Расчет рекуператора. Формулы расчета теплообменника
Чтобы выполнить расчет рекуператора необходимо знать следующие параметры сред участвующих в теплообмене:
1. Теплоноситель.
1.1. Состав теплоносителя для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
1.2. Количественные и тепловые характеристики
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура теплоносителя на входе t’ [°C];
· допустимое аэродинамическое cопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
1.3. Дополнительные сведения (если таковые имеются)
· содержание агрессивных веществ;
· наличие в составе пыли, ворса или других составляющих;
· допустимая минимальная температура на выходе t" [°C];
· другие.
2. Нагреваемая среда.
2.1. Состав нагреваемой среды для определения его теплофизических параметров в интервале рабочих температур:
· теплоёмкость Ср [дж/кГ· °С];
· плотность ρ [кГ/м3];
· кинематическая вязкость ʋ [м2/с];
· теплопроводность λ [вт/м· °С];
· критерий Прандтля Pr.
2.2. Количественные и тепловые характеристики нагреваемой среды:
· объёмный расход V [нм3/час]; [кГ/час];
· температура на входе t’ [°C];
· температура на выходе t" [°C];
· допустимое аэродинамическое сопротивление Δр [Па]; [мм. вод. ст.].
Расчет конструктивных размеров рекуператора производится исходя из условий создания потребной площади поверхности нагреваемой теплоносителем и омываемой потоком нагреваемой среды. Количество тепла, передаваемое нагреваемой среде через конвективный теплообмен, определяется коэффициенту теплопередачи Ко [вт/м2 · °С].
Точный расчет теплообменника сложен тем, что все теплофизические и физические параметры сред — это величины переменные и взаимозависящие. Поэтому расчет рекуператора производят на основе эмпирических данных с использованием метода критерия подобия по усредненным физическим параметрам. Методика расчета теплообменников наиболее глубоко изложена в работах акад. Михеева М.А., Кутателадзе С.С.и Барановского Н.В. Расчет выполняется по программе, в основу которой заложены основные принципы, изложенные в этих работах.
Расчет теплообменника состоит из
1. Проверка теплового баланса
Проверка теплового баланса проводится на основании заданных в техническом задании параметров теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
Vг· Срг·Δtг·ψ = Vв·Срв·Δtв,
где Vг и Vв — объемы теплоносителя и нагреваемой среды соответственно, [кГ/час].
Ср — теплоемкость сред, [дж/кГ· °С].
Δt — средняя температура теплоносителя и нагреваемой среды.
Δtг = t’г-t"г; Δtг = t«в-t’в
Ψ — коэффициент потерь тепла.
В случае необходимости проводится корректировка технического задания.
Далее высчитываются температурные коэффициенты «P» и «R», с помощью которых по экспериментальным графикам определяется коэффициент эффективности рекуператора «ε».
;
2. Расчет габаритов рекуператора
Расчёт конструктивных габаритов рекуператора производится по требуемой площади поверхности, которая омывается нагреваемой средой и определяется по формуле:
F = Q/(Ko·Δtcp·ε) [м2],
где Q-передаваемая мощность, кДж/час.
Ко — коэф. теплопередачи, кДж/м2 · °С.
Δtcp — средний температурный напор.
График изменения температур рабочих сред по поверхности аппарата.
ε - коэффициент эффективности рекуператора
Коэффициент теплопередачи Ко рассчитывается по общепринятой методике, исходя из теплофизических параметров сред теплоносителей и конструктивных особенностей теплопередачи.
Расчет производим по упрощенной формуле по конвективному теплообмену без учета потерь теплопередачи через тонкую стенку и радиационной передачи тепла.
;
где αв и αг — коэффициенты конвективной теплоотдачи теплоносителя и нагреваемой среды, рассчитываются по эмпирическим формулам в зависимости от характера течения потоков (ламинарный, турбулентный, переходной), и зависит от критериев подобия Нуссельта , Рейнольдса, Прандтля, физических параметров сред и конструктивных параметров рекуператора.
Далее проводится расчет аэродинамического сопротивления потокам теплоносителя и нагреваемой среды по формуле:
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
∆Р = ∆Ртрубы + ∆Рвх + ∆Рвых + ∆Рускорение;
где:
В силу того, что физические параметры потоков сред определяются конструктивными размерами рекуператора, то коэфф. теплоотдачи Ко, определяющий площадь теплопередачи, предварительно рассчитать невозможно.
В начале расчета задаются скоростями потоков, и в дальнейшем путем итераций подгоняются геометрические параметры рекуператора. За критерий оптимизации принимаем минимальные весовые характеристики и соответствие аэродинамических потерь потоков сред техническим условиям.
Список литературы.
1. М.А. Михеев, И.М. Михеева.
Основы теплопередачи. М, Энергия, 1977.
2. С.С. Кутателадзе.
Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М, Энергоатомиздат, 1990.
3. Справочник по теплообменникам. т.I, т.II.
Под ред. О.Г. Мартыненко, А.А.Михалевича, В.К.Шикова. М, Энергоатомиздат, 1987.
4. Р.В. Барановский, Л.М. Коваленко, А.Р. Ястребенецкий.
Пластинчатые и спиральные теплообменники. М, Машиностроение, 1973.
5. Спр. по расчетам гидравлических и вентиляционных систем.
Под ред. А.С. Юрьева. С-Пб, Мир и Семья, 2001.
6. И.Е. Идельчик.
Спр. по гидравлическим сопротивлениям. М, Машиностроение, 1992.