Тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера

Тепловой расчет нагревательных элементов.

В задачу теплового расчёта блока ТЭНов входит определение количества ТЭНов в блоке и действительной температуры поверхности нагревательного элемента. Результаты теплового расчёта используют для уточнения конструктивных параметров блока.

Мощность одного ТЭНа определяют исходя из мощности калорифера Pк и числа ТЭНов z, установленных в калорифере.

.

Число ТЭНов z принимают кратным 3, причем мощность одного ТЭНа не должна превышать 3…4 кВт. ТЭН подбирают по паспортным данным (приложения Г.9).

По конструктивному исполнению различают блоки с коридорной и шахматной компоновкой ТЭНов (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 Схемы компоновки блока ТЭНов, а — коридорная компоновка; б — шахматная компоновка Для первого ряда нагревателей скомпонованного нагревательного блока должно выполняться условие:

оС, где tн1 — действительная средняя температура поверхности нагревателей первого ряда, оС; Pm1 — суммарная мощность нагревателей первого ряда, Вт; ср — средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2оС); Fт1 — суммарная площадь теплоотдающей поверхности нагревателей первого ряда, м2; tв — температура воздушного потока после калорифера, оС.

,.

где k — количество ТЭНов в ряду, шт; Pт, Fт — соответственно мощность, Вт, и площадь поверхности, м2, одного ТЭНа. Площадь поверхности оребренного ТЭНа.

.

где d — диаметр ТЭНа, м; lа — активная длина ТЭНа, м; hр — высота ребра, м; a — шаг оребрения, м.

Для пучков поперечно обтекаемых труб следует учитывать средний коэффициент теплоотдачи ср, так как условия передачи теплоты отдельными рядами нагревателей различны и определяются турбулизацией воздушного потока. Теплоотдача первого и второго рядов трубок по сравнению с третьим рядом меньше. Если теплоотдачу третьего ряда ТЭНов принять за единицу, то теплоотдача первого ряда составит около 0,6, второго — около 0,7 в шахматных пучках и около 0,9 — в коридорных от теплоотдачи третьего ряда. Для всех рядов после третьего коэффициент теплоотдачи можно считать неизменным и равным теплоотдаче третьего ряда.

Коэффициент теплоотдачи ТЭНа определяют по эмпирическому выражению.

.

где Nu — критерий Нуссельта, — коэффициент теплопроводности воздуха, = 0,027 Вт/(моС); d — диаметр ТЭНа, м.

Критерий Нуссельта для конкретных условий теплообмена рассчитывают по выражениям для коридорных пучков труб при Re 1103.

.

при Re > 1103.

.

для шахматных пучков труб:

при Re 1103.

.

при Re > 1103.

.

где Reкритерий Рейнольдса.

Критерий Рейнольдса характеризует режим обтекания ТЭНов воздухом и равен.

.

где — скорость воздушного потока, м/с; - коэффициент кинематической вязкости воздуха, = 18,510−6 м2 /с.

Для обеспечения эффективной термической нагрузки ТЭНов, не приводящей к перегреву нагревателей, следует обеспечивать в зоне теплообмена движение потока воздуха со скоростью не менее 6 м/с. Учитывая возрастание аэродинамического сопротивления конструкции воздушного канала и нагревательного блока с ростом скорости потока воздуха, последнюю следует ограничить 15 м/с.

Средний коэффициент теплоотдачи для коридорных пучков.

.

для шахматных пучков.

.

где n — количество рядов труб в пучке нагревательного блока.

Температура воздушного потока после калорифера равна.

.

где Pк — суммарная мощность ТЭНов калорифера, кВт; - плотность воздуха, кг/м3; св — удельная теплоемкость воздуха, св = 1 кДж/(кгоС); Lв — производительность калорифера, м3/с.

Если условие (3.23) не выполняется, выбирают другой нагревательный элемент или изменяют принятые в расчете скорость воздуха, компоновку нагревательного блока.

Конструктивный расчет нагревательного блока.

В расчет конструктивных параметров блока ТЭНов входит определение расстояний между нагревателями в ряду x1 и расстояний между рядами x2, а также внешних размеров блока. При расчете конструктивных элементов следует учитывать принятую ранее скорость воздушного потока, количество нагревателей в ряду, количество рядов, расположение нагревателей и производительность вентилятора Lв.

Для расчета x1, определяют «живое «сечение блока нагревателей, т. е. не занятую ТЭНами площадь воздушного канала Fк:

.

где Lв — производительность калорифера, м3/с; - принятая в тепловом расчете скорость воздуха, м/с.

Минимальные размеры нагревательного блока определяют по следующим выражениям:

расстояние между нагревателями в ряду.

.

где k — количество ТЭНов в ряду.

расстояние между рядами нагревателей x2.

при x1 3/2 D x2 = x 1, при x1 < 3/2 D x2 = 1,2×1, (3.37).

где D — диаметр выбранного ТЭНа c оребрением, м.

высота H и ширина Bн блока нагревателей.

.

.

где l — полная длина ТЭНа, м.

глубина блока нагревателей Сн.

.

По результатам расчета нагревательного блока выполняют эскиз блока с указанием расчетных параметров нагревательного элемента.

Пример 4. Провести тепловой и конструктивный расчет нагревательного блока электрокалорифера, выбранного в примере 3. Компоновка ТЭНов шахматная.

Решение.

Тепловой расчет.

В калорифере установим 18 ТЭНов, количество рядов n = 3, количество ТЭНов в ряду k = 6. Мощность одного ТЭНа.

Выбираем ТЭН80В13/2,0К220 (приложение Г.9). Мощность ТЭНа Pт = 2000 Вт, активная длина lа = 0,8 м, диаметр d = 0,013 м.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи ТЭНа. Выбираем скорость воздуха в калорифере = 14 м/с.

Критерий Рейнольдса.

Критерий Нуссельта для шахматной компоновки, при Re > 1103.

.

Коэффициент теплоотдачи ТЭНа.

Средний коэффициент теплоотдачи для шахматной компоновки.

Суммарная мощность первого ряда ТЭНов.

Площадь поверхности одного ТЭНа с учетом оребрения. Шаг оребрения a = 0,005 м, высота ребра hр = 0,012 м.

Суммарная площадь первого ряда ТЭНов.

Температура воздушного потока после калорифера.

Температура ТЭНов первого ряда.

что соответствует норме.

Конструктивный расчет.

«Живое» сечение блока нагревателей.

Расстояние между нагревателями в ряду.

Расстояние между рядами нагревателей.

.

следовательно.

Высота блока нагревателей.

Ширина блока нагревателей.

Глубина блока нагревателей.

Расчет горячего водоснабжения

Расчет теплоаккумуляционной установки

Расчет теплоаккумуляционной установки начинают с построения графика теплопотребления. Нормы потребления горячей воды в животноводческих объектах приведены в приложениях Г10, Г11.

Мощность теплопотребления в i-ый отрезок времени (кВт).

.

где Gгi — расход горячей воды в i-ый отрезок времени, кг/ч; с — удельная теплоемкость воды, с = 4,19 кДж/(кгоС); tг, tх — температуры горячей и холодной воды, оС.

Максимальную температуру воды принимают равной 90…95 оС, что позволяет устанавливать аккумуляторы меньшего объема. Требуемую температуры воды tсм получают смешиванием горячей воды из аккумулятора с холодной водопроводной. Расход горячей Gг и смешанной Gсм воды связан соотношением.

. (3.42).

Суточная потребность в горячей воде Gсм определяют по выражению.

где gi — суточная норма расхода горячей воды i-го потребителя, кг/сут; ni — количество потребителей i-го вида; i — продолжительность потребления горячей воды i-м потребителем, ч/сут.

.

где U — напряжение между электродами, В; Eдоп — допустимая напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве, В/см.

В проектной практике для водонагревателей и водогрейных котлов значения Eдоп в зависимости от удельного сопротивления воды принимают в пределах 125…250 В/см, где минимальное значение Eдоп соответствует удельному сопротивлению воды 20 2000 Омсм, а максимальное 20 10 000 Омсм.

Для стержневых систем ориентировочно принимают.

R=4,76r; a = 0,51R.

Длину активной части электродов (см) определяют по выражению.

.

где G1 — производительность нагревателя на одну фазу, кг/c; с — удельная теплоемкость воды, с = 4190 Дж/(кгоС); Kгеометрический коэффициент электродной системы; т — тепловой к.п.д., т = 0,97.

Если длина электродов получается слишком большой, то задаются новыми значениями ширины электродов b или диаметра d и расчет повторяют.

Полученную площадь электродов проверяют по максимальной плотности тока для стержневых электродов.

.

для пластинчатых электродов.

.

где kн — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электродов, kн = 1,1…1,4; t = 4020/(20+tг) — удельное сопротивление воды при конечной температуре, Омсм.

Допустимая плотность тока для плоских электродов составляет 0,5 А/см2, для стержневых — не более 2 А/см2. Если условие (3.61) не выполняется, расчет повторяют при других значениях b или d.

Мощность водонагревателя, вычисленная по параметрам электродной системы для всех трех фаз, составит.

.

Полученная мощность P должна быть приближенно равна исходной мощности Pн.

Пример 6. Рассчитать электродный водонагреватель для заполнения аккумулятора, рассчитанного в примере 5. Потребная мощность нагревателя Pн = 26 кВт, производительность G = 0,27 м3/ч, удельное сопротивление воды 20 = 2000 Омсм.

Решение.

Выбираем нагреватель со стержневыми электродами (приложение Г. 13, № 6).

Диаметр электрода d = 2r = 20 мм.

Радиус корпуса R = 4,76r = 4,7610=47,650 мм.

Радиус расположения стержневых электродов a = 0,51R=0,5150=25,5 мм.

Геометрический коэффициент электродной системы.

Производительность нагревателя на одну фазу.

Длина активной части электродов.

Удельное сопротивление воды при конечной температуре.

Максимальная плотность тока.

Максимальная плотность тока меньше допустимой jдоп = 2 А/см2.

Мощность водонагревателя по параметрам электродной системы.