Задача №5

Определить площадь поверхности нагрева газо­водяного рекуперативного теплообменника, работающего по противоточной схеме. Греющий теплоноситель — дымовые газы с начальной температурой t^/_г и конечной  t^//_г. Рас­ход воды через теплообменник  G_в, начальная температура воды  t^/_в, конечная  t^//_в. Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке трубы — _Г и от стенки трубы к воде — _Г. Теплообменник выполнен из стальных труб с наружным диа­метром d=50 мм и толщиной стенки =4мм. Коэффициент теплопроводности стали = 62 Вт/(м^.К). Стенку считать чистой с обеих сторон.

Определить также поверхности теплообмена при выпол­нении теплообменника по прямоточной схеме и сохранении остальных параметров неизменными.

Для обеих схем движения теплоносителей (противоточной и прямоточной) показать без расчета графики изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. Указать преимущества противоточной схемы.

Контрольный вопрос. Объясните физический смысл коэф­фициентов теплоотдачи и теплопередачи. От каких факторов зависит их величина?

Рекомендации к решению задачи №5

Для наглядности расчетов вначале следует представить графическую зависимость температуры от поверхности теплообмена для случая противотока и прямотока.

и  начальная и конечная температура газа, ^оС;

и  начальная и конечная температура воды, ^оС;

t_б и t_м  наибольший и наименьший температурный напор теплообменника на входе и на выходе, ^С.

Рисунок 8  Графическая зависимость температуры от поверхности теплообмена: а) для противотока; б) для прямотока

Необходимый тепловой поток (Q, Вт) для нагрева воды определяется по формуле:

, (64)

где G_в  расход воды через теплообменник, кг/с (задано по условию задачи);

с_в  теплоемкость воды, кДж/кгК: с_в =4,19 кДж/кгК (таблица В8 (см. Приложение В)).

Тепловая мощность 1 кВт=1кДж/с.

Принимаем во внимание, что отношение диаметров трубы теплообменника составляет 1,5. В этом случае, в пределах допустимой погрешности коэффициент теплопередачи - , можно определить, как и для плоской стенки, по формуле:

, (65)

где _Г  коэффициент теплоотдачи от газов наружной поверхности трубки, Вт/(м²К);

  толщина стенки трубки, м (принимаем d=4мм=0,004м);

  коэффициент теплопроводности материала трубки, Вт/(мК) (принимаем =62 Вт/(мК));

_в  коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки воде, Вт/(м²К) (берем из условия задачи)

Для конструктивного расчета (определение площади поверхности теплообменника) необходимо воспользоваться уравнением теплопередачи:

, (66)

где А  площадь поверхности теплообменника, м²;

  коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К) (рассчитывается по формуле (65));

t_ср  средний температурный напор, ^С, который определяется по формуле:

, (67)

где t_б и t_м  соответственно наибольший и наименьший температурный напор теплообменника на входе и на выходе, ^С.

Величины t_б и t_м в выражении (67) определяются по формулам:

• для противотока:

(68)

(69)

- для прямотока:

(70)

(71)

Площадь поверхности нагрева (А, м²) теплообменника с противотоком и прямотоком определяется соответственно из формулы (66):

• для противотока:

(72)

- для прямотока:

(73)

В заключение определяем преимущества теплообменника, работающего по противоточной схеме по отношению к теплообменнику, работающему по прямоточной схеме движения теплоносителя. Для этого используем формулу:

(74)

где   процентное преимущество противоточной схемы по отношению к прямоточной схеме движения теплоносителя, %