Расчет коллекторов круглого сечения

При герметизированном нижнем сливе коллектор укладывается параллельно железнодорожному пути на расстоянии не менее 1,8 м от оси пути. При самотечном сливе эти коллекторы представляют собой безнапорные трубопроводы круглого сечения. Расход нефтепродуктов в таких коллекторах определяется по формуле

(2.48)

где φ — угол, характеризующий степень заполнения трубы (рис. 2.10, а).

Рис. 2.10. К расчету безнапорного коллектора круглого сечения (а) и характеристика безнапорного трубопровода (б)

Функция f (φ) определяет влияние степени заполнения трубы на расход и вычисляется методом численного интегрирования. В табл. 2.2 приведены значения f (φ) в зависимости от φ и степени заполнения ε = h/d. Здесь же даны значения отношений расходов при неполном заполнении Qφ к расходам при полном заполнении сечения трубы (Q₀).

Таблица 2.2

Значения f (φ) в зависимости от степени заполнения нефтепровода

φ	ε=	f (φ)
0 7,5 15 30 45 60 75 90 120 150	1,000 0,996 0,988 0,932 0,853 0,751 0,629 0,500 0,250 0,067	3,1416 3,1973 3,3741 3,7994 4,0197 3,6268 2,6790 1,5708 0,3348 0,0025	1,000 1,018 1,074 1,209 1,279 1,155 0,853 0,500 0,106 0,001

Из приведенной табл. 2.2 и графика на рис. 2.10, б видно, что расход в безнапорном трубопроводе при малых степенях заполнения больше, чем при полном заполнении трубы, и достигает максимального значения

Q_φ = 1,279Q_о при φ = 45°. Это явление объясняется тем, что с уменьшением степени заполнения от 1 до 0,7 гидравлический радиус незаполненного трубопровода больше, чем заполненного, и достигает максимума при ε = 0,853. Затем по мере дальнейшего уменьшения е наблюдается обратное явление, когда гидравлический радиус незаполненного трубопровода становится меньше по сравнению с заполненным трубопроводом.

При турбулентном режиме движения расход в коллекторе можно определять по формуле

(2.49)

Для определения размеров поперечного сечения сливных трубопроводов необходимо знать величину расчетного расхода. При сливе одной цистерны: этот расход определяется, как

Расход для коллекторов рассчитывается для нескольких цистерн или целого маршрута. При этом Q_р определяют с учетом неодновременности начала слива из различных цистерн. Время запаздывания Δτ складывается из времени, затрачиваемого на подготовительные операции. Расход в коллекторе равен сумме расходов из каждой цистерны маршрута. Расход из первой цистерны, откуда только что начался слив,

Если из второй цистерны слив начался раньше на Δτ, то часть нефтепродукта из нее уже сольется и истечение будет происходить при уровне h₂<D, а следовательно, и q₂ < q₁ (рис. 2.11).

Рис. 2.11. К определению расчетного расхода сливного коллектора.

Уровень нефтепродукта определится из формулы (2.31):

Отсюда

Расход из третьей цистерны, сливающейся в течение 2 Δτ времени, будет еще меньше и по аналогии со второй цистерной составит:

Если число цистерн в маршруте

N, а бригада сливщиков одновременно может обработать а цистерн, тогда расход из п-й цистерны с учетом поправок на запаздывание составит:

При сливе на одной половине коллектора 0,5 маршрута расчетный расход составит:

(2.49)

Таким образом, гидравлический расчет коллекторов сводится к нахождению размеров поперечного сечения при известном расходе Q_p

и заданном уклоне i. Обычно величину i принимают в пределах от 0,005 до 0,01.

Слив по схеме (см. схему на рис. 1.12, г) производится через специальный трубопровод при помощи насосов. Если применяется самовсасывающий насос, способный создать разрежение в трубопроводе =h_вс, то расчет такой системы сводится к проверке неравенства

(2.50)

где Δz — разность отметок начала и конца нефтепровода.

В случае применения несамовсасывающих насосов неравенство (2.50) запишется в виде

Отводная труба при подключении к середине сливного коллектора рассчитывается по удвоенному расходу в коллекторе. При движении нефтепродукта в отводной трубе полным сечением диаметр ее определяется по формуле

(2.51)

где Δz — разность отметок нижнего уровня нефтепродукта в коллекторе и оси отводной трубы у нулевого резервуара.

Если движение потока в отводной трубе происходит неполным сечением, то d определяют по формуле (2.48).

При сливе высоковязких нефтепродуктов из цистерн, оборудованных паровой рубашкой, в отводную трубу поступает поток в вязко-пластическом состоянии. Чтобы это звено сливной коммуникации не лимитировало производительность слива, необходимо предусмотреть внешний обогрев трубы.

Движение таких потоков мало изучено и решение подобной задачи связано с большими трудностями.

В данном случае для трубопровода небольшой протяженности задача может быть упрощена и сведена к установившемуся движению изотермического ламинарного двухкомпонентного потока, в центре которого движется «холодная» часть (ядро потока), а в пристенном слое (кольцо толщиной δ) «горячая» часть. Оба компонента потока движутся соосно, т. е. симметрично относительно оси трубы. Расчетная схема представлена на рис. 2.12.

Рис. 2.12. К расчету нефтепровода с внешним обогревом.

1 — пристенный разогретый слой нефтепродукта; 2 — внешний обогрев; 3 — «холодное» ядро нефтепродукта в трубе.

При указанных упрощающих положениях дифференциальные уравнения движения примут вид:

для «холодного» потока

(2.52)

для «горячего» потока

(2.53)

где w — скорость потока; r — переменный радиус; μ— динамическая вязкость;

R — радиус трубы; — пьезометрический уклон.

В результате интегрирования уравнений (2.52) и (2.53) получим уравнения скоростей потоков:

Здесь с₁, с₂ и с’₁ с’₂ — постоянные интегрирования, определяемые из следующих граничных условий:

1) при r = R скорость потока горячей нефти (у стенки) равна нулю, т. е. w_г = 0

2) при r = r₀ (где r₀ — радиус границы раздела) скорости на границе раздела равны, т. е. w_x = w_г

3) при r = r₀ касательные напряжения «холодного» и «горячего» потоков равны, т. е. τ_х = τ_г

Дифференцируя уравнения скоростей, получаем

4) при r = 0 касательные напряжения на оси «холодного» потока равны нулю, т. е. τ_х = 0

Выполнение последнего условия возможно при с₁ = 0.

Тогда из третьего условия следует, что и с’₁ = 0, а согласно первому условию

Подставив значение с’₂ в равенство по второму условию, получим

Вносим значения постоянных с₁; с₂; с‘₁ и с‘₂ в уравнения скоростей:

Расходы «холодного» и «горячего» потоков получим, проинтегрировав уравнения скоростей:

т. е.

Общий расход трубопровода

или

(2.54)

Уравнение (2.54) можно упростить, если принять, что ρ_г≈ρ_х = ρ и μ=ρν, а также заменить =

Тогда, переходя к диаметру трубы, получим

(2.55)

Формула (2.55) позволяет определять потери напора на трение в трубопроводах с внешним обогревом при ламинарном режиме.

Кроме того, при отсутствии внешнего обогрева (ν_x = ν_r = ν) формула (2.55) обращается в известное уравнение Пуазейля:

При больших значениях ν_x величиной l/ν_x (по сравнению с l/ν_г) можно пренебречь. Тогда выражение в квадратных скобках (обозначим его буквой А) упростится:

Пренебрегая величинами δ², δ³ и δ⁴, как весьма малыми, получаем

Если подставить значение А в (2.55), получим уравнение для приближенных расчетов:

(2.56)

Из сравнения (2.56) и формулы Пуазейля видно, что чем больше вязкость основного (холодного) потока, тем выше эффективность внешнего обогрева:

(2.57)

Поскольку для коротких трубопроводов δ=const, величина k_э будет возрастать с увеличением вязкости холодного нефтепродукта.

Значение δ для практических расчетов отводных труб с внешним обогревом следует принимать в пределах от 0,5 до 1 мм.

Расчет коллектора и щеток

Диаметр коллектора:

Принимаем,

Коллекторное деление:

Коллекторное деление тепловозных электрических машин должно быть не менее 0,004 м при толщине изоляции между пластинами

Толщина коллекторной пластины:

Высота коллекторной пластины:

Окружная скорость коллектора:

Число щеточных бракетов обычно берется равным числу полюсов. Ток, протекающий через щетки бракета:

Плотность тока под щеткой принимается в зависимости от выбранной марки щеток (табл. 3 [1]). Выбираем марку щетки ЭГ-2А (2х12,5)х40х60.

Площадь контактной поверхности щеток бракета:

Щетки ТЭД разрезные, установлены в одни ряд вертикально.

Суммарная ширина контакта щетки и коллектора для ТЭД:

Площадь контакта пары щеток с коллектором:

Количество пар щеток в одном щеточном бракете:

Общее количество щеток для ТЭД:

Щеточное перекрытие для ТЭД:

Суммарная площадь соприкосновения щеток одного бракета с коллектором:

Фактическая плотность тока под щетками:

Площадь поперечного сечения петушков коллектора:

Полная длина коллектора:

8. Расчет магнитной цепи

Целью расчета магнитной цепи является определение намагничивающей силы главных полюсов, необходимой для создания основного магнитного потока. При этом следует учитывать допустимые значения магнитной индукции по участкам магнитной цепи (табл. 4[1]).

Намагничивающая сила, требующаяся для проведения магнитного потока через воздушный зазор, составляет не менее 60% всей намагничивающей силы главных полюсов ТГ, а для ТЭД эта величина достигает 80%. Необходимо тщательно подходить к выбору параметров воздушного зазора, т.к. может оказаться, что малое значение магнитной индукции в зазоре приведет к недоиспользованию магнитных свойств стали в остальных участках магнитной цепи и, как следствие, к увеличению размеров машины и ее веса. Одновременно с этим при слишком большой магнитной индукции в воздушном зазоре может оказаться, что отдельные участки магнитной цепи находятся в насыщении и не способны провести требуемый магнитный поток. При расчете воздушного зазора учитывается то, что магнитные силовые линии сгущаются над зубцами и разрежаются в зоне пазов.

Основной поток главного полюса:

Полный поток главного полюса:

— коэффициент рассеивания магнитного потока.

Магнитная индукция в воздушном зазоре:

Из опыта проектирования тепловозных электрических машин зазор между полюсами и якорем определяется по выражению:

Зазор под краями полюсного башмака:

Эффективный воздушный зазор:

— эффективный коэффициент зазора.

Коэффициент зазора:

Намагничивающая сила воздушного зазора:

Сердечник якоря набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,0005 м и марок Э12, Э13, Э22, Э310, Э320, Э1300 и других.

Традиционно принято расчет параметров зубцов вести по сечению зубца на 1/3 высоты от его основания.

Индукция в зубце на 1/3 его высоты:

– коэффициент заполнения сердечника сталью.

Коэффициент ответвления магнитного потока в пазе:

Расчетная индукция в зубце:

— магнитная постоянная;

— напряженность магнитного поля в зубцах при магнитной индукции(находится по табл. 5[1]).

Намагничивающая сила зубцовой зоны якоря:

— напряженность магнитного поля в зубцах при магнитной индукции

Начальное значение индукции сердечника якоря выбирается по табл. 4[1]).

Якорь тягового электродвигателя выполняется сплошным, внутри располагаются вал диаметром и вентиляционные каналы в два ряда диаметром

Строительная высота сердечника якоря ТЭД:

Индукция сердечника якоря:

Расчетная длина средней магнитной силовой линии в сердечнике якоря на один полюс:

По табл. 5[1] находятся значения напряженности магнитного поля в сердечнике якоря

Намагничивающая сила сердечника якоря:

Расчетная полюсная дуга:

Длина сердечника полюса:

Ширина сердечника полюса:

— коэффициент рассеивания магнитного потока главных полюсов;

— магнитная индукция в сердечнике полюса, принятая по табл. 4[1]), Тл.

Высота сердечника полюса:

В соответствии с выбранным материалом сердечника главного полюса по табл. 5[1] или 6[1] определяется напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса

Намагничивающая сила сердечника главного полюса:

Остов тягового электродвигателя отлит из стали марки 25JIс последующей термообработкой.

Для принятого материала станины по табл. 4[1] принимаем величину магнитной индукции в станине, по табл. 7[1] или 8[1] находим значение напряженности магнитного поля

Длина станины ТЭД:

Площадь поперечного сечения станины:

— коэффициент рассеивания магнитного потока в станине;

— магнитная индукция в станине, Тл (выбирается по табл. 4[1]).

Минимальная высота стенки станины:

Средняя длина магнитной силовой линии в станине, приходящаяся на один полюс:

Намагничивающая сила станины:

Суммарная намагничивающая сила главных полюсов:

«Коэффициент насыщения» машины:

Полная намагничивающая сила реакции якоря:

Экономим электричество: расчеты производительности солнечного коллектора

В статье будет рассмотрен наиболее простой метод расчета количества энергии, которую можно получить путем применения солнечного коллектора. Статистика гласит, что в среднем в домашнем хозяйстве для использования горячей воды требуется от 2 до 4 кВт. Тепловой энергии в день на 1 человека.

Расчет мощности солнечного коллектора

В качестве примера будут приведены расчеты коллектора для Московской области.

Данные для расчетов:

1. Место применения – Московская область Площадь поглощения – 2,35м2 (на основе таблицы о среднем количестве поступления солнечной энергии для регионов РФ)
2. Величина инсоляция в Московской области – 1173,7кВт*час/м2
3. КПД – от 67% до 80% (будут использованы минимальные показатели, актуальные для устаревших коллекторов, поэтому результаты будут слегка занижены).
4. Угол наклона коллектора – в расчетах будут использованы оптимальные данные угла наклона.

карта инсоляции россии

Рассчитываем площадь поглощения для одной трубки:

15 трубок = 2,35 м. кв.; 1 трубка = 2,35 / 15 = 0,15 м. кв.

Теперь, когда известна площадь, которую поглощает одна трубка, определим количество трубок, составляющий 1 м. кв. поверхности коллектора: 1 / 0,15 = 6, 66. Иными словами, на один метр поверхности поглощения требуется 7 трубок коллектора.

Далее производим расчет тепловой мощности одной трубки коллектора. Это даст возможность рассчитать число трубок, необходимых для получения достаточной тепловой энергии на периоды в один день и один год:

Получаемая мощность в расчете на один день рассчитывается следующим образом: 0,15 (S поглощения 1 трубки) x 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) x 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт*час/м. кв.

Для расчета годовой эффективности одной трубки в выбранном регионе в формуле для расчета дневной мощности следует использовать годовые инсоляционные данные. Иначе говоря, на место 1173, 7 необходимо поставить региональное значения инсоляции.

Мощность, вырабатываемая при помощи одной трубки в Москве, составляет от 117,95 (при использовании КПД в размере 67%) до 140кВт*час/м.кв. (при использовании КПД в размере 80%).

В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325кВт*час.

В наиболее солнечные месяцы (июнь, июль) одна трубка будет производить 0,545кВт*час.

Работа солнечного коллектора без света невозможна, по этой причине указанные показатели нужно использовать при расчете светового дня.

Сколько можно сэкономить электроэнергии в Москве при использовании одного м. кв. коллектора (как мы выяснили, это 7 вакуумных трубок)?

Годовая экономия энергии составит:

117,95 кВт*час/м2 * 7 = 825,6 кВт*час/м.кв.

Наибольшую мощность солнечный коллектор, соответственно, будет вырабатывать в летние месяцы. К примеру, в июне при использовании 1 м.кв. коллектора выработка электроэнергии составит около 115–117 кВт*час/м.кв.

Иначе говоря, энергетическая польза при использовании солнечного коллектора с 15-ю вакуумными трубками, где S=2,35 м.кв. за период с марта по август при суммарном значении инсоляции за весь указанный период в 874,2 кВт*час/м.кв. составит: 874,2 * 2,35 * 0,67 = 1376 кВт, то есть, практически 1,4 МегаВт. энергии, что в день составляет примерно 8 кВт.

Вспомним статистическую информацию, приведенную в первой части статьи – в домохозяйстве используется от 2 до 4 кВт энергии при потреблении горячей воды одним человеком ежедневно. Данные показатели подразумевают использование коллектора для нагрева горячей воды и, в частности, таких нужд как принятие душа, мытье посуды и т.п.

Расчеты солнечного коллектора, состоящего из 15 вакуумных трубок, позволяют сделать вывод о том, что в огородный сезон данного устройства будет достаточно для того чтобы обеспечить горячей водой семью, состоящую из трех человек. В результате, при учете всех неблагоприятных обстоятельств, таких как пасмурная или дождливая погода, на электроэнергии, используемой для подогрева воды, можно очень неплохо сэкономить.

Если же говорить об оптимальных условиях (солнечная погода и отсутствие дождей), то в данном случае выработка тепловой энергии солнечным коллектором позволит вообще избежать необходимости платить за электроэнергию.

Примечания

Если в таблице с расчетами солнечной энергии в различных регионах РФ нет точной информации о регионе, в котором Вы проживаете, то можно воспользоваться информацией, которая указана на инсоляционной карте России. Это позволит узнать приблизительное значение получаемой тепловой энергии в расчете на один квадратный метр.

Эмпирическим путем определено: чтобы рассчитать инсоляцию для наиболее оптимального угла наклона солнечного коллектора, следует данные, указанные для выбранной площади, умножить на коэффициент 1,2.

Определение угла наклона солнечных коллекторов

К примеру, в таблице указано, что для Москвы значение энергии, которое доступно на протяжении светового дня, составляет 2,63 кВт*ч/м.кв. Иначе говоря, доступная годовая энергия составляет 2,63 * 365 = 960 кВт*ч/м.кв.

Таким образом, при оптимальном наклоне площадки в Москве коллектор будет вырабатывать приблизительно 1174 кВт*ч/м.кв.

Конечно, данный метод расчета не является высоконаучным, однако, с другой стороны, полученные данные вполне можно использовать для определения необходимого количества вакуумных трубок на бытовом уровне.

Итоги

Солнечные коллекторы из года в год обретают все большую популярность среди владельцев дачных участков. Очевидно, что это говорит о том, что данное устройство позволяет существенно сэкономить электроэнергию при нагреве воды, что подробно описано и доказано в вышеизложенных расчетных примерах.

Данный агрегат является актуальным практически для любого региона России. Но прежде чем купить солнечный коллектор, лучше посчитать рентабельности и сроки окупаемости этого оборудования, что позволит убедиться в актуальности представленного инновационного оборудования для применения в Вашем регионе.

Дата публикации: 30 мая 2014



Оставить комментарий

Вы должны быть Войти, чтобы оставлять комментарии.

Программа для расчета газового коллектора. Версия 1.1 — Расчет газового коллектора — Программы для газоснабжения — Каталог файлов

Расчет годовой потребности [1] «Программа расчета тепловых нагрузок и годового количества тепла»

Расчет гидравлических потерь [1] Расчет гидравлических потерь газопровода

Перевод единиц давления [1] Перевод единиц давления из разных систем счисления

Расчет коэффициента сжимаемости [1] Расчет коэффициента сжимаемости согласно ГОСТ 8.563.2-97

Расчет объема газопровода [1] Расчет объема газопровода

Программа для коррекции показаний [1] Программа для коррекции показаний газовых счетчиков

Выбор узла учета газа [1] Программа позволяющая в считанные секунды подобрать необходимые комплектующие для узла учета газа.

Программа расчета потерь газа [1] Программа для расчета потерь газа на технологические нужды согласно РД 153-39.4-079-01. ВЕРСИЯ 1.0

расчет перепада давления на счетчик [1] Программа для расчета нормируемых перепадов давления на различных типах газовых счетчиках.

Определение мощности котла [1] Определение мощности котла и объема бойлера

Расчет расхода краски. [1] Программа для расчета расхода краски. Версия 1.2

Программа «ГазСмета» [1] Сметная программа — «ГазСмета», для определения стоимости проектирования систем газоснабжения.

Расчет на прочность [1] Расчет на прочность стального газопровода

Расчет газового коллектора [1] Программа для расчета газового коллектора

Расчет расстояния между опорами [1] Расчет расстояния между опорами газопровода

Расчет погрешностей узла учета газа [1] Программа для расчета погрешностей узла учета газа согласно правилам ПР 50.2.019-2006

Категории взрывоопасности помещений [1] Программа для определения категорий взрывоопасности помещений согласно НПБ 105-95 «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности».

Расчет жалюзийной решетки. [1] Программа для расчета сечения жалюзийной (вентиляционной) решетки для помещения котельной — RGR Версия 1.0

IQ тест для проектировщиков [1] IQ тест для проектировщиков систем газоснабжения.

Термины [1] Англо русский словарь строительных терминов

Расчет дымовой трубы [1] Аэродинамический расчет дымовой трубы

Разное [2]