5.1.1 Теплообмен и температурные поля в рекуператорах

Р ассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рис. 5.2). Для определенности будем считать, что в рекуператоре нагревается сухой воздух, состоящий из двухатомных газов N₂ и О₂, которые прозрачны для тепловых лучей. Слева от стенки находится горячий теплоноситель – дым , в составе которого имеются трехатомные продукты горения СО₂ и Н₂О, способные излучать тепловой поток. В связи с этим коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке включает лучистую и конвективную составляющие: , тогда как со стороны воздуха только конвективную .

Тепловой поток от дыма к воздуху преодолевает три тепловых сопротивления: от дыма к стенке – 1/_д, внутреннее сопротивление стенки – S/ и от стенки к воздуху – 1/_в. Как известно из теплотехники, коэффициент теплопередачи для плоской стенки будет равен

, Вт/(м²К), (5.1)

а тепловой поток через стенку площадью F, м²

, Вт, (5.2)

где k и – средние по поверхности F значения коэффициента теплопередачи и разности температур между дымом и воздухом.

Рис. 5.2 – Схема теплопередачи через стенку рекуператора

Выражение (5.2) называют уравнением теплопередачи в рекуператоре, а - средним "температурным напором", который находят по формуле среднего логарифмического (вывод формулы мы не приводим)

. (5.3)

Обозначения величин и показаны на рис. 5.3. и представляют из себя разности температур дыма и воздуха через разделительную стенку на входе и выходе дымовых газов из рекуператора.

Характер температурных полей на рис. 5.3 определяется уравнением теплового баланса рекуператора

или

, (5.4)

где G_д и G_в – массовые расходы дыма и воздуха, кг/с; и – температуры дыма на входе в рекуператор и на выходе из него, С; и – то же для воздуха, С; _пот = 0,05-0,1 – коэффициент потерь теплоты в окружающую среду.

Из уравнения теплового баланса (5.4) для идеального рекуператора (при _пот = 0) получаем соотношения

(5.5а)

или

. (5.5б)

По физическому смыслу, и – это теплоемкости секундного расхода дыма и воздуха (водяные эквиваленты). Из (5.5б) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре.

Рис. 5.3 – Температурные поля рекуператоров вдоль поверхности F разделительной стенки рекуператора:

а – при ; б – при ; t_ст – температура разделительной стенки рекуператора

На рис. 5.3 представлены температурные поля прямоточного и противоточного рекуператоров при и при . Анализируя рис. 5.3, мы видим, что температура нагрева воздуха при одинаковых значениях и в прямоточном рекуператоре стремится к , а в противоточном – к , т.е. будет меньше в прямоточном рекуператоре, при этом из-за существенного уменьшения текущего значения количество передаваемой теплоты также уменьшается, поэтому в прямоточном рекуператоре экономически обоснованным считается предельное значение .

5.1.2 Схема расчета рекуператора

Цель расчета рекуператора состоит в определении величины поверхности теплообмена F, которая является исходным параметром при проектировании. Массовые расходы теплоносителей и температуры , и должны быть заданы.

В расчете рекуператора используются два уравнения: теплового баланса (5.4) и теплопередачи (5.2).

Из уравнения (5.4) находят неизвестную температуру дыма на выходе из рекуператора и количество передаваемой воздуху теплоты Q.

.

Из уравнения (5.2) определяют искомую величину поверхности теплообмена

.

Коэффициент теплопередачи "k" находят по формуле (5.1). В металлических рекуператорах внутреннее тепловое сопротивление стенки S/ пренебрежимо мало по сравнению с величинами – 1/_д и 1/_в, поэтому формула (5.1) упрощается

.

Формулы для вычисления коэффициентов теплоотдачи _д и _в приведены в учебном пособии [3] из списка рекомендуемой литературы.