Околович Г.А. Нагрев и нагревательные устройства

Подождите немного. Документ загружается.

141

Вт

609

645,33,5

645.311

003.0

645.30028.0

005.0

615.228.0

144.0

2.282

20608

⋅

−

Температура наружной стенки:

4220

645.33.5

609

⋅

Рисунок 72 - Схема теплоизоляции

Определение максимального коэффициента теплоотдачи: кри-

терий Нуссельта определяется по формуле

.42

10422,0

046,0

69,0

max

СхАr

=⋅

⋅

−

(8.21)

Коэффициент теплоотдачи, при λ=500 Вт/(м К) равен

КВт

м/397=

⋅

(8.22)

142

Рисунок 73 - Схема рекуператора

Для расчета рекуператора следует предопределить способ токов

обогревающего и обогреваемого воздуха, а также задаться конструк-

цией самого рекуператора. Исходя из условий рациональной

компоновки - конструкции печи, рекуператор наиболее удобно

располагать между ретортой с кипящим слоем и теплоизоляцией

печи.

Подавая холодный воздух в рекуператор так чтобы последний

омывался горячим

с обеих сторон для более быстрого прогрева и для

того чтобы поверхность самого рекуператора использовалась

наиболее рационально.

Данная схема позволяет понять схему токов горячего и

холодного воздуха которая является, по сути, противотоковой и

определить конструкцию проектируемого рекуператора.

Его высота равна высоте печи ванны и составит 1150 мм.

Для расчета потребуется определить

так же скорости движения

воздуха в различных частях рекуператора. Но так как для наилучше-

го результата при обогреве требуется чтобы потоки воздуха имели

турбулентный режим движения, для этого скорость должна быть не

ниже 2м/с. Исходя из этого, следует назначить размеры рекуперато-

ра.

Чтобы получить требуемые скорости следует определить диа-

метры

каждой из зон 1,2,3 внутренние и внешние. Для этого требу-

ется составить уравнение:

3,2,1

, (8.23)

где F

1,2,3

-площади 1,2 и 3 зон соответственно;

- нормальный объем воздуха м

/с;

- скорость движения газов о)

дг

= 2 м/с.

143

Следует отметить что нормальный объем Vн не равен объему в

нормальных условиях и подсчитывается по формуле

ср

273

(8.24)

где V- объем воздуха численно равный расходу (G);

ср

- средняя температура в интервале между холодным и нагре-

тым до заданной температуры, а также между горячим и охлажден-

ным воздухом соответственно.

В результате расчета по формуле (8.24)

cмV

;/075,0

(8.25)

где

1,2,3

В результате расчета по формуле (8.25)

=0, 0373

Тогда зазор в зоне 1 рекуператора будет равен 0,031м, зазор в

зоне 2 равен 0,029м, а в зоне 3 0,023м. Так как данные зазоры не по-

падают в ряд нормальных размеров, следует привести их к нему.

Поэтому примем зазоры равными

В зонах 1 и 3 – 20мм,

В зоне 2 – 15мм.

Тогда следует уточнить истинные скорости ω

в связи с приня-

тыми зазорами. Для этого преобразуем формулу (2) для вычисления

. После принятия всех конструктивных параметров определим

площадь рекуператора

),(

DDlF

(8.26)

где

-высота рекуператора,

=1150мм;

внутренний диаметр рекуператора, D

= 560 мм;

внешний диаметр рекуператора, D

= 590 мм.

Переходим к тепловому расчету.

Для теплового расчета рекуператора следует составить систему

уравнений теплового баланса.

Она имеет следующий вид:

144

)(

ttСV

−

′′

−

″

′

; (8.27)

=Fk

∆

–основное уравнение теплового баланса;

– условие равенства тепловых потоков;

где

– тепловой поток горячего и холодного воздуха

соответственно;

’

С - теплоёмкость воздуха в пределах температур t

F- площадь рекуператора;

k –коэффициент теплопроводности;

∆

t- среднелогарифмический температурный напор.

Примем, что температура нагреваемого воздуха будет равна

С, а нагретого 200

С и определим значения С для этого интервала

температур, а так же другие требуемые величины:

- коэффициент теплопроводности воздуха равный

0,321 Вт/(м

С);

v – вязкость воздуха равна 23,13⋅10

-6

/с при

t =110

79,38⋅10

-6

/c при 430

С;

С=0,075кДж/(кг

С);

Количество передаваемой теплоты находим по уравнению теп-

лового баланса для холодного воздуха Q

кВтС

56,13)20200(009,1075,0

=−⋅=

Тогда в соответствии с системой уравнений теплового баланса

температура греющего воздуха на выходе:

),V/(С

⋅−=

Qtt

145

где t

’

- температура горячего воздуха, равная 600

С.

.4301,068)(0,075/56,13600

Сt =⋅−=

Определим среднелогарифмический температурный напор, для

этого определим максимальную разницу температур на входе и вы-

ходе горячего и холодного воздуха соответственно, учитывая, что

схема рекуператора – противоток.

Рисунок74 - График температурного напора

Тогда

.410,400

СtСt =∆=∆

А среднеарифметический температурный напор составит, по

формуле

.4,405

0/400)41lg(3,2

400410

;

)t/lg(3,2

Сt

Нб

−

=∆

∆∆

∆

−

∆

=∆

(8.28)

Скорости движения теплоносителей были определены выше,

сейчас определим числа Рейндольса -Re для каждого участка реку-

ператора.

Для определения Re следует вычислить эквивалентный диаметр

кольцевых каналов каждой из зон рекуператора, так как схема пред-

ставляет собой теплообменник по типу труба в трубе.

;

−

iэ

DDd

(2.29)

тогда

146

;8,11331079,38/04,03Re

;/Re

:40590630

;30560590

;40520560

111

=⋅⋅=

=−=

−=

эri

эi

ммd

При

10Re <

коэффициент Нуссельта (Nu):

3121

PrRe67.0=Nu

где

687,0Pr

- число Прандтля для воздуха в заданном ин-

тервале температур

Тогда

.2,19687,01133.80.67Nu

3/11/2

⋅

Найдём коэффициент теплопроводности от газов в стенке:

.38,1/м0,04/0574,02,19

,d/

эi111

=⋅=

⋅

(8.30)

Определим число Рейнольдса для газов зоны 2 рекуператора:

.78,36301023,13/03,023,3Re

-6

=⋅⋅=

Критерий Нуссельта:

.Вт/м 44,80,03/0327,067,0

СNu

=⋅=

Найдём коэффициент теплоотдачи

;

/1//1

αλα

(8.31)

где

S-

толщина стенки рекуператора;

Примем её толщину равной 2мм и определим что будем изго-

товлять его (рекуператор) их из стали,

- коэффициент теплопро-

вод4ности стенки, 19,2 Вт/м

Тогда

5,20

1/44.80,002/19,238,1/1

=К

Вт/м

Вычислим требуемую площадь рекуператора для подогрева

воздуха до температуры 200

С. Для этого преобразуем уравнение

теплового баланса:

147

.63,1

5,204,405

13560

;

мF

⋅

∆

(8.32)

Полученная площадь гораздо меньше полученной путём конст-

руирования в начале раздела, следовательно, если настоящая пло-

щадь больше расчетной, то воздух будет прогреваться значительно

сильнее. Чтобы произвести более точный расчет температуры по-

догреваемого воздуха следует вести его методом последовательного

перебора значений, так как при каждом новом принятом значении

температуры подогреваемого воздуха

будут меняться несколько пе-

ременных в системе уравнений теплового баланса. Однако темпера-

туру следует уточнить для того, чтобы оценить экономию энергии и

целесообразность установки рекуператора.

Для уточнения расчета примем что, температура подогреваемо-

го воздуха будет равна 20

С, а нагретого 250

С и определим значе-

ния С для этого интервала температур, а так же другие требуемые

величины;

- коэффициент теплопроводности воздуха, равный

0,323 (Вт/м

С);

v – вязкость воздуха, равная 23,13*10

-4

при t = 110

и 79,38*10

-4

/c при 430

С;

(

,)(

)кг/(068,0

tСVQ

СкДжС

−=

(8.33)

=Fk

∆

– основное уравнение теплового баланса. (8.33)

Определим настоящий объем воздуха

=0.10205⋅273/(273+135)=0,068м

/c,

После этого уточним скорости на участке 1, 2, 3

148

=2,96м/c,

2,3

=3,23м/c.

Количество передаваемой теплоты находим по 4равнению теп-

лового баланса для холодного воздуха Q

8,15)20250(009,1068,0 =−⋅=

Q кВт.

Тогда в соответствии с системой уравнений теплового баланса

температура греющего воздуха на выходе

),/(

1 Нб

CVQtt −= (8.34)

где t

’

-температура горячего воздуха, равная 600

),/(

1 Hб

СVQtt −=

(8.35)

определим среднелогарифмический температурный напор, для этого

начертим график температурного напора:

Тогда

∆

=350

∆ t

=362

;

)/lg(3.2

Hб

∆∆

∆−∆

=∆

(8.36)

.356

350/365lg(3.2

350362

Ct =

−

=∆

скорости движения теплоносителей были определены выше, сейчас

определим числа Рейнольдса Re для каждого участка рекуператора.

Эквивалентный диаметр кольцевых каналов:

;40ммd

эi

;30ммd

эi

;40ммd

эi

;/Re

эiri

⋅

.7.11181038.79/04.096.2Re

⋅

−

При

10Re <

коэффициент Нуссельта (NU):

;PrRe67.0

3/12/1

(8.37)

;687.

Рr

Тогда

.7,19687,07,111867,0

3/12/1

⋅

Найдём коэффициент теплопроводности от газов к стенке;

149

./8,3704,0/0574,07,19

СмВт

dNu

эiriri

=⋅=

⋅

(8.38)

Коэффициент теплопроводности от стенки к воздуху:

;

/1//1

αλα

(8.39)

Тогда

./9,18

38/12,19/002.08,37/1

СмВтК =

Вычислим требуемую площадь рекуператора для подогрева воздуха

до температуры 250

С:

34,2

9,18356

15800

;

мF

⋅

∆

(8.40)

Полученная площадь меньше полученной путём конструирова-

ния в начале раздела, следовательно, если настоящая площадь боль-

ше рас-четной, то воздух будет прогреваться несколько сильнее.

Поэтому проведём ещё один расчет приняв температуру равной

280

С.

.)(

ttC

−=

(8.41)

)(

ttС

−=

tFkQ

∆

-основное уравнение теплового баланса; (8.42)

Определим настоящий объем воздуха:

./0,066м150)(273/273102005,0

=+⋅=

после этого уточним скорости на участке 1,2,3:

/c8,2,/5,1

3,21

мcv

150

Мы приняли что температура нагретого воздуха 280

С и опре-

делим значения С для этого интервала температур, а так же другие

требуемые величины:

- коэффициент теплопроводности воздуха, равный 0,323Вт/(м

C);

V- вязкость воздуха, равная 23,13⋅10

-6

/c при t=110

C и 79,38⋅10

/c при 430

С;

С=1,068 кДж/(кг

С);

Количество передаваемой теплоты находим по уравнению теп-

лового баланса для холодного воздуха Q

;

.415,1720280(017,166,0

кВтQ

=−⋅=

Тогда в соответствии с системой уравнений теплового баланса

температура греющего воздуха на выходе

),/(CV

Qtt −= (8.43)

где t

’

–температура горячего воздуха, равная 600

С.

.353)068.1066.0/(415,17600

Сt =⋅−=

Определим среднелогарифмический напор,

Рисунок 75 - Уточненный график температурного напора

Тогда

∆

t=320

, а

=333

А среднелогарифмический температурный напор составит