13. Задачі до розділу IV для самостійного розв’язання

13.1. Визначити втрати теплоти і корисний тепловий потік сонячного колектора площею поверхні 8 м², призначеного для нагрівання рідини (вода) від 0 до 70⁰С. Основним елементом колектора є алюмінієва поглинаюча пластина, покрита поглинаючою плівкою (абсорбер). Нижня поверхня колектора покрита шаром пінопласту товщиною см. Над верхньою поверхнею колектора встановлені два скляних покриття зі ступенем чорноти . Відстань між покриттями складає см. Щільність потоку падаючого сонячного випромінювання дорівнює квт/м². Швидкість вітру складає м/с, температура навколишнього середовища - ⁰С. Кут нахилу колектора до обрію . К.к.д. геліосистеми .

13.2. Визначити втрати теплоти і корисний тепловий потік сонячного колектора площею поверхні 12 м², призначеного для нагрівання рідини (вода) від 18 до 80⁰С. Основним елементом колектора є алюмінієва поглинаюча пластина, покрита поглинаючою плівкою (абсорбер). Нижня поверхня колектора покрита шаром пінопласту товщиною см. Над верхньою поверхнею колектора встановлені два скляних покриття зі ступенем чорноти . Відстань між покриттями складає см. Щільність потоку падаючого сонячного випромінювання дорівнює кВт/м². Швидкість вітру складає м/с, температура навколишнього середовища - ⁰С. Кут нахилу колектора до обрію . К.к.д. геліосистеми .

13.3. Визначити втрати теплоти і корисний тепловий потік сонячного колектора площею поверхні 16 м², призначеного для нагрівання рідини (вода) від 15 до 60⁰С. Основним елементом колектора є алюмінієва поглинаюча пластина, покрита поглинаючою плівкою (абсорбер). Нижня поверхня колектора покрита шаром пінопласту товщиною см. Над верхньою поверхнею колектора встановлені два скляних покриття зі ступенем чорноти . Відстань між покриттями складає см. Щільність потоку падаючого сонячного випромінювання дорівнює кВт/м². Швидкість вітру складає м/с, температура навколишнього середовища - ⁰С. Кут нахилу колектора до обрію . К.к.д. геліосистеми .

13.4. Виконати тепловий конструкторський розрахунок горизонтального сонячного колектора, призначеного для нагрівання води з витратою кг/с від температури ⁰С до ⁰С. Щільність теплового потоку сонячного випромінювання Вт/м², температура навколишнього середовища К, швидкість вітру м/с. Поглинаюча пластина товщиною м виконана з алюмінію ( Вт/(мК)) і покрита поглинаючою плівкою ( ). Над пластиною, на відстані м, установлене скляне покриття ( ). Кут нахилу колектора до обрію . Нижня частина колектора покрита шаром теплоізоляції товщиною м ( Вт/(мК)). Вода, що нагрівається, рухається в розташованих під пластиною сталевих трубах діаметром м/м, кількість труб , крок м. Знайти необхідну площу поверхні сонячного колектора , його ширину і довжину . Визначити також, яку частку від корисного теплового потоку складають тепловтрати, указати способи їхнього зменшення.

Розділ V. Розрахунок систем теплообмінників

14. Розрахунок систем теплообмінників ступінчастим методом

З

Рис. 14.1 Схема системи теплообмінників

адача 14.1. На рис. 14.1 показане поперечне з'єднання двох однакових противострумних теплообмінних апаратів. Виконати тепловий конструкторський розрахунок системи ступінчастим методом, якщо відомо: К, К, К. Відношення водяних еквівалентів теплоносіїв , коефіцієнт теплопередачі Вт/м²К, кількість переданої теплоти в системі Вт. Схема руху в системі – поперечний ток, с кожній ступені - протиток.

Розв’язання

1. Знаходимо необхідний коефіцієнт ефективності системи по теплоносію, що гріє (з більшим водяним еквівалентом) [1,4]:

2. Знаходимо значення ефективності ступені, задаючись значенням числа одиниць переносу теплоти для ступені по теплоносію з меншим водяним еквівалентом (холодному).

2.1 1-е наближення. Задаємося значенням числа одиниць переносу . Потік, що нагрівається, розділений на дві рівні частини, тому для кожної ступені відношення водяних еквівалентів

Ефективність ступені [1,4]:

2. Для поперечнострумного з'єднання при одержуємо для системи:

У зв'язку з тим, що , необхідно виконати розрахунок у другому наближенні.

2.3 2-е наближення. Задаємося значенням числа одиниць переносу для ступіні і розраховуємо ефективність ступіні:

Тоді ефективність системи:

3. Значення ефективності, отримане в другому наближенні, збіглося з заданим: . Отже, .

4. Знаходимо водяний еквівалент теплоносія, що гріє, для системи:

Вт/К

- теплоносія, що нагрівається, для системи:

Вт/К

- водяний еквівалент теплоносія, що нагрівається, для ступіні:

Вт/К

3. Площа теплообмінної поверхні ступіні:

м²

- і системи:

м²

Таким чином, дана система повинна складатися з двох апаратів із площею теплообмінної поверхні кожного по 525 м².

Задача 14.2. Виконати конструкторський розрахунок системи теплообмінних апаратів (рис. 14.2) ступінчастим методом. Число ступіней у системі – 2, схема руху теплоносіїв у ступені – протитечія, ступені з'єднані по схемі протитечії. Середовищем, що гріє, служить повітря, що обмиває пучки труб. Швидкість руху повітря – 7 м/с, витрата кг/с, температура повітря змінюється від до . Нагрівним середовищем є пари аміаку, що рухаються в трубах (240 шт.) із внутрішнім діаметром 26 мм, і нагріваються від до . Витрата аміаку - кг/с. Внутрішній діаметр труб – 26 мм, товщина їхніх стінок - 2 мм.

Рис. 14.2

Схема з'єднання ступіней у системі теплообмінників.

Розв’язання.

1. Виписуємо теплофізичні властивості теплоносіїв, що відповідають їхнім середнім температурам.

   0. Повітря (табл. 7 Додатку): ^оС

Дж/(кгК); Вт/(мК); кг/м³; м²/с;

1.2 Пари аміаку (табл. 9 Додатку): ^оС, МПа

Дж/(кгК); Вт/(мК); кг/м³; м²/с;

2. Розраховуємо водяні еквіваленти теплоносіїв.

2.1 Для повітря.

Вт/К

2.2 Для аміаку

Вт/К

3. Кількість переданої теплоти в системі теплообмінників:

Вт

4. Відношення водяних еквівалентів теплоносіїв (меншого до більшого) для системи і ступені:

5. По заданих вхідних і вихідних температурах теплоносіїв розраховуємо ефективність системи по гарячому теплоносію, яку необхідно забезпечити:

.

6. Задаємося значенням числа одиниць переносу ступені .

7. При протитечії для розрахунку ефективності ступіней по теплоносію з більшим водяним еквівалентом (у даному випадку - холодному: ) застосовна формула [4]:

З рівняння теплового балансу , одержуємо формулу для ефективності ступені по гарячому теплоносію :

6. Відповідно до прийнятого типу з'єднання ступіней розраховуємо ефективність усієї системи по гарячому теплоносію :

6. Зіставлення і показує, що похибка складає 7,5%. Тому розрахунок слід повторити при інших значеннях . Задаємося значеннями числа одиниць переносу ступіні .

7. Ефективність ступіні по холодному теплоносію:

Визначаємо ефективність ступіні по гарячому теплоносію :

6. Розраховуємо ефективність системи по гарячому теплоносію :

Порівнюємо значення , , визначені в п.п. 5 і 11. Вони збігаються.

Відповідне значення вважаємо остаточним.

12. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі з боку повітря.

Число Рейнольдса:

Для поперечного обтікання пучка труб у діапазоні справедливе наступне критеріальне рівняння[3]:

Вт/(м²К)

12.2 Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі з боку аміаку.

Швидкість руху аміаку:

м/с

Число Рейнольдса:

Для турбулентного плину рідини в трубах круглого перерізу критеріальне рівняння має вигляд [3]:

Вт/(м²К)

Коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

13. Обчислюємо поверхню теплообміну ступені зі співвідношення

м²

Тоді для всієї системи

м².