношение описанных объемов, которые можно определить из соотношений:

или

Т.к. отношение объемов не может быть отрицательным, то

Тогда

;

В результате

;.

Безразмерный коэффициент можно определить по формуле

, где

— относительный приведённый «мёртвый» объём принимается равным 4,4 и разбивается на основании опыта конструирования подобных машин следующим образом: — относительный приведенный «мёртвый» объём компрессорной полости и холодильника; - относительный приведенный «мёртвый» объём регенератора; - относительный приведенный «мёртвый» объём конденсатора;

.

Принимаем — среднее давление гелия

об/мин — частота вращения коленчатого вала.

Подставляя в формулу (1) полученные величины, определим

.

Максимальный объём полости сжатия

Зная отношение описанных объемов (z =3,378), определяем объем полости сжатия

.

Диаметр поршня вытеснителя

Для определения диаметра поршня-вытеснителя принимаем на основании практических данных для данного класса машин. Тогда

Принимаем диаметр поршня вытеснителя мм. Ход поршня вытеснителя мм. Принимаем 50 мм.

Диаметр поршня компрессора

При условии равенства длины шатунов (равная длина шатунов принимается, исходя из условия уравновешивания механизма) ход поршня вытеснителя равен ходу поршня компрессора, т. е. =50 мм.

Диаметр поршня компрессора определяется из равенства

,

откуда

мм.

Принимаем =120 мм.

Диаметр штока вытеснителя

мм.

криогенный газовый машина поршень

Принимаем мм.

Величины основных конструктивных элементов

Длину шатунов компрессорного поршня и вытеснителя принимаем мм. Исходя из принятого соотношения, радиус кривошипа мм. Принимаем величину относительного дезаксиала, откуда величина смешения кривошипно-шатунного механизма мм. Принимаемые отношения и должны быть такими, чтобы угол передачи не снижался до слишком малых значений. Углы положение кривошипа при крайних положениях поршня компрессора (точка А) и вытеснителя (точка В).

Рис. 1 Положение кривошнпно-шатунного Положение кривошнпно-шатунного механизма в ВМТ поршня компрессора механизма в НМТ поршня компрессора

Положение кривошипа при ВМТ поршня компрессора показано на рис 1

Положение кривошипа при НМТ поршня компрессора показано на рис 1

Рис. 2

Положение кривошипа при ВМТ вытеснителя показано на рис 2

Положение кривошипа при НМТ вытеснителя показано на рис 2

.

Угол опережения по фазе движения поршня вытеснителя относительно движения поршня компрессора

Минимальные углы передачи

прямого хода при:

,

где

обратного хода при:

,

где

Величины максимального хода поршней

При равенстве длины шатунов очевидно, что

мм.

Ход поршня компрессора от положения ВМТ в зависимости от угла

т. е.;

Значения приведены в табл. I.1.

Ход поршня вытеснителя от положения ВМТ в зависимости от угла

т. е.;

Значения приведены в табл. I.1.

Таблица I.1. Изменение хода поршня компрессора и вытеснителя от ВМТ в зависимости от угла поворота кривошипа.

б, ???

, мм

, мм

0

2,103

3,909

10

0,589

6,132

20

0,043

8,747

30

0,432

11,757

40

1,721

15,063

50

3,759

18,682

60

6,498

22,523

70

9,759

26,527

80

13,431

30,609

90

17,342

34,670

100

21,415

38,597

110

25,486

42,255

120

29,490

45,512

130

33,341

48,251

140

36,949

50,312

150

40,271

51,574

160

43,263

51,968

170

45,884

51,429

180

48,107

49,918

190

49,842

47,463

200

51,129

44,121

210

51,838

40,018

220

51,949

35,301

230

51,376

30,268

240

50,088

24,925

250

48,018

19,740

260

45,129

14,886

270

41,478

10,540

280

37,131

6,896

290

32,278

4,019

300

27,069

1,939

310

21,825

0,646

320

16,709

0,072

330

12,000

0,173

340

7,899

0,886

350

4,563

2,159

360

2,099

3,921

Рис. 3 Изменение хода поршня от угла поворота

Изменение объемов полости расширения и сжатия

в зависимости от угла поворота вала

, где

см2;

— изменение хода поршня вытеснителя в зависимости от угла (см. табл. I. 1).

, где

см2; см2;

— изменение хода поршня компрессора в зависимости от угла (см. табл. I. 1).

— расстояние от нижнего торца вытеснителя, находящегося в ВМТ, до уровня верхнего торца поршня компрессора, также находящегося в ВМТ, увеличенное на величину конструктивного зазорамежду поршнями; определяется исходя из условия сходимости поршней при =90?.

Условие сходимости поршней:

, где

;

при =90?.

На основании графика рис. I… или табличных данных (см. табл. I.1.)

=34,666−17,346=17,320 мм.

Принимая =1 мм, находим= +=17,320+1=18,320 мм. Тогда

.

Результаты расчетов V0 и VK сведены в табл. I.2.

Таблица I.2. Изменение хода поршня компрессора и вытеснителя от ВМТ в зависимости от угла поворота кривошипа.

б, ???

V0, см3

VK, см3

0

14,210

75,154

10

22,240

49,224

20

31,761

33,554

30

42,633

27,983

40

54,709

31,895

50

67,823

44,319

60

81,771

64,031

70

96,308

89,676

80

111,131

119,878

90

125,880

153,335

100

140,137

188,898

110

153,438

225,618

120

165,289

262,764

130

175,191

299,806

140

182,666

336,373

150

187,290

372,200

160

188,722

407,051

170

186,737

440,653

180

181,246

472,622

190

172,317

502,402

200

160,194

529,217

210

145,293

552,039

220

128,204

569,592

230

109,665

580,401

240

90,528

582,908

250

71,692

575,670

260

54,029

557,632

270

38,287

528,428

280

25,023

488,612

290

14,563

439,728

300

7,010

384,174

310

2,297

324,914

320

0,247

265,114

330

0,636

207,821

340

3,232

155,719

350

7,820

110,973

360

14,210

75,154

Рис. 4 Изменение объемов полостей сжатия и расширения в зависимости от угла поворота

Определение параметров ромбического привода ГХМ

1; С2; А1; А2; А3 и д)

.

Определяем по графику (рис …) и уточняем ранее принятое отношение максимально изменяющихся объемов полостей сжатия и расширения:

,

;

;

Угол сдвига фаз изменения давления и изменения объема полости расширения

, -угол фазового сдвига между максимальным давлением и минимальным объемом полости расшинения.

где — угол фазового сдвига между максимальным объёмом полости расширения и максимальным объёмом полости сжатия, определяется как разность углов поворота кривошипа, соответствующих и;

; определяется графическим способом по графику рис. I… Тогда:

; ;.

Изменение давления рабочего тела в машине при изменении угла поворота кривошипа

, где

— корректировочный угол, служащий для определения

,.

Минимальное давление гелия, где — степень сжатия,

;

МПа.

Тогда

МПа.

.

Результаты расчетов представлены в табл. I.3 и на графике

Рис. 5 Изменение объемов полостей сжатия и расширения и давления в зависимости от угла поворота

Табл. I.3. Изменение давления рабочего тела в ГХМ при изменении угла б

б, ???

р, МПа

0

3,47

10

3,47

20

3,42

30

3,33

40

3,21

50

3,06

60

2,90

70

2,74

80

2,58

90

2,44

100

2,30

110

2,19

120

2,08

130

2,00

140

1,93

150

1,87

160

1,83

170

1,81

180

1,79

190

1,79

200

1,80

210

1,83

220

1,87

230

1,92

240

1,99

250

2,08

260

2,18

270

2,29

280

2,43

290

2,57

300

2,73

310

2,89

320

3,05

330

3,20

340

3,32

350

3,42

360

3,47

Теоретическая холодопроизводительность машины

Вт.

Сопоставляя, принятую в начале расчета, с полученным значением теоретической холодопроизводительности, можно сделать вывод, что они примерно равны, коэффициент пересчета холодопроизводительности выбран верно.

Тепловой поток в окружающую среду через холодильник

Мощность привода идеального прототипа машины

10 789−3167=7622 Вт.

Мощность привода действительной ГХМ

кВт.

Количество газа в полостях машины

Количество гелия в компрессорной полости:

.

Количество гелия в полости расширения:

.

Количество гелия в холодильнике:

, где

см3.

;

K;

K.

.

Количество гелия в регенераторе:

, где

см3.

K;

.

Количество гелия в конденсаторе:

, где

см3.

.

— Количество газа в горячем объеме.

— Количество газа в холодном объеме.

Результаты расчетов количества газа по полученным формулам приведены в табл. I.4. и табл. I. 4, и на рис. I. … и рис. I. …

Таблица I.4. Изменение количества гелия в полостях машины

б, ???

GК ·106, кг

GХОЛ ·106, кг

GРЕГ ·106, кг

GКОНД ·106, кг

G0 ·106, кг

0

420

526

3051

1052

236

10

279

527

3046

1056

369

20

187

523

3003

1034

529

30

143

509

2922

1014

681

40

161

481

2818

978

851

50

215

467

2689

921

1001

60

296

445

2541

883

1148

70

399

417

2401

834

1275

80

491

399

2264

787

1379

90

596

372

2135

739

1477

100

689

344

2028

701

1547

110

798

339

1924

669

1613

120

874

315

1834

635

1653

130

969

307

1761

608

1691

140

1043

299

1699

581

1693

150

1114

283

1639

570

1693

160

1198

281

1604

555

1669

170

1276

263

1586

551

1627

180

1363

273

1579

543

1568

190

1448

273

1571

542

1486

200

1538

275

1581

541

1389

210

1626

277

1608

556

1283

220

1714

289

1646

568

1159

230

1798

287

1684

586

1020

240

1869

305

1757

600

871

250

1917

316

1829

631

715

260

1948

330

1916

663

572

270

1941

349

2020

691

426

280

1905

363

2135

736

289

290

1818

387

2263

779

183

300

1683

412

2398

824

98

310

1509

441

2534

876

35

320

1290

463

2679

928

6

330

1066

484

2806

968

10

340

833

501

2916

1004

49

350

604

518

3003

1038

127

360

421

527

3050

1053

241

Таблица I.5. Изменение количества гелия в полостях машины

б, ???

Gх, мг

Gг, мг

0

1291

947

10

1423

801

20

1562

705

30

1693

654

40

1814

656

50

1929

683

60

2016

741

70

2097

811

80

2168

891

90

2216

972

100

2250

1045

110

2276

1127

120

2289

1196

130

2297

1264

140

2282

1338

150

2253

1402

160

2214

1474

170

2168

1552

180

2106

1631

190

2027

1719

200

1939

1803

210

1833

1898

220

1719

1991

230

1602

2085

240

1483

2170

250

1349

2233

260

1234

2276

270

1114

2292

280

1023

2272

290

951

2208

300

917

2095

310

908

1943

320

926

1761

330

972

1556

340

1058

1331

350

1168

1131

360

1284

946

Рис. 6 Изменения количества гелия в полостях машины

Расчет холодильника

Холодильник ГХМ выполняется в виде трубчатого теплообменника. В соответствии с принятой компоновочной схемой ГХМ внутренняя втулка холодильника служит частью цилиндра вытеснителя. Вода омывает трубки, по которым течет гелии. Принимаем трубки Ш 2×4, материал трубок -- сталь Х18Н9Т.

Тепловая нагрузка на аппарат

Qхол = Qт + Qад. сж.

Адиабатные потери (дополнительная работа, затраченная на сжатие гелия в компрессоре)

, где

К — температура гелия в конце адиабатного сжатия

При частоте вращения п = 1450 об/мин потери в 1 ч составят

Qхол = 24,421 Вт

Температура гелия на входе в холодильник

Температура гелия на теплом конце регенератора

Температура воды на входе

Температура воды на выходе

Логарифмическая разность температур

К

Средняя температура воды в холодильнике

Средняя температура гелия в холодильнике

Ниже в таблице даны физические параметры потоков, обменивающихся теплом в холодильнике

Потоки

рср, МПа

Тср, К

Ср,

Гелий

2,45

342,221

5,197

0,296

21,94

0,172

Вода

0,1

297,5

4,174

0,106

774,765

0,6652

Таблица I.7 Тепловой и конструктивный расчет холодильника

Расчёт регенератора КГМ

Конструктивно регенератор представляет собой две концентрические втулки. Пространство между втулками заполняется насадкой. Внутренняя втулка регенератора используется как часть цилиндра вытеснителя. Из предварительной компоновки машины принимаем:

Высота регенератора: … …

Внутренний диаметр: … …

Мёртвый объём регенератора: …

Насадка: … … бронзовая сетка 0,05

Диаметр проволоки: … …

Диаметр ячейки: …

Масса 1 м2 сетки: … …

Материал: … … фосфористая бронза

с

Шаг плетения сетки: … …

Средний расход гелия за цикл

По графику расход гелия через холодное (верхнее) сечение регенератора:

;

Минимальное количество гелия в холодном объеме:

;

Полное количество гелия, прошедшее через верхнее сечение регенератора:

.

Расход гелия через тёплое (нижнее) сечение регенератора:

Средний расход гелия за цикл:

Полное время одного рабочего цикла:

,

где и — время прямого цикла; - время обратного цикла

Полный расход гелия через регенератор:

Пористость принятой насадки:

.

Удельная поверхность:

Эквивалентный диаметр насадки:

Конструктивный объём регенератора:

Наружный диаметр регенератора:

.

Принимаем =12,5 см., тогда площадь поперечного сечения регенератора:

Объём, занятый металлом насадки:

Масса насадки:

Поверхность насадки:

Средняя температура гелия в регенераторе:

Прямой поток:

Время прямого цикла:

.

Средняя массовая скорость гелия по прямому потоку:

.

Удельная массовая скорость потока гелия в свободном сечении регенератора:

Зная отношение, — влияние относительной длины уже не сказывается;

Определяем коэффициент теплоотдачи по формуле:

Критерий Рейнольдса:

,

при :.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи:

,

при:.

Обратный поток:

Время обратного цикла:

.

Средняя массовая скорость гелия:

.

Удельная массовая скорость потока гелия в свободном сечении регенератора:

Критерий Рейнольдса:

.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент теплоотдачи:

.

Коэффициент теплоотдачи:

Тепловая нагрузка на регенератор:

Средняя разность температур между потоками в регенераторе:

Потери за счёт недорекуперации в регенераторе

Примерное значение эффективности (КПД) регенератора:

.

Колебания температуры насадки за цикл:

,

при Дж/кг К. — средняя теплоёмкость насадки.

Принимая, что насадка в регенераторе плотно уложена, т. е. (где — действительная пористость и — пористость идеально упакованной насадки), коэффициент сопротивления определяем по формуле:

,

;

.

Плотность гелия при средних параметрах:

.

Потери давления по потокам:

.

.

Расчёт конденсатора

Конденсатор в проектируемой КГМ в соответствии с компоновкой машины делается кольцевым. Внутренняя втулка используется как часть цилиндра вытеснителя. По внутреннему диаметру трубок протекает холодный поток гелия со средней температурой, а в межтрубном пространстве происходит конденсация воздуха.

Принимаем высоту трубок конденсатора; трубки Ш; материал — сталь Х19Н9Т.

Действительная тепловая нагрузка на конденсатор.

Таблица I.8 Физические параметры потоков

Вещество

Воздух

105

827

13,64

143,7

204,66

------

Гелий

100

11,612

7,64

10,078

------

5,22

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося воздуха к стенки определяем по формуле Кутателадзе:

— разность температур между конденсирующимся паром и стенкой.

Коэффициент теплоотдачи от гелия к стенки:

Критерий Нуссельта:

Принимаю скорость гелия в трубках

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи от гелия к стенке:

Определяем температуру стенки и коэффициент теплоотдачи. Равенство тепловых нагрузок со стороны конденсирующегося воздуха и потока гелия определяется следующим образом:

— наружный диаметр трубок.

— внутренний диаметр трубок.

Общая разность температур между конденсирующимся воздухом и потоком гелия:

.

Принимаем значения и от 0,5 К до 5 К.

и, град

0,5

1

0,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

q1, Вт/м

3,329

5,598

7,588

9,415

11,130

12,761

14,325

15,834

17,296

18,718

q2, Вт/м

3,229

6,457

9,686

12,915

16,143

19,372

22,601

25,829

29,058

32,287

Рис. 7 Графическое определение удельного теплового потока конденсатора

По графику находим

и = 3 К

q = 13 Вт/(м • К)

Уточняем вычисленные раннее значения

Коэффициенты теплоотдачи

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к внутренней поверхности трубок

Необходимая поверхность теплообменника

F = Q/(k·?T) = 1200/(2166,67·5) = 0,098 м2

Принимаем с 20% запаса F = 0,118 м2

Заключение

Большая часть вновь созданных машин является реализацией идей, высказанных учеными и инженерами в прошлом столетии. Например, возможность использования двигателя Стирлинга в качестве холодильной машины была выявлена Дж. Гершелем в 1834 г. Такие машины успешно эксплуатировались в пищевой промышленности. К началу прошлого столетия они были полностью вытеснены более эффективными паровыми холодильными машинами. Машины В. Гиффорда являются реализацией идей Сольвея, высказанных в 1886 г. Но при том уровне знаний в области термодинамики и теплопередачи, а также уровне развития промышленности они не могли стать конкурентоспособными, поэтому к 30-м годам нашего столетия такие машины были полностью забыты. Их изобретали заново. Нередко авторы новых машин узнавали об идеях прошлого из выступлений дотошных оппонентов, отстаивающих приоритет своей страны. Следует особо подчеркнуть вклад наших современников. Без теплообменных аппаратов, разработанных Келлером и Джонкерсом, машину Стирлинга можно было использовать лишь в механических игрушках. Без работ Гиффорда идеи Сольвея считали бы до сих пор рядовым научным курьезом.

В отечественной литературе криогенными газовыми машинами (КГМ) принято называть машины, у которых теплообменные аппараты включены в мертвый объем полостей расширения и сжатия. Заметим, что газ является рабочим телом для 99% машин других типов. По мнению авторов, удачно предложение проф. А. М. Архарова называть КГМ -- машинами с внутренней регенерацией теплоты. Более точно специфику рабочего процесса отражает определение «машины со встроенными аппаратами». Отдавая дань сложившейся традиции, авторы книги используют установившуюся терминологию, И лишь в случаях, когда нужно подчеркнуть отличие рассматриваемых машин от машин других типов, использовано упомянутое определение.

КГМ эквивалентна установке, состоящей из традиционных машин и аппаратов, и объединяет в одной машине ряд агрегатов. Благодаря этому упрощена конструкция, уменьшены размеры и масса, улучшены ее эксплуатационные характеристики. Эти преимущества обеспечивают широкую область применения КГМ в ряде отраслей народного хозяйства.

Специфика циклов КГМ обусловлена тем, что процессы расширения и сжатия сопровождаются массообменом между полостями с различными температурами, а также характеризуются нестационарностью процессов в теплообменных аппаратах. Именно этими особенностями циклов объясняются затруднения, которые возникают при математическом описании процессов и экспериментальном исследовании машин. С другой стороны, опыт Последних лет показал, что в более полном учете специфики цикла заключен резерв в повышении эффективности разрабатываемых машин.

Список использованной литературы

1. Акулов Л. А., Борзенко Е. И., Новотельнов В. Н., Зайцев А. В. «Теплофизические свойства криопродуктов». — СПб: издательство «Политехника». — 2011. — 243 с.

2. Богданов С. Н., Бурцев С. И., Иванов О. П., Куприянова А. В. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: справочник, под ред. С. Н. Богданова. 4-е изд., перераб. и доп. — СПб.: СПбГАХПТ, 2009. — 320с.

3. Криогенные машины, А. Д. Суслов, Г. А. Гороховский, В. Б. Полтараус, А. М. Горшков. — М.: Машиностроение, 1982. — 213с., ил

4. Новотельнов В. Н. и др. Криогенные машины: учебник для вузов по спец. «Техника и физика низких температур». — СПб.: Политехника, 2011. — 335с.: ил

5. «Примеры расчетов установок глубокого охлаждения» под ред. Будневича С. С. — Ленинград: «Машиностроение». — 1972. — 288 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой