Термо-газодинамический расчет турбодетандерных агрегатов реактивного типа

Санкт-Петербургский государственный университет

низкотемпературных и пищевых технологий

кафедра Криогенной техники

Расчетная работа

по курсу «Расширительные машины»

«Турбодетандерные агрегаты реактивного типа.

Термо-газодинамический расчет»

Выполнил: студент 442 группы

Бажухин А.В.

Принял: д.т.н., профессор

Прилуцкий И.К.

Санкт-Петербург

2010

I.  Исходные данные для расчета

Заданные параметры

Основные сечения 0-0; (н-н); 1-1; 2-2; к-к;

р₀ = р_н = 20 МПа              R = 287,1 Дж/(кгК)                  m = 4,167кг/с

Т₀ = Т_н = 283 К                k = 1,4                                      ξ_н = 0,92

р_к = 0,6 МПа                    П = р_н/р_к = 33,3                        1/П = 0,03

Рабочее колесо – закрытого типа

II.   Термо - газодинамический расчет детандера

1.  Угол потока на выходе из направляющего аппарата.

α₁ = 14 ÷ 20 (25) ⁰

α₁ = 14.

2.  Скоростной коэффициент направляющего аппарата.

К_с = С₁/С_1s = 0,95;            К_с = 0,96 ÷ 0,96.

3.  Изоэнтропный полный теплоперепад ТД (q_внеш = 0).

Дж/кг.

4.  Условная скорость потока газа, соответствующая изоэнтропному процессу расширения (на выходе из детандера).

м/с.

5.  Угол установки лопатки на входе в Р.К.

β₁ ≈ β_1л = 90⁰

6.  Отношение скоростей

.

7.  Коэффициент реактивности Р.К. (при β₁ = 90⁰).

.

8.  Действительная скорость истечения газа из С.А.

 = 575,6∙0,95 = 392,4 м/с.

9.  Расчетная переносная скорость на внешнем диаметре рабочего колеса.

U₁ = C₁ ∙ cosα₁ = 392,4∙0,97 = 380,6 м/с;

 → наивысший адиабатный КПД

, т.е. лежит в рекомендуемом диапазоне.

10.Относительная скорость на входе в Р.К.

W₁ = C₁ ∙ sinα₁ = 392,4 ∙ 0,242 = 94,9 м/с.

11.Изоэнтропийная скорость истечения газа из С.А.

 м/с.

12.Действительный теплоперепад в С.А. (с учетом возврата теплоты трения q_с).

Дж/кг

.

13.Действительная температура газа на выходе из С.А. (входе в Р.К.)

 К.

14.Изоэнтропный теплоперепад в С.А.

 Дж/кг;

Проверка (см. п. 7): .

15.Изоэнтропная температура газа на выходе из С.А.

К.

16.Повышение температуры газа на выходе из С.А. за счет преобразования внутренней работы трения

Т_1s – Т₁ = 199,6 – 190,7 = 8,9 К.

17.Давление газа на выходе из С.А. (входе в Р.К.).

 МПа.

18.Коэффициент сжимаемости при температурах газа на входе в Р.К.

19.Отношение диаметров Р.К.

20.Переносная скорость на выходе из Р.К.

При      

U₂ = 380,6 ∙ 0,4 = 152,2 м/с

21.Угол установки лопатки на выходе из Р.К.

Принимаем: α₂ = 90⁰

β₂ = 32 ÷ 45⁰

Принимаем: β₂ = 32⁰

22.Относительная скорость на выходе из Р.К.

 м/с.

23.Абсолютная скорость на выходе из Р.К.

 м/с.

24.Изоэнтропный теплоперепад в Р.К.

;

Дж/кг.

25.Коэффициент возврата теплоты

.

26.Теоретическая температура газа на выходе из Р.К. (ТД).

Если , то

К.

27.Потери на трение в каналах Р.К.

 Дж/кг;

.

28.Потери на дисковое трение (подводимое тепло к газу в пределах рабочего колеса).

    Принимаем .

 Дж/кг

29.Действительный теплоперепад в Р.К. (1-2).

 Дж/кг

30.Температура газа на выходе из лопаточного аппарата Р,К, (по аналогии с п. 26).

К

30`. Давление газа на выходе из рабочего колеса.

 МПа.

30``. Коэффициент сжимаемости при параметрах на выходе из Р.К.

, т.к. близко к кривой насыщения и может быть ошибка

31.Гидравлический КПД детандера

; ; при α₂ = 90⁰;

 = 0,95² ∙ cos14⁰ = 0,8757

Примечание:

32.Адиабатный КПД детандера.

, где

 - полный действительный перепад энтальпий в ТД

 - полный изоэнтропный перепад энтальпий

; для закрытых колес  = 0

33.Полный действительный перепад в ТД.

h_ТД = η_ад∙h_sТД

34.Конечная температура газа за детандером (ид. газ)

Т_к = Т_н - η_ад(Т_н - Т_кs) = 118 – 0,794(118 – 79,8) = 87,7 К

III. Определение геометрических параметров Р.К.

35.Скоростной коэффициент потока в канале за Р.К..

; в нашем случае

36.Скорость газа в выходном сечении (в воронке) турбодетандера

C₀ = ψ_cC₂sinα₂ = 1,06 ∙ 43,2 ∙ 1 = 45,8 м/с

37.Плотность газа в характерных сечениях проточной части.

ρ_i = f(p_i, T_i) – по табличным данным реального газа или расчетом:

кг/м³    (см. п. 13, 17, 18)

 кг/м³   при  

 кг/м³   при  

Примечание: При параметрах вблизи кривой насыщения ошибка в определении ξ_i велика, поэтому принимаем ξ₁ ≈ ξ₂ ≈ ξ_к = const.

38.Рекомендуемые конструктивные соотношения

39.Условный коэффициент расхода потока газа на выходе из детандера

40.Внешний диаметр рабочего колеса

 м.

41.Частота вращения ротора ТД.

 1/с ≈ 9080 об/мин.

42.Внутренний диаметр рабочего колеса.

 м

43.Внешний диаметр выходного сечения (воронки).

 м

44.Внутренний диаметр выходного сечения (воронки).

 м

45.Ширина канала на входе в рабочее колесо.

 м

где τ₁ = 0,9 ÷ 0,95; τ₁ = 0,9                 

46.Ширина канала на выходе рабочего колеса.

 м

где τ₂ = 0,85 ÷ 0,9; τ₁ = 0,85               

47.Требуемое число лопаток рабочего колеса на d₁

z_л ≈ 10 + (0,03 ÷ 0,04) ∙ d₁ = 10 + 0,036 ∙ 370 = 23, где d₁[мм]

На основании полученных данных к расчетной работе прилагается эскиз проточной части нагнетателя с указанием основных сечений и размеров