Теплообмен и температурные поля в рекуператорах

Рассмотрим схему теплообмена при передаче теплоты через стенку рекуператора (рис. 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 из теплотехники, коэффициент теплопередачи для плоской стенки будет равен

, Вт/(м²×К), (6.1)

а тепловой поток через стенку площадью F, м²

, Вт, (6.2)

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

Рис. 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 рис. 6.3. и представляют из себя разности температур дыма и воздуха через разделительную стенку на входе и выходе дымовых газов из рекуператора.

Характер температурных полей на рис. 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 (5.5б) следует вывод: чем больше теплоемкость теплоносителя, тем меньше изменяется его температура в рекуператоре.

а – при ; б – при ; t_ст – температура разделительной стенки рекуператора

Рис. 6.3 – Температурные поля рекуператоров вдоль поверхности F разделительной стенки рекуператора

На рис. 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 .