Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата.
Теплообменный аппарат (теплообменник) — это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.
Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекуперативные, регенеративные и с промежуточным теплоносителем.
В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.
Провести конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника, в котором воздухом при температуре tв =170С охлаждается вода проходящая по трубкам от tI2 = 94 до tII2 = 65 . Объемный расход воды V2 = 9,5 л/с .
Материал трубок – латунь (λ = 106 Вт/(м К) диаметром (dвн/ dн = 16/18).
Коэффициент использования поверхности теплообмена ηF – принять равным 0,8. Коэффициент оребрения – К = 8.
Скорость течения воды в трубах теплообменников обычно принимается равной .
Определим среднюю температуру воды.
;
;
;
Теплофизические свойства воды будем брать из справочника при средней температуре воды , а воздуха при температуре .
Теплофизические свойства воды :
Pr = 2,21; λ = 0, 675 Вт/м∙К; ν = 3,65 Е−07,м2/с
cp (94)= 4,21 ; cp (65)=4,183 ; ρ = 970,5
Теплофизические свойства воздуха
Pr = 0,703; λ = 0,02593 Вт/м∙К; ν = 1,5 Е−05,м2/с
Рассчитаем тепловой поток, который выделится при охлаждении воды:
,
где - массовый расход теплоносителя;
- теплоемкость при ;
- теплоемкость при ;
- температура воды начальная и конечная соответственно;
кВт;
Рассчитаем средний перепад температур, считается по разности средних температур.
Δt = Δt2 − Δt1
;
;
Рассчитаем суммарное сечение труб для прохода воды.
;
м2;
м2;
Рассчитаем площадь внутреннего сечения одной трубы.
;
м2;
м2;
Рассчитаем число параллельно включенных трубок.
;
;
;
Рассчитаем уточнённое значение скорости течения воды в трубках.
;
м2/с;
м2/с;
Для расчёта коэффициентов теплоотдачи, температуру стенки примем равной средней между температурами теплоносителей.
;
;
;
Определим число Рейнольдса для воды, движущейся по трубам.
;
;
> 104 ; Режим движения – турбулентный.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи.
Для его вычисления воспользуемся определением числа Нуссельта:
Nu2 = ; откуда ;
Для определения числа Нуссельта используем следующую формулу:
Nu2 = 0,021∙Re0,8∙Pr0,43ж∙ ( )0,25 = = 127,23
α2 = = 5725,3 Вт/м2∙К
Скорость движения воздуха, обтекающего трубы с водой принимаем равной 20 м/с, за определяющий размер принимаем Х = 0,6 м.
Найдём число Рейнольдса для пары воздуха- теплообменник.
;
;
> 104. Режим движения – турбулентный.
Так как воздух омывает не одну, а пучок труб, необходимо выбрать тип расположения труб в теплообменнике: шахматный или коридорный. От расположения труб в значительной степени зависят характер движения жидкости, омывание труб каждого ряда и в целом теплообмен в пучке. При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответственными трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание в лобовой части, и большая часть трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб этого не происходит, поэтому наиболее целесообразно здесь использовать шахматное расположение труб.
Рассчитаем число Нуссельта для шахматного расположения.
где c = 0,41; n = 0,6 ; ξφ = 1; ξs = 1
Определим коэффициент теплоотдачи.
;
;
;
Определяем коэффициент теплопередачи теплообменника.
;
;
Определяем площадь теплообменника.
;
м2;
м2;
Определяем реальную площадь теплообменника по коэффициенту использования поверхности.
;
м2;
м2;
Определяем длину трубки.
;
м;
м