Тепловой расчет рекуперативного трубчатого теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретический материал

Несмотря на многообразие конструктивных форм различных теплообменников последние по принципу действия могут быть разделены на три группы: непрерывного действия, или рекуперативные, периодического действия, или регенеративные, и смесительные.

В теплообменниках непрерывного действия горячий и холодный теплоносители перемещаются одновременно и передача теплоты происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примерами таких теплообменников могут служить паровые котлы, конденсаторы поверхностного типа, отопительные приборы, варочные аппараты для плавки органических вяжущих веществ (битума, дегтя, пека, смолы), рекуперативные установки для подогрева заполнителей бетонов и др. В промышленности строительных материалов рекуператоры широко применяют также для подогрева генераторного газа и воздуха теплоносителями, выходящими из печей. Во многих случаях после воздействия на обрабатываемый материал эти теплоносители имеют еще большой тепловой потенциал и могут рассматриваться как вторичные энергоресурсы. Так газы, отходящие из камерных печей, в которых обжигают строительные материалы, имеют температуру 800 - 1000С, а часто и выше.

Технико-экономическое сравнение различных тепловых установок, используемых в промышленности строительных материалов, свидетельствует о целесообразности и рентабельности применения специальной теплоиспользующей аппаратуры, поскольку капиталовложения на ее сооружение окупаются полученной экономией топлива в течение 2-3 лет, а иногда и раньше.

Для подогрева воздуха до 600-700С в настоящее время все большее распространение получают металлические рекуператоры: трубчатые, игольчатые (ребристые), а также термоблоки, представляющие собой соединение пучка стальных труб для прохода газов и перпендикулярного ему пучка труб для прохода воздуха, при этом все пространство между трубами залито чугуном, что придает всей конструкции монолитный характер. При подогреве воздуха до более высоких температур (900-1000°С) применяют керамические рекуператоры, в которых дымовые газы протекают внутри керамических труб или камней особой формы, а снаружи их проходит нагреваемый воздух.

Недостатками керамических рекуператоров являются малая плотность соединения отдельных элементов, что вызывает большие утечки воздуха (20-40% и больше), необходимость медленного разогрева аппарата из-за возможности появления трещин на элементах при большой разнице температур в стенках, малые допустимые скорости теплоносителей (чтобы избежать увеличения присосов) и низкие значения коэффициента теплопередачи. Эти недостатки обусловливают громоздкость керамических рекуператоров, поэтому по возможности их стремятся заменять металлическими рекуператорами из жаростойких сталей. Теплота отходящих из печи газов может быть также использована для получения пара и горячей воды в паровых и водогрейных котлах-утилизаторах, работающих в основном за счет конвективного теплообмена.

В теплообменниках регенеративного типа передача теплоты от горячей жидкости к холодной осуществляется за два периода. Вначале продукты горения топлива направляют в камеру, где они нагревают насадку, выполненную обычно из шамотного кирпича. После этого через аппарат пропускают холодный воздух или газ, который отнимает аккумулированную в стенках насадки теплоту. Таким образом, здесь происходит процесс с периодической переменой направления движения горячего и холодного теплоносителей, омывающих одну и ту же поверхность нагрева. Очевидно, что при одинаковых периодах нагревания и охлаждения для непрерывного подогрева жидкости нужно иметь две камеры: пока в одной из них горячая жидкость охлаждается, в другой холодная жидкость нагревается. Затем камеры переключаются с помощью перекидных клапанов, и в следующий период в каждой из них теплообмен протекает в обратном направлении. Поскольку по мере нагревания и охлаждения температура стенки и жидкости меняется, процесс теплопередачи в регенеративных аппаратах в отличие от рекуперативных является нестационарным и по времени, и вдоль поверхности нагрева.

Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса требуется подогретый воздух и в то же время имеется большое количество отходящих газов с высокой температурой. На электростанциях принцип регенеративной передачи тепла используется в воздухоподогревателях Юнгстрема. Аккумулирующая насадка в них выполняется из профильных стальных листов с узкими щелями для прохода газов и воздуха и может вращаться (5-6 об/мин), постоянно перемещаясь от горячих газов к холодному воздуху, который непрерывно нагревается.

В промышленности строительных материалов регенераторы применяют главным образом в стекловаренных печах и печах для каменного литья, где нужно иметь особо высокие температуры рабочего пространства. Необходимость частой перемены направления газов, недолговечность перекидных клапанов, а также неравномерное распределение газов и неполное омывание ими поверхности нагрева обусловливают громоздкость регенераторов и ограничивают область их использования. В смесительных теплообменных аппаратах теплота передается путем непосредственного соприкосновения и перемешивания теплоносителей. Эти аппараты широко применяют при кондиционировании воздуха, для охлаждения воды с помощью воздуха (градирни, скрубберы), при конденсации пара и т.д.

2. Тепловой расчет теплообменного аппарата

Цель расчета теплообменного аппарата является выбор конструкции теплоообменника и определение площади теплообмена.

1. При выполнении конструктивного расчета применяют уравнение теплового баланса теплообменного аппарата

Q = G1 Cpm1 (t1 - tў1)h = G2 Cpm2 (t2 -tў2), кВт (1)

где Q - мощность теплообменного аппарата;

G1 и G2 - расход соответственно греющей и нагреваемой воды кг/с;

Cpm1 - теплоемкость воздуха, кДж/кгК;

Cpm2 - теплоемкость воды, кДж/кгК;

t1 и tў1 - начальные и конечные температуры горячего теплоносителя, С°;

t2 и tў2 - начальные и конечные температуры холодного теплоносителя, С°;

h - КПД теплообменного аппарата, учитывающий потери тепла в окружающую среду, при малых потерях тепла принимают h=1.

Q = 2,2 · 1,0135 · (180 - 40) · 1 = 312,158 Вт = 0,312 кВт

2. Средняя разность температур теплоносителей при индексе противоточности р = к + кFпрям. + кFпрот. = 0,5 для двухходового теплообменника определяется следующим образом.

Средняя арифметическая разность температур теплоносителей

= - , °С (2)

= - = 110 - 16 = 94°С

Dt1= t1 - tў1, °С и Dt2= tў2 - t2, °С

Dt1= 180 - 40 = 140 °С и Dt2 = 17 - 15 = 2 °С

, °С (3)

DT= == 138°С

Начальная и конечная разность температур

= + , °С (4)

= 94 + = 94 + 69 = 163 °С

= ? , °С (5)

= 94 - 69 = 25 °С

= , °С (6)

= 73,6 °С

После оценки коэффициента теплопередачи К, Вт/(м²К), приближенно рассчитывается площадь поверхности нагрева теплообменника

F = , м² (7)

F = = 9,22 м²

Приближенное значение площадей проходных сечений горячего и холодного водоснабжения определяется при оценке скоростей течения теплоносителей по уравнениям расхода

f1 = , м² (8)

f1 = = 0,1538 м²

= , м² (9)

= , кг/с

= = 37,28 кг/с

= = 0,023 м²

где - теплоёмкость воды,

кДж/(кг·К);

r1 - плотность воздуха, кг/м?;

r2 - плотность воды, кг/м?;

Скорость воздуха и воды принимаем w1=15 м/с и w2=1,6 м/с.

По приближенным найденным величинам F, f1 и f2 выбирается конструкция теплообменного аппарата (таблица 1, рис. 1). В справочных таблицах даны площади поверхности нагрева, проходных сечений теплоносителей, размер корпуса теплообменника, число труб и их размеры.

По этим данным и по теплофизическим свойствам теплоносителей можно рассчитать скорость течения теплоносителей, числа Рейнольдса Re, Прандтля Pr, Грасгофа Gr и затем по уравнениям подобия число Нуссельта Nu.

Теплофизические свойства теплоносителей, входящих в эти числа, выбирают при средней арифметической температуре теплоносителей из справочных таблиц (табл. 2,3).

Скорость воздуха

w1 = , м/с (10)

w1 = = 26,52 м/с

w2 = , м/с (11)

w2 = = 1,33 м/с

Числа Рейнольдса воздуха и воды определяется по формуле:

Re1 = (12)

d1э = = , м (13)

d1э = = = 0,046 м

Re1 = = 5,24·10⁴

Re2 = (14)

Re2 = = 2,48·10⁴

При турбулентном режиме течения теплоносителя, когда Re>10⁴, принимается

Nu =0,021 Re^0,8Pr^0,43(Prж/ Prс)^0,25 (15)

Nu1 =0,021·(5,24·10⁴)^0,8·0,69^0,43·(1/1)^0,25=106,755

Nu2 =0,021·(2,48·10⁴)^0,8·8,02^0,43·(1/1)^0,25=168,491

Отношение чисел Прандтля, найденных при температуре теплоносителя Prж и стенки Prс, близко к 1.

Коэффициенты теплоотдачи от воздуха к наружной поверхности труб и от внутренней поверхности труб к воде

a1 = , Вт/(м²·К) (16)

a₁ = = 75,889 Вт/(м²·К)

a2 = , Вт/(м²·К) (17)

a2 = = 4,726 Вт/(м²·К)

где l1 и l2 - коэффициенты теплопроводности воздуха и воды.

Найденные из чисел Нуссельта коэффициенты теплопередачи a1 и a2 и оцененное с учетом загрязнения термическое сопротивление стенки Sdi/li, позволяют рассчитать по уравнению для плоской стенки действительный коэффициент теплопередачи

K = , Вт/(м²·К) (18)

K = = 4,443 Вт/(м²·К)

F = , м² (19)

F = = 0,955 м²

Рис. 1. Кожухотрубчатый горизонтальный двухходовой теплообменник с плавающей головкой

Библиографический список

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. 4-е изд. - М.: Энергия, 1981. - 416 с.

2. Краснощеков В.А., Сукомел А.с. Задачник по теплопередаче. 4-е изд. - М.: - 1980. - 288 с.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шлейдлин А.К. Техническая термодинамика. - М.: Наука, 1979.

4. Баскаков А.П., Берг Б.П., Витт О.К. Теплотехника. - М.: энергоатомиздат. 1961.

5. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности. - М.: Недра, 1987.

Размещено на Allbest.ru