Теплопередача через наружную стенку теплообменника

Конвекция

Примем среднюю температуру поверхности обшивки

310 K.

Температура наружного воздуха (по заданию)

.

По таблице 5 стр. 27 при этой температуре

кинематическая вязкость воздуха

м²/с,

теплопроводность

Вт/(м·К),

число Прандтля

Число Грасгофа

0,288·10¹⁰

Комплекс

0,202·10¹⁰

Из формулы (62) следует, что имеет место ламинарный режим, и число Нуссельта будет равно

Отсюда

3,383 Вт/(м²·К).

Излучение

Степень черноты материала обшивки (алюминий) по табл. 6 стр.8 («Задания и методические ...»)

Плотность теплового потока излучением от наружной поверхности обшивки в окружающую среду

5,79 Вт/м².

Коэффициент теплоотдачи излучением

0,579 Вт/(м²·К).

Суммарный коэффициент теплоотдачи от обшивки в окружающую среду

Вт/(м²·К).

По табл. 6 стр.8 («Задания и методические ...»)

коэффициент теплопроводности стекловаты

Вт/(м·К).

коэффициент теплопроводности материала обшивки (алюминия)

Вт/(м·К).

Среднюю температуру наружной стальной трубы теплообменника примем равной

При этой температуре коэффициент теплопроводности стали по табл. 6 стр.8 («Задания и методические ...»)

Вт/(м·К),

Соответствующие диаметры граничных поверхностей наружной трехслойной стенки

0,3+2 (0,003+0,018)=0,342 м.

0,3+2 (2·0,003+0,018)=0,348 м.

0,3+2 (2·0,003+0,018+0,07)=0,488 м.

0,3+2 (2·0,003+0,018+0,07+0,004)=0,496 м.

Линейный коэффициент теплопередачи через наружную стенку

0,2078Вт/(м·К).

Средний температурный напор через наружную стенку в нашем случае можно определить как разность между средней температурой воздуха в теплообменнике и температурой окружающего воздуха (расчет по среднелогарифмической формуле здесь невозможен, т.к. меньший температурный напор равен в нашем случае нулю).

К.

Линейная плотность теплового потока через наружную стенку

11,367 Вт/м.

Тепловой поток в окружающую среду

Вт.

Величина тепловых потерь составляет

0,19 %

от количества тепла, передаваемого воздуху в теплообменнике.

Средняя температура поверхности стенки со стороны внутреннего цилиндрического канала.

К.

Температура поверхности стенки со стороны щелевого канала (оребренной поверхности) определяется соотношением

Расчетная средняя температура внутренней стенки определяется как средняя арифметическая величина

Т_вн=0,5(Т_вн1+Т_вн2)=0,5(449,72+448,74)=449,23 К.

Во втором приближении температуру стенки внутренней трубы теплообменника T_вн примем как среднее значение между температурами Т_вн1 и Т_вн2.

Плотность теплового потока излучением

1632,22Вт/м².

Коэффициент теплоотдачи излучением

Вт/(м²К).

Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке (суммарный)

Вт/(м²К).

Теплопроводность материала стенки внутренней трубы при T_вн =449,2 К или 176,23 °С найдем из табл. 6 стр.8 («Задания и методические ...»)

Вт/(мК).

Число Био со стороны боковой поверхности ребра

Коэффициент эффективности ребра по формуле (15)

0,952

Приведенный коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы теплообменника к воздуху по формуле (7)

40,81 Вт/(м²К).

Линейный коэффициент теплопередачи по формуле (5)

3,41 Вт/(мК).

Линейная плотность теплового потока

Вт/м.

Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку

(по уравнению теплопередачи)

Вт.

Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку

(по уравнению теплового баланса)

Вт.

В этом случае расхождение между и составляет 16,1%, что превышает 5 %. Поэтому необходимо выполнить еще одну итерацию.

Примем температуру газов на выходе из теплообменника:

Т”г=757,4 К.

Уточним значение температуры воздуха на выходе:

Средняя температура газов

К.

Средняя температура воздуха

К.

По сравнению с предыдущим расчетом разница в полученных значениях столь незначительна, что можно не пересчитывать теплофизические свойства газа и воздуха, а также коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи. Уточним средний температурный напор

.

Линейная плотность теплового потока

Вт/м.

Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку

(по уравнению теплопередачи)

Вт.

Тепловой поток (по уравнению теплового баланса)

Вт.

В этом случае расхождение между и не превышает 0,13%. Т.е. полученные данные можно считать окончательными.

Средняя температура поверхности стенки со стороны внутреннего цилиндрического канала.

К.

Температура поверхности стенки со стороны щелевого канала (оребренной поверхности) определяется соотношением

Расчетная средняя температура внутренней стенки определяется как средняя арифметическая величина

Т_вн=0,5(Т_вн1+Т_вн2)=0,5(427,19+426,28)=426,73 К.

Рассчитаем температуры слоев наружной стенки

Температуры соответствующих границ слоя рассчитываются по соотношениям

К.

В качестве средней температуры каждого слоя может быть принято среднелогарифмическая величина:

Т_нар =0,5(Т_с1+Т_с2)=0,5(314,57+314,56)=314,565 К.

Т_и=0,5(Т_с2+Т_с3)=0,5(314,56+299,264)=306,914 К.

Т_о=0,5(Т_с3+Т_с4)=0,5(299,264+299,263)=299,264 К.

Примем =782,4 К.

К.

Найдем температурный напор:

К.

Найдем тепловой поток:

Вт.

Найдем тепловой поток (по тепловому балансу):

Вт.

Расхождение составляет 0,02%, что не превышает 5 %.

где – эффективность теплообменного аппарата,

Безразмерное число единиц переноса тепла,

Водяной эквивалент теплоносителя,

Теплофизические характеристики воздуха

Ср,в, Дж/(кг∙К)

ρв, кг/м^3

λв, Вт/(м∙К)

νв, м^2/с

1005,4

1,0569

0,02906

19,07510^-6

Теплофизические характеристики продуктов сгорания

Ср,г, Дж/(кг∙К)

ρг, кг/м^3

λг, Вт/(м∙К)

νг, м^2/с

εг

βг, К^-1

1177,18

0,47264

0,0623

7,118510^-5

0,15

1,07

Температура

Воздух

Продукты сгорания

Стенки

Тв0

Тв^״

Тг0

Тг^״

Твн

Тнар

Ти

То

300

329,7

800

757,4

4 426,7

314,6

306,9

299,3

Характеристики теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^2∙К)

Эффективность оребрения

αг,к

αг,л

αг

αв^′

αв^״

αокр,к

αокр,л

αокр

Е

9,99

9,06

19,06

41,06

37,96

3,38

0,58

3,96

0,95

Теплофизические характеристики материала стенок

λвн, Вт/(м∙К)

λнар, Вт/(м∙К)

λи, Вт/(м∙К)

λо, Вт/(м∙К)

17,219

20,26

0,04

235

Характеристики теплопередачи

Площадь поверхности теплообмена, м^2

Средне-логарифм. температурный напор, К

Линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙К)

Тепловой поток, Вт

Линейная плотность теплового потока, Вт/м

Fвн

Fнар

вн

нар

kвн

kнар

Qвн

Qнар

qвн

qнар

0,018

1,35

457,5

17,42

4,06

0,208

8175,9

15,91

5839,9

11,37