Krzyżowoprądowy wymiennik ciepła z modelowanym rozdziałem strumienia czynnika podgrzewanego

ZESZY TY N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: EN ER G ET Y K A z. 130

1998 N r kol. 1397

M ałgorzata H A N U SZK IEW IC Z-D R A PA ŁA Jan SKŁA D ZIEŃ

Politechnika Śląska, G liwice

K R Z Y Ż O W O P R Ą D O W Y W Y M I E N N I K C I E P Ł A Z M O D E L O W A N Y M R O Z D Z I A Ł E M S T R U M I E N I A C Z Y N N I K A P O D G R Z E W A N E G O

S treszczenie. W pracy przedstawiono rezultaty analizy termodynamicznej krzyżowoprądowego rurow ego w ym iennika ciepła ze sterowanym rozpływ em strumienia czynnika podgrzewanego. C zynnik grzejący przemieszcza się w przestrzeni między rurowej, omywając poprzecznie rury, w ew nątrz których przepływ a czynnik ogrzewany. W term odynam icznym m odelu m atem atycznym wym iennika uwzględniono między innym i opory hydrauliczne w ystępujące podczas przepływ u płynów oraz przyjęto, iż m ożliwe je st uzyskanie żądanego rozkładu natężenia przepływ u czynnika ogrzewanego. Założono ponadto, iż przepływ ciepła m a charakter konw ekcyjno- radiacyjny, a współczynniki w nikania ciepła zależne są od temperatury. Pozostałe uproszczenia związane są z charakterem przepływ u płynów i należą do klasycznych założeń przyjm ow anych w tego typu obliczeniach. G łów nym celem pracy jest teoretyczna analiza możliwości takiego sterowania, aby uzyskać m ożliwie najniższą wartość maksymalnej tem peratury ścian rur.

CROSSFLOW H EAT EXCH ANG ER WITH M ODELLED DISTRIBU TIO N OF THE H EATED A G EN T STREAM

S u m m ary . In the paper the results o f the thermal analysis o f the tubular crossflow heat exchanger with steered distribution o f the heated agent stream are given. The com bustion gases as the heating agent flow crossw ise round the pipes in the intertubular space while the air as the heated agent flow inside the pipes. In the thermal m athem atical model o f the heat exchanger the hydraulic resistances o f both agents were taken into account as well as it was assumed that it was possible to obtain the required distribution o f the heated agent stream. It was assum ed also that the heat transfer has radiative-convective form and that the heat transfer coefficients are temperature dependent. The other presumptions have typical form for such heat exchanger thermal analysis. The m ain aim o f the paper is the theoretical analysis o f the possibility o f such steering o f the heating agent stream distribution that the maximal temperature o f the tube wall would have the minim al possible value.

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 48

O ZNA C ZEN IA

c p - pojem ność cieplna właściwa,

e - param etr zm ienności różnicowego pola przekroju umownego kanału spalinowego, F - pole pow ierzchni przepływu ciepła,

F k - pole przekroju um ownego kanału spalinowego, F r - pole przekroju kanału, którym przepływa powietrze, g - param etr nierów nom iem ości przepływu powietrza,

_ W2di _ Ó21

& i • »

W2d G 2 is r

G - strumień czynnika, N„ - w ielkość bezw ym iarow a,

x t _ Ctn ^ N „ — :— , n -1,2,

W„

p - ciśnienie,

T - tem peratura rzeczywista, t - tem peratura bezwymiarowa,

T i d - T r a

u - stosunek pojem ności cieplnej strumieni czynników,

w - prędkość przepływ u płynu,

W - pojem ność cieplna strum ienia czynnika, X, Y, Z - współrzędne rzeczy wiste, x, y, z - w spółrzędne bezwymiarowe,

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła. 49

X Y Z

x = — ,y = — , z = — ,

Xo Yo Zo

X u , Yo. Zo - rozm iary w ym iennika modelowego, a - w spółczynnik przejm ow ania ciepła,

5p - spadek ciśnienia,

A/j - w zględny przyrost oporów hydraulicznych związany ze sterowaniem natężeniem przepływu czynnika podgrzewanego w stosunku do oporów naturalnych,

p - gęstość,

£ - w spółczynnik oporu miejscowego.

Wykaz indeksów:

1 - dotyczy czynnika grzejącego, 2 - dotyczy czynnika ogrzewanego, d - przy dopływ ie,

i, j - dotyczy num eru elementarnego fragmentu wymiennika, k - dotyczy um ow nego kanału spalinowego,

r - dotyczy um ow nego kanału, którym przepływ a powietrze, s - dotyczy ścianek rur,

sr - wartość średnia, w - przy w ypływ ie.

1. W STĘP

Przedm iotem analizy je st krzyżowoprądowy w ym iennik ciepła z nierównomiernym przepływ em czynników . W w ym ienniku tym czynnik ogrzewany przepływa przez zespół rur om yw anych poprzecznie przez czynnik grzejący, przemieszczający się w przestrzeni między rurowej. W praktyce w ym ienniki tego typu są stosowane jako sekcja hutniczego rekuperatora pow ietrza ogrzewanego spalinami. Ich eksploatacja stwarza szereg probelmów.

których p rzyczyną je st między innym i nierównom iem ość rozdziału strum ienia czynnika podgrzewanego pom iędzy poszczególne rzędy rur [1,2]. Powoduje to zmianę stopnia

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Skladzień 50

podgrzania pow ietrza oraz maksymalnej wartości temperatury ścian rur, która ma istotny wpływ na żyw otność i niezawodność pracy urządzenia. Obliczenia cieplne wym ienników, w których nie uwzględnia się lokalnych oporów występujących podczas przepływu czynników, oddają przybliżony obraz zjawisk term odynam icznych zachodzących wewnątrz analizowanego urządzenia. Jeżeli uw zględni się w rozważaniach naturalne opory hydrauliczne, tj. opory występujące podczas przepływu czynników przez rurow ą część wymiennika, to uzyska się nierów nom ierny rozpływ strumieni czynników. Obliczenia przeprowadzone dla przykładowego rekuperatora hutniczego spaliny- powietrze [3,4] wykazały oczywisty fakt, iż przez rury najbardziej obciążone cieplnie, tj. przez elementy pierwszych rzędów rur licząc wzdłuż drogi przepływ u spalin, przepływ a zmniejszony strumień czynnika podgrzewanego w stosunku do średniej wartości strum ienia określonej dla przepływu równomiernego. W cytow anych pracach obliczenia przeprow adzono po w ykorzystaniu założeń ogólnie przyjm ow anych w tego typu rozważaniach, uw zględniono jednak hydrauliczne opory przepływu oraz zmienność konw ekcyjnych w spółczynników wnikania ciepła z temperaturą, jak również promieniowanie spalin. Powoduje to dodatkowe podwyższenie obliczonej numerycznie tem peratury wylotowej powietrza w m iejscu dopływ u czynnika grzejącego, a tym sam ym w zrost maksymalnej obliczonej tem peratury ścian rur. W rezultacie przy uwzględnieniu oporów przepływu czynników m aksym alna wartość temperatury ścianek rur, charakterystyczna dla pierwszych rzędów rur, je st w yższa niż w yznaczona w przypadku, gdy zakłada się przepływ równomierny.

Otrzym ane w yniki su g eru ją iż z uwagi na m aksym alną temperaturę ścian rur korzystne byłoby sterowanie rozdziałem strumienia powietrza doprowadzanego do układu rur. Sterowanie takie jest m ożliw e przez zastosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych [1], w w yniku czego uzyskuje się postulowany rozkład prędkości czynnika podgrzewanego przy dopływie do rur, a tym sam ym założony rozpływ strumienia powietrza pomiędzy poszczególne rzędy rur [4,5]. W niniejszej pracy podjęto próbę oceny możliwości sterowania strumieniem czynnika podgrzewanego, przeprowadzając obliczenia term odynamiczne dla przykładowego rekuperatora hutniczego w przypadku, gdy sterowanie powinno gwarantować określony efekt temperaturowy. Efektem tym jest płaski rozkład temperatury ścian rur w miejscu wypływu podgrzanego powietrza, tj. w miejscu, gdzie w przypadku uwzględnienia nierównomiemości wynikającej z naturalnych oporów przepływu występowała m aksym alna wartość temperatur) ścian [3,7], W przeprowadzonej analizie uwzględniono przy tym również hydrauliczne opory przepływu spalin. W przeciwieństwie do [9], gdzie podano uproszczoną analizę funkcjonowania

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła. 51

w ym iennika dla przypadku założonej postaci funkcji określającej rozkład strum ienia czynnika podgrzewanego, nie w prow adzono ograniczeń odnośnie do funkcji nierównomiemości przepływu tego czynnika podgrzewanego.

2. ZA ŁO ŻEN IA

Model m atem atyczny analizowanego wym iennika ciepła opracowano dla założeń stosowanych na ogół w obliczeniach cieplnych tego typu. Założenia te dotyczą stanu ustalonego, braku źródeł ciepła, kierunku przekazywania ciepła prostopadłego w stosunku do przegród, stałej w całej objętości w ym iennika koncentracji powierzchni przegród, pominięcia przepływu ciepła w kierunku równoległym do kierunku przemieszczania się płynów, pom inięcia zm ian potencjalnej i kinetycznej energii czynników. Założono ponadto, iż straty ciepła do otoczenia oraz radiacyjne oddziaływanie obudowy wym iennika m ają znikomy wpływ, przepływ zaś płynów je st jednow ym iarow y w postaci nie m ieszających się, stałych wzdłuz drogi przepływ u, strum ieni składowych. Założenie to wiąże się z przyjęciem hipotetycznych kanałów, którym i w ew nątrz roboczej części w ym iennika przepływ a stały strum ień płynu.

Przyjęcie takiego założenia w przypadku powietrza jest uzasadnione, poniew aż w rzeczywistym urządzeniu czynnik ten przem ieszcza się przez zespół rur. Dla czynnika podgrzewanego słuszne jest ponadto przyjęcie stałego pola przekroju poprzecznego każdego z tych kanałów. W przypadku spalin przyjęcie hipotetycznych kanałów o stałym przekroju, przy równoczesnym założeniu dotyczącym przem ieszczania się tego czynnika w postaci nie m ieszających się stałych strumieni składow ych, je st nieprecyzyjne. Dlatego też założono, że czynnik ten przemieszcza się w przestrzeni międzyrurowej w postaci stałych nie mieszających się strumieni składowych hipotetycznym i kanałami o zmiennej w zdłuż drogi przepływ u spalin wartości pola przekroju poprzecznego. Zm ienność ta w ynika z hydraulicznych oporów przepływu spalin. Jak ju ż wspomniano, uw zględniona została zależność pojemności cieplnej strumieni czynników oraz w spółczynników przejm ow ania ciepła od temperatury oraz prom ieniow anie spalin w rozpatrywanej rurowej części wym iennika, ja k również w pływ prom ieniow ania spalin w kanale spalinowym. Pom inięto w pływ oporu cieplnego osadu i oporu cieplnego przewodzenia ścian.

W przeprowadzonej analizie przyjęto ponadto, iż w ystępują naturalne opory hydrauliczne

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 52

przepływu czynnika grzejącego oraz założono, iż istnieje możliwość sterow ania natężeniem przepływu podgrzew anego czynnika przy dopływie do zespołu rur [5],

3. POD STAW Y M OD ELU M ATEM ATYCZNEGO

Analizow any krzyżowoprądowy rurowy w ymiennik ciepła zastąpiono m ającym kształt prostopadłościanu w ym iennikiem modelowym , który składa się z elem entarnych powtarzalnych fragmentów. Rozpatryw ane zagadnienie jest dwuwymiarowe. W ystarczy w związku z tym rozpatrywać je d n ą warstw ę w ym iennika modelowego, składającą się z K ,xK2 elementów (rys. 1) ( i = l A . . . , K i ; j = l,2 ,...,K j). Kierunek przepływu spalin i pow ietrza określają odpowiednio zw roty osi x i y . Równania bilansu energii dla każdego z elementarnych fragmentów, zapisane z uwzględnieniem om ówionych w rozdziale 2 założeń, m ają następującą postać bezwym iarow ą:

powietrze

sp a lin y ,—

R ys. 1. P rzek ró j w y m ie n n ik a m o d e lo w e g o Fig. 1. S ectio n o f m o d e l h e a t e x c h a n g e r

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła. 53

^ - + N i e ( t r t s) -0, (1)

5 y g

(2)

N , u ( t l - t s ) + N2 (t2 -ts) = 0. (3)

Znane są tem peratury czynnika poodgrzewanego i grzejącego przy dopływie do wymiennika, stąd w arunki brzegowe w postaci

Do układu rów nań (1) - (3) dołączono zależności w ynikające z uwzględnienia naturalnych oporów spalin i powietrza, w ystępujących podczas przepływu płynów przez roboczą część urządzenia. W spółczynniki g oraz e, w ystępujące w równaniach bilansu energii, określają nierów nom iem ość przepływ u czynnika podgrzewanego i grzejącego. Zgodnie z przyjętymi założeniami spaliny przem ieszczają się w przestrzeni międzyrurowej w postaci nie m ieszających się, stałych w zdłuż drogi przepływu strumieni składowych. N a rysunku 1 kierunek przepływ u spalin określa oś x. Stałe strumienie składowe spalin przem ieszczają się hipotetycznym i kanałami różnicowym i o zm iennej, wzdłuż drogi przepływu tego czynnika, wartości pola przekroju poprzecznego. Zm ienność ta w ynika z naturalnych oporów hydraulicznych, w ystępujących podczas przepływ u czynnika grzejącego przez przestrzeń międzyrurową. Ze w zględu na przyjęty podział w ym iennika m odelow ego pole przekroju j-tego kanału nie zm ienia się w sposób płynny, lecz skokowo. Założono, iż spadek ciśnienia spalin w każdym j-ty m strum ieniu składow ym podczas przemieszczania się w zdłuż drogi o stałej długości A x , odpowiadającej elem entowi podziału w ym iennika w kierunku osi x , je st stały, przy czym spadki te w ogólnym przypadku m ogą być różne dla różnych wartości i :

t ,(0,y ,z ) = l, t2(x,0,z) = 0. (4)

6 Plj, = . . . = 8 P|ij = . . . = 5 p ljK2, (j = 1,2,...,K 2). (5)

Zależności opisujące zm ienność pola przekroju każdego j-tego kanału spalinowego oparto na w arunku typu (5). D la dow olnego elementu (i, j ) stratę ciśnienia opisuje zależność:

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 54

(

6

a stały strum ień spalin przepływający każdym j-tym kanałem można wyrazić następująco:

Dla rozpatryw anej warstwy w ym iennika modelowego całkowite pole przekroju kanału spalinowego równe je st sumie pól przekroju w szystkich założonych j-tych kanałów

K2

Fk = ^ F k i j . (8)

j - t

Po w ykorzystaniu zależności (6),(7),(8), przy założeniu, iż współczynniki oporów m iejscow ych w każdym elemencie różnicowym są stałe, zm iana ciśnienia w znikomy sposób w pływ a n a gęstość spalin, ja k również iż każdym j-ty m kanałem różnicow ym przepływa stały w zdłuż całej drogi strumień spalin oraz że dla każdego kanału spełniony je st warunek (4), to słuszna je st zależność

Równanie (9) zapisane dla każdego elementu różnicowego (i, j) wymiennika modelowego pozw ala określić zm ienność pola przekroju kanałów spalinowych, którymi przez wymiennik przem ieszczają się nie mieszające się stałe strumienie składowe czynnika grzejącego.

U w zględnienie zm ienności pola przekroju kanałów spalinowych jest równoznaczne z przyjęciem założenia o zmiennej wartości różnicowego pola powierzchni przepływu ciepła w w ym ienniku m odelow ym . W równaniach bilansu energii zm ienność tę uwzględnia parametr zm ienności różnicow ego pola przekroju umownego kanału spalinowego e, określony dla każdego elem entarnego fragm entu w ym iennika następująco:

Gij-FkijPnjWiij. ₍₇₎

(9)

H

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła.. 55

gdzie :

Fkij>Fij - wartości różnicow ego pola przekroju kanału spalinowego oraz różnicowego pola powierzchni przepływ u ciepła przy założeniu dotyczącym zm ienności pola przekroju poprzecznego kanałów spalinowych,

Fksnjł Fsrij - średnie w artości różnicow ego pola przekroju kanału spalinowego oraz różnicowego pola pow ierzchni przepływ u ciepła przy równom iernym podziale w ym iennika m odelowego.

Po w ykorzystaniu rów nania (9) oraz zależności określającej średnią różnicow ą wartość pola przekroju kanału spalinow ego dla rozpatrywanej warstwy w ym iennika m odelowego

otrzym uje się ostatecznie

Tak określony param etr zm ienności różnicow ego pola przekroju um ow nego kanału spalinowego w ystępuje w równaniach bilansu energii.

Rozkład strum ienia czynnika podgrzewanego określony parametrem g , występującym w równaniach bilansu energii, je st efektem naturalnych oporów przepływ u [5] bądź też może wynikać z w arunku zw iązanego z tem peraturą ścianek rur [4,10]. W tym pierwszym przypadku rozkład strum ienia pow ietrza przy dopływie do rur określany je st z w arunku stałego spadku ciśnienia tego czynnika w w ym ienniku [6], tzn. spadek ciśnienia powietrza podczas przepływu przez k ażdą z rur je st taki sam

Zależność między rozkładem prędkości powietrza przy dopływie do rur a tem peraturą tego czynnika przy w ypływ ie, uzyskana po wykorzystaniu wzorów opisujących stratę ciśnienia podczas przepływ u w ew nątrz rur, m a postać

( 12)

j-i

5 p 2i - idem. (13)

w m <KT2wi)= idem, (14)

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 56

gdzie funkcja <j> uw zględnia rzeczywisty rozkład temperatury powietrza przy wypływ ie z układu rur [6,7].

R ów nania (14) zapisane dla każdego składowego strumienia powietrza przepływającego przez zespół rur, po uw zględnieniu równania ciągłości dla całego strumienia, tw orzą układ zależności, który um ożliw ia wyznaczenie rozkładu prędkości powietrza, a tym sam ym rozkładu strum ienia tego czynnika.

W przypadku analizy termodynamicznej wym iennika ciepła z m odelow anym rozpływem strumienia czynnika podgrzewanego parametr g , czyli rozkład strumienia tego czynnika, wyznaczany je st num erycznie iteracyjnie na podstawie warunku płaskiego rozkładu temperatury ścianek rur przy w ypływ ie powietrza.

4. M ETO D A R O ZW IĄ ZA N IA ZAGAD NIENIA

Podstawę przedstawionego m odelu matem atycznego krzyżowoprądowego wymiennika ciepła stanow ią równania bilansu energii (1),(3) zapisane w postaci różnicowej. Dołączono do nich grupę zależności w ynikającą z uwzględnienia oporów przepływu spalin i ewentualnie powietrza. Jak w spom niano, uwzględniono ponadto zm ienność współczynników przejmowania ciepła i pojem ności cieplnej strumieni czynników z tem peraturą oraz prom ieniowanie spalin w kanale ja k też w ew nątrz rurowej części wymiennika.

A nalizowane zagadnienie je st dwuwym iarowe, w związku z czym równania m o­

delu m atem atycznego opisują zjawiska zachodzące w każdym elemencie (i, j ) (i = 1,2,.., K i ; j = 1,2,.., K2) należącym do dowolnej k-tej warstwy w ym iennika modelowego (ry s.l). W ielkościam i danym i są: temperatury czynników przy dopływie do wymiennika, param etry geom etryczne urządzenia, strumienie czynników, ich skład chemiczny oraz ciśnienie.

W rezultacie rozw iązania równań m odelu otrzym uje się pola temperatury czynników i ścianek przegród w w ym ienniku, rozkład strumienia czynnika podgrzewanego przy dopływie do zespołu elem entów rurowych, jak również rozkład parametru zmienności pola przekroju poprzecznego różnicow ych kanałów spalinowych. W trakcie obliczeń wyznacza się też pole prędkości ze względu na założenie dotyczące sposobu określania konwekcyjnych współczynników przejm ow ania ciepła. Układ równań bilansu energii rozwiązywano num erycznie, stosując metodę ilorazu różnicowego prawostronnego.

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła. 57

Procedura obliczeniow a m a iteracyjny charakter, wynikający z przyjętych założeń dotyczących zm ienności w spółczynników przejm owania ciepła i pojem ności cieplnej strumieni czynników z tem peraturą, ja k rów nież uwzględniania hudraulicznych oporów przepływu płynów . Iteracyjna procedura obliczeniow a rozbudowuje się w przypadku obliczeń dotyczących celow ego sterow ania rozpływ em strum ienia czynnika podgrzewanego.

5. W Y N IKI O B L IC Z E Ń , UW AGI KOŃCOW E

Przedstaw iony m odel matem atyczny wym iennika ciepła z nierów nom iernym przepływem czynników posłużył do przeprowadzenia analizy term odynamicznej działania rekuperatora hutniczego. D ane do obliczeń stanowiły parametry geom etryczne rekuperatora, wartości strumieni spalin i powietrza, ich ciśnienie i tem peratura przy dopływ ie do urządzenia oraz skład chem iczny, ja k rów nież grubość warstwy spalin w kanale przed rekuperatorem. W

rozpatryw anym przypadku sterowany nierównomierny rozdział strum ienia pow ietrza przy dopływ ie do rurowej części w ym iennika w ynika z warunku płaskiego rozkładu temperatury

R y s. 2. R o z k ła d p a ra m e tru n ie ró w n o m ie m o ś c i p rz e p ły w u p o w ie trz a (1 -o b lic z e n ia d la ste ro w a n e g o ro zp ły w u stru m ie n ia p o w ie trz a , 2 -o b lic z e n ia d la n a tu ra ln y c h o p o ró w h y d ra u lic z n y ch )

Fig. 2. D istrib u tio n o f a ir flo w u n e q u ality p a ra m e tr (1 -c a lc u latio n s fo r stee re d air stream d iv e rg e n c e , 2 -calcu latio n s fo r n a tu ra l h u d ra u lic re sista n c s)

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 58

ścianek rur w m iejscu w ypływ u podgrzanego czynnika. W cześniejsze obliczenia term odynam iczne, w których uwzględniono naturalne opory przepływ u powietrza, wykazały, iż jest to miejsce w ystępow ania m aksym alnych wartości temperatury tych ścianek. W obu rozpatryw anych przypadkach uwzględniono opory przepływu spalin. Poprzez odpowiedni rozdział strum ienia czynnika podgrzewanego pomiędzy poszczególne rzędy rur można zm inim alizować m aksym alną temperaturę ścian, co stanowiło cel obliczeń, których wyniki przedstawiono w niniejszej pracy. Rysunek 2 przedstaw ia rozkład parametru nierów nom iem ości przepływ u powietrza, obrazujący równocześnie rozdział strum ienia tego czynnika pom iędzy poszczególne rzędy rur. W celu porówania na tym sam ym rysunku przedstawiono rozkład parametru g wyznaczony dla przypadku uw zględnienia jedynie oporów naturalnych przepływ u powietrza. Otrzymane dla obu przypadków rozkłady temperatury ścian rur przedstaw iono na rysunku 3. Otrzymane rezultaty wskazują, iż obniżenie maksymalnej temperatury ścianek m ożna uzyskać poprzez zapewnienie odpowiedniego rozpływ u powietrza pom iędzy poszczególne rzędy rur. W ym aga to zastosowania rozwiązań konstrukcyjnych, które gw arantowałyby odpow iednie zwiększenie oporów miejscowych, np. w postaci odpowiednio dobranych zwężek w dolotow ym dnie sitowym. Względny przyrost oporów hydrauliczych, związany ze sterow anym rozdziałem strumienia powietrza w stosunku do oporów naturalnych, przedstawia rysunek 4. N a kolejnych rysunkach przedstawiono rozkład temperatury podgrzanego pow ietrza opuszczającego w ymiennik (rys.5), rozkład parametru zmienności pola przekroju poprzecznego kanału spalinowego w płaszczyźnie w ypływ u spalin (rys.6) i powietrza (rys.7). N a podstaw ie otrzym anych w yników można stwierdzić, iż zm ienność param etru e w rozpatryw anym przypadku jest niewielka. Przeprowadzona analiza term odynam iczna wykazała, iż średnia tem peratura podgrzanego powietrza ma w artość zbliżoną do wyznaczonej dla przypadku uwzględniającego jedynie naturalne opory hydrauliczne, odpowiednie zaś sterowanie rozpływ em strum ienia czynnika podgrzewanego może przyczynić się do wyraźnego obniżenia tem peratury ścian rur kosztem wprowadzenia dodatkowych lokalnych oporów hydraulicznych.

K izyżow oprądow y w ym iennik ciepła.. 59

R ys. 3. R o z k ła d te m p e ra tu ry śc ia n e k ru r p rzy w y p ły w ie p o w ie trz a (1 -o b lic ze n ia d la ste ro w a n e g o ro zp ły w u s tru m ie n ia p o w ie trz a , 2 -o b lic z e n ia d la n a tu ra ln y c h o p o ró w h y d ra u lic z n y ch )

Fig. 3. D istrib u tio n o f p ip e w a ll te m p e ra tu re at th e a ir o u le t (1 -calcu latio n s fo r stee re d air stream d iv e rg e n c e. 2- c a lc u la tio n s fo r n a tu ra l h y d ra u lic resistan cs

R y s. 4. R o z k ła d w z g lę d n e g o p rz y ro stu o p o ró w h y d ra u lic z n y c h z w ią z a n e g o ze s tero w an ie m n a tę że n ie m p rzep ły w u c z y n n ik a p o d g rz e w a n e g o w sto su n k u do o p o ró w n atu raln y ch

Fig. 4. D is trib u tio n o f re la tiv e in crease o f h y d ra u lic resistan ces c o n n en ted w ith th e stee rin g o f he ated ag en t flow in te n sity re la te d to th e n a tu ra l resistan ces

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 60

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

R ys. 5. R o zk ład te m p e ra tu ry p o w ie trz a p rz y w y p ły w ie z w y m ie n n ik a Fig. 5. A ir te m p e ra tu re d istrib u tio n at th e o u le t from h e at e x ch a n g e r

R ys. 6. R o z k ła d p a ra m e tru z m ie n n o śc i p o la p rzek ro ju p o p rz e cz n e g o k a n ału s p alin o w e g o p rz y w y p ły w ie spalin Fig. 6. D istrib u tio n o f v a ria b ility p a ra m e tr o f c o m b u stio n g ases ch an n el tran sv ers sectio n area at th e o u le t o f the

flu e gases

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła.. 61

R ys. 7. R o z k ła d p a ra m e tru z m ie n n o śc i p o la p rz e k ro ju p o p rz e cz n e g o k an ału s p a lin o w e g o p rz y w y p ły w ie p o w ie trz a F ig. 7. D istrib u tio n o f v a ria b ility p a ra m e te r o f c o m b u stio n g ases ch an n e l tra n sv ers sec tio n a re a at th e o u le t o f the

h e ated air

LITER ATU RA

1. J.Szargut: Energetyka cieplna w hutnictwie. "Śląsk", Katowice 1983.

2. J.Szargut i in.: Przem ysłow a energia odpadowa. Zasady wykorzystania. Urządzenia. WNT.

W arszawa 1993.

3. M .Hanuszkiewcz-Drapała, J.Składzień: Krzyżowoprądowy w ym iennik ciepła z nierów nom iernym przepływ em czynników , Materiały konferencyjne XIV Zjazdu Term odynam ików , K raków 1990, str 251,258.

4. M .H anuszkiew icz-Drapała, J.Składzień: Sterowanie rozpływem strumienia powietrza w krzyżow oprądow ym w ym ienniku ciepła, Materiały Konferencyjne XV Zjazdu Term odynam ików , G liwice-Kokotek 1993, str. 241,245.

5. J.Składzień, M .Hanuszkiewicz-Drapała: Krzyżowoprądowy w ym iennik ciepła ze sterow anym rozpływ em czynnika podgrzewanego, Referaty VIII Sym pozjum Wymiany Ciepła i M asy PAN, K om itet Term odynam iki i Spalania, Białow ieża 1992, str 431,438.

M. H anuszkiew icz-D rapała, J. Składzień 62

6. J.Składzień: K rzyżowoprądowy konw ekcyjny wym iennik ciepła z nierównomiernym przepływ em czynnika podgrzewanego, Referaty VII Sympozjum W ym iany Ciepła i Masy PAN, K om itet Term odynam iki i Spalania, W arszawa - Jadwisin 1989, str. 192,197.

7. M .Hanuszkiew icz-Drapała, J.Składzień: Krzyżowoprądowy w ymiennik ciepła z nierów nom iernym przepływem czynników, ZN Pol. Śl., s. Energetyka z. 114, G liwice 1993

8. T.W iśniew ski: W ym iana ciepła w rekuperatorach rurowych typu U, H utnik nr 4, 1987, str 114,125.

9. J.P.Chiou: Therm al perform ance deterioration in crossflow heat exchanger due to the flow nonuniform ity, Trans. A SM E 100 (1978),580.

10. M .Hanuszkiewicz-Drapała, J.Składzień: Analiza term odynam iczna krzyżowoprądowego w ym iennika ciepła z m odelow anym rozdziałem strumienia powietrza, Materiały IX Sym pozjum W ym iany Ciepła i M asy, Kom itet Termodynamiki i Spalania PAN, Augustów

1995.

Abstract

In the paper the results o f the therm al analysis o f the tubular crossflow heat exchanger with steered distribution o f the heated agent stream are given. The com bustion gases as the heating agent flow crosswise round the pipes in the intertubular space while the air as the heated agent flow inside the pipes. In the therm al mathematical model o f the heat exchanger the hydraulic resistances o f both agents were taken into account as well as it was assumed that it was possible to obtain the required distribution o f the heated agent stream. It was assumed also that the heat transfer has radiative-convective form and that the heat transfer coefficients are temperature dependent. The therm al radiation o f C 0 2 and H 2 0 in the flue gases was taken into account using the form ulas derived from Hotel results by Kostowski in the Institute o f Thermal Technology in Gliwice. Tem perature variations o f convectional heat transfer coeficients as well as therm al capacities o f both agents were taken into account. The other presumptions have typical form for such heat exchanger thermal analysis and there were am ong them e.g. loss of heat exchang w ith the surroundings equal distribution o f heat transfer area, steady state operation heat conductance in the pipe walls only in the perpendicular direction, lack o f internal

K rzyżow oprądow y w ym iennik ciepła.. 63

heat sources and negligible changes o f m edia potential and kinetic energy. The main aim o f the paper is the theoretical analysis o f the possibility o f such steering o f the heating agent stream distribution that the m axim al tem perature o f the tube wall would have the m inimal possible value. In this case the w ork tim e o f heat exchanger elements would be the loungest one. O f course there is the problem o f economy o f such solution because the steering o f the air flow distribution increases the hydraulic resistances during flow o f this agent through the tubular part o f the recuperator.