k_r_-_115
.docxРассчитать три варианта рекуперативного воздухоподогревателя, изготовленного из стальных труб диаметром dн/dвн. Температура воздуха на входе t2вх, на выходе t2вых. Объёмный расход воздуха (при средней температуре) G2возд. Теплопроводность стали λст = 57 Вт/(м∙ºС).
Вариант 1.
Греющая среда – насыщенный пар, который отдаёт тепло, конденсируясь на горизонтальных трубках. Давление насыщенного пара Рнп. Воздух протекает внутри труб. Скорость воздуха W2вн.
Дано:
dн/dвн = 24/22 мм
Рнп = 0,5 МПа
λст
= 57 Вт/(м
оС)
t2вх = 25оС
t2вых = 90оС
W2вн = 14 м/с
G2возд = 3900 м3/ч
Решение:
Тепловая нагрузка аппарата:
Q
= G2
Cр2
(t2вых
– t2вх)
Средняя температура воздуха:
t2ср
=
0,5
(t2вых
+ t2вх)
= 0,5
(90 + 25) = 57,5оС
Ср2
= 1,005 кДж/(кг
оС)
и ρ = 1,068 кг/м3
– теплоемкость и плотность воздуха
при средней температуре t2ср
= 57,5оС.
G2
= 3900 м3/ч
ρ = 3900
1,068 = 4165 кг/ч = 1,16 кг/с
Следовательно:
Q
= 1,16
1,005
(90 – 25) = 75,777 кВт
Определяем расход греющего пара на теплообменник:
При Рнп =0,5 МПа: tн = 152оС
h'' = 2748,1 кДж/кг
h' = 640,2 кДж/кг
r = 2107,9 кДж/кг
D
=
=
= 0,037 кг/с
где η = 0,98 – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.
Температурный напор рассчитывается как среднелогарифмический:
∆tср
=
=
= 90,6оС
Температура стенки:
tст
= 0,5
(tн
+ tср)
= 0,5
(152 + 57,5) = 104,75оС
Температура пленки конденсата:
tпл
= 0,5
(tн
+ tст)
= 0,5
(152 + 104,75) = 128оС
При
tпл
= 128оС:
λ = 68,4
10-2
Вт/(м
оС)
ρ = 935,22 кг/м3
ν
= 0,243
10-6
м2/с
μ
= 1,8
10-4
Па
с
Коэффициент теплоотдачи от греющей среды к трубкам:
α1
= С
= 0,728
= 9447 Вт/(м2
оС)
Коэффициент теплоотдачи от трубок к нагреваемой среде:
α2
=
При
t
= 57,5оС:
λ = 2,88
10-2
Вт/(м
оС)
ν
= 18,72
10-6
м2/с
Nu = 0,018Re0,8 (для воздуха)
Re
=
=
= 16452 – турбулентный режим
Nu
= 0,018
164520,8
= 42,49
α2
=
= 55,62 Вт/(м2
оС)
Коэффициент теплопередачи:
k
=
=
= 55,24 Вт/(м2
оС)
Поверхность нагрева:
F
=
=
= 19 м2
Вариант 2.
Греющая среда – вода, протекающая внутри труб со скоростью W1в. Температура воды на входе t1вх, на выходе t1вых. Воздух омывает шахматный пучок труб снаружи поперечным потоком. Скорость воздуха в узком сечении W2нар. Относительные шаги: поперечный σ1, продольный σ2. Схема движения теплоносителей – противоток.
Дано:
W1 = 0,9 м/с
t1вх = 125оС
t1вых = 85оС
W2 = 9 м/с
t2вх =25оС
t2вых = 90оС
G2 = 1,16 кг/с
dн/dвн = 24/22 мм
σ1 = 1,9
σ2 = 2,1
Решение:
Уравнение теплового баланса:
G1
Cp1
(t1вх
– t1вых)
= G2
Cp2
(t2вых
– t2вх),
Откуда определяется расход воды:
G1
=
=
= 0,448 кг/с
где
Ср2
= 1,005 Дж/(кг
оС)
– теплоемкость воздуха при t2ср
= 0,5
(t2вых
+ t2вх)
=
0,5
(90 + 25) = 57,5оС;
Ср1
= 4,2293 Дж/(кг
оС)
– теплоемкость воды при t1ср
= 0,5
(t1вых
+ t1вх)
= 0,5
(125 + 85) = 105оС.
Тепловая нагрузка аппарата:
Q
= G1
Cр1
(t1вх
– t1вых)
= 0,448
4,2293
(125 – 85) = 75,79 кВт
Температурный напор рассчитывается как среднелогарифмический:
∆tср
=
=
= 46оС
Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха:
α2
=
Для шахматного пучка:
Nu = 0,41∙Re0,6∙Pr0,38∙εS,
где εS = σ2-0,15 = 2,1-0,15 = 0,89
Pr = 0,701 (для воздуха)
Re
=
=
= 11538
где
ν = 18,72
10-6
м2/с
при t2ср
= 57,5оС.
Nu = 0,41∙115380,6∙0,7010,38∙0,89 = 87,26
α2
=
= 104,7 Вт/(м2
оС),
где
λ = 2,88
10-2
Вт/(м
оС)
при t2ср
= 57,5оС.
Вследствие значительной разницы в уровне теплообмена со стороны воды и воздуха коэффициент теплопередачи практически равен α2:
k
= α2
= 104,7 Вт/(м2
оС)
Расчетный коэффициент теплопередачи:
kp
= k
φ
= 104,7
0,7 = 73,29 Вт/(м2
оС)
где φ – коэффициент использования.
Поверхность нагрева теплообменника:
F
=
=
= 22,5 м2
Коэффициент теплоотдачи со стороны воды:
α1
=
,
где
λ = 68,3
10-2
Вт/(м
оС)
при t1ср
= 105оС,
ν
= 0,286
10-6
м2/с
при t1ср
= 105оС,
Nu
= 0,021 ∙ Reп0,8
∙ Prп0,43
∙
0,25
Reп
=
=
= 46154 – турбулентный режим
Prп = 1,69
Prст = 1,17
Nu
= 0,021 ∙ 461540,8
∙ 1,690,43
∙
0,25
= 155,42
α1
=
= 4825 Вт/(м2
оС)
Вариант 3.
Греющая среда – дымовые газы, протекающие внутри труб со скоростью W1д.г. Температура дымовых газов на входе в теплообменник J1вх. Объёмный расход дымовых газов (при средней температуре) G1д.г. Воздух омывает коридорный пучок труб снаружи поперечным потоком со скоростью W2нар. Относительные шаги: поперечный σ1, продольный σ2. Схема движения теплоносителей – противоток.
Дано:
W1д.г. = 16 м/с
t1вх = 160оС
G1д.г. = 2,8 м3/с
W2нар = 9 м/с
σ1 = 1,9
σ2 = 2,1
G2возд = 3900 м3/ч
t2вх = 25оС
t2вых = 90оС
λст
= 57 Вт/(м
оС)
dн/dвн = 24/22 мм
Решение:
Уравнение теплового баланса:
G1
Cp1
(t1вх
– t1вых)
= G2
Cp2
(t2вых
– t2вх),
Откуда определяется температура дымовых газов на выходе из ТО:
t1вых
= t1вх
–
,
где
Ср2
= 1,005 Дж/(кг
оС)
– теплоемкость воздуха при t2ср
= 0,5
(t2вых
+ t2вх)
=
0,5
(90 + 25) = 57,5оС;
G2
= 1,16 кг/с. Ср1
= 1,082 Дж/(кг
оС)
– теплоемкость дымовых газов, определяемая
при ориентировочно принятой t1ср
= 150оС;
G1
= G
ρ = 2,8
0,849 = 2,38 кг/с.
t1вых
= 160 -
= 131оС
Температурный напор:
∆tср
=
=
= 86,8оС
Число Рейнольдса по стороне дымовых газов:
Re1
=
=
= 12955
где
ν1
= 27,17
10-6
м2/с
– коэффициент кинематической вязкости
дымовых газов при t1ср
= 150оС.
α1
= 0,018
Re10,8
= 0,018
129550,8
= 56,95 Вт/(м2
оС)
где
λ1
= 3,57
10-2
– коэффициент теплопроводности дымовых
газов при t1ср
= 150оС.
Число Рейнольдса по стороне воздуха:
Re2
=
=
= 11538
где
ν2
= 18,72
10-6
м2/с
– коэффициент кинематической вязкости
воздуха при t2ср
= 57,5оС.
α2
=
Nu
= 0,26
Re0,65
∙ Pr0,26
εs
Для коридорного пучка:
=
= 1,11
2, значит εs
= 1,111,6
= 1,18
Pr = 0,701 (для воздуха)
Nu
= 0,26
115380,65
0,7010,26
∙1,18 = 122,2
α2
=
= 146,64 Вт/(м2
оС)
где
λ2
= 2,88
10-2
– коэффициент теплопроводности воздуха
при t2ср
= 57,5оС.
Коэффициенты теплоотдачи со стороны газов α1 и со стороны воздуха α2 являются величинами одного порядка и по абсолютным
значениям невелики. Это позволяет термическим сопротивлением стенки δ/λ пренебречь. Тогда коэффициент теплопередачи определяется из выражения:
k
=
=
= 41 Вт/(м2
оС)
Расчетный коэффициент теплопередачи:
kp
= k
φ
= 41
0,9 = 36,9 Вт/(м2
оС)
где φ – коэффициент использования.
Тепловая нагрузка теплообменника:
Q
= G2
Cp2
(t2вых
– t2вх)
= 1,16
1,005
(90 – 25) = 75,78 кВт
Поверхность нагрева теплообменника:
F
=
=
= 23,7 м