Характеристика теплообмінника

Характерис-тика	Довжина труб, м	Внутріш- ній діаметр корпуса, мм	Поверхня нагріван- ня однієї секції, м2	Число труб, шт	Площа живого перетину трубок, м2	Площа перетину міжтрубного простору, м2
Стандартна	3×2=6		3×10=30		0,0168	0,0308
Отримана розрахунком	6,7		28,8		0,014	0,0308

Задача № 5. Виконати тепловий розрахунок і запропонувати конструктивне компонування секцій ребристого повітропідігрівника (калорифера КФС) при таких умовах:

розташування труб в пучку	- коридорне
швидкість повітря між ребрами	- wп = 10 м/с;
діаметри труб	- dз/dвн =24/22 мм;
теплопровідність матеріалу труб	- lс =58,2 Вт/(м×К);
розміри квадратних ребер	- dр ´ bр =55´55 мм;
товщина ребер	- dр =0,5 мм;
теплопровідність ребер	- lр =58,2 Вт/(м×К);
відстань між ребрами	- b =5 мм;
температура води на вході в калорифер	- t 1 п = 130оС;
температура води на виході з калорифера	- t 1 к = 70оС;
температура внутрішньої стінки труби	- t с = 80оС;
початкова температура повітря	- t 2 п = 10 оС;
кінцева температура повітря	- t 2 к = 90 оС;
витрата повітря, що підігрівається	- Gп = 2,78 кг/с.

РОЗРАХУНОК

Калорифер складається з декількох рядів ребристих труб, рис.10.3.

Гаряча вода по патрубку 1 надходить у верхню розподільну камеру 2, яка утворена трубною решіткою і верхньою кришкою, а з камери надходить всередину труб 3. Вода рухається по трубам і віддає теплоту шляхом теплопередачі через ребристу поверхню до повітря та виходить з труб у нижню розподільну камеру 4. З калорифера вода виходить по патрубку 5. Повітря, що нагрівається, поперечним потоком проходить між рядами ребристих труб і сприймає теплоту, передану водою через ребристу стінку.

Витрата теплоти на нагрівання повітря визначається за рівнянням:

Q = G_п × с_п × (t ₂ ^к – t ₂ ^п) = 2,78×1,005×(90-10) = 223,5 кВт.

Тут теплоємність, як і інші фізичні характеристики повітря знаходиться по таблиці, при середній температурі повітря

` t_п = 0,5×(t ₂ ^п + t ₂ ^к) = 0,5×(10+90) = 50^оС, с_п = 1,005 кДж/(кг×К).

Рис. 10.3. Схема ребристого повітропідігрівника:

1,5 – патрубки; 2 - верхня розподільна камера; 3 – труби; 4 - нижня розподільна камера; 6 – каркас; 7 – трубна решітка.

Витрата гарячої води

Тут теплоємність води с ₁ = 4,22 кДж/(кг×К), по табл.20 додатку.

Площа живого перетину для проходу повітря визначається з рівняння нерозривності потоку;

G_п = f × w × r,

де G_п – витрата повітря, кг/с;

w – швидкість руху повітря, м/с;

r – густина повітря, кг/м³.

При ` t_п =50 ^оС r_п =1,093 кг/м³, площа живого перетину для проходу повітря,

Приймаємо довжину труб калорифера l = 1,01 м.

Число ребер на 1 м довжини труби

де b – відстань між ребрами калорифера приймається в межах від 5 до 10 мм.

Визначаємо площу живого перетину для проходу повітря для однієї ребристої труби f _тр.п. Вона буде дорівнювати різниці між площею прямокутника (а ´ с), в яку вписується ребриста труба, і площею по фронту (f _тр.+ f_р)= d_з × c +(а - - d_з) × d _р × п _р, що займають труба і ребра, рис.10.4.

Рис. 10.4. До визначення живого перетину для проходу повітря однієї трубки.

Висота прямокутника дорівнює повній висоті ребра, тобто а =55мм, а ширина с =1,01 м; товщина ребра d_р = 0,005 м; d_з = 0,024 м

Тоді,

f_тр.п = f_{прям .} – (f _тр. + f_р) =

= 0,055×1,01 – [1,01×0,024 + 185×0,0005(0,055-0,024)] = 2,84×10^{-2 м2}.

Число труб, розташованих по фронту до напрямку руху повітря,

Приймаємо число ребристих труб, розташованих по фронту n _тр=9. Площа живого перетину для повітря при прийнятих 9 трубах,

f_п = 9 × 2,87 × 10^-2 = 0,258 м².

Уточнена швидкість руху повітря,

У калориферах швидкість руху повітря приймається в межах від 5 до 15 м/с. Швидкості руху, що рекомендуються, для води усередині трубок калорифера повинні бути в межах 0,02¸1,00 м/с. Швидкість води в трубках варто приймати такою, щоб забезпечити, як мінімум, трирядне розташування труб. Тому приймаємо швидкість руху води w ₁ = 0,09 м/с. Площа поперечного переріза труб для проходу води визначимо за рівнянням

де r ₁ = 958,4 кг/м³ при ` t ₁ = 100 ^оС по табл.20 додатку.

Загальне число труб у калорифері

Приймаємо загальну кількість труб 27 шт.

Тоді калорифер буде складатися з трьох рядів ребристих труб. У кожному ряду 9 труб. По руху води калорифер виконується одноходовим.

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі від гарячої води до внутрішньої поверхні труби

Визначаємо режим руху води в трубах калорифера. Для чого розрахуємо число Рейнольдса

де w ₁ – швидкість руху води усередині труб калорифера, м/с;

d_вн – внутрішній діаметр труби, м

n ₁ – кінематична в'язкість води, м²/с.

При ` t ₁ = 100 ^оС n ₁ = 0,295×10^-6 м²/с (по табл.20 додатку).

Підставляючи чисельні значення, одержимо:

Re_кр = 2300 < Re₁ = 6712 < Re = 1×10⁴, то має місце перехідний режим руху води.

Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі в області перехідного режиму руху при змушеній конвекції використовуємо рівняння:

Поправка h _т на неповну турбулізацію потоку визначаємо за графіком рис.7.1 (h _т = 0,94).

При ` t ₁ = 100^оС, l ₁ = 68,3 × 10^-2 Вт/(м×К), Pr_р1 = 1,75.

При t_с = 80^оС, Pr _{с 1} = 2,21.

Тоді,

Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води до стінки труби