Определите поверхность нагрева стального рекуперативного газо- воздушного теплообменника (толщина стенок δс = 3 мм) при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей, если объемный расход воздуха при нормальных условиях Vн, средний коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности нагрева α1, от поверхности нагрева к газу α2= 500 Вт/(м2 K), коэффициент теплопроводности материала стенки трубы (стали) λ = 50 Вт/(м·К), теплоемкость топочных газов сг = 1,15 кДж/(кг·К), плотность ρг = 1,23 кг/м3. начальные и конечные температуры газа и воздуха равны соответственно t1.н, t1.к, t2.н, и t2.к. Определить также расход газа G через теплообменник. Изобразить график изменения температур теплоносителей для обеих схем при различных соотношениях их условных эквивалентов. Исходные данные для расчета:
V=15·103 м3/ч
α1=70 Вт/(м2·К)
t1.н=3200С
t1.к=1200С
t2.н=150С
t2.к=1000С
Указание: при решении задачи можно условно считать стенку плоской
Решение
Определим значение коэффициента теплопередачи через плоскую стенку:
k=11α1+δλ+1α2;Вт/(м2·К)
k=1170+3·10-350+1500=61,178 Вт/(м2·К)
Плотность воздуха при нормальных физических условиях: ρ=1,293 кг/м3
Переведём значение объёмного расхода воздуха из м3/ч в м3/с:
Vн=15·1033600=4,167 м3/c
Определим массовый расход воздуха по формуле:
G2=Vн·ρ;кг/с
G2=4,167·1,293=5,388 кг/с
Определим среднюю температуру воздуха по формуле:
tср2=t2н+t2к2=15+1002=57,5℃
Определим тепловой поток, воспринимаемый холодным теплоносителем - воздухом:
Q2=G2·cp2·t2к-t2н;Вт
где:
сp – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха, при средней температуре воздуха tср1=57,50С сp=1005 Дж/(кг·град)
Q2=5,388·1005·100-15=460269,9 Вт=460,27 кВт
Температурный напор определяется по формуле:
Δtср=Δtб-ΔtмlnΔtбΔtм;℃
где:
Δtб и Δtм – разности температур теплоносителей в начале и конце поверхности теплообмена теплообменника,0С
Определим температурный напор при прямоточном теплообменнике:
Определим большую разность температур при прямоточной схеме:
Δtб=t1н-t2н=320-15=305℃
Определим меньшую разность температур при прямоточной схеме:
Δtм=t1к-t2к=120-100=20℃
Δtпрям=305-20ln30520=104,6 ℃
Определим температурный напор при противоточном теплообменнике:
Определим большую разность температур при противоточной схеме:
Δtб=t1н-t2к=320-100=220℃
Определим меньшую разность температур при противоточной схеме:
Δtм=t1к-t2н=120-15=105℃
Δtпрям=220-105ln220105=155,48 ℃
Определим необходимую площадь поверхности нагрева по формуле:
F=Q2k·Δt;м2
Для прямоточной схемы:
Fпрям=460269,961,178·104,6=71,93 м2
Для противоточной схемы:
Fпрот=460269,961,178·155,48=48,39 м2
Из уравнения теплового баланса тепловой поток, воспринятый холодным теплоносителем равен тепловому потоку, отданному горячим теплоносителем, за исключением потерь.
Q2=Q1·ηто;Вт
где:
ηто – КПД теплообменника, примем, что потери а теплообменнике отсутствуют ηто=1
Тепловой поток Q1, отданный горячим теплоносителем можно определить из формулы:
Q1=cг·G1t1н-t1к=Q2; Вт
где:
cг=1,15 кДж/кг по заданию – удельная теплоемкость газов;
G1 – массовый расход газа.
Отсюда определим массовый расход топочных газов:
G1=Q2cг·t1н-t1к;кгс
G1=460,271,15·320-120=2 кгс
Определим объёмный расход топочных газов по формуле:
V1=G1ρг;м3/c
V1=21,23=1,623 м3/c
График изменения температур при прямотоке при W1>W2:
53206652364105t2к
00t2к
5581652773680t2н
00t2н
53206652021205t1к
00t1к
558165468630t1н
00t1н
График изменения температур при прямотоке при W1<W2:
53682902313305t2к
00t2к
53206652056130t1к
00t1к
5581652922905t2н
00t2н
558165513080t1н
00t1н
График изменения температур при противотоке при W1>W2:
54825903240405t2н
00t2н
5010152459355t2к
00t2к
54254402240280t1к
00t1к
558165487680t1н
00t1н
График изменения температур при противотоке при W1<W2:
54254403075305t2н
00t2н
54254402170430t1к
00t1к
5010152313305t2к
00t2к
558165484505t1н
00t1н
Какая схема движения теплоносителя выгоднее?
Выгоднее противоточная схема, так как при тех же параметрах теплоносителей позволяет создавать теплообменники с меньшей площадью нагрева, чем у прямоточных.
Покажите (из рассмотрения формулы), какими способами можно увеличить коэффициент теплопередачи
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
