Теплообмен и температурные поля в рекуператорах

Рассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рисунок 6.2). Для определенности будем считать, что в рекуператоре нагревается сухой воздух, состоящий из двухатомных газов N₂ и О₂, которые прозрачны для тепловых лучей. Слева от стенки находится горячий теплоноситель – дым , в составе которого имеются трехатомные продукты горения СО₂ и Н₂О, способные излучать тепловой поток. В связи с этим коэффициент теплоотдачи от дыма к стенке включает лучистую и конвективную составляющие: , тогда как со стороны воздуха только конвективную .

Тепловой поток от дыма к воздуху преодолевает три тепловых сопротивления: от дыма к стенке – 1/a_д, внутреннее сопротивление стенки – S/l и от стенки к воздуху – 1/a_в. Как известно коэффициент теплопередачи k (Вт/(м²×К),) для плоской стенки будет равен

, (6.1)

а тепловой поток Q (Вт) через стенку площадью F (м²)

, (6.2)

где k и – средние по поверхности F значения коэффициента теплопередачи и разности температур между дымом и воздухом.

Рисунок 6.2 – Схема теплопередачи через стенку рекуператора

Выражение (6.2) называют уравнением теплопередачи в рекуператоре, а - средним «температурным напором», который находят по формуле среднего логарифмического (вывод формулы мы не приводим)

. (6.3)

Обозначения величин и показаны на рисунке 5.3. и представляют из себя разности температур дыма и воздуха через разделительную стенку на входе и выходе дымовых газов из рекуператора.

Характер температурных полей на рисунке 6.3 определяется уравнением теплового баланса рекуператора

или

, (6.4)

где G_д и G_в – массовые расходы дыма и воздуха, кг/с;

и – температуры дыма на входе в рекуператор и на выходе из него, °С;

и – то же для воздуха, °С;

h_пот = 0,05-0,1 – коэффициент потерь теплоты в окружающую среду.

Из уравнения теплового баланса (6.4) для идеального рекуператора (при h_пот = 0) получаем соотношения

(6.5а)

или

. (6.5б)

По физическому смыслу, и – это теплоемкости секундного расхода дыма и воздуха (водяные эквиваленты). Из (6.5б) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре.

На рисунке 6.3 представлены температурные поля прямоточного и противоточного рекуператоров при и при . Анализируя рис. 6.3, мы видим, что температура нагрева воздуха при одинаковых значениях и в прямоточном рекуператоре стремится к , а в противоточном – к , т.е. будет меньше в прямоточном рекуператоре, при этом из-за существенного уменьшения текущего значения количество передаваемой теплоты также уменьшается, поэтому в прямоточном рекуператоре экономически обоснованным считается предельное значение .

а – при ; б – при :

t_ст – температура разделительной стенки рекуператора

Рисунок 6.3 – Температурные поля рекуператоров вдоль поверхности F разделительной стенки рекуператора

Схема расчета рекуператора

Цель расчета рекуператора состоит в определении величины поверхности теплообмена F, которая является исходным параметром при проектировании. Массовые расходы теплоносителей и температуры , и должны быть заданы.

В расчете рекуператора используются два уравнения: теплового баланса и теплопередачи.

Из уравнения (6.4) находят неизвестную температуру дыма на выходе из рекуператора и количество передаваемой воздуху теплоты .

Из уравнения (6.2) определяют искомую величину поверхности теплообмена .

Коэффициент теплопередачи "k" находят по формуле (5.1). В металлических рекуператорах внутреннее тепловое сопротивление стенки S/l пренебрежимо мало по сравнению с величинами – 1/a_д и 1/a_в, поэтому формула (6.1) упрощается

.