8 Розрахунок рекуперативних теплообмінників із дисперсними системами

8.1 Розрахунок теплообмінників із щільним рухомим шаром

Задача 8.1. Виконати конструкторський тепловий розрахунок поверхневого теплообмінника (рис. 8.1), призначеного для охолодження порошку карбіду кремнію ( кг/с) від ⁰С до ⁰С в щільному шарі, що рухається. Розмір часток порошку дорівнює м, порізність шару , теплоємність Дж/(кгК), густина кг/м³. Шар рухається у вертикальній шахті прямокутного перерізу під дією гравітаційних сил зі швидкістю м/с. У шахті розміщений горизонтальний шаховий пучок неоребрених сталевих труб діаметром м., поперечний і подовжній кроки труб у пучку . У трубах зі швидкістю м/с протікає холодна вода, температура якої на вході ⁰С, на виході ⁰С.

Визначити:

1. Площу поверхні теплообміну.

2. Загальну кількість труб.

3. Довжину труб.

4. Площу поперечного перерізу шахти.

Розв’язання

1. Розраховуємо ефективні теплофізичні характеристики шару.

1.1 Визначаємо ефективний коефіцієнт теплопровідності шару [13]:

, Вт/(мК),

де - коефіцієнт теплопровідності повітря при середній температурі:

^оС: Вт/(мК).

- об'ємна концентрація твердого компонента (часток) у шарі.

Тоді:

Вт/(мК)

2. Обчислюємо ефективний коефіцієнт температуропровідності шару м²/с

3. Визначаємо число Пекле

4. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від шару матеріалу до поверхні труб.

Якщо виконуються умови:

; ; ; , де , то застосовна наступна залежність [13]:

Тоді коефіцієнт тепловіддачі дорівнює:

Вт/(м²К)

5. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до холодної води.

5.1 Визначаємо теплофізичні характеристики води при середній температурі ^оС : кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); (табл. 1 Додатка).

Температуру стінки визначаємо за середніми температурами теплоносіїв ⁰С. При цій температурі число Прандтля .

5.2 Число Рейнольдса:

Число Нуссельта розраховуємо з формули [3]:

Вт/(м²К)

5. Коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К).

6. Розраховуємо кількість переданої теплоти:

Вт

6. Визначаємо площу поверхні теплообміну:

м²

де температурний напір для перехресної течії:

^оС

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

і

7. Визначаємо площу поперечного перерізу шахти :

м²

8. Визначаємо витрату води в трубах:

кг/с

9. Загальна кількість труб:

Приймаємо кількість труб шт

10. Загальна довжина труб:

м

8.2 Розрахунок теплообмінників із псевдозрідженим шаром

Задача 8.2. Визначити поверхню теплообміну, необхідну для відводу 0,42 МВт теплоти, що виділяється при згорянні природного газу в апараті з псевдозрідженим шаром дисперсного матеріалу (рис. 8.2). Еквівалентний діаметр часток мм, їхня густина ρ=850 кг/м³. Температура шару за умовами технологічного процесу повинна підтримуватися незмінною і рівною 950 ⁰С. Для відводу теплоти в шар поміщений трубний пучок, що складається з 10 сталевих труб зовнішнім діаметром мм, з товщиною стінок мм. У трубах рухається вода з витратою кг/с при температурі на вході ⁰С. Прийняти, що температура стінки ⁰С, внеском поверхневого кипіння води в трубах у коефіцієнт тепловіддачі можна знехтувати.

Рис. 8.2

Схема теплообмінника з псевдозрідженим шаром

Середня порізність псевдозрідженого шару ε=0,75; швидкість повітря, що надходить під розподільні ґрати, складає м/с. Ступінь чорноти псевдозрідженого шару .

Розв’язання

1. Коефіцієнт конвективного теплообміну псевдозрідженого шару зі стінкою труб визначаємо за формулою [12]:

Тоді:

Вт/(м²К).

Значення фізичних властивостей для димових газів визначалися при t=950 С: Вт/(мК); м²/с(табл. 11 Додатку).

2. Знаходимо коефіцієнт променистого теплообміну псевдозрідженого шару за наступною залежністю [12]:

Приведений ступінь чорноти системи «псевдозріджений шар стінки трубного пучка»:

Ступінь чорноти стінок труб - для заліза неполірованого (сталь).

0. Коефіцієнт променистого теплообміну:

Вт/(м²К)

3. Сумарний коефіцієнт теплообміну псевдозрідженого шару:

Вт/(м²К)

4. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води, що рухається в трубах.

4.1. Температура на виході з труб:

⁰С

4.2. Теплофізичні властивості води при середній температурі (табл. 1 Додатка) ⁰С:

Вт/(мК); кг/м³; м²/с;

4.3. Розраховуємо швидкість руху води, числа Рейнольдса і Нуссельта, коефіцієнт тепловіддачі:

м/с

Число Нуссельта визначаємо за формулою [3]:

Вт/(м²К)

5. Коефіцієнт теплопередачі

Вт/м²К.

3. Середній температурний напір:

⁰С

3. Необхідна поверхня теплообміну в апараті:

м²

3. Загальна довжина труб:

м