Расчет рекуператора – Электронная библиотека БГТУ: Invalid Identifier
Виды рекуператоров. Теплообменник пластинчатый, пластинчатый рекуператор и другие виды теплообменников, условия их работы и особенности.
Чтобы выполнить расчет рекуператора необходимо знать следующие параметры сред участвующих в теплообмене:
1. Теплоноситель.
1.1. Состав теплоносителя для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
1.2. Количественные и тепловые характеристики
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура теплоносителя на входе t’ [°C];
· допустимое аэродинамическое cопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
1.3. Дополнительные сведения (если таковые имеются)
· содержание агрессивных веществ;
· наличие в составе пыли, ворса или других составляющих;
· допустимая минимальная температура на выходе t» [°C];
· другие.
2. Нагреваемая среда.
2.1. Состав нагреваемой среды для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
2.2. Количественные и тепловые характеристики нагреваемой среды:
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура на входе t’ [°C];
· температура на выходе t» [°C];
· допустимое аэродинамическое сопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
Расчет конструктивных размеров рекуператора производится исходя из условий создания потребной площади поверхности нагреваемой теплоносителем и омываемой потоком нагреваемой среды. Количество тепла, передаваемое нагреваемой среде через конвективный теплообмен, определяется коэффициенту теплопередачи Ко [вт/м2 · °С].
Точный расчет теплообменника сложен тем, что все теплофизические и физические параметры сред — это величины переменные и взаимозависящие. Поэтому расчет рекуператора производят на основе эмпирических данных с использованием метода критерия подобия по усредненным физическим параметрам. Методика расчета теплообменников наиболее глубоко изложена в работах акад. Михеева М.А., Кутателадзе С.С.и Барановского Н.В. Расчет выполняется по программе, в основу которой заложены основные принципы, изложенные в этих работах.
Расчет теплообменника состоит из 2-х этапов:
1. Проверка теплового баланса
Проверка теплового баланса проводится на основании заданных в техническом задании параметров теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
Vг· Срг·Δtг·ψ = Vв·Срв·Δtв,
где Vг и Vв — объемы теплоносителя и нагреваемой среды соответственно, [кГ/час].
Ср — теплоемкость сред, [дж/кГ· °С].
Δt — средняя температура теплоносителя и нагреваемой среды.
Δtг = t’г-t»г; Δtг = t«в-t’в
Ψ — коэффициент потерь тепла.
В случае необходимости проводится корректировка технического задания.
Далее высчитываются температурные коэффициенты «P» и «R», с помощью которых по экспериментальным графикам определяется коэффициент эффективности рекуператора «ε».
;
2. Расчет габаритов рекуператора
Расчёт конструктивных габаритов рекуператора производится по требуемой площади поверхности, которая омывается нагреваемой средой и определяется по формуле:
F = Q/(Ko·Δtcp·ε) [м2],
где Q-передаваемая мощность, кДж/час.
Ко — коэф. теплопередачи, кДж/м2 · °С.
Δtcp — средний температурный напор.
График изменения температур рабочих сред по поверхности аппарата.
ε — коэффициент эффективности рекуператора
Коэффициент теплопередачи Ко рассчитывается по общепринятой методике, исходя из теплофизических параметров сред теплоносителей и конструктивных особенностей теплопередачи.
Расчет производим по упрощенной формуле по конвективному теплообмену без учета потерь теплопередачи через тонкую стенку и радиационной передачи тепла.
;
где αв и αг — коэффициенты конвективной теплоотдачи теплоносителя и нагреваемой среды, рассчитываются по эмпирическим формулам в зависимости от характера течения потоков (ламинарный, турбулентный, переходной), и зависит от критериев подобия Нуссельта , Рейнольдса, Прандтля, физических параметров сред и конструктивных параметров рекуператора.
Далее проводится расчет аэродинамического сопротивления потокам теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
где:
В силу того, что физические параметры потоков сред определяются конструктивными размерами рекуператора, то коэфф. теплоотдачи Ко, определяющий площадь теплопередачи, предварительно рассчитать невозможно.
В начале расчета задаются скоростями потоков, и в дальнейшем путем итераций подгоняются геометрические параметры рекуператора. За критерий оптимизации принимаем минимальные весовые характеристики и соответствие аэродинамических потерь потоков сред техническим условиям.
Список литературы.1. М.А. Михеев, И.М. Михеева.
Основы теплопередачи. М, Энергия, 1977.
2. С.С. Кутателадзе.
Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М, Энергоатомиздат, 1990.
3. Справочник по теплообменникам. т.I, т.II.
Под ред. О.Г. Мартыненко, А.А.Михалевича, В.К.Шикова. М, Энергоатомиздат, 1987.
4. Р.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий.
Пластинчатые и спиральные теплообменники. М, Машиностроение, 1973.
5. Спр. по расчетам гидравлических и вентиляционных систем.
Под ред. А.С. Юрьева. С-Пб, Мир и Семья, 2001.
6. И.Е. Идельчик.
Спр. по гидравлическим сопротивлениям. М, Машиностроение, 1992.
« Предыдущая
Возврат к списку
РАСЧЕТ ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ ДЛЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА | Опубликовать статью РИНЦ
Баишева Л.М.1, Жиркова М.В.2
1Аспирант,
2старший преподаватель,
Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова
РАСЧЕТ ВОЗДУХО-ВОЗДУШНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ ДЛЯ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНОЙ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Аннотация
В работе представлен расчет параметров рекуператоров, установленных в приточно-вытяжных устройствах систем вентиляции воздуха. Для расчета впервые используется температура наружного воздуха tн=-50°С, характерная для населенных пунктов в условиях Севера. Отмечено несоответствие теоретических результатов расчета с экспериментальными данными.
Ключевые слова: рекуператор, вентиляция воздуха, конденсация влаги.
Baisheva L.M.1, Zhirkova М.V. 2
1Postgraduate,
2senior lecturer,
North-Eastern Federal University in Yakutsk
ANALYSIS OF AIR-TO-AIR RECUPERATOR IN THE NORTH
Abstract
The analysis of air-to-air recuperator characteristics in the North is submitted. The outdoor temperature is minus 50 degrees is for the first time used. It is noted that calculation data don’t correspond to experiment.
Keywords: recuperator, ventilation, condensation of moisture.
Затраты теплоты на подогрев приточного наружного воздуха при современных методах теплозащиты ограждающих конструкций составляют в жилых домах до 80% тепловой нагрузки на отопительные приборы, а в общественно-административных зданиях более 90%. Поэтому энергосберегающие системы отопления в современных конструкциях зданий могут быть созданы только при условии утилизации теплоты вытяжного воздуха на нагрев приточного наружного воздуха. Наибольший интерес представляют приточно-вытяжные установки систем вентиляции с вращающимся и пластинчатым рекуператорами.
Применение воздушных рекуператоров в суровых климатических условиях ограничено из-за возможного обмерзания вытяжной части теплообменной установки. Устранение обмерзания позволит существенно расширить температурный диапазон работы воздушных рекуператоров в области низких температур.
Для обеспечения бесперебойной работы рекуператора необходимо на его входе для наружного воздуха поддерживать температуру не ниже -20ºС. В то же время температура кипения хладагента в испарителе, находящемся в канале уходящего воздуха, не должна опускаться ниже 0… 5ºC для недопущения его обмерзания [1, 2].
В настоящий момент широко применяется общепринятая методика расчета параметров приточного и удаляемого воздуха на выходе из теплообменника на примере стационарного воздушного пластинчатого теплоутилизатора [3], представленного на рисунке 1. В качестве исходных данных начальную температуру приточного воздуха принимают равной -5°C . Однако суровые климатические условия Республики Саха (Якутия) предполагают значения температур наружного воздуха в среднем -50°C в холодный период года.
В данной работе будет рассмотрен расчет воздухо-воздушных рекуператоров для приточно-вытяжной системы вентиляции в условиях Севера по вышеуказанной методике.
Расход приточного и удаляемого воздуха 5000 кг/ч. Начальная температура удаляемого воздуха tуд.=20°С, влажность φ=25%, влагосодержание d= 3,5 г/кг, Iн= 29 кДж/кг, tр=0,1°С, Iр=9 кДж/кг. Теплообменная поверхность рекуператора собрана из пластин, между которыми расположено оребрение δр=0,15 мм, образующие каналы в виде равносторонних треугольников (
Рис. 1 – Схема устройства воздухо-воздушного рекуператора
Сперва определяем живое сечение для прохода воздуха по формуле
(1)
где величину параметра определяем по табл. Х.1 [3], которая равна 0,857 м2/м3:
Затем определяем площадь теплообменной поверхности в потоке удаляемого ( ) и приточного ( ) воздуха
, (2)
где по табл. Х.1. равна 1905 м2/м3:
Определяем эквивалентный диаметр теплообменника Dэкв по табл. Х.1 [3] Dэкв=1,77·10-3м и массовую скорость воздуха в живом сечении теплообменника
, (3)
Плотность удаляемого воздуха (tуд.=20°С) ρ1=1,205 кг/м3, а плотность приточного воздуха (tн=-55°С) ρ1=1,534 кг/м3.
Скорости потоков удаляемого и приточного воздуха соответственно равны: ω1=11,02/1,205=9,145 м/с, ω2=11,02/1,534=7,187 м/с.
Определяем значения критерия Re, принимая коэффициенты кинематической вязкости ν1=15,11·10-6м2/с и ν2=9,55·10-6м2/с:
(4)
Затем определяем значения Nu по формуле:
(5)
Определяем коэффициенты теплообмена α1 и α2, принимая λ1=2,57·10-2Вт/(м·К) и λ2=2,04·10-2Вт/(м·К):
(6)
Определяем показатель оребрения одной и другой поверхности по формуле:
, (7)
считая ŋр=1 и :
Определяем коэффициент теплопередачи:
(8)
Определяем коэффициент теплопередачи учитывающий тепло- и массоперенос, по формуле:
(9)
вычисляя снас по формуле:
, (10)
Для определения снас используется таблица значений коэффициентов A, B, C, D (при барометрическом давлении 101,3 кПа), зависящих от температуры наружного воздуха и относительной влажности. И максимально возможная низкая температура воздуха -20°С. Если рассматривать tн=-50°С, то можно сделать вывод, что отношение коэффициентов В/Д стремится к нулю. Следовательно, снас=св.
Тогда получаем:
Определяем безразмерные параметры, характеризующие режимы работы теплообменников без выпадения конденсата (Fo´1 и W1) и при выпадении конденсата на поверхности (Fo´I1 и WI1):
(11)
, (12)
(13)
, (14)
Используя найденные значения определяем значения относительного перепада температур θ2 при работе теплообменника в режиме “сухого” теплообмена по формуле:
(15)
Используя найденные значения , определяем значения θI2 при работе теплообменника в режиме выпадения конденсата на всей поверхности по формуле:
(16)
Определяем температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в “сухом” режиме по формуле:
, (17)
Если влагосодержание удаляемого воздуха увеличить, то рекуператор будет работать в условиях выпадения конденсата на всей поверхности.
Определим температуру приточного воздуха после утилизатора при работе его в режиме с выпадением конденсата на всей поверхности при следующих параметрах удаляемого воздуха: tуд=20 ºС; d=14,5 г/кг; IТ=57 кДж/кг:
, (18)
Таким образом, по результатам расчета можно сказать, что чем ниже температура наружного воздуха, тем выше температура приточного воздуха после утилизатора с выпадением конденсата на всей поверхности. Этот вывод не соответствует экспериментальным данным. Поэтому необходимо разработать новую методику расчета температуры приточного воздуха после рекуператора с выпадением конденсата в зависимости от температуры наружного воздуха ниже -31 ºС.
Литература
- Вишневский Е.П. Особенности обеспечения эффективной работы пластинчатых теплообменников рекуперативного типа в суровых климатических условиях // С.О.К. 2005. № 1.
- Дискин М.Е. Эффективность рекуперации теплоты в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания. АВОК. 2006. № 4.
- Богословский В.Н. и др. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение: Учебник для вузов / В.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров; Под ред. В.Н. Богословского. – М.: Интеграл 2014 – 367 с., ил.
References
- Vishnevskij E.P. Osobennosti obespechenija jeffektivnoj raboty plastinchatyh teploobmennikov rekuperativnogo tipa v surovyh klimaticheskih uslovijah // S.O.K. 2005. № 1.
- Diskin M.E. Jeffektivnost’ rekuperacii teploty v sistemah ventiljacii pri temperaturah naruzhnogo vozduha nizhe temperatury opasnosti obmerzanija. AVOK. 2006. № 4.
- Bogoslovskij V.N. i dr. Kondicionirovanie vozduha i holodosnabzhenie: Uchebnik dlja vuzov / V.N. Bogoslovskij, O.Ja. Kokorin, L.V. Petrov; Pod red. V.N. Bogoslovskogo. – M.: Integral 2014 – 367 s., il.
research-journal.org
8. Выбор и расчет рекуператора
Принимаем для подогрева воздуха горения стандартные секции металлического трубчатого петлевого рекуператора и перекрестно – противоточное движение воздуха и продуктов сгорания.
Исходные данные для расчета:
Количество подогреваемого воздуха:
; (8.1)
Начальная температура воздуха: ;
Температура подогрева воздуха: ;
Количество продуктов сгорания:
; (8.2)
Начальная температура продуктов сгорания: ;
Принимаем коэффициент полезного действия
Предварительно принимаем температуру продуктов сгорания на выходе из рекуператора .
Рассчитаем величину m:
Где средняя теплоемкость воздуха =1,3289 при температуре воздуха , а среднюю теплоемкость продуктов сгорания определяем по составу продуктов сгорания:
На входе в рекуператор при и
, (8.3)
На выходе из рекуператора при и
.
По приведенной в приложении методике расчета средней теплоемкости для интервала температур:
. (8.4)
Относительная температура подогрева воздуха:
. (8.5)
Относительная поверхность нагрева рекуператора: .
Температура продуктов сгорания на выходе из рекуператора:
, (8.6)
Что близко к предварительно принятой.
Температура стенки труб рекуператора:
На входе продуктов сгорания:
, принимаем .
На выходе продуктов сгорания:
, принимаем .
Задаемся скоростями, приведенными к 0ºС воздуха , продуктов сгорания.
Действительные скорости:
Воздуха на входе:
. (8.7)
Воздуха на выходе:
.
Продуктов сгорания на входе:
.
Продуктов сгорания на выходе:
.
Критерий Рейнольдса: .
Для воздуха на входе в рекуператор:
. (8.8)
Для воздуха на выходе в рекуператор:
.
Здесь — внутренний диаметр труб рекуператора.
Следовательно, режим движения воздуха турбулентный.
Определяем коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки труб к воздуху по формуле:
(8.9)
на входе в рекуператор — ;
на выходе из рекуператора — .
Коэффициент теплоотдачи конвекцией к воздуху, отнесенный к наружной поверхности труб:
На входе:
.
На выходе:
.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к трубам рекуператора определяем рис 2.4 и содержании H2O=18,2% на входе продуктов сгорания , на выходе -.
Далее рассчитываем коэффициент теплоотдачи излучением от продуктов сгорания к трубам рекуператора.
Эффективная длина пути луча:
. (8.10)
По горению топлива в продуктах сгорания при -.
Степень черноты газов:
— на входе в рекуператор при t’д=820 0С
— на выходе из рекуператора при t’’д=668 0С
Степень черноты продуктов сгорания:
— на входе в рекуператор
(8.11)
— на выходе из рекуператора
Эффективная степень черноты стенки труб рекуператора:
, (8.12)
Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора:
— на входе
(8.13)
Вт/м2К
— на выходе
Вт/м2К
Суммарный коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к трубам рекуператора:
(8.14)
— на входе α’д=60,3+28,4=88,7 Вт/м2К,
— на выходе α’’д=51+15,8=66,8 Вт/м2К.
Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к воздуху:
На входе продуктов сгорания:
На выходе продуктов сгорания:
Средний по рекуператору коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к воздуху:
Поверхность нагрева рекуператора:
Выбираем секцию СР-250 с поверхностью теплообмена и устанавливаем 4 секции по ходу продуктов сгорания.
Скорость воздуха:
(8.15)
Скорость продуктов сгорания:
Проходное сечение для продуктов сгорания принимаем из табл. 6.1 и добавляем зазор между трубчаткой рекуператора и кладкой канала 200мм.
(8.16)
Скорости близки к принятым.
Температура стенки трубы рекуператора:
На входе продуктов сгорания:
(8.17)
На выходе продуктов сгорания:
Температуры близки к принятым.
Температура стенки трубы рекуператора на входе продуктов сгорания с учетом излучения предрекуператорного пространства:
t’’ст= t’ст+100=603+100=703.
Выбираем материал для труб рекуператора на входе продуктов сгорания сталь 12Х17, с .
studfiles.net
Расчет рекуператора для подогрева воздуха
Исходные данные для расчета: на входе в рекуператор , на выходе . Температура дыма на входе в рекуператор. Расход газа на отопление печи. Расход воздуха на горение топлива. Количество дымовых газов на входе в рекуператор. Состав дымовых газови.
Выбираем керамический блочный рекуператор. Материал блоков — шамот, марка кирпича Б-4 и Б-6 (табл. 32). Величину утечки воздуха в дымовые каналы принимаем равной 10%. Тогда в рекуператор необходимо подать следующее количество воздуха .
Количество потерянного в рекуператоре воздуха
.
Среднее количество воздуха
.
Количество дымовых газов, покидающих рекуператор (с учетом утечки воздуха) равно
.
Среднее количество дымовых газов
.
Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные 10 % и утечку воздуха в дымовые каналы [формула (116)]. Для этого необходимо определить удельную теплоемкость дымовых газов на входе и выходе из рекуператора.
Зададим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора . При этой температуре теплоемкость дымовых газов
Теплоемкость дыма на входе в рекуператор ()
Теперь
,
где — теплоемкость воздуха при.
Решая это уравнение относительно получим .
В принятой конструкции рекуператора схема движения теплоносителей — перекрестный ток (см. рис. 62). Среднюю разность температур находим по формуле (118), определив среднелогарифмическую разность температур для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле (117)
Найдя поправочные коэффициенты
и ,
по номограмме на рис. 47 находим .
Тогда
Для определения суммарного коэффициента теплопередачи согласно табл. 28 примем среднюю скорость движения дымовых газов , а среднюю скорость движения воздуха .
Учитывая, что эквивалентный диаметр воздушных каналов равен (табл. 32) , по графику 50 находим значение коэффициента теплоотдачи конвекцией на воздушной стороне
Учитывая шероховатость стен, получим
=
Коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне находим по формуле
Учитывая, что гидравлический диаметр канала, по которому движутся дымовые газы равен (см. табл.32) м, по графику на рис. 50 находим коэффициент теплоотдачи конвекцией на дымовой стороне
,
или с учетом шероховатости стен
Величину коэффициента теплоотдачи излучением на дымовой стороне определяем для средней температуры дымовых газов в рекуператоре, равной
=.
Среднюю температуру стенок рекуператора принимаем равной
.
Эффективная длина луча в канале равна
.
По номограммам на рис. 13—15 при находим
; и
Теперь
.
При по формуле (65) находим .
Учитывая, что при степени черноты стен рекуператора , их эффективная степень черноты равна, по формуле (67) с учетом формулы (64,а), находим коэффициент теплоотдачи излучением
Суммарный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен
При температуре стенки коэффициент теплопроводности шамота равен (приложение XI)
.
С учетом толщины стенки элемента рекуператора находим суммарный коэффициент теплопередачи по формуле
—соответственно основная поверхность теплообмена и оребренная, м2.
При
Определяем поверхность нагрева и основные размеры рекуператора. Количество тепла, передаваемого через поверхность теплообмена, равно [формула (116)]
.
По формуле (115) находим величину поверхности нагрева рекуператора
.
Так как удельная поверхность нагрева рекуператора, выполненного из кирпичей , равна(табл. 33), можно найти объем рекуператора
.
Необходимая площадь сечений для прохода дыма равна
.
Учитывая, что площадь дымовых каналов составляет 44 % общей площади вертикального сечения рекуператора, найдем величину последнего
.
Принимая ширину рекуператора равной ширине печи, т.е. , находим высоту рекуператора
.
Длина рекуператора
.
studfiles.net
Расчет рекуператора. Схема движения сред в рекуператоре. Расчёт теплового баланса рекуператора. Расчёт количества труб в трубных пучках
4. РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТОРА
Теплообмен применяется для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, конденсации, испарения и т.д. Теплообменные аппараты классифицируются по различным признакам: назначению, компоновке, роду рабочих сред, способу передачи теплоты и др. Наиболее распространена классификация теплообменников по способу передачи теплоты, согласно которому они подразделяются на следующие типы:
1. Рекуперативные поверхностные аппараты, в которых оба теплоносителя разделены поверхностью теплообмена различной конфигурации;
2. Регенеративные, в которых процесс передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой;
3. Смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
Для использования тепла отработанных продуктов сгорания на выходе из всех пяти колодцев замедленного охлаждения предлагается установить рекуператор для подогрева воздуха, идущего на горение.
Для этого рассчитаем металлический двухходовой прямотрубный рекуператор. В рекуператорах рассматриваемого типа дымовой газ движется горизонтально по борову, а воздух – перекрестным током навстречу газу, т.е. имеет место перекрестный ток (рис.1).
Применение рекуператоров подобного типа на нагревательных печах позволяет значительно повысить экономичность агрегата и условия горения топлива (за счёт более высокой температуры окислителя). Кроме того, пониженная температура дымовых газов увеличивает срок службы и затраты на капитальный ремонт дымовой трубы. Подача горячего воздуха в топку ускоряет воспламенение топлива и интенсифицирует процесс его горения, уменьшая потери теплоты от химической и механической неполноты горения. К недостаткам применения системы предварительного подогрева воздуха за счёт тепла отходящих газов следует отнести повышенное сопротивление по ходу дымового и воздушного трактов, а также некоторое повышение концентрации окислов азота в уходящих газах за счёт увеличения температуры факела горения. Применение схемы перекрёстного противотока позволяет сделать агрегат максимально компактным при сохранении достаточно большой площади теплообмена.
T”выход T’вход
 |
T’дымов.газ T”дымм.газ
Рис.1. Схема движения сред в рекуператоре
Исходными данными для теплового расчёта рекуператора будут:
Начальная температура воздуха tнв = 20°С;
Конечная температура воздуха tкв = 400°С;
Температура дымовых газов перед рекуператором tнд = 590°С;
Расход дымовых газов Vдг = 2,655 м3/сек;
Расход воздуха Vв = 2,424 м3/сек;
Состав дымовых газов:
СО2 -8,748 %
Н2О -17,368 %
NО2 — 72,144 %.
О2 -1,739 %
Как видно из состава дымовых газов, в них отсутствуют соединения серы, увеличивающего коррозию металла и требующих для рекуператора легированных жаростойких марок сталей.
4.1. Тепловой расчет рекуператора
4.1.1. Расчёт теплового баланса рекуператора
Находим температуру дымовых газов на выходе из рекуператора.
Температура дымовых газов на входе в рекуператор:
tнд = 590°С
Теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:
СО2 – 2,0592 ;
Н2О – 1,6078 ;
N2 – 1,3419 ;
О2 – 1,4152 ;
сд590=
; (4.1)
Зададимся ориентировочной температурой дымовых газов на выходе из рекуператора: tкд = 240°С;
Теплоёмкости компонентов дымовых газов при данной температуре:
СО2 – 1,8079 ;
Н2О – 1,5174 ;
N2 – 1,303 ;
О2 –1,3369 ;
сд240 =
; (4.2)
Теплоёмкость воздуха при tкв = 400°С :
св400 = 1,3302 ;
Теплоёмкость воздуха при tнв = 20°С :
св20 = 1,3022 ;
Для предварительного расчета принимаем, что рекуператор одноходовой. Составим уравнение теплового баланса рекуператора, учитывая потери тепла в окружающую среду, равные10%. ; (4.3) где h — поправка учитывающая потери тепла в окружающую среду;
, — удельная теплоемкость воздуха при и соответственно, ;
— удельная теплоемкость воздуха при температуре , ;
Vд — количество дымовых газов, м3/ч;
Vв — количество воздуха идущего на подогрев, м3/ч.
Так как прямотрубные металлические рекуператоры являются
достаточно газоплотными, то для определения истинного значения используем данную формулу без последнего члена, учитывающего утечку воздуха в дымовые каналы.
0,9×2,655×(1,452×590 — 1,3845×) = 2,424×(1,3302×400 — 1,3022×20)
Отсюда следует, что = 244 оС.
4.1.2. Расчёт среднелогарифмической разности температур
; (4.4)
Для противотока
; (4.5)
. (4.6)
;
Среднюю разность температур находим по формуле:
, (4.7)
где DТпротивоток — средняя разность температур при противотоке;
eDt — поправочный коэффициент, зависящий от величин R и P (eDt = Ф (R, P))[2,с.43].
; (4.8)
; (4.9)
По номограмме определяем: eDt = 0,8.
4.1.3. Расчёт количества труб в трубных пучках
Согласно таблицы 28 [1] принимаем скорость движения уходящих газов в рекуператоре wд0= 4 м/с, скорость воздуха wв0= 10 м/с.
Общее сечение труб для прохода воздуха:
; (4.10)
Общее сечение каналов для прохода уходящих газов:
; (4.11)
В данном рекуператоре принимаем для установки трубы с внутренним
vunivere.ru
Конструкторский расчет рекуперативного теплообменника | Блог об энергетике
При его проведении ставится задача сконструировать теплообменник. Для этого предварительно приходится производить тепловой и гидравлический расчет проектируемого изделия, в качестве которого для конкретности рассмотрим рекуперативный теплообменный аппарат. Исходной информацией для этого расчета являются величины расходов теплоносителей М1 и М2 , значения температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Тf1,1, и на выходе из него Тf1,2, температура Тf2,1, второй среды на входе в аппарат и теплофизические свойства теплоносителей.
Предварительно по формуле (1)
определяется тепловая нагрузка Q, под которой понимается количество теплоты, передаваемое за единицу времени от одной среды к другой.
Очевидно, что количество теплоты, отданного первым теплоносителем, равно количеству теплоты, воспринятого вторым теплоносителем, так что имеем равенство (2)
где сp1 и сp2 — изобарная теплоемкость первого и второго теплоноси¬телей соответственно.
Из формулы (2) находим величину Тf2,2 и при известных Тf1,1, Тf1,2, Тf2,1 и задаваемой схеме взаимного движения теплоносителей в аппарате вычисляем среднелогарифмическую разность температур между теплообменивающимися средами по формуле
Тепловая нагрузка Q, вычисляемая по формуле (1), передается от одной движущейся среды к другой и может быть вычислена еще и по формулам (3)
kl и k — линейный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике и коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике соответственно; L и F — искомая длина труб в кожухотрубчатом теплообменнике и площадь теплообменной поверхности пластинчатого теплообменника.
Величины L и F определяются как (4)
так что естественным образом возникает проблема предварительного определения коэффициентов теплопередачи kl и k в (3).
Для этих целей, основываясь на предыдущем опыте аппаратостроения, приходится предварительно задаваться конструкцией проектируемого теплообменника, т.е. выбирать его тип (кожухотрубчатый или пластинчатый), направление взаимного движения теплоносителей, геометрические размеры теплообменных элементов (труб, пластин) и их расположение в поперечном сечении аппарата. Последнее необходимо знать, чтобы при задаваемых тем самым площадях поперечных сечений f1, и f2 для прохода теплоносителей, известных расходах M1 и М2 и плотностях ρ1 и ρ2 вычислить скорости движения (5)
значения соответствующих критериев Рейнольдса (6)
чисел Нуссельта из уравнений подобия вида (7)
и коэффициентов теплоотдачи α1 и α2.
В формулах (6), (7) обозначены: dэ1, v1, λf1 и dэ2, v2, λf2 — эквивалентный диаметр поперечного сечения, кинематическая вязкость, коэффициент теплопроводности для первого и второго теплоносителей.
Рис. 1. Поперечное сечение кожухотрубчатого теплообменного аппарата:
а — трубки расположены с шагом s по сторонам правильного шестиугольника;
б — трубки с шагом s расположены по окружностям
При расчете теплоотдачи и гидравлического сопротивления в качестве определяющего размера для прохода теплоносителя внутри цилиндрических трубок кожухотрубчатого теплообменника выбирается их внутренний диаметр: dэ1 =dвн =d1 (рис. 1). Эквивалентный диаметр для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, определяется по формуле
где f и Р, Dвн, dн и N — площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве и смоченный им периметр, внутренний диаметр кожуха (обечайки), наружный диаметр трубок и их количество.
Для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления пластинчатых теплообменников рекомендуется находить эквивалентный диаметр при течении между пластинами, например, по формуле:
dэ = 4V/F,
где V — объем между пластинами; F — площадь смоченной поверхности.
Поскольку индивидуальные характеристики пластин изменяются в широких пределах, то для определения интенсивности теплоотдачи можно рекомендовать формулы (Справочник по теплообменникам. Т.2. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 352 с.):
а) для ламинарного режима течения (при Re < 10) (8)
б) для турбулентного режима течения (при Re > 1000) (9)
В формуле (8) величина Н соответствует высоте пластины.
Рассмотрение областей применения формул (8) и (9) свидетельствует о том, что течение между профилированными пластинами приводит к турбулизации потока, так что область ламинарного режима ограничена сверху Re<10, а область турбулентного режима ограничена снизу Re < 1000.
Следует иметь в виду, что рассчитанные скорости и w1 и w2 должны лежать в диапазоне (2; 10) м/с для газов и (0,5; 2) м/с для жидкостей, что рекомендовано при создании теплообменных аппаратов.
Коэффициенты теплопередачи kl и k для цилиндрической трубы в кожухотрубчатом теплообменнике и для пластины в пластинча¬том теплообменнике определяются соответственно по формулам
и
Материал теплообменного элемента выбирают в зависимости от его химической совместимости с теплообменивающимися средами: тем самым определяется коэффициент теплопроводности λ. Наружный d2 и внутренний d1 диаметры трубок и толщина пластин δ должны быть такими, чтобы обеспечивалась их прочность.
Если задать длину l теплообменного элемента — трубки, то их количество в кожухотрубчатом аппарате окажется равным
N = L/l,
так что при выбранном поперечном сечении полностью определена конструкция этого теплообменника.
Выбор габаритов одной пластины, т. е. задание площади ее поверхности F1, дает следующее количество пластин в пластинчатом теплообменнике:
N = F/F1.
Расчеты производятся итерационно до получения приемлемых для технического использования габаритов теплообменного аппарата и допустимых падений давления в нем.
Следует иметь в виду, что при проектировании испарителей и конденсаторов коэффициенты теплоотдачи со стороны сред, претерпевающих изменение агрегатного состояния, приходится определять по соответствующим зависимостям для процессов кипения и конденсации.
Поверочный расчет рекуперативного теплообменника.
Известна конструкция теплообменника, и следует выяснить, обеспечивает ли он требуемую при его использовании теплопроизводительность Q, равную согласно (2)
В качестве исходной информации для расчета располагаем величинами расходов теплоносителей М1 и М2, значениями температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Tf1,1 и на выходе из него Tf1,2, температуры Tf2,1, второй среды на входе в аппарат и их теплофизическими свойствами, длиной одной трубки l и их количеством N кожухотрубчатого теплообменника, площадью теплообменной поверхности F1 одной пластины и их количеством N в пластинчатом теплообменнике, площадями f1, и f2 поперечных сечений для прохода теплоносителей и направлением их взаимного течения.
Тепловой расчет производится согласно зависимостей, приведенных в настоящей статье. Однако, не требуется делать итерации, вызванные необходимостью достижения приемлемых скоростей w1 и w2 теплоносителей в теплообменнике.
Полученные в результате такого расчета величины Lр или Fp сравнивают с их действительными значениями L или F в имеющемся теплообменнике. Если оказывается, что расчетные величины Lp или Fp меньше, чем действительные L или F, то поступивший теплообменный аппарат пригоден для использования. В противном случае надо выбрать другой теплообменник.
При проведении и конструкторского, и поверочного расчета следует иметь в виду, что на практике нужен запас величины тепло-обменной поверхности, так как она в процессе эксплуатации, как правило, загрязняется: на ней откладывается накипь, кокс, зола и др.
Источник: Теория и прикладные задачи тепломассопереноса: учебное пособие / Н. М. Цирельман. — М.: Машиностроение, 2011. — 503 с.
Поделись с друзьями
Похожее
energoworld.ru
пример. Расчет площади, мощности теплообменника
Расчет теплообменника в настоящее время занимает не более пяти минут. Любая организация, производящая и продающая такое оборудование, как правило, предоставляет всем желающим свою собственную программу подбора. Ее можно бесплатно скачать с сайта компании, либо их технический специалист приедет к вам в офис и бесплатно её установит. Однако насколько корректен результат таких расчетов, можно ли ему доверять и не лукавит ли производитель, сражаясь в тендере со своими конкурентами? Проверка электронного калькулятора требует наличия знаний или как минимум понимания методики расчета современных теплообменников. Попробуем разобраться в деталях.
Что такое теплообменник
Прежде чем выполнять расчет теплообменника, давайте вспомним, а что же это за устройство такое? Тепломассообменный аппарат (он же теплообменник, он же теплообменный аппарат, или ТОА) — это устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя другому. В процессе изменения температур теплоносителей меняются также их плотности и, соответственно, массовые показатели веществ. Именно поэтому такие процессы называют тепломассообменными.
Виды теплообмена
Теперь поговорим о видах теплообмена — их всего три. Радиационный — передача теплоты за счет излучения. Как пример, можно вспомнить принятие солнечных ванн на пляже в теплый летний день. И такие теплообменники даже можно встретить на рынке (ламповые нагреватели воздуха). Однако чаще всего для обогрева жилых помещений, комнат в квартире мы покупаем масляные или электрические радиаторы. Это пример другого типа теплообмена — конвекционного. Конвекция бывает естественной, вынужденной (вытяжка, а в коробе стоит рекуператор) или с механическим побуждением (с вентилятором, например). Последний тип намного эффективнее.
Однако самый эффективный способ передачи теплоты — это теплопроводность, или, как её ещё называют, кондукция (от англ. conduction — «проводимость»). Любой инженер, собирающийся провести тепловой расчет теплообменника, прежде всего задумывается о том, чтобы выбрать эффективное оборудование в минимальных габаритах. И достичь этого удаётся именно за счет теплопроводности. Примером тому служат самые эффективные на сегодняшний день ТОА — пластинчатые теплообменники. Пластинчатый ТОА, согласно определению, — это теплообменный аппарат, передающий теплоту от одного теплоносителя другому через разделяющую их стенку. Максимально возможная площадь контакта между двумя средами в совокупности с верно подобранными материалами, профилем пластин и их толщиной позволяет минимизировать размеры выбираемого оборудования при сохранении исходных технических характеристик, необходимых в технологическом процессе.
Типы теплообменников
Прежде чем проводить расчет теплообменника, определяются с его типом. Все ТОА можно разделить на две большие группы: рекуперативные и регенеративные теплообменники. Основное отличие между ними заключается в следующем: в рекуперативных ТОА теплообмен происходит через разделяющую два теплоносителя стенку, а в регенеративных две среды имеют непосредственный контакт между собой, часто смешиваясь и требуя последующего разделения в специальных сепараторах. Регенеративные теплообменники подразделяются на смесительные и на теплообменники с насадкой (стационарной, падающей или промежуточной). Грубо говоря, ведро с горячей водой, выставленное на мороз, или стакан с горячим чаем, поставленный остужаться в холодильник (никогда так не делайте!) — это и есть пример такого смесительного ТОА. А наливая чай в блюдце и остужая его таким образом, мы получаем пример регенеративного теплообменника с насадкой (блюдце в этом примере играет роль насадки), которая сначала контактирует с окружающим воздухом и принимает его температуру, а потом отбирает часть теплоты от налитого в него горячего чая, стремясь привести обе среды в режим теплового равновесия. Однако, как мы уже выяснили ранее, эффективнее использовать теплопроводность для передачи теплоты от одной среды к другой, поэтому более полезные в плане теплопередачи (и широко используемые) ТОА на сегодняшний день – конечно же, рекуперативные.
Тепловой и конструктивный расчет
Любой расчет рекуперативного теплообменника можно провести на основе результатов теплового, гидравлического и прочностного вычислений. Они являются основополагающими, обязательны при проектировании нового оборудования и ложатся в основу методики расчета последующих моделей линейки однотипных аппаратов. Главной задачей теплового расчета ТОА является определение необходимой площади теплообменной поверхности для устойчивой работы теплообменника и поддержания необходимых параметров сред на выходе. Довольно часто при таких расчетах инженеры задаются произвольными значениями массогабаритных характеристик будущего оборудования (материал, диаметр труб, размеры пластин, геометрия пучка, тип и материал оребрения и др.), поэтому после теплового обычно проводят конструктивный расчет теплообменника. Ведь если на первой стадии инженер посчитал необходимую площадь поверхности при заданном диаметре трубы, например, 60 мм, и длина теплообменника при этом получилась порядка шестидесяти метров, то логичнее предположить переход к многоходовому теплообменнику, либо к кожухотрубному типу, либо увеличить диаметр трубок.
Гидравлический расчет
Гидравлические или гидромеханические, а также аэродинамические расчеты проводят с целью определить и оптимизировать гидравлические (аэродинамические) потери давления в теплообменнике, а также подсчитать энергетические затраты на их преодоление. Расчет любого тракта, канала или трубы для прохода теплоносителя ставит перед человеком первостепенную задачу — интенсифицировать процесс теплообмена на данном участке. То есть одна среда должна передать, а другая получить как можно больше тепла на минимальном промежутке его течения. Для этого часто применяют дополнительную поверхность теплообмена, в виде развитого оребрения поверхности (для отрыва пограничного ламинарного подслоя и усиления турбулизации потока). Оптимальное балансовое соотношение гидравлических потерь, площади теплообменной поверхности, массогабаритных характеристик и снимаемой тепловой мощности является результатом совокупности теплового, гидравлического и конструктивного расчета ТОА.
Поверочный расчет
Поверочный расчет теплообменника проводят в случае, когда надо заложить запас по мощности либо по площади теплообменной поверхности. Поверхность резервируют по разным причинам и в разных ситуациях: если так требуется по техзаданию, если производитель решает внести дополнительный запас для того, чтобы быть точно уверенным в том, что такой теплообменник выйдет на режим, и минимизировать ошибки, допущенные при расчетах. В каких-то случаях резервирование требуется для округления результатов конструктивных размеров, в других же (испарители, экономайзеры) в расчет мощности теплообменника специально вводят запас по поверхности, на загрязнение компрессорным маслом, присутствующим в холодильном контуре. Да и низкое качество воды необходимо принимать во внимание. Через некоторое время бесперебойной работы теплообменников, особенно при высоких температурах, накипь оседает на теплообменной поверхности аппарата, снижая коэффициент теплопередачи и неминуемо приводя к паразитному снижению теплосъёма. Поэтому грамотный инженер, проводя расчет теплообменника «вода-вода», уделяет особое внимание дополнительному резервированию поверхности теплообмена. Поверочный расчет также проводят для того, чтобы посмотреть, как выбранное оборудование будет работать на иных, вторичных режимах. Например, в центральных кондиционерах (приточных установках) калориферы первого и второго подогрева, использующиеся в холодный период года, нередко задействуют и летом для охлаждения поступающего воздуха, подавая в трубки воздушного теплообменника холодную воду. Как они будут функционировать и какие будут выдавать параметры, позволяет оценить поверочный расчет.
Исследовательские расчеты
Исследовательские расчеты ТОА проводят на основе полученных результатов теплового и поверочного расчетов. Они необходимы, как правило, для внесения последних поправок в конструкцию проектируемого аппарата. Их также проводят с целью корректировки каких-либо уравнений, закладываемых в реализуемой расчетной модели ТОА, полученной эмпирическим путём (по экспериментальным данным). Выполнение исследовательских расчетов предполагает проведение десятков, а иногда и сотен вычислений по специальному плану, разработанному и внедрённому на производстве согласно математической теории планирования экспериментов. По результатам выявляют влияние различных условий и физических величин на показатели эффективности ТОА.
Другие расчеты
Выполняя расчет площади теплообменника, не стоит забывать и о сопротивлении материалов. Прочностные расчеты ТОА включают проверку проектируемого агрегата на напряжение, на кручение, на прикладывание максимально допустимых рабочих моментов к деталям и узлам будущего теплообменника. При минимальных габаритах изделие должно быть прочным, устойчивым и гарантировать безопасную работу в различных, даже самых напряженных условиях эксплуатации.
Динамический расчет проводится с целью определения различных характеристик теплообменного аппарата на переменных режимах его работы.
Типы конструкции теплообменников
Рекуперативные ТОА по конструкции можно разделить на достаточно большое количество групп. Самые известные и широко применяемые – это пластинчатые теплообменники, воздушные (трубчатые оребрённые), кожухотрубные, теплообменники «труба в трубе», кожухо-пластинчатые и другие. Существуют и более экзотические и узкоспециализированные типы, например, спиральные (теплообменник-улитка) или скребковые, которые работают с вязкими или неньютоновскими жидкостями, а также многие другие типы.
Теплообменники «труба в трубе»
Рассмотрим самый простой расчет теплообменника «труба в трубе». Конструктивно данный тип ТОА максимально упрощен. Во внутреннюю трубу аппарата пускают, как правило, горячий теплоноситель, для минимизации потерь, а в кожух, или в наружную трубу, запускают охлаждающий теплоноситель. Задача инженера в этом случае сводится к определению длины такого теплообменника исходя из рассчитанной площади теплообменной поверхности и заданных диаметров.
Здесь стоит добавить, что в термодинамике вводится понятие идеального теплообменника, то есть аппарата бесконечной длины, где теплоносители работают в противотоке, и между ними полностью срабатывается температурный напор. Конструкция «труба в трубе» ближе всего удовлетворяет этим требованиям. И если запустить теплоносители в противотоке, то это будет так называемый «реальный противоток» (а не перекрёстный, как в пластинчатых ТОА). Температурный напор максимально эффективно срабатывается при такой организации движения. Однако выполняя расчет теплообменника «труба в трубе», следует быть реалистами и не забывать о логистической составляющей, а также об удобстве монтажа. Длина еврофуры — 13,5 метров, да и не все технические помещения приспособлены к заносу и монтажу оборудования такой длины.
Кожухотрубные теплообменники
Поэтому очень часто расчет такого аппарата плавно перетекает в расчет кожухотрубного теплообменника. Это аппарат, в котором пучок труб находится в едином корпусе (кожухе), омываемым различными теплоносителями, в зависимости от назначения оборудования. В конденсаторах, например, хладагент запускают в кожух, а воду – в трубки. При таком способе движения сред удобнее и эффективнее контролировать работу аппарата. В испарителях, наоборот, хладагент кипит в трубках, а они при этом омываются охлаждаемой жидкостью (водой, рассолами, гликолями и др.). Поэтому расчет кожухотрубного теплообменника сводится к минимизации габаритов оборудования. Играя при этом диаметром кожуха, диаметром и количеством внутренних труб и длиной аппарата, инженер выходит на расчетное значение площади теплообменной поверхности.
Воздушные теплообменники
Один из самых распространённых на сегодняшний день теплообменных аппаратов – это трубчатые оребрённые теплообменники. Их ещё называют змеевиками. Где их только не устанавливают, начиная от фанкойлов (от англ. fan + coil, т.е. «вентилятор» + «змеевик») во внутренних блоках сплит-систем и заканчивая гигантскими рекуператорами дымовых газов (отбор теплоты от горячего дымового газа и передача его на нужды отопления) в котельных установках на ТЭЦ. Вот почему расчет змеевикового теплообменника зависит от того применения, куда этот теплообменник пойдёт в эксплуатацию. Промышленные воздухоохладители (ВОПы), устанавливаемые в камерах шоковой заморозки мяса, в морозильных камерах низких температур и на других объектах пищевого холодоснабжения, требуют определённых конструктивных особенностей в своём исполнении. Расстояния между ламелями (оребрением) должно быть максимальным, для увеличения времени непрерывной работы между циклами оттайки. Испарители для ЦОДов (центров обработки данных), наоборот, делают как можно более компактными, зажимая межламельные расстояния до минимума. Такие теплообменники работают в «чистых зонах», окруженные фильтрами тонкой очистки (вплоть до класса HEPA), поэтому такой расчет трубчатого теплообменника проводят с упором на минимизацию габаритов.
Пластинчатые теплообменники
В настоящее время стабильным спросом пользуются пластинчатые теплообменники. По своему конструктивному исполнению они бывают полностью разборными и полусварными, меднопаяными и никельпаяными, сварными и спаянными диффузионным методом (без припоя). Тепловой расчет пластинчатого теплообменника достаточно гибок и не представляет особой сложности для инженера. В процессе подбора можно играть типом пластин, глубиной штамповки каналов, типом оребрения, толщиной стали, разными материалами, а самое главное – многочисленными типоразмерными моделями аппаратов разных габаритов. Такие теплообменники бывают низкими и широкими (для парового нагрева воды) или высокими и узкими (разделительные теплообменники для систем кондиционирования). Их часто используют и под среды с фазовым переходом, то есть в качестве конденсаторов, испарителей, пароохладителей, предконденсаторов и т. д. Выполнить тепловой расчет теплообменника, работающего по двухфазной схеме, немного сложнее, чем теплообменника типа «жидкость-жидкость», однако для опытного инженера эта задача разрешима и не представляет особой сложности. Для облегчения таких расчетов современные проектировщики используют инженерные компьютерные базы, где можно найти много нужной информации, в том числе диаграммы состояния любого хладагента в любой развёртке, например, программу CoolPack.
Пример расчета теплообменника
Основной целью проведения расчета является вычисление необходимой площади теплообменной поверхности. Тепловая (холодильная) мощность обычно задается в техзадании, однако в нашем примере мы рассчитаем и её, для, скажем так, проверки самого техзадания. Иногда бывает и так, что в исходные данные может закрасться ошибка. Одна из задач грамотного инженера — эту ошибку найти и исправить. В качестве примера выполним расчет пластинчатого теплообменника типа «жидкость — жидкость». Пусть это будет разделитель контуров (pressure breaker) в высотном здании. Для того чтобы разгрузить оборудование по давлению, при строительстве небоскрёбов очень часто применяется такой подход. С одной стороны теплообменника имеем воду с температурой входа Твх1 = 14 ᵒС и выхода Твых1 = 9 ᵒС, и с расходом G1 = 14 500 кг/ч, а с другой — тоже воду, но только вот с такими параметрами: Твх2 = 8 ᵒС, Твых2 = 12 ᵒС, G2 = 18 125 кг/ч.
Необходимую мощность (Q0) рассчитаем по формуле теплового баланса (см. рис. выше, формула 7.1), где Ср – удельная теплоёмкость (табличное значение). Для простоты расчетов возьмём приведённое значение теплоёмкости Срв = 4,187 [кДж/кг*ᵒС]. Считаем:
Q1 = 14 500 * (14 — 9) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по первой стороне и
Q2 = 18 125 * (12 — 8) * 4,187 = 303557,5 [кДж/ч] = 84321,53 Вт = 84,3 кВт – по второй стороне.
Обратите внимание, что, согласно формуле (7.1), Q0 = Q1 = Q2, независимо от того, по какой стороне проведён расчет.
Далее по основному уравнению теплопередачи (7.2) находим необходимую площадь поверхности (7.2.1), где k – коэффициент теплопередачи (принимаем равным 6350 [Вт/м2]), а ΔТср.лог. – среднелогарифмический температурный напор, считаемый по формуле (7.3):
ΔТ ср.лог. = (2 — 1) / ln (2 / 1) = 1 / ln2 = 1 / 0,6931 = 1,4428;
F то = 84321 / 6350 * 1,4428 = 9,2 м2.
В случае когда коэффициент теплопередачи неизвестен, расчет пластинчатого теплообменника немного усложняется. По формуле (7.4) считаем критерий Рейнольдса, где ρ – плотность, [кг/м3], η – динамическая вязкость, [Н*с/м2], v – скорость среды в канале, [м/с], d см – смачиваемый диаметр канала [м].
По таблице ищем необходимое нам значение критерия Прандтля [Pr] и по формуле (7.5) получаем критерий Нуссельта, где n = 0,4 – в условиях нагрева жидкости, и n = 0,3 – в условиях охлаждения жидкости.
Далее по формуле (7.6) вычисляется коэффициент теплоотдачи от каждого теплоносителя к стенке, а по формуле (7.7) считаем коэффициент теплопередачи, который и подставляем в формулу (7.2.1) для вычисления площади теплообменной поверхности.
В указанных формулах λ – коэффициент теплопроводности, ϭ – толщина стенки канала, α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от каждого из теплоносителей стенке.
fb.ru