Расчет системы отопления ТС

 

 

 

 

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО

Волгоградский государственный технический университет

Факультет подготовки инженерных кадров

Кафедра: «Теплотехника и гидравлика»

 

 

 

 

Курсовая работа

по Теплотехнике и ТЭ

тема: «Расчет системы отопления ТС»

Вариант № 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2016 г.

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

1.Цель работы

 

    Выполнение контрольной работы является важным этапом в изучении дисциплины «Теплотехника и теплотехническое оборудование транспортных средств и автотранспортных предприятий» студентами направления «Эксплуатация транспортных средств», обеспечивающее:

• углубление и закрепление знаний по изучаемой дисциплине;
• приобретение навыков практического использования теоретических положений для расчетов теплообменных аппаратов и теплового баланса транспортного средства;
• изучение различных способов обогрева салона автомобилей.

(Термин «салон» в данной работе  в зависимости от варианта  задания используется для условного обозначения салона автобуса, а также кабины и фургона грузового автомобиля).

 

2.Таблица задания.

Наименование	Обозн. и разм.	Вариант № 9
Температура окружающей среды	tнар , ○С	-5
Давление окружающей среды	В, гПа	1025
Необходимая температура в салоне	tвн , ○С	21
Кратность циркуляции	z, 1/ч	8
Размеры салона l x b x h	м	8 х 3,5 х 2,5
Схема теплообменного аппарата	–	1
Скорость движения воздуха относительно наружной поверхности салона	W, м/с	19
Коэффициент избытка воздуха	a	1,45

 

3.Схема обогрева фургона.

Фургон предназначен для перевозки грузов, которые нельзя охлаждать до отрицательных температур. Стенки, пол и потолок фургона теплоизолированы (рис. 2.), окон нет.

Для обогрева по периметру фургона проложена стальная труба, в кото-рой циркулирует горячая жидкость из подогревателя. Внутренний и наружный диаметры заданы (табл. 1). Требуется определить ее длину, необходимую для поддержания заданной температуры воздуха внутри фургона.

 

Схема№1 

Рис. 1. Обогрев фургона грузового автомобиля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Стенка фургона

 

Таблица 1 Числовые значения величин к схеме № 1

dвн, мм	dнар, мм	δ1, мм	δ2, мм	δ3, мм	λстали, Вт/(м·К)	λпен, Вт/(м·К)
100	108	1	100	1	50	0,04

 

 

4.Расчет теплового баланса фургона.

 

Тепловой баланс салона автомобиля составляется для расчета необходимой теплопроизводительности системы отопления. Он учитывает теплоту подводимую в салон и отводимую от него. Влияние в зимний период солнечной радиации из-за ее небольшой величины не учитывается, поэтому уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

 

 

 

 

 

Q0 +Qr +Qg -Qc -Qв = 0,                (4.1)

 

Где:

Q0 – теплопроизводительность системы отопления;

 

Qr – тепловой поток, поступающий в салон от водителя и пассажиров;

Qg – тепловой поток, поступающий в салон от двигателя;

Qc – тепловой поток, отводимый через пол, потолок, стенки и стекла салона;

Qв – тепловой поток, удаляемый из салона вместе с выходящим наружу воздухом.

В большинстве автомобилей и автобусов двигатель расположен вне салона, отделен от него перегородками. Поэтому значение Qg весьма мало. Для упрощения расчета им можно пренебречь. Ввиду малости, можно также пренебречь и величиной Qr. В результате уравнение теплового баланса упрощается:

Q0 -Qc -Qв = 0,       (4.2) Непрозрачные стенки салонов современных автомобилей состоят из нескольких слоев: металлической обшивки, антикоррозийного покрытия, термоизоляционного и противошумного слоев, гидроизоляционного пленочного покрытия. Тепловой поток, передаваемый через многослойную плоскую стенку, зависит от разности температур и условий теплообмена воздуха внутри помещения и снаружи, от свойств материалов и толщины каждого слоя (особенно термоизоляционного).

           В общем случае, если стенки кабины состоят из n различных участков, то

                          (4.3) 

где  ki  – коэффициент теплопередачи   i-ого участка; Fi  –  площадь    i-ого участка ; ∆t – разность температур воздуха внутри салона и снаружи, по условию задания температура снаружи -5○ С, а внутри  +21○ С, следует, что разность температур  ∆t=26○ С.

 

             Fi = 2·(l·b + b·h + l·h)  = 2·(8·3,5+3,5·2,5+8·2,5) = 113,5 м2         (4.4)

 

    Коэффициент теплопередачи i-ого участка определяется следующим образом:

          

  (4.5)                             

где αвi и αнi – коэффициенты теплоотдачи соответственно на внутренней и наружной поверхностях участка стенки; m – число слоев на данном участке; δi и λi – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя.

         Движение воздуха вдоль наружных поверхностей салона автомобиля имеет сложный характер. При движении автомобиля (или при стоянке на ветру) наблюдается неравномерное распределение скоростей вдоль боковых поверхностей, образование вихрей сзади автомобиля, его кабины и перед ло-бовым стеклом. Детальный учет этих факторов делает точное определение αнi весьма сложным. К тому же при изменении скорости и направления дви-жения автомобиля и ветра αнi изменяются. Для упрощения расчетов в дан-ной работе рекомендуется определить средний коэффициент теплоотдачи αн по наружной поверхности кабины и считать, что он одинаков для всех ее участков, т. е. αнi = αн = 43 из уравнения (5.5).

Для определения средних коэффициентов теплоотдачи при вынужденном обтекании плоских поверхностей потоком воздуха необходимо воспользо-ваться указаниями п. 5.

         Внутри  салона скорости движения воздуха  весьма малы (не более 0,3 м/с по  санитарным соображениям) и неравномерно  распределены по объему. При столь  малых скоростях процесс теплоотдачи  на внутренней поверхности кабины обусловлен практически только естественной конвекцией. Коэффициенты теплоотдачи   αвi  малы по сравнению с  αн    и различны на различных участках. Например, αв  на поверхностях стекол будут больше, чем на поверхностях многослойных стенок, т. к. разность температур поверхностей и воздуха в первом случае больше, чем во втором. В данной работе с целью упрощения принято, что коэффициенты теплоотдачи на различных участках внутренней поверхности кабины одинаковы, т.е. αвi = αв .  Из практики известно, что в подобных случаях αв лежит в  пределах от 6 до 20 Вт/(м2·К ), для данного условия αвi =10 Вт/(м2·К ).

Тепловой поток Qв, удаляемый из кабины с выходящим наружу воздухом, определяется следующим образом:

        (4.6)  где  – средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха  (кДж/(кг·К))    в диапазоне температур от  tнар до tвн ( в данной работе, учитывая значения температур, можно использовать Cpв при 0 ○С, из таблицы П.2  Cpв = 1,005 (кДж/(кг·К)).

Aв – объемный расход воздуха (м3/с); ρв – плотность воздуха в салоне (кг/м3); tвн и tнар – температуры воздуха внутри и снаружи салона (○С), из условия.

Объемный расход воздуха составит:            

                                                                    (4.7)

где V – объем рассматриваемого фургона V=8·3,5·2,5=70 (м3); Z – кратность циркуляцию (ч-1), из условия Z = 8 (ч-1).

       Плотность воздуха  в салоне определяется с помощью  уравнения состояния идеального газа:

                                  (4.8)

где В – атмосферное давление (Па), по условию В=1025 (гПа)=102500 (Па) ; R = 287 Дж/(кг·К) – удельная газовая постоянная воздуха; Tвн= tвн + 273 –температура воздуха внутри помещения (К), где tвн = 21 (○С), Tвн= 21 + 273= 294 (К).

       После того, как  определены потери теплоты через  стенки салона Qc и с уходящим воздухом Qв, из уравнения можно найти потребную теплопроизводительность системы отопления из формулы (4.2) :

              Q0 =Qв +Qc=4750+1180=5930 Вт                                         (4.9)

5. Расчетные зависимости для определения  коэффициентов теплоотдачи

Коэффициенты теплоотдачи, входящие в формулу коэффициента теплоотдачи   (α1 и α2 ), находятся из выражения:   

                                                                              ,                                  ( 5.1)

где Nu – число подобия Нуссельта; α – искомый коэффициент теплоотдачи;

         λ–коэффициент теплопроводности воздуха, соприкасающейся с твердой стенкой ( из таблицы П.2  λ = 0,02442 Вт/(м·К)); l – длинна фургона ( из таблицы П.2  l = 8 м).

Число подобия Нуссельта определяют из уравнения подобия

                                        Nu = f (Re, Gr, Pr),                             (5.2)

конкретный вид которого зависит от условий теплообмена.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя.

Результаты экспериментов по изучению теплоотдачи при продольном обтекании воздухом при Re ≥ 4*104 пограничный слой турбулентный и расчетная зависимость для коэффициента теплоотдачи имеет вид:

                                        (5.3)

 

Число Рейнольдса:

                                       

                            (5.4)

где W – средняя скорость воздуха ( из условия W = 19 м/с); l – длинна фургона (из условия l = 8 м); ν – кинематический коэффициент вязкости воздуха ( из условия ν = 13,28·106 м2/с).

В уравнениях (5.4) и (5.5) за определяющий размер берется размер по-верхности в направлении потока (длина фургона в направлении движения автомобиля).

Из уравнения (5.1) следует :

                                                                       (5.5)                                                                 

6. Расчет процесса сгорания.

 

В этой части определяются:

• расход топлива;
• расход воздуха в подогревателе;
• теоретическая температура и состав продуктов сгорания.

Определение расхода топлива

Расход топлива в подогревателе Gт (кг/ч) определяется на основе найденного значения теплопроводности:

                                                      (6.1) 

где: ή0 = 0,8 – коэффициент полезного действия подогревателя

= 42500 кДж/кг = 42500000 Дж/кг– низшая теплота сгорания дизельного топлива.

Определение расхода воздуха в подогревателе

Определяется теоретически необходимое количество воздуха для сгорания одного килограмма топлива   (кг· воздуха / кг· топлива):

                           

   (6.2)                      

где: Сp , Hp, Sp, Op – соответственно массовые доли углерода, водорода, серы и кислорода в используемом топливе.

Для дизельного топлива: Сp = 0,87, Hp = 0,13, Sp = 0, Op = 0.

Действительный расход воздуха, поданного для сжатия топлива(Gвозд кг/ч) составит:

                       

                 (6.3)

где: α – коэффициент избытка воздуха (задается в таблице вариантов).

Величина Gвозд необходима для выбора вентилятора при конструировании подогревателя.

Определение состава продуктов сгорания.

                                 

              (6.4)

                                  

                   (6.5)

                                           

                 (6.6)               

                          

       (6.7)

где: - масса продуктов сгорания в расчете на 1 кг топлива.                                                          

Определение теоретической температуры продуктов сгорания

Теоретическая температура продуктов сгорания находится с помощью уравнения теплового баланса:

                                         

                                   (6.8)

 

где: Qок – теплота, вносимая окислителем