Проектирование систем водяного охлаждения

Содержание

  1. Задание на курсовой проект……………………………………………...…………………......1
  2. Введение………...…………………………………………………………………………...…..2
  3. Разработка функциональной схемы системы охлаждения ДУ……………………………….3
  4. Задание на курсовой проект……………………………………………...……………………..4
  5. Определение основных параметров элементов системы………………...……………………5
  6. Определение количества теплоты, отводимого водой…………………………………….….6
  7. Определение расхода охлаждающей воды через потребители………………………………6
  8. Определение площади теплопередающей поверхности ТА………………………………….7
  9. Определение размеров МКО……………………………………………………………………8
  10. Трассировка элементов………………………………………………………………………….9
  11. Расчёт гидравлического сопротивления сети………………………………………………...11
  12. Построение характеристики сети……………………………………………………………...17
  13. Выбор насоса…………………………………………………………………..………………..18
  14. Расчёт трубопровода на прочность……………………………………………………………18
  15. Расчет охладителя воды………………………………………………………………………..19
  16. Список литературы……………………………………………………………………………..24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Система водяного охлаждения (СВО) судовой дизельной установки (СДУ) осуществляет отвод тепла от ряда нагретых деталей двигателя, обеспечивая их требуемый температурный уровень  Эта система также обеспечивает отвод тепла от ряда оборудования других систем СЭУ( компрессоры, маслоохладители)

Рабочими средами систем охлаждения бывают: пресная и забортная вода, масло, топливо и воздух. Вода ,по сравнению с другими охлаждающими средами, имеет наибольшую теплоемкость , однако в воде содержатся растворимые соли и различные примеси , которые при нагревании выпадают в осадок. Особенно много солей и примесей находится в морской воде. Подогрев ее в теплообменных аппаратах выше 45противопоказано

Проектирование СВО как  составной и неотъемлемой части  СЭУ  производится одновременно с  проектированием всей энергетической установки и проходит ряд традиционных этапов. Наиболее трудоемкие работы на этапах эскизного и технического проектирования судна. На этапе эскизного  проектирования происходит уточнение  функциональной схемы системы и  определение основных характеристик  комплектующего оборудования с целью  сведения материального и энергетического  баланса СЭУ.

Требования к точности проектирования систем энергетической установки на стадии технического проектирования судна значительно выше, поскольку  основной целью на этом этапе является разработка ведомости заказной документации на комплектующее оборудование СЭУ с учетом стандартизации оборудования  и принимаемых технических  решений. При этом параметры заказываемого оборудования должны выбираться с рациональным запасом, т.е. запас не должен быть мал, чтобы обеспечить надежную работу СВО на всех режимах без неоправданного завышения массы, снижения КПД оборудования, системы и установки в целом. В связи с возрастанием требовании к точности проектирования на этой стадии после трассировки оборудования по результатам расположения энергетического оборудования на судне выполняются подробные гидравлические, прочностные итепловые расчеты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Разработка функциональной схемы системы охлаждения ДУ

Основной задачей системы  охлаждения является обеспечение всех объектов охлаждения водой. Количество воды и ее температура на входе  в каждый потребитель должны соответствовать  рекомендациям завода-изготовителя и ТУ на любом режиме при всех возможных условиях эксплуатации. Качество воды при этом должно удовлетворять  нормам. С целью обеспечения высокого ресурса двигателя и другого  оборудования для их охлаждения рекомендуются  использовать пресную воду, которая, в свою очередь, охлаждается забортной  водой. Когда необходимо получить более  низкую температуру охлаждения, например, в охладителе наддувочноговоздуха, используют для охлаждения забортную воду. Основными потребителями охлаждающей воды в дизельной установки являются ГД и ДГ. Контуры охлаждения ГД, ДГ и другого оборудования внутри всей системы охлаждения  могут быть автономными или объединенными.

Во многих случаях ГД и  ДГ работают вместе в течение длительного  времени, поэтому, как правило , контуры  охлаждения пресной воды главных  и вспомогательных двигателей объединяют в один. При этом остальное оборудование охлаждается забортной водой. Такие  системы называютобщими системами  охлаждения(ОСО). Они обладают достаточно высокой надежностью и позволяют  использовать теплоту охлаждающей воды ДГ для прогрева при подготовке пуска.

При компоновке схем системы  охлаждения необходимо учитывать следующие  требования:

  1. Жевучесть системы обеспечивается резервированием оборудования систем забортной пресной воды, фильтров в случае, если не используются сдвоенные, а также теплообменных аппаратов, если теплопередающая поверхность превышает 200 м
  2. Насосы должны иметь достаточный кавитационный  запас энергии на входе.
  3. Контур пресной воды должен иметь компенсирующий объем.
  4. Каждая единица оборудования системы, а также каждое ответвление трубопровода должны иметь запорную арматуру.
  5. Регулирование температуры пресной воды в системе должно осуществляться автоматически путем перепуска части пресной воды мимо теплообменников.
  6. Необходимо предусмотреть контрольно-измерительную аппаратуру для осуществления контроля за работой системы, а также диагностирования ГД и другого оборудования.

В систему пресной воды ДВС преимущественно входят центробежные насосы пресной воды, водо-водяной  охладитель, расширительная цистерна и цистерна присадок, а также автоматическая и запорная арматура.

При проектировании систем охлаждения гражданских судов необходимо учитывать  требования регистра судоходства РФ. В каждом машинном отделении должно быть предусмотрено не менее двух кингстонов заборной воды. Один из них , как правило, размещают в двойном дне, другой –у борта. На судах ледового плавания прием заборной воды в систему осуществляется через ледовые ящики. В настоящее время на судах предусматривают кингстонно-распределительный канал.

За кингстоном устанавливают  фильтры грубой очистки, очистка  которых должна производиться без  прекращения работы насосов забортной воды. Для того чтобы нагретая вода не попала в приемные отверстия системы, отливные и приемные отверстия разносят по длине судна, располагая приемные отверстия в нос от отливных.

Насосы систем охлаждения ДВС должны иметь резерв. Допускается  исползовать в качестве резервного насоса системы охлаждения главной  машины стояночные насосы вспомогательных  установок, не задействованные при  ходовом режиме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Определение основных параметров элементов системы


Рис. 1. Функциональная схема системы охлаждения забортной водой.

 

2.1. Определение количества теплоты, отводимого водой

 

1) Общее количество теплоты, затраченное на работу ДВС

для главного двигателя:

 

2) для дизель-генератора:

 

где Ne –мощность ДВС, кВт,

be–удельный расход топлива, кг/(кВт*ч)

- низшая теплота сгорания  топлива, кДж/кг

 

3) Теплота, отводимая с пресной водой

для главного двигателя:

 

4) для дизель-генератора:

 

где –коэффициент относительногоотвода тепла водой при охлаждении цилиндров и крышек цилиндров

Принимаем:

 

5) Теплота, отводимая маслом:

для главного двигателя:

 

6) для дизель-генератора:

 

где – относительная потеря теплоты с  маслом при охлаждении подшибников

 

6) Теплота, отводимая от наддувочного воздуха:

кВт , где

– расход воздуха

α =2– суммарный коэффициент избытка воздуха,

сp=1–теплоёмкость воздуха, кДж/(кг*К)

 

 

 

2.2. Определение расхода охлаждающей воды через потребители

1) Расход воды на охлаждение ГД:

 

2) Расход воды на охлаждение ДГ:

 

 

где ρпв= 992.9 кг/– плотность пресной воды, принятая по средней температуре воды.

3) Расход ЗВ через охладитель ПВ

для главного двигателя:

 

4) для дизель-генератора

 

 

где ρзв=1020 кг/– плотность забортной воды,

сзв=3.92– теплоёмкость забортной воды,

Δtпв= 8– разность температур забортной воды на входе и выходе из охладителя.

 

2.2.3. Определение площади  теплопередающей поверхности ТА.

1) Площадь поверхности водоохладителя

для ГД

, где

°C

 

где она имеет наибольшее значение

 

 

2) для дизель-генератора

 

 

°C

 

Площадь поверхности воздухоохладителя

для ГД

м² , где  °C

3) Площадь поверхности маслоохладителя

для ГД

= 191 , где

°C

4) для дизель-генератора

,где

°

 

3. Определение размеров МКО

1) Длина МКО (дизель- редукторная установка с кормовым МКО)

м

 

2) Площадь МКО

 

 

 

3) Объем МКО

 

 

4) Ширина МКО

 

 

5) Высота МКО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Трассировка элементов

Координаты основного  оборудования системы                                               М1:100

 

                                                                                               Координаты, м


 


№          Наименование оборудования           От носовой                 От ДП               От основной

                                                                            переборки                                                 линии

                                                                               Ось X                     Ось Z                     Ось Y

 


   1     Клинкет  донного кингстонного                 1,2                           2,8                           0,8

          ящика      


   2     Насос забортной воды №1                          1,7                           -2                            3


   3     Насос  забортной воды №2                          1,7                           -2,4                         3


   4     Охладитель  воздуха ГД                               3,7                          -0,8                          6


   5     Маслоохладитель  ГД                                   4,3                          -1,5                          3


   6     Охладитель  пресной воды ГД                     2,9                          -1,5                          3   


   7     Отливной  ящик                                             4,2                         -2,7                           3   


   8     Охладитель  пресной воды ВГД№1             9                             3,8                           3


   9     Маслоохладитель  ВГД№1                           6                             3,8                           3


  10    Охладитель  пресной воды ВГД№2             9                            -3,8                          3


  11    Маслоохладитель  ВГД№2                           6                            -3,8                           3


  12    Отливной ящик ВДГ                                    10                           3,8                            0,8



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Таблица 1. Расчёт гидравлического сопротивления сети.

№ п/п

Наим.

Об.

Разм.

Расчётная

формула

Номер участка сети

1-2

2-3

3а4

3б4

4-5

5-6

6а7

6-7

6б7

7-8

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

1

Предв.

скорость потока

W1

м/с

Принимаем 1,2…2,5

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

1,8

2

Материал

труб

      

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

Ст 10

3

Объёмный расход воды

G

м³/с

0,067

0,053

0,027

0,029

0,053

0,007

0,003

0,003

0,006

0,006

4

Условный диаметр

Dy

мм

218

192

138

143

197

68

40

40

65

65

5

Наружный диаметр

Dн

мм

ГОСТ8732-78

219

194

133

140

194

68

68

68

68

68

6

Внутренний

диаметр

d

мм

d= Dн -2δ

207

184

125

131

184

62

65

62

62

62

 

 

7

Толщина стенки трубы

δ

мм

3,42

3,37

3,26

3,27

3,37

3,13

3,13

3,13

3,13

3,13

8

Максимальное давление

P

МПа

принимаем

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

№ п/п

Наим.

Об.

Разм.

Расчётная

формула

Номер участка сети

1-2

2-a-3

3-4

4-5

5-с-6

5-b-6

6-7

4-8

8-9

9-10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

9

Коэффициент ослабления материала для  сварных труб

φ

  

принимаем

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

10

Допускаемое напряжение материала на разрыв

[σ]

МПа

Для Ст 10 при температуре ниже 200°С [σ]=116МПа

116

116

116

116

116

116

116

116

116

116

11

Прибавка на утонение труб при гибке

b

мм

0,075

0,067

0,046

0,048

0,067

0,023

0,023

0,023

0,023

0,023

12

Радиус погиба

R

мм

R=2,5DН1

547,5

485

332,5

350

485

170

170

170

170

170

13

Прибавка, учитывающая коррозию

с

мм

принимаем

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

14

Уточнённая толщина стенки труб

  

мм

ГОСТ7832-78

3,5

3,5

3,5

3,5

3,5

3,2

3,2

3,2

3,2

3,2

15

Действительная скорость потока

Wв

м/с

2

2

2,2

2,2

2

2,3

2,3

2,3

2,3

2,3


 

 

 

 

№ п/п

Наим.

Об.

Разм.

Расчётная

формула

Номер участка сети

1-2

2-a-3

3-4

4-5

5-с-6

5-b-6

6-7

4-8

8-9

9-10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Относительный радиус погиба

n1

  

принимаем

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

17

Количество принятых погибов

n2

  

Принимаем из схемы трассировки

8

2

3

10

2

4

4

4

6

6

18

Длина погибов

lпог

м

3,44

0,76

0,8

2,8

0,76

0,5

0,3

0,3

0,8

0,8

19

Длина участка

lобщ

м

Принимаем из схемы трассировки

15,9

0,8

2,3

24,9

1,2

4,8

10,6

10,6

9,7

9,7

20

Длина прямого трубопровода

l

м

L= lобщ- lпог

12,5

0,04

1,5

22,1

0,44

4,3

10,3

10,3

8,9

8,9

21

Число Рейнольдса

Re

  

Re=

  

0.9*

  

0.64*

0.9*

0.3*

0.04*

0.04*

0.3*

0.3*

22

 

Плотность забортной воды

ρ

Кг/м³

Из таблиц

1020

1020

1020

1020

1020

1020

1020

1020

1020

1020

 

23

Температура заб. воды

t

°C

Принимаем

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

24

Солёность заб. Воды

S

°%

Из таблиц

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

2500

25

Гидравлический диаметр

d

м

  

0,406

0,406

0,406

0,279

0,225

0,148

0,279

0,148

0,069

0,148

26

Кинематическая вязкость

Ν*107

м²/с

По табл.

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

8,19

27

Коэффициент трения

λ

    

0,101

0,104

0,115

0.114

0,104

0,137

0,137

0,137

0,137

0,137

28

Приведённая шероховатость

K

мм

  

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

0,15

29

Потери на трение

  

Дж/кг

  

1,73

0,86

0,22

0,58

1,45

14,51

0,79

10,06

7,63

7,70

30

Местноеспротивление в охладителе пресной  воды

  

Дж/кг

Принимаем в соответсвии с опытом

-

-

45

-

-

-

40

40

-

-

31

Сопровтивление в маслоохладителе

  

Дж/кг

Принимаем в соответсвии с опытом

-

-

-

35

-

-

30

30

-

-

32

Сопровтивлениев воздухоохладителе

  

Дж/кг

Принимаем в соответсвии с опытом

-

-

-

25

-

-

-

-

-

-

33

Сопровтивлениев фильтре грубой очистки

  

Дж/кг

Принимаем в соответсвии с опытом

20

-

-

-

-

-

-

-

-

-

34

Сопровтивлениена входе в трубопровод

  

Дж/кг

 

1

-

-

-

-

-

-

-

-

-

35

Сопротивление на выходе из трубопровода

  

Дж/кг

 

-

-

-

-

2

-

-

-

-

-

36

Сопротивление погибов

  

Дж/кг

 

16

4

6

20

4

8

8

8

12

12

37

Сопротивление фитинговойарматуры

  

Дж/кг

 

5.88

3.92

3.92

3.92

1.96

3.92

6.13

6.13

1.96

1.96

38

Сопротивление запорныхклпанов

  

Дж/кг

 

-

-

21,6

21,6

10,8

-

33,8

33,8

10,8

10,8

39

Сопротивление невозвратных клапанов

  

Дж/кг

 

14

-

-

-

-

-

-

-

-

-

40

Сопротивление клинкетных задвижек

  

Дж/кг

 

0,42

-

-

-

-

-

-

-

-

-

41

Сопротивление дроссельных шайб

  

Дж/кг

 

-

-

-

34,9

-

-

-

-

-

-

42

Суммарные местные потери по всем участкам

  

Дж/кг

  

57,3

7,92

76,52

105,5

18,76

11,92

117,9

117,9

26,76

26,76

43

Общие суммарные сопротивления участков трубопроводов

  

Дж/кг

  

69,5

7,97

79,3

106,4

19,3

30,9

123,5

123,5

66,1

66,1

44

По магистралям

  

Дж/кг

+114    176,4

+

+

+

  

+

          

                                                                     +87      203,2           +              +                           +           +                                                                


 

                                                                                 290              +                                                                                         +              +                             +

 

                                                                                 290              +                                                                                         +                               +            +   


 

6. Построение характеристики сети

Характеристики насоса (номинальные  значения):

H=

G=

H=

 

Таблица 2. Напорная характеристика сети

 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

H

49

58

86

133

198

290

383

503

645

802

G

0

48

96.4

145

193

241

289

337

386

434


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Напорная характеристика сети.

 

 

 

 

5. Выбор насоса

Выбор насоса производится по каталогам, исходя из его подачи, напора, кавитационного запасаэнергии на входе в колесо.

 

Принимаем 2 насоса + 1 резервный НЦВ 120/35:

= 120м³/ч

= 350Дж/кг

n = 3000об/мин

25 кВт

Кавитационный запас Δhд=60 Дж/кг

Располагаемый кавитационный  запас

 

, кавитационное качество выбранного  насоса обеспечено.

 

6. Расчёт трубопровода  на прочность

Толщины стенок всех труб системы  удовлетворяют условию:

 

Напряжение сжатия от тепловой деформации

МПа , где

ε – коэффициент линейного  расширения

E – модуль упругости материала трубы

tmax –максимальное значение температуры забортной воды

Напряжение в радиальном направлении, сжатие от сил давления

МПа, где

Па

 

 

 

 

 

Напряжение в тангенциальном направлении от сил давления

 МПа

Эквивалентное напряжение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Расчет охладителя воды


№         Показатели        Обозна-   Размер-   Формула, источник информацииЧисл.

п/пчениеность                                                                              знач.


1      Принимаемаумая                                    Охлаждаемая вода движется в межтруб-

       схема охлажд. воз                                   ном пространстве между сегментными

       духа , Охлаждение                                  перегородками, омывая трубки снаружи

       с прям.труб., закре                                  Охлаждающая вода движется внутри

       пленная  с обеих ко                                  трубок.

       нцов


2     Отношение  наруж-          Принимаем в соответствии с опытом     1,33

ного диаметра тру                                   проектирования

бок к внутреннему


3     Повышение  темпе         10,5

ратуры морской во

ды в охладителе


 


4    Температура забо 40,5

ртной воды на вы

      ходе из  охла-ля.                                        на входе в охладитель


 

5    Средняя логариф,           34

мическая разность

между пресной и 

      забортной  водой


6    Скорость пресной       м/с      Принимаем в соответствии с опытом             2

воды в трубках


7    Число ходов по        Принимаем в соответствии с опытом4

воде                                                          


8     Плотность прес-                  кг/     Принимаем 977

ной воды


9    Число трубок  в        N     92

охладителе


10   Количество труб-       46

ок расположен-

в вырезе сепа-ии


11   Шаг разбивкиS  м                 0.022

трубок


12 Коэффициент зап -          Принимаем в соответствии с опытом           0,8

олнения трубной                                      проектирования

доски


13  Диаметр гнезда           Dм                  0,22

трубок(диаметр

трубной доски)


14  Внутренний диа-         м            0,23

метр корпуса ох-                                      +0,002

ладителя


15  Площадь для про-     0.023

хода охлажда-

емой воды в выре


зе перегородки

 

16  Число ходов по            -          Принимаем в соответствии с опытом  4


заборной воде


17  Средняя темпера- 34,5 

тура заборной

воды(охлажд.)


18  Физические пара-

метры морской

воды при


а    Плотность морс-           кг/Справочные данные                                     1018

кой воды


б    Соленость воды            SСправочные данные                                       35


 

в    Теплоемкость за-                  Справочные данные                                     3926

 бортной воды


г    Коэффициент ки-/с           Справочные данные                                    0,824*

нематической

      вязкости


д    Коэффициент                     Вт/м*К      Справочные данные                                   0,575

теплопроводности


19  Скорость охлаж-        м/с               0.76

дающей воды

(заборнтной)


20  Критерий Рейно- 1.48*

льдса


21  Критерий Нуссе-                  96,5

льта                                                    =


22  Коэффициент те-              Вт/                          4624

плоотдачи от вну-

тренней поверх-

ности стенки к

забортной воде


23  Средняя темпера-                                                    68

тура пресной воды

 



24   Физические пара-


метры озлаждае-

мой воды при 


а      Теплоемкость         Справочные данные                                       4,2

пресной воды


б      Коэффициент                    Справочные данные                                   0,429*

кинематической

вязкости


в      Коэффициент  те-\                Вт/м*К     Справочные данные                                    0,665

плопроводности


25    Критерий Рейно-                                    4,48*

льдса по пресной

вода


 

26   Критерий Нуссе-                                  123,7

льта


27   Коэффициент теп              Вт/                            5141

лоотдачиохлаж-

дающей воды от

пресной водык

наружной повер-

ности трубки


28   Коэффициент те-        kВт/*К2223,5

плопередачи от                                        =

пресной воды

к забортной с уче-                                     (

том загрязнения                                      

трубок


29   Определение по-         75

верхности тепло-

       обмена  трубок

 

 

 

 


 

Список литературы

  1. Диденко В.Ф., Тарандо Е.В., Даниловский А.Г. Проектирование и комплектование систем охлаждения СДУ. ЛКИ, 1990г.
  2. Диденко В.Ф. К проектированию систем охлаждения главных и вспомогательных двигателей дизельных и судовых энергетических установок. Учебное пособие. Часть 1.
  3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975 г.
  4. ОСТ.5.0045-82. Системы судовые и системы СЭУ, методика и программа гидравлических расчётов трубопроводов на ЭВМ.
  5. ОСТ 5.5104-79. Трубопроводы судовые. Методика расчёта безотказности и долговечности элементов и допустимые скорости потока морской воды.
  6. Артемьев Г.А. и др. Системы судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1990г.



Проектирование систем водяного охлаждения