Приклад розрахунку

Визначити необхідну площу поверхні теплопередачі рекуперативного теплообмінного апарату, що працює на продуктах згоряння промислової термічної печі з температурою = 1200, витратою = 580 / за схемою протиток (номограма 3 дод. III). Склад продуктів згоряння наступний:= 7,66 /, =2,1 /, = 0,2 /, =1,03 /. Теплообмінний апарат нагріває гарячу воду, що використовується для гарячого водопостачання промислового підприємства, від = 4 до = 85. Витрата води в теплообміннику = 200 л/с. Швидкість потоку продуктів згорання через живий переріз міжтрубних каналів теплообмінника w = 4,5 м/с. Зовнішній діаметр трубок теплообмінника = 20 мм, внутрішній діаметр = 16 мм. Орієнтовна довжина трубок теплообмінника l = 0,5 м. Коефіцієнт корисної дії теплообмінника дорівнює 98%.

Необхідно визначити площу поверхні теплопередачі F рекуперативного теплообмінника, конструктивну довжину і кількість трубок теплообмінника за умови, що трубки розташовуються в шаховому порядку.

Розв'язання

З рівняння теплового балансу для рекуперативного теплообмінного апарату (5.15) ми визначаємо єдину невідому- температуру відхідних газів :

де - масова теплоємність продуктів згоряння при температурі . Визначається за формулою (5.6);

- масова теплоємність продуктів згоряння при температурі . Величина теплоємності кожного компонента, що входить до складу продуктів згоряння, приймається за таблицями теплоємностей в залежності від температури. Оскільки продукти згоряння є складною газовою сумішшю, то, знаючи їх склад, можна за формулою (5.7) визначити їхню питому теплоємність , попередньо задаючись невідомою температурою . Після визначення температури значення теплоємності перераховують з урахуванням знайденої температури до тих пір, поки величина не буде відповідати температурі.

Знаючи склад продуктів згоряння, визначаємо щільність при нормальних фізичних умовах за формулою (5.8):

Щільність продуктів згоряння при температурі = 1200 знаходиться за формулою (5.9):

При відомому складі продуктів згоряння за формулою (5.6) визначають теплоємність продуктів згоряння на вході в теплообмінник:

Знаючи, що в теплообміннику продукти згоряння віддають теплоту нагрівному теплоносієві, попередньо задаючись температурою гріючого теплоносія на виході з теплообмінника = 1050, визначаємо його щільність за формулою (5.10):

За формулою (5.7) знаходять теплоємність продуктів згоряння при температурі = 1050:

З рівняння теплового балансу (5.15) виражають невідому величину - температуру відхідних газів після теплообмінника. Рівняння вирішуємо щодо цього невідомого:

Різниця між прийнятою температурою = 1050 і отриманої в результаті розрахунку = 1064 за параметрами теплоємності й щільності продуктів згоряння, розрахованих при =1050, виявилася рівною 14. Оскільки значення теплоємності й щільності продуктів згоряння при різниці температур для продуктів згоряння змінюються незначно, то допускається розрахункові параметри прийняти за істинні.

За даними розрахунку температури відхідних газів будуємо графік зміни температур гріючого і нагрівного теплоносіїв уздовж поверхонь теплообміну апарату при протитоку теплоносіїв (рис. 5).

За графіком зміни температур гріючого і нагрівного теплоносіїв (див. рис. 5) визначають більшу і меншу різниці температур між гріючим і нагрівним теплоносіями на кінцях рекуперативного теплообмінника і :

Рис. 5. Графік зміни температури нагрівного і охолоджуваного теплоносія по ходу його руху

Знаходять середній логарифмічний температурний напір за формулою (5.19):

Визначають величину P, що являє собою відношення ступеня нагріву холодного середовища до максимально можливого перепаду температур, і величину R, що являє собою відношення ступеня охолодження гарячого середовища до ступеня нагріву холодного середовища, за формулами (5.21) і (5.22):

Після знаходження констант P і R згідно конструкції нашого теплообмінника за номограми 3 дод. III визначають поправочний коефіцієнт.

З умови завдання зрозуміло, що швидкість потоку продуктів згорання через живий переріз міжтрубних каналів w =  4,5 м / с, а зовнішній діаметр трубок теплообмінника = 20 мм.