7.2 Розрахунок теплообмінників із щільним рухомим шаром, що продувається

Задача 7.2. Виконати тепловий конструкторський і аеродинамічний розрахунки контактного теплообмінника, призначеного для охолодження зварювального флюсу марки АНК від ⁰С до ⁰С. Шар флюсу рухається у вертикальній шахті прямокутного перерізу під дією гравітаційних сил з витратою кг/с (мал. 7.1). Охолоджуючим середовищем служить повітря, що продувається через шар у горизонтальному напрямку при швидкості фільтрації . Температура повітря на вході ⁰С, на виході ⁰С. Прийняти наступні характеристики флюсу: діаметр часток м, їхня густина кг/м³, теплоємність Дж/(кгК), порізність шару .

1 – завантажувальний бункер

2 – жалюзі

3 – сипучий матеріал

4 – пристрій для випуску матеріалу

Розв’язання

1. Визначаємо кількість теплоти, що віддається флюсом:

Вт

2. Визначаємо швидкість початку псевдозрідження, що є функцією числа Рейнольдса [12]:

де число Архімеда:

При середній температурі охолоджуючого повітря ⁰С значення теплофізичних характеристик такі (Табл. 7 Додатку): кг/м³; м²/с; Вт/(мК); кДж/(кгК).

Тоді: ;

Швидкість початку псевдозрідження :

м/с

Визначаємо швидкість фільтрації повітря:

м/с

і число Рейнольда:

3. Розраховуємо коефіцієнт міжкомпонентного теплообміну.

При : [13]

, звідси Вт/(м²К)

4. Знаходимо середній температурний напір в апараті:

^оС

Поправка для перехресної течії визначалася по графіку [9] у залежності від комплексів

і

5. Знаходимо площу поверхні теплообміну:

м²

6. Визначаємо питому поверхню часток в одиниці об'єму шару:

м²/м³

7. Тепер можна визначити об’єм теплообмінної ділянки з формули:

м³

Визначаємо товщину шару (розмір у напрямку руху повітря) зі співвідношення:

, м,

де - переріз для проходу повітря, який визначається з рівняння нерозривності при обраній швидкості фільтрації.

7.1 Визначаємо витрату повітря:

кг/с

7.2 Розраховуємо переріз для проходу повітря:

м²

7.3 Розраховуємо товщину шару: м

8. Аеродинамічний опір шару можна розрахувати з формули [13]:

Па

де еквівалентний коефіцієнт опору шару

æ + æ_ін

для сферичних часток æ =4,55; æ_ін = 0.45, а еквівалентне число Рейнольдса

Тоді: Па

0. Розрахунок теплообмінників із проміжним дисперсним теплоносієм

З адача 7.3. Виконати тепловий конструкторський і аеродинамічний розрахунки регенеративного теплообмінника зі щільним шаром проміжного дисперсного теплоносія, що рухається, (насадки). Регенератор, схема якого подана на рис.7.2, призначений для високотемпературного нагрівання повітря продуктами згоряння. Він працює в такий спосіб. Насадка з верхнього бункера 7 під дією гравітаційних сил надходить у камеру 1, де нагрівається продуктами згоряння, що продуваються через жалюзі 8 у горизонтальному напрямку. Через запірний вузол 3 насадка надходить у камеру 2, де охолоджується, нагріваючи повітря, що продувається крізь шар. З нижнього бункера 4 через випускний пристрій 5 насадка надходить в систему транспорту 6, що повертає її у верхній бункер. Таким чином, насадка, що є проміжним теплоносієм, циркулює по замкнутому контуру. Запірний вузол служить для запобігання перетічок повітря з камери 2 у камеру 1. Випускний пристрій забезпечує рух насадки у вигляді щільного шару і необхідну витрату. Насадка являє собою сферичні частки корунду діаметром 10 мм., порізність шару . Густина корунду кг/м³, теплоємність кДж/(кгК). Витрата повітря, що нагрівається, кг/с, його температура на вході в регенератор ⁰С, на виході ⁰С. Температура продуктів згоряння на вході в регенератор ⁰С, на виході ⁰С.

Необхідно визначити розміри обох камер і аеродинамічний опір шару в них, а також ефективність регенератора і камер 1, 2.

Розв’язання.

1. Визначаємо середні температури теплоносіїв

⁰C і ⁰C

і по ним знаходимо необхідні властивості продуктів згорання для розрахунку (табл. 11 Додатку) та повітря (табл. 7 Додатку):

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

2. Визначаємо кількість теплоти і витрату продуктів згоряння з рівняння теплового балансу для регенератора, що при стаціонарному режимі і відсутності теплових втрат має такий вигляд:

Вт

кг/с

3. Визначаємо водяні еквіваленти продуктів згоряння і повітря:

Вт/К

Вт/К

4. Вибираємо водяний еквівалент проміжного теплоносія – насадки відповідно до рекомендації [13]: Вт/К

5. Знаходимо зміну температури насадки в камерах 1 і 2:

⁰С

6. Приймаємо температуру насадки на виході з камери 1 ⁰С, тоді температура на вході в камеру 1 і на виході з камери 2 ⁰С.

7. Розраховуємо швидкості початку псевдозрідження в камерах 1 і 2

7.1 Для камери 1:

м/с

7.2 Для камери 2:

м/с

м/с

Приймаємо робочі швидкості продуктів згоряння і повітря рівними:

м/с

м/с

8. Розраховуємо числа Рейнольдса , , Нуссельта , і коефіцієнти міжкомпонентного теплообміну , [13]:

8.1 Для першої камери

Вт/(м²К)

8.2 Для другої камери:

Вт/(м²К)

9. Визначаємо середньоарифметичні температурні напори і при перехресній течії.

9.1 Для першої камери:

;

З діаграм [9, 11] за значеннями й одержуємо поправку для перехресної течії

⁰С

9.2 Для другої камери

;

Одержуємо

⁰С

10. Знаходимо поверхню міжкомпонентного теплообміну в камерах 1 і 2:

10.1 м²

м²

Питома поверхня часток в одиниці об'єму шару: м²/м³

10.2 Об'єм теплообмінної ділянки в першій і другій камерах:

м³

м³

10.3 Переріз для проходу газу і повітря визначається з рівняння нерозривності при обраній швидкості фільтрації:

м²

м²

10.4 Товщина шару

м; м

11. Розраховуємо аеродинамічний опір шару по залежностях [13]

11.1 Для камери 1:

Число Рейнольдса

Коефіцієнт опору шару

æ + æ_ін

Аеродинамічний опір шару

, Па

11.2 Для камери 2:

æ + æ_ін

де æ і æ_ін - коефіцієнти, що залежать від форми часток.

Па

12. Знаходимо ефективність (к.к.д. – коефіцієнт корисної дії) регенератора [1] по теплоносію з меншим водяним еквівалентом:

Ефективність всього апарата може бути визначена також і за значеннями ефективністі окремих камер:

- для першої камери: ;

для другої камери: ;