CC BY
38
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
B. Л. Осокин, доцент кафедры «Механика» ГОУ ВПО «Нижегородский государственный инженерноэкономический институт»;
C. Б. Красиков, директор ГОУ НПО «Профессиональный лицей № 41»
Аннотация. Проведенный математический анализ теплообмена в электронагревателе - основном рабочем элементе тэнового подогревателя воды [1, 2] позволил, прежде всего, получить математическую модель теплообмена в электронагревателе и, как следствие, подготовить методику инженерного теплового расчета подогревателей воды.
Ключевые слова: элемент, электрод, оборудование, стенд.
PRACTICAL REALIZATION OF RESULTS OF THEORETICAL RESEARCHES
V. L. Osokin, docent of the chair «Mechanic» GOU VPO «Nizhniy Novgorod state engineer-economic institute»;
S. B. Krasikov, the director of GOU NPO «Professional lycee № 41»
Annotation. The carried out mathematical analysis of heat exchange in an electro heater - the basic working element of heaters water heater has allowed to receive, first of all, mathematical model of heat exchange in electro heater and, as consequence, to prepare a methodology for engineering thermal design of water heaters.
Key words: element, electrode, equipment, stand
Мощность, необходимая для нагрева воды, рассчитывается по формуле (Вт)
р = ССР^ Ф, (1)
3,6 т
где G - масса нагреваемой среды, кг; Ср - удельная теплоемкость нагреваемой среды, кДж/(кг- °С) (табл. 6) в [3]; перепад между температурами нагретой и абсолютной
ределяемый по формуле ^1; (2)
величиной нагреваемой среды, опр
(°С) &а =
3,6 - тепловой эквивалент электрической энергии, кДж/(Вт- ч); т- время, за которое требуется нагреть среду на величину Ata, ч; у - коэффициент, учитывающий увеличение мощности на тепловые потери, практические значения которого приведены для различного ЭТО ниже:
Виды подогревателей ц
Подогреватели воды проточные скоростные.........1,01
Подогреватели воды емкостные толстостенные .1,08.
Подогреватели воды емкостные тонкостенные... 1,20
Рассчитав необходимую для нагрева воды мощность, приступают к выбору и расчету потребного количества ЭН, их размещению и определению габаритов подогревателя
Окончательно габариты подогревателей определяют в зависимости от их типа. Так, размеры емкостных подогревателей зависят от необходимого разового нагрева объема воды, а габариты проточных подогревателей - от количества и размеров ЭН или гидравлических характеристик изделия.
Определив габариты подогревателя, прочность деталей и плотность их соединений, необходимо вычислить температуру его поверхности и КПД.
Температуру наружной поверхности рассчитывают по формулам (°С):
для плоской стенки:
t _ К„ А^ +1
tстп + tсд ; (3)
п а
для цилиндрической стенки:
KцAtсД
Ч _^^ + tсд, (4)
где Кц и Кп - соответственно коэффициенты
теплопередачи плоской и цилиндрической стенок, Вт/(м2-°С) и Вт/(м^°С); tсд - температура среды, окружающей изделие, в частном случае может быть tсд = tн, °С; ап, ац - соответственно суммарные коэффициенты
теплоотдачи плоской и цилиндрической стенок, Вт/(м2- °С); Ьц - длина цилиндра, м; Д^д - перепад между температурой, окружающей изделие, и нагреваемой в нем среды (°С):
А^сд 1-а tсд. (5)
Величины ап и ац при практических расчетах ЭТО по
заданной температуре его наружной, поверхности выра-
жаются уравнениями: для плоской стенки (по Нуссельту) [Вт/(м2- °С)]:
ц _ 9,75 + 0,07(/д - ^д), (6)
для цилиндрической стенки (по Хельману и Коху):
а _9,40+0,052(^ - tсд), (7)
где їд - температура наружной поверхности, допустимая по условиям эксплуатации, °С.
Коэффициент теплопередачи для плоской стенки определяется из формулы:
— = — + ^ + —, (8)
Кп а 4 а
для цилиндрической стенки из формулы:
1 1 1 1 Ат 1 /т
----—-------\------1п----\------, (9)
К Э а 21 В В а
п в а ст в ст ц
где ^ст - толщина теплопередающей стенки, м; аа - коэффициент теплоотдачи нагреваемой в подогревателе среды, который при некоторых практических расчетах судового ЭТО можно вычислять по формулам Шака, Вт/(м2-°С).
Коэффициент турбулентного потока жидкости в цилиндрических подогревателях
аа — / (Ш)г0,85. (10)
Здесь / (Ш) - функция Шака, значения которой при нагревании воды
3080 (1 + 0,014) а
V - средняя скорость движения воды в подогревателе,
м/с.
Определить температуру наружной поверхности электрических подогревателей по формулам (2) и (3) можно по известным їсд, Р и V.
Рассчитанная температура наружной поверхности изделия сравнивается с заданной или допустимой для подогревателей данного типа. Если полученная расчетная температура поверхности подогревателя больше заданной или допустимой, следует заменить материал корпуса (в случае небольшой разницы) или изолировать подогреватель, ввести в его конструкцию защитный кожух и повторить расчет (в случае значительной разницы и невозмож-
ности замены материала). Изменяя параметры теплоотдающей поверхности, материал и толщину корпуса, вводя теплоизо-ляцию и кожухи, можно добиться необходимых результатов. Однако следует по возможности избегать введения дополнительных элементов в конструкции подогревателей, так как они значительно увеличивают их габариты, массу и стоимость. Поэтому теплоизоляционные материалы в конструкциях подогревателей следует применять только в обоснованных случаях. Например, для уменьшения тепловых потерь емкостных подогревателей, в которых среда в нагретом состоянии должна сохраняться значительное время без подогрева, или подогревателей, температура, температура наружных поверхностей которых без теплоизоляции превышает допустимые нормы.
Расчет температуры наружной поверхности подогревателей, имеющих тепловую изоляцию и кожухи, ведется по формулам (2) ... (8) с введением в формулы (7) и (8) дополнительных слагаемых:
- коэффициент теплопроводности материалов изоляции, кожуха и т.д., Вт/(м-°С); Б1, ..., Бп - средние диаметры слоя изоляции, кожуха и т. д., м.
Тепловыделения (тепловые потери) с нагретой поверхности определяются по формуле (Вт)
4 _ Л ^пв - ^д К (13)
где ^ПВ - площадь теплоотдающей поверхности, м2; ^В -температура теплоотдающей поверхности, в частных случаях:
где ",к " - толщина изоляции, кожуха и т. д., м; Х1,.Х2
'пв - 'ст, °С.
Тепловые потери изделия, имеющего несколько различно ориентированных поверхностей, равны (Вт):
п п ,
Фп = X Фп = X а‘Рпв (' пв - ' сд ) , (14)
1 = 1 1 1 = 1 1 1 1
где п - число теплоотдающих поверхностей.
Теплоотдача в среду, охлаждающую изделие,
определяется по формуле (Вт):
У'Ю д/
ФФв = ^ (15)
где У' - расход воздуха через изделие, м /ч; Д''сд - перепад температур между температурой охлаждающей среды и температурой среды, окружающей ЭТО (°С):
д4='■ - 'с,. (16)
ср
Чтобы рассчитать КПД изделия, сначала определяют тепловые потери по формулам (Вт): для плоской стенки:
фпп = КпРп ('пв - 'сд ); (17)
для цилиндрической стенки:
Ф = К Ь (' -' ), (18)
^Пц ц ц V пв сд/ ’ V /
где ^п - площадь плоской стенки (поверхности), м2.
Расчетный КПД в общем случае определяется из отношения утилизируемой части мощности к потребному количеству энергии для нагрева воды по формуле:
р - X Фп .
п=--------------------------------------р-(17)
КПД ЭПВ не должен быть менее 95 %. В том случае, когда расчетный КПД окажется меньше допустимого, следует ввести в конструкцию изделия тепловую изоляцию,
увеличить первоначально принятую ее толщину или применить другой теплоизоляционный материал с меньшим коэффициентом теплопроводности и повторить расчет.
Разработанная методика использована: при создании ЭПВ для вновь созданного стенда; при обработке результатов исследований, а также включена в работу [4].
Список литературы
1. Оболенский, Н. В. Теоретические исследования процесса нагрева в элементных электрических подогревателях воды (ЭВП) / Н. В. Оболенский, В. Л. Осокин // Труды V Межвузовской научно-технической конференции «Актуальные вопросы пищевой промышленности: модернизация и интеграция (8 июня 2010 г.)» - Н.Новгород: Филиал ГОУ ВПО МГУТУ в г.Н.Новгород, 2010-06-08. С. 105 ... 117.
2. N. V. Obolenski., V. L. Osokin. МаШетайса! modeling of heat exchangers for electric water heater // Materialy na konferencje «Probltmy intensyfikfcji produkcji zwierawy z uwzglednieniem poprawy struktury obszarowej gospodarstw rodzinnych. ochrony, srodowiska i standardow UE (14 - 15 wrzesnia 2010 r.)», - Warszawa: Instytut Technologczno-Przyrodniczy w Falentfch. S.185 ... 191.
3. Оболенский, Н. В. Справочник по судовому электротермическому оборудованию. - Л.: Судостроение, 1985. - 272 с.
4. Оболенский, Н. В. Осокин В. Л. Практикум по теплотехнике: Учебное пособие / НГИЭИ, Княгинино, 2010. - 236 с.
