Розрахунок рекуперативного теплообмінного апарату

 

Визначити необхідну площу поверхні теплопередачі рекуперативного теплообмінного апарату, що працює на продуктах згоряння промислової термічної печі з температурою = 967 , витратою = 690,4 / . Склад продуктів згоряння наступний: = 7,49 / , =2,07 / , =0,2 / , =1,02 / . Теплообмінний апарат нагріває гарячу воду, що використовується для гарячого водопостачання промислового підприємства, від = 7  до = 80 . Витрата води в теплообміннику =3280 кг/год. Швидкість потоку продуктів згорання через живий переріз міжтрубних каналів теплообмінника w = 4,4 м/с. Зовнішній діаметр трубок теплообмінника = 26 мм, внутрішній діаметр = 22 мм. Орієнтовна довжина трубок теплообмінника l = 1 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.

З рівняння теплового балансу для рекуперативного теплообмінного апарату (3.8) визначаємо єдину невідому - температуру відхідних газів :

 

 

де  - масова теплоємність продуктів згоряння при температурі ;

- 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 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 густину при нормальних фізичних умовах за формулою (3.3):

 

Густина продуктів згоряння при температурі = 967 знаходиться за формулою (3.4):

 

 

При відомому складі продуктів згоряння визначаємо 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 = 600 , визначаємо його густина за формулою (3.5):

 

 

Знаходимо теплоємність продуктів згоряння при температурі = 600 :

 

З рівняння теплового балансу (3.8) виражаємо невідому величину - температуру відхідних газів після теплообмінника. Змінюємо витрату води в теплообміннику з 3280 кг/год до 1740 кг/год, так як при =3280 кг/год не можливо підігріти воду в теплообмінному апараті з 7 до 80 .Рівняння вирішуємо щодо невідомої температури:

 

 

Різниця між прийнятою температурою = 600 і отриманої в результаті розрахунку = 600 виявилася рівною 0 . 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.).

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

 

 

Рисунок 1 - Графік зміни температури нагрівного і охолоджуваного теплоносія по ходу його руху

 

Знаходимо середній логарифмічний температурний напір за формулою (3.9):

 

 

Визначаємо 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:

 

.

 

Після знаходження констант P і R згідно конструкції нашого теплообмінника за номограмою 1 визначають поправочний коефіцієнт .

 

З умови завдання зрозуміло, що швидкість потоку продуктів згорання через живий переріз міжтрубних каналів w =5 м / с, а зовнішній діаметр трубок теплообмінника  = 26 мм.

Визначення коефіцієнта теплосприйняття. Коефіцієнт теплосприйняття від нагрівного теплоносія до стінки трубки теплообмінника, , / , обчислюється за формулою (3.10)

 

 

Для труб круглих перерізів  = .

Середньоарифметична температура гріючого теплоносія (продуктів згоряння)

 

 

Середньоарифметична температура нагрівного теплоносія (води)

 

 

Коефіцієнт кінематичної в'язкості для гріючого теплоносія (продуктів згоряння середнього складу) визначається при їх середній температурі за допомогою інтерполяціїії із таблиці додатка Б. При середній температурі гріючого теплоносія =784  коефіцієнт кінематичної в'язкості

Критерій Рейнольдса, що характеризує режим руху гріючого теплоносія через конвективний пучок трубок, обчислюється при середній його температурі  за формулою (3.11):

 

.

 

Згідно знайденого значення критерія Re вибирають вираз для розрахунку критерія Nu.

При <1000 розрахунок проводимо за формулою (3.12):

 

.

 

Критерій  (критерій теплофізичних параметрів гріючого теплоносія) визначається за таблицею із додатка Б додав залежності від середньої температури гріючого теплоносія. Для продуктів згоряння, що мають температуру =784˚С, критерій =0,592.

Критерій (критерій теплофізичних параметрів гріючого теплоносія) визначається за таблицею із додатка Б в залежності від середньої температури стінки поверхні теплопередачі труби, що омивається теплоносієм, . Температура стінки знаходиться методом підбору.

Задаються середньою температурою стінки =98 . Для гріючого теплоносія при =98 критерій =0,7.

Для гріючого теплоносія

 

Коефіцієнт теплопровідності гріючого теплоносія при середній температурі = 784 дорівнює 32,47 ∙ 10^-2 / .

 

 

Тепловий потік, що прямує від газів до стінки:

 

 

Визначення коефіцієнта тепловіддачі. Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води (3.15), / :

 

 

Критерій , що характеризує режим руху нагрівного теплоносія по трубках теплообмінника, при його середній температурі =43,5 :

 

 

Згідно знайденого значення критерія  вибирають вираз для розрахунку критерія .

При значенні >2 ∙ 10³ встановлюється турбулентний режим течії. Для такого режиму при поздовжньому омиванні труб критерій визначається за формулою (3.16):

 

Для води, яка має температуру = 43,5 , критерій = 4,09.

Критерій  для нагрівного теплоносія перебуває при середній температурі стінки внутрішньої поверхні трубок теплообмінника . Для води при = 98  критерій = 1,8.

Коефіцієнт теплопровідності теплоносія, який нагрівається  при його середній температурі = 43,5  дорівнює 0,632 / .

 

 

Тепловий потік, що прямує від стінки трубки теплообмінника до нагрівного теплоносія (3.17):

 

 

Визначають нев'язку теплових потоків:

Невязка дорівнює 3,8% і не перевищує допустимої, тому середню температуру стінки поверхні теплопередачі трубок теплообмінника можна вважати підібраною вірно.

Визначають коефіцієнт теплопередачі за формулою (3.21):

 

 

Необхідну площу поверхні теплопередачі рекуперативного теплообмінника F знаходять за формулою (3.22) або (3.23):

 

 

Для забезпечення нагріву води від температури 7 до 80 з витратою 1740 кг/год необхідно встановити рекуперативний теплообмінник, який матиме площу поверхні нагріву F = 4,56 .

Площа поверхні теплопередачі однієї трубки теплообмінника:

 

 

Кількість трубок теплообмінника обчислюють за формулою (3.19):

 

 

Для отриманих даних вибираємо такий кожухотрубний теплообмінник, який би забезпечував необхідне нагрівання води при заданій витраті. Виходячи з таких міркувань було обрано теплообмінник з наступними параметрами:

діаметр кожуха                                   D=273 мм;

діаметр трубок                                    d=20*2 мм;

число ходів                                         1;

сумарна кількість трубок                   N=61 шт.;

довжина трубок                                  L=1,5 м;

площа поверхні теплопередачі          6,0 м².