4. Конвективный теплообмен

В теплообменнике типа «труба в трубе» (см. рис. 1) необходимо нагреть воздух с массовым расходом m₂=…[кг/c] от температуры =…[C] до температуры =…[C]. Теплота передается от дымовых газов с начальной температурой =…[C] и конечной =…[C]. Дымовые газы движутся по внутренней стальной трубе диаметром  мм. Воздух движется по кольцевому зазору противотоком к дымовым газам. Внутренний диаметр внешней трубы d₃ = 504 мм.

Рис.1. Схема теплообменника «труба в трубе»

Определить площадь теплообмена A, длину теплообменной поверхности l и суммарную мощность N, необходимую на преодоление гидравлического сопротивления при движении теплоносителей по каналам теплообменника.

№ задачи	,[C]	,[C]	,[C]	,[C]	m2,[кг/c]
5	1200	600	32	150	0,8

Дано :

Массовый расход воздуха m₂=0,8кг/с;

Начальная температура =32C;

Конечная температура =150C ;

Начальная температура дымовых газов =1200C;

Конечная температура дымовых газов =600C;

Внутренний диаметр внутренней стальной трубы м;

Наружный диаметр внутренней стальной трубы м;

Коэффициент теплопроводности материала трубы Вт/(м·К);

Воздух движется по кольцевому зазору противотоком к дымовым газам; Внутренний диаметр внешней трубы м.

Решение

Находим среднеарифметическое значение температур теплоносителей и соответствующие значения физических свойств воздуха и дымовых газов при этих температурах:

Для воздуха C.

Для дымовых газов C.

Соответствующие значения физических свойств, при этих температурах для воздуха выбираем из таблицы 4, для дымовых газов из таблицы 5 приложения 1.

Для воздуха:

,C	, кг/м3	, Дж/(кг·K)	, Вт/(м·К)	, м2/с	Pr2
90	0,972	1009	0,0313	22,10	0,690

Для дымовых газов:

,C	, кг/м3	, Дж/(кг·K)	, Вт/(м·К)	, м2/с	Pr1
900	0,301	1290	0,01	152,5	0,590

Передаваемый тепловой поток от дымовых газов к воздуху:

Вт.

Необходимый массовый расход дымовых газов:

кг/с.

Скорость движения теплоносителей:

воздуха в кольцевом канале:

м/с;

дымовых газов в трубе:

м/с.

Число Рейнольдса для потоков теплоносителей:

воздуха в кольцевом канале:

,

здесь м;

дымовых газов в трубе:

.

Так как значения числа - режим течения турбулентный.

При данном режиме критериальное уравнение, отражающее связь числа Нуссельта от чисел Рейнольдса и Прандтля имеет вид: .

Число Нуссельта для воздуха в кольцевом канале:

.

Число Нуссельта для дымовых газов в трубе:

.

Коэффициенты теплоотдачи:

от наружной поверхности внутренней трубы к воздуху:

Вт/(м² K);

от дымовых газов к внутренней поверхности внутренней трубы:

Вт/(м² K).

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м² K).

Здесь м.

Площадь поверхности нагрева:

м².

Здесь ºС.

Длина теплообменной поверхности:

м.

Здесь - диаметр со стороны меньшего .

Коэффициенты трения для теплоносителей:

при движении воздуха в кольцевом канале:

;

при движении дымовых газов в трубе:

.

Мощность на прокачку теплоносителей:

на прокачку воздуха:

Вт;

на прокачку дымовых газов:

Вт.

Суммарная мощность, необходимая на преодоление гидравлического сопротивления при движении теплоносителей по каналам теплообменника определится как: Вт.