Целью теплового расчета регенератора является определение величины его поверхности нагрева. При этом используются два основных уравнения. Уравнение теплопередачи:
(3.2)
и уравнение теплового баланса
(3.3)
где: Q – количество теплоты, передаваемое от газа воздуху, кВт;
К – коэффициент теплопередачи, кВт/(м2·град);
F – поверхность теплообмена, м2,
DТ*СР – средний температурный напор между газом и воздухом,°С;
GВ – массовый расход воздуха, кг/с;
GГ – массовый расход газа, кг/с;
Срв – средняя изобарная массовая теплоемкость воздуха в интервале температур от T*2 до T*R, кДж/(кг·К);
Срг – средняя изобарная массовая теплоемкость газа в интервале температур от T*4 до T*S, кДж/(кг·К);
T*2 и T*R – температуры воздухе перед регенератором и после него, К;
T*4 и T*S – температура газа перед регенератором и после него, К;
hP – к.п.д. регенератора, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.
Из уравнений (3.2) и (3.3) находим:
(3.4)
Имея, в виду, что степень регенерации:
выражение (3.4) для определения поверхности нагрева получит следующий вид:
(3.5)
В последнем уравнении неизвестными величинами являются коэффициент теплопередачи К и средний температурный напор Dtср, определив которые легко вычислить поверхность нагрева. Остановимся на определении величин Dtср и К. Так как температуры газа и воздуха меняются вдоль поверхности нагрева (рис. 4.9), то средний температурный напор вычисляется по следующим формулам:
для прямотока:
(3.6)
 |
Рис. 3.2 Характер изменения температур газа и воздуха
вдоль поверхности нагрева регенератора;
а) прямоток; б) противоток.
для противотока:
(3.7)
Для перекрестного тока средний температурный напор вычисляется так:
где: y - поправочный коэффициент, находится по графикам на рис. 4.10 в зависимости от степени регенерации r и параметра
Обычно в регенераторах ГТУ параметр P» 1. Коэффициент теплопередачи может быть приближенно вычислен по следующей формуле:
(3.8)
где: aГ и aВ - коэффициенты теплопередачи соответственно от газа к стенке и от стенки к воздуху, Вт/(м2 · К).
Рис. 3.3. График для определения поправочного коэффициента y:
1 - для одноходового перекрестного тока; 2 - для двухходового перекрестного
тока; 3 - для трехходового перекрестного тока.
Коэффициент теплоотдачи aВ от воздуха к стенке определяется по формуле:
(3.9)
где: lВ – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м ·K);
nВ – кинематическая вязкость воздуха, м2/с;
d1 – внутренний диаметр трубок регенератора, м:
wВ – средняя скорость воздуха в трубках, м/c.
Коэффициенты lВ и nВ в формуле (3.9) берутся по средней температуре воздуха.
Коэффициент теплоотдачи aГ от газа к стенке при продольном обтекании трубок (т.е. в случае прямотока и противотока) может быть вычислен по последней формуле, если соответствующие параметры (l, n, w) определять для газа и вместо d1 подставить эквивалентный диаметр межтрубного пространства dЭ, т.е.:
где: d2 – наружный диаметр трубок, м;
S1 – шаг трубок по ширине пучка, м;
S2 – шаг трубок по глубине пучка, м.
Коэффициент теплоотдачи aГ от газа к стенке при поперечном обтекании трубок определяется по формуле:
(3.10)
при:
и по формуле:
(3.11)
при:
где: S1 – поперечный шаг;
S2 – диагональный шаг;
СZ – поправочный коэффициент, учитывающий число рядов Z в трубном пучке, величина которого находится из графика на рис. 4.9.
Коэффициенты nГ и lГ в формулах (3.10) и (3.11) берутся для средней температуры газа.
После определения температурного напора и коэффициента теплопередачи нетрудно вычислить поверхность нагрева F по уравнению (3.4).
Рис. 3.4 График для определения поправочного коэффициента
для шахматных пучков труб.
Число трубок n регенератора можно определить из уравнения сплошности:
Откуда
(3.12)
где: rВ - плотность воздуха для средней его температуры, кг/м3.
Длина трубок определяется из выражения:
(3.13)
где: d - средний диаметр трубок, м.
