Nagrzewnice powietrza wykonywane są z rur stalowych ocynkowanych lub rur miedzianych. Na rurach osadzone są żebra stalowe, miedziane lub aluminiowe.

Anisimov

Ogrzewanie powietrza jest przemianą fizycznego stanu powietrza, w której powietrze pobiera ciepło jawne od powierzchni wymiennika. Wynikiem takiej przemiany jest wzrost temperatury powietrza przy stałej zawartości wilgoci. Nośnikiem energii dostarczanej do wymiennik a ciepła jest najczęściej  gorąca woda, rzadziej para wodna, bardzo rzadko spaliny lub prąd elektryczny.

Przemianę stanu w czasie ogrzewania przedstawia na wykresie i-x odcinek linii prostej równoległy do linii x = idem (rys. 4.3).

Anisimov

`

2

1 t ₁

t ₂

 ₂

 ₁

i ₂

x ₁= x ₂= const

i ₁  _1-2=+

Rys. 4.3. Ogrzewanie powietrza na wykresie i-x.

Anisimov

Nagrzewnice powietrza wykonywane są z rur stalowych ocynkowanych lub rur miedzianych. Na rurach osadzone są żebra stalowe, miedziane lub aluminiowe.

Anisimov

Żebra mogą być wykonane ze spiralnie nawiniętej taśmy

układ rur - szeregowy

Anisimov

układ rur  szachownicowy

Anisimov

Żebra mogą być wykonane w postaci płycin, nakładanych na jedną rurę bądź wiele rur.

układ rur - szeregowy

układ rur  szachownicowy

Anisimov

powierzchnia wymiany ciepła z bimetalowych rurek (wewnątrz –rurka stalowa), ożebrowanie –aluminiowe

Anisimov

Poszczególne odcinki rur łączy się w rzędy równoległe, czyli w sposób kolektorowy lub szeregowe, czyli wężownicowo. Stosowane są też połączenia szeregoworównoległe. W tym przypadku tworzone są z kilku rur połączonych szeregowo tzw. obiegi. Przez każdy z nich przepływa jednakowa ilość czynnika. Obiegi te następnie łączone są równolegle w rząd.

Anisimov

Anisimov

Anisimov

Rury w rzędzie mogą być ustawione poziomo, co jest zalecane dla nagrzewnic wodnych dla łatwiejszego ich odpowietrzania lub pionowo  dla nagrzewnic parowych w celu lepszego spływu kondensatu. Rzędy łączy się ze sobą szeregowo lub równolegle.

Anisimov

Kierunek przepływu powietrza w nagrzewnicy jest prostopadły do przepływu czynnika grzejnego; jest to tzw. prąd krzyżowy. Przy czym ze względu na sposób podłączenia czynnika grzejnego wyróżnia się układ współprądowo-krzyżowy lub przeciwprądowokrzyżowy.

Anisimov

powietrze

woda

powietrze

woda

powietrze

układ współprądowo-krzyżowy

układ przeciwprądowokrzyżowy prąd krzyżowy

Anisimov

Znając strumień powietrza wentylującego V oraz bilans cieplny



zjoz z

p w

no oz

t t Q

V c

 



t  temperatura powietrza nawiewanego, noz

C,

z

two  temperatura powietrza wywiewanego,

C

Anisimov

Moc cieplną (wydajność nagrzewnicy) oblicza się z zależności





N p noz

Q 



t  temperatura powietrza napływającego do 1

nagrzewnicy (zewnętrznego lub mieszaniny),

C;



nagrzewnicy, kg/m³;

c  właściwa pojemność cieplna powietrza, p

kJ/(kgK).

Anisimov

Wydajność wymiennika, wynikająca z jego konstrukcji, nigdy nic może być mniejsza od wymaganej, lecz nie powinna też być dużo większa. Nadmiar nie powinien przekraczać 1015% wymaganej wydajności nagrzewnicy. W przeciwnym razie pojawiają się problemy regulacyjne, zwłaszcza w przypadku częściowego zapotrzebowania mocy na podgrzewanie powietrza

Anisimov

Wymagana powierzchnia wymiany ciepła wymiennika może być obliczona z zależności

log N

sr

F Q

k t

 , m²,

k  współczynnik przenikania ciepła, W/(m²K);

log

tsr

  średnia logarytmiczna różnica temperatur powietrza i czynnika grzewczego (w przypadku przepływu współprądowego i przeciwprądowego), K,

 

log max min

max min

sr ln

t t

t t t

 

  

  .

Anisimov

Anisimov

Anisimov

W Gc p  pojemność cieplna strumienia, W/K

Anisimov

Anisimov

Dla przepływu krzyżowego obowiązuje zmodyfikowana formuła obliczeniowa

log t

N sr

F Q

k_ t

 , m²

w której współczynnik _t jest zależny od wartości schłodzenia jednego czynnika (wody)

tw

 podgrzania drugiego (powietrza) t i różnicy temperatur czynników t na wejściu do wymiennika ciepła. Należy obliczyć wielkości pomocnicze

 





P t

t t t





 



 

 

 i

 





w

t t

t t

R tt



 ^



 

  



Anisimov

Anisimov

Anisimov

Anisimov

Anisimov

Anisimov

Współczynnik przenikania ciepła dla rury ożebrowanej można zapisać w postaci ogólnej zależności





k ^     F F   , W/(m²K)

F , z F  powierzchnia, odpowiednio, na zewnątrz _w rury łącznie z żebrami i wewnątrz rury, m²;

z , _w  współczynnik wnikania ciepła, odpowiednio po stronie powietrza (na

zewnątrz rury) i po stronie czynnika grzewczego (wewnątrz rury), W/(m²K);

  grubość ścianki rury, m;

  współczynnik przewodzenia ciepła materiału ścianki rury, W/(mK).

Anisimov

Wartości współczynników wnikania ciepła zależą przede wszystkim od prędkości przepływu czynnika grzejnego lub powietrza oraz ich właściwości fizycznych, związanych z temperaturą.

Anisimov

W nagrzewnicach wodnych, dla burzliwego przepływu wody w rurach według Stendera i Merkela dla t_w  100 C i średnicy rur w zakresie 15100 mm

 

2040 1 0,015

w w

t w



lub według Schacka

 

3370 1 0,014

w t ww



d  średnica rury, m;

t  średnia temperatura wody, C; w

w  prędkość przepływu wody, m/s.

Anisimov

Wartości współczynników wnikania po stronie ożebrowanej można obliczyć tylko w przybliżeniu. Dokładne wartości współczynników wnikania określa się metodami doświadczalnymi, mają bowiem na nie wpływ liczne czynniki, trudne do ujęcia analitycznego, takie jak:

rzeczywisty stopień burzliwości powietrza,

układ rur,

liczba rzędów rur,

sposób łączenia żeber z rurami, kształt i budowa żebra,

zanieczyszczenie powierzchni itp.

Anisimov

Doświadczenie wskazuje, że współczynnik 

od strony czynnika grzejnego jest około 100 razy większy niż 

od strony powietrza. Fakt ten jest przyczyną zastosowania ożebrowania od zewnątrz rur nagrzewnicy dla zwiększenia pola powierzchni wymiany ciepła.

W nagrzewnicach parowych, ze względu na niewielką wartość ułamków 1 

i   w porównaniu z wartością 1 

, dla F F

 10 można przyjąć, że k  

.

Anisimov

Dobieranie nagrzewnic

Gdy znana jest moc cieplna nagrzewnicy oraz parametry czynnika grzewczego, można dobrać odpowiedni wymiennik. Przy dobieraniu nagrzewnicy ważne jest przyjęcie prędkości przepływu powietrza i wody w rurkach. Obie te wielkości wpływają na straty ciśnienia oraz na współczynniki wnikania ciepła, odpowiednio po stronie powietrza i po stronie wody.

Anisimov

Prędkość napływu powietrza w przekroju brutto wymiennika powinna mieścić się w granicach 26 m/s. Prędkość przepływu wody w rurkach nagrzewnicy powinna wynosić 0,52 m/s. Dobieranie wymiennika należy wykonywać, posiłkując się zawsze tabelami, wykresami lub programami doboru podawanymi przez wytwórcę wymiennika.

Anisimov

Przed przystąpieniem do doboru nagrzewnicy należy ustalić wartość następujących

parametrów:

strumienia masy powietrza wentylacyjnego G_p;

temperatury powietrza t przed i t za nagrzewnicą;

rodzaju i parametrów dostępnego czynnika grzejnego: ciśnienia pary lub temperatury początkowej t_w i końcowej

tw wody.

Anisimov

Dobór nagrzewnicy polega na określeniu wymaganego pola powierzchni wymiany ciepła F.

Aby go określić, niezbędne jest wyznaczenie:

mocy cieplnej nagrzewnicy Q_N ;

współczynnika przenikania ciepła k;

prędkości czołowej przepływu powietrza v (prędkości masowej przepływu powietrza v



Anisimov

a także w niektórych metodach doboru:

wymiarów konstrukcyjnych nagrzewnicy:

 powierzchni czołowej f_cz;

 liczby rzędów rur R,

 liczby rur w rzędzie n

 liczby obiegów czynnika,

parametrów przepływowych nagrzewnicy:

 natężenia i prędkości czynnika grzejnego w rurkach.

Anisimov

W ramach doboru nagrzewnicy określa się również straty ciśnienia powietrza : czynnika grzewczego.

Spotykane w literaturze metody obliczania nagrzewnic bazują na równaniach przepływu ciepła. W praktyce jednak zadanie projektanta sprowadza się najczęściej de doboru odpowiedniego typu i wielkości nagrzewnicy na podstawie danych producenta i sprawdzenia ich przydatności w wymaganych warunkach.

Anisimov

Tok obliczeń:

Pojemność cieplna powietrza

p p p

W  G c , kW/K

Różnica temperatury początkowej i końcowej powietrza

 

t t t



Wydajność cieplna nagrzewnicy

p

QN  W t



Anisimov

Natężenie masowe przepływu wody (czynnika grzewczego)

 

w N

w N

w w w w

Q Q

G  c t



w w w

W  G c , kW/K

Przyjmujemy prędkość masową przepływu powietrza przez nagrzewnicę w zakresie ^v

^





Anisimov

Powierzchnia czołowa nagrzewnicy f_cz

p

fcz  G v , m²

Na podstawie f dobieramy wielkość _cz nagrzewnicy i obliczamy rzeczywisty wartości:

prędkości masowej przepływu powietrza przez nagrzewnicę

 

fakt fakt

v  G fcz

prędkości wody w rurkach nagrzewnicy

rur

w G w f

frur  pole wolnego przekroju rurek nagrzewnicy, m².

Anisimov

Współczynnik przenikania ciepła

 

k a v  w , W/(m²K)

Obliczenie wartości pola powierzchni wymiany ciepła nagrzewnicy

(na podstawie średniej logarytmicznej różnicy temperatur powietrza a czynnika grzewczego)

 

log max min

max min

sr ln

t t

t t t

 

  

  . K

log t

N sr

F Q

k_ t

 , m²

( , )

t f P R

 

 





t t

P t

t t t





 



 

 

 i

 





w

t t

t t

R tt



 ^



 

  



Anisimov

Obliczenie wartości pola powierzchni wymiany ciepła nagrzewnicy (na podstawie metody Keysa)

min

N W t

Q   , kW

W min  minimalna pojemność cieplna (powietrza albo wody)



 ^

^{ }

^{ }

^

    

sprawność nagrzewnicy.





f NTU W

 

NTU  kF Wmin  ilość jednostek przenikania ciepła.

Anisimov

Współwprąd

min 1,0 max W

W 

Anisimov

Przeciwprąd

min 1,0 max W

W 

Anisimov

Przepływ krzyżowy

min 1,0 max W

W 

w

Wp  W

Anisimov

Przepływ krzyżowy

w

Wp  W

Anisimov

Znając







F  NTU W k

Anisimov