Тепловий розрахунок гідросистеми

В цьому пункті дипломного проекту необхідно виконати тепловий розрахунок гідросистеми. Нижче наведено один з прикладів розрахунку.

Обмеження нагріву масла в гідроприводі при використанні нерегульованих насосів може бути досягнуте, завдяки:

а) раціональним побудуванням гідросхем верстатів, що передбачує вибір насосів мінімально необхідної продуктивності з забезпеченням їх навантаження без тиску на бак при перервах в роботі гідроприводу;

б) вибором достатніх об’ємів масла в гідробаках, при чому конструкції останніх повинні передбачати максимально інтенсивну циркуляцію нагрітого масла вздовж поверхонь баку, а також максимально можливе відділення всмоктуючих труб від зливних труб;

в) введенням обов’язкового охолодження гідробаків за допомогою теплообмінників.

Джерело виділення тепла. В гідроприводах з насосами постійної продуктивності основним джерелом виділення тепла є масло, що зливається з високим тиском в бак через запобіжні клапани, в дросельних щілинах, яких кінематична енергія потоку перетворюється в теплову енергію. Допоміжним джерелом тепла, що нагріває корпус насосу, а відповідно, й масло, що проходить через насос, служать внутрішні витоки в насосі, що характеризуються його механічним ККД.

У насосів, що завантаженні в масло, усі витоки в насосі, що визначаються його загальним ККД йдуть на нагрівання масла в гідробаці. Таким чином, при умові зливу всього об’єму масла, яке нагнітає насос через запобіжний клапан, кількість виділеного тепла визначається за потужністю насоса.

Кількість виділеного тепла визначається за формулою:

 

(3.63)

 

де - кількість тепла, що виділяється в гідросистемі за 1 год., кДж;

– привідна потужність насоса, кВт;

- час роботи гідроприводу, год.

 

(3.64)

 

де - кількість тепла, що виділяється в гідросистемі за 1 год., кДж;

- тиск в гідросистемі, кгс/см²;

- ККД насосу, 0,92;

- продуктивність насосу, л/хв.

При надходженні усього масла, що нагнітає насос в циліндри кількість виділяє мого тепла визначається різницею приводної й ефективної потужності насоса:

(3.65)

 

Значення N_прив та N_еф для різноманітних типів насосів в залежності від робочого тиску обираємо з довідника.

 

Наприклад:

 

Визначення мінімально необхідної ємності гідробаку. Теплова енергія, що виділяється в процесі роботи гідроприводу, йде на нагрівання гідробаку з маслом, а також розсіюється в навколишнє середовище шляхом теплопередачі від поверхні бака, гідроциліндрів та трубопроводів. (В верстатах з періодичними циклами тепловіддача через гідроциліндри та трубопроводи незначна й може не враховуватися).

При досягненні температури масла, що встановилася, в гідробаці усе тепло, що виділяється розсіюється в навколишнє середовище.

Рівняння теплового балансу для гідробаків має такий вигляд:

 

= + (3.66)

 

де - кількість тепла, що виділяється в гідросистемі за 1 год., кДж;

- прирощення температури за час , °С;

- температура масла до початку розглядаємого безкінечно малого проміжку часу, °С;

- температура навколишнього повітря, °С;

- теплоємність масла, кДж/кг×°С;

- маса масла, кг;

- теплоємність металу, кДж/кг×°С;

- розрахункова маса гідробаку, кг

- розрахункова площа поверхні гідробаку, м²;

- коефіцієнт теплопередачі від баку до навколишнього повітря, кДж/м²×год.×°С

З рівняння при умові безперервної роботи гідроприводу на протязі t₂ можна отримати залежність для визначення температури масла Т:

 

(3.67)

 

де – нагнітаюча температура масла,°С.

Для практичних розрахунків можна рекомендувати наступні значення параметрів:

– кількість тепла що виділяється в гідросистемі за одиницю часу, кДж; для різноманітних режимів роботи гідросистеми може бути визначено за довідником (1кВт/год=3600кДж);

- теплоємність масла, 1,88кДж/кг;

, (3.68)

 

де - густина масла, кг/м³;

- об’єм масла в гідробаці, л;

- розрахункова площа поверхні гідробаку, м².

Кількість тепла, яка може бути передана від нагрітого масла навколишньому повітрю, прямо пропорційна площі поверхні баку. Однак умови теплопередачі для бокових стінок, основи та кришки гідробаку не однакові в наслідок різниці в їх температурах і розташуванні. Тому й введено в наступних розрахунках поняття розрахункової площі поверхні гідробаку, що визначається наступним чином:

1) передбачається, що масло залито до рівня, який складає 0,8 висоти гідробаку;

2) площа поверхні гідробаку, безпосередньо зіткнених з маслом F^/, в тому числі й площа основи, враховується повністю;

3) площа стальної поверхні гідробаку F^//, безпосередньо не зіткнених з маслом і тому має більш низьку температуру, враховується зі зменшенням в 2 рази:

(3.69)

 

Оскільки в розрахунку зручніше оперувати об’ємом масла в гідробаці, тоді виводиться формула залежності розрахункової площі поверхні гідробаку від об’єму масла. Гідробак має розміри: - ширина; - довжина; - висота; - рівень масла.

Позначимо ; ;

 

Об’єм масла:

, (3.70)

 

Тоді:

(3.71)

 

(3.72)

 

(3.73)

 

, (3.74)

 

Звідки площа поверхні баку визначається за формулою:

 

(3.75)

 

При відношенні сторін гідробаку в межах від 1:1:1 до 1:2:3, тобто при та значення знаходяться в межах 0,060-0,069.

Приймаючи для розрахунку середнє значення отримуємо формулу для визначення розрахункової площі поверхні гідробаку в остаточному вигляді:

 

(3.76)

 

Коефіцієнт теплопередачі від баку навколишньому повітрю визначається за формулою:

 

(3.77)

 

де - товщина стінки гідробаку, м;

- коефіцієнт теплопровідності, який залежить від матеріалу та температури стінки. Для чавуна та сталі: кДж/м×год.×°С;

- коефіцієнт теплопередачі зіткнення від масла до стінки гідробаку,кДж/м²×год.×°С;

- коефіцієнт теплопередачі зіткнення від стінки гідробаку до повітря, кДж/м²×год.×°С.

Значення та не визначаються властивостями матеріалу стінки гідробаку: ці величини змінюються в широких межах в залежності від сорту й характеристики мастила, характеру й складності руху мастила й повітря, величини й форми поверхні стінки, температур мастила, стінки й повітря.

Проведені дослідження показали, що для практичних розрахунків при прийнятій методиці визначення розрахункової площі поверхні гідробаку слід приймати: кДж/м²×год×°С (при відсутності інтенсивної місцевої циркуляції повітря);

для литих чавунних баків - кДж/м²×°С;

для зварних стальних баків(теплоємності чавуна та сталі в інтервалі температур 20-60°С змінюються несуттєво) - кДж/м²×°С.

Розрахункова маса гідробаку:

 

(3.78)

 

де - розрахункова площа поверхні гідробаку, м²;

- товщина стінки гідробаку, м;

- густина масла, кг/м³;

для литих чавунних баків кг/м³=7кг/дм³

для зварних стальних баків кг/м³=7,8кг/дм³ (прийнято, що розрахункова маса гідробаку відповідає розрахунковій площі його поверхні).

 

Температуру масла, що встановилася можна визначити по формулі, яку отримали з рівняння (3.5) при підстановці та вище встановлених параметрів:

 

(3.79)

 

З формули можна знайти потрібний об’єм масла в гідробаці:

 

(3.80)

 

При обмеженні максимально допустимої температури масла в гідробаці в межах 55-60°С максимально допустима температура масла нагрівання складає °С(приймаючи середню температуру навколишнього повітря в цехах 20-25°С).

Наприклад: .

 

За ГОСТ 12448-80 обираємо найбільше ближче значення об’єму гідробаку.

Приймаємо об’єм баку гідроагрегату: