Springen naar inhoud

Buis in buis warmtewisselaar


  • Log in om te kunnen reageren

#1

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 13 april 2010 - 10:23

Ik heb momenteel een toepassing met een oven en ik wil graag de warmte uit de rookgassen recupereren, maar dit op een zeer eenvoudige manier. Dus met een buis in buis warmtewisselaar. Met deze warmtewisselaar gaat de verbrandingslucht voor de brander verwarmt worden.
Op de eenvoudige grafische voorstelling kan je zien wat ik bedoel.

Enkele gegevens:
Oven:
Vermogen: 300 Kw
-Bedrijfsvolume en temperatuur
Tb=850C
Vb=1815m/uur

-Normaal volume
vn=(Tnvb)/(Tn+Tb)=(273,151815)/(273,15+850)=441,41 Nm/uur
vn=0,12261 Nm/sec
-Soortelijke warmte rookgassen
Cr = 1,476 kJ /Kg.K
-Soortelijke dichtheid
ρ=0,304 kg/m
-Massadebiet
Qm= 646 kg/uur
Per sec => 0,179444 kg/sec

Aanzuiglucht:
Dichtheid: 1,293 kg/m3
Temperatuur: 20C
Cl = 710 J /Kg.K
Q= 500 m/uur


Verbrandingslucht:
Liefst tussen 200C en 500C

Benodigd vermogen:
Als je van 20C naar 200 C opwarmt
Pr=Crms∆T=0,7100,179444180=22,93 Kw

Hoe hoger de temperatuur hoe hoger het gewonnnen vermogen, (max ∆T van 500C)
Als je van 20C naar 200 C opwarmt
Pr=Crms∆T=0,7100,179444500=63,7 Kw

Mijn vraag is nu hoe moet ik zon pijp in pijp warmtewisselaar berekenen? Ik heb er al een aantal gevonden maar die waren mij niet duidelijk ook omdat deze voor water waren.
Ik hoop dat iemand mij op weg kan helpen?


Geplaatste afbeelding

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 13 april 2010 - 16:58

Is die binnenpijp een reeds bestaande pijp?

Zo ja, wat is de inwendige en uitwendige diameter, de lengte en het materiaal?
Hydrogen economy is a Hype.

#3

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 17 april 2010 - 10:03

Is die binnenpijp een reeds bestaande pijp?

Zo ja, wat is de inwendige en uitwendige diameter, de lengte en het materiaal?


De binnenpijp is geen bestaande pijp. We willen een nieuw component maken dat we er dan kunnen tussen zetten.

Dus er zijn nog geen diameters gekozen, het rookgaskanaal heeft momenteel wel een binnen afmeting van 30 cm.

De lengte hangt af van hoeveel warmte we kunnen recupereren over een bepaalde lengte,...

Ik hoop dat het nu nog een beetje duidelijker wordt.


Alvast bedankt!

#4

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 17 april 2010 - 12:18

Ik bereken dat je ongeveer 24 meter lengte nodig hebt om de koude lucht naar 500 oC op te warmen met een binnenpijp van 30 cm en een buitenpijp van zeg 35 cm diameter.

De U zal slechts ongeveer 10 W/m2.K zijn.

Lucht gaat van 20 naar 500 oC
Rookgas gaat van 850 naar ~450 oC
Log gemiddelde temperatuursverschil (LMTD) = 389 oC
Vermogen = 90000 W (jouw waardes voor soortelijke warmtes Cr en Cl zijn fout)

Benodigd oppervlak A = 90000/(389*10) = 23 m2 en dat is 24 m pijp met inw. diam. van 30 cm.

De warmteoverdracht van gas naar gas is altijd slecht, vooral in situaties waarbij weinig drukval toegestaan is zoals rookgaskanalen met lage snelheden.
Daarom gebruikt men daar een metalen doos met daarin, dwars op de rookgas stromingsrichting, pijpen met lamellen om een betere warmteoverdracht te krijgen.

Veranderd door Fred F., 17 april 2010 - 12:20

Hydrogen economy is a Hype.

#5

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 18 april 2010 - 09:57

Ik bereken dat je ongeveer 24 meter lengte nodig hebt om de koude lucht naar 500 oC op te warmen met een binnenpijp van 30 cm en een buitenpijp van zeg 35 cm diameter.

De U zal slechts ongeveer 10 W/m2.K zijn.

Lucht gaat van 20 naar 500 oC
Rookgas gaat van 850 naar ~450 oC
Log gemiddelde temperatuursverschil (LMTD) = 389 oC
Vermogen = 90000 W (jouw waardes voor soortelijke warmtes Cr en Cl zijn fout)

Benodigd oppervlak A = 90000/(389*10) = 23 m2 en dat is 24 m pijp met inw. diam. van 30 cm.

De warmteoverdracht van gas naar gas is altijd slecht, vooral in situaties waarbij weinig drukval toegestaan is zoals rookgaskanalen met lage snelheden.
Daarom gebruikt men daar een metalen doos met daarin, dwars op de rookgas stromingsrichting, pijpen met lamellen om een betere warmteoverdracht te krijgen.


Alvast bedankt voor de uitleg, ik wist dat de we een lange lengte nodig hadden, maar dat het zo lang was dat wist ik niet. Kan je me even kort uitleggen hoe je aan al deze waarden en de berekening komt?

Eventueel moeten we dan nu opzoek naar een ander soort warmtewisselaar, dit omdat zo'n grote lengte bijna niet toepasbaar gaat zijn,...

Veranderd door RobinP, 18 april 2010 - 10:00


#6

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 april 2010 - 08:50

Ik heb Cr en Cl aangepast, en ik heb geprobeerd enkele berekeningen te maken.
Kan iemand zeggen wat er fout of juist is? Nu is de berekening met verbrandingslucht van 200C

Aanzuiglucht:
Dichtheid: 1,293 kg/m3
Temperatuur: 20C
Cl = 1005 J /Kg.K
Q= 500 m/uur
Qm=0,17958 kg/sec

Benodigd vermogen berekenen:
Pl=Cr x ms x ∆T
Pl=1,005 x 0,17958 x 180
Pl=32,486 Kw

Rookgassen:
-Soortelijke warmte rookgassen
Cr = 1,976 kJ /Kg.K
-Soortelijke dichtheid
ρ=0,301 kg/m
-Massadebiet
Qm= 1188 kg/uur
Per sec => 0,33 kg/sec

Temperatuursdaling rookgassen:
Pr=Pl
∆T=Pl/(Cr x ms )
∆T=32586/(1976 x 0,33 )
∆T=49,819 C

Log gemiddelde temperatuursverschil (LMTD):

MTD=((Ti-to)-(To-ti))/ln〖((Ti-to))/((To-ti))〗
MTD=((850-200)-(800-20))/ln〖((850-200))/((800-20))〗
MTD=713,0 C

Benodigde oppervlakte warmtewisselaar:
A= Qt/(U x MTD)
A= 32486/(10 x 713)
A=4,55 m

#7

Kaspace

    Kaspace


  • >100 berichten
  • 202 berichten
  • Ervaren gebruiker

Geplaatst op 19 april 2010 - 16:39

De hamvraag bij gassen is: wat wordt de warmteoverdrachtscofficient.
En hoeveel pompvermogen wil je erin stoppen.

http://www.cheresour.../convection.pdf

#8

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 19 april 2010 - 18:15

@RobinP
Als je luchtdebiet 0.18 kg/s is dan kan het rookgas nooit 0.33 kg/s zijn, maar iets van 0.19 kg/s
Rookgas uitlaattemperatuur zal dan ongeveer 715 oC worden als lucht opwarmt naar 200 oC.

Je moet voor Cl en Cr de gemiddelde soortelijke warmte gebruiken tussen in- en uitlaat.
Voor lucht van 20 naar 200 oC zal gemiddelde Cl ongeveer 1020 J/kg.K zijn
Voor rookgas van 850 naar 715 oC zal gemiddelde Cr ongeveer 1290 J/kg.K zijn
Ik ga ervan uit dat je aardgas stookt en begrijp daarom niet hoe jij aan die hoge Cr komt.

Vermogen lucht = 0.18 kg/s * 1020 J/kg.K * (200 - 20)K = 33000 W
Vermogen rookgas = 0.19 kg/s * 1290 J/kg.K * (850 - 715)K = 33000 W

LMTD = 672 K

A = 33000/(10 * 672) = 4.9 m2
Hydrogen economy is a Hype.

#9

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 23 april 2010 - 07:23

@RobinP
Als je luchtdebiet 0.18 kg/s is dan kan het rookgas nooit 0.33 kg/s zijn, maar iets van 0.19 kg/s
Rookgas uitlaattemperatuur zal dan ongeveer 715 oC worden als lucht opwarmt naar 200 oC.

Je moet voor Cl en Cr de gemiddelde soortelijke warmte gebruiken tussen in- en uitlaat.
Voor lucht van 20 naar 200 oC zal gemiddelde Cl ongeveer 1020 J/kg.K zijn
Voor rookgas van 850 naar 715 oC zal gemiddelde Cr ongeveer 1290 J/kg.K zijn
Ik ga ervan uit dat je aardgas stookt en begrijp daarom niet hoe jij aan die hoge Cr komt.

Vermogen lucht = 0.18 kg/s * 1020 J/kg.K * (200 - 20)K = 33000 W
Vermogen rookgas = 0.19 kg/s * 1290 J/kg.K * (850 - 715)K = 33000 W

LMTD = 672 K

A = 33000/(10 * 672) = 4.9 m2


De hoge Cr komt uit de berekening van het bedrijf zelf, dus normaal hoort die wel te kloppen.
Ik snap niet goed hoe dat je een gemiddelde soortelijke warmte moet berekenen, kan je me dat kort uitleggen?

Nog snap ik niet hoe dat je aan een van U ongeveer 10 W/m2.K komt, kan je me uitleggen hoe dat ik dat moet berekenen?.

Alvast bedankt

#10

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 23 april 2010 - 16:57

De hoge Cr komt uit de berekening van het bedrijf zelf, dus normaal hoort die wel te kloppen.

Laat ze het toch nog maar eens checken....

Ik snap niet goed hoe dat je een gemiddelde soortelijke warmte moet berekenen, kan je me dat kort uitleggen?

Logisch toch?
De Cp van lucht is bij 20 oC lager dan bij 200 oC. Dus om de lucht van 199 naar 200 graden te verwarmen kost meer energie dan van 20 naar 21 graden. Zou je dit voor elke graad apart berekenen met de juiste Cp van die tempratuur, en al die beetjes energie bij elkaar optellen dan krijg je hetzelfde resultaat als wanneer je voor het hele temperatuurstraject met de gemiddelde Cp gerekend had.
Zelfde verhaal voor het rookgas.

Nog snap ik niet hoe dat je aan een van U ongeveer 10 W/m2.K komt, kan je me uitleggen hoe dat ik dat moet berekenen?.

Daarvoor moet je kennis hebben over warmteoverdracht en Reynolds, Nusselt en Prandtl.
Download van de MIT website dit boek. Lees vooral hoofdstuk 7. Bereken de partiele warmteoverdrachtscoefficient voor zowel rookgas als lucht met formule (7.40) maar gebruik voor de lucht tussen de beide buizen de hydraulische diameter zoals in paragraaf 7.5 en formule (7.61b). Combineer beiden met de warmteweerstand van de buiswand en eventuele vervuilingsfactoren om U te berekenen.

Het lijkt me overigens zinloos er nog meer aan te rekenen. Je weet uit mijn berekeningen al wat je ongeveer kunt verwachten.

Bedenk wel dat afkoeling van het rookgas een vermindering van de schoorsteentrek veroorzaakt.
Hydrogen economy is a Hype.

#11

RobinP

    RobinP


  • 0 - 25 berichten
  • 6 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 29 april 2010 - 15:26

Kheb de berekeningen heel wat uitgebreid, hieronder kan je alle voorlopige berekeningen vinden:

Voor de wiskundige berekeningen gaan we steunen op de gegevens van de PYRO 4i. Deze verbruikt bij normale belasting 11 m aardgas per uur. De berekeningen zijn uitgevoerd met de volgende gegevens:

Gronings aardgas
Stookwaarde: 31,678 MJ/m
Rookgashoeveelheid: 11,02 Nm/m
Specifiek vermogen per m aardgas: 8,8 Kwth/m
Stoichiometrische luchtbehoefte: 8,44 Nm/m
Luchtfactor: 1,34
Aanzuiglucht: 20 C
Temperatuur rookgassen:850 C
(Luckerath B.V.B.A., 2008).
(Luckerath pyrolyse calculatie, 2007)


Dittus-Boetler vergelijking
Het getal van Nusselt heeft geen eenheid. Het stelt de dimensieloze temperatuursgradint voor bij het oppervlak van de convectie. Het is een maat voor de warmte die door dat oppervlak getransporteerd word.
Nu_d=0,023〖Re_D〗^(4/5)〖Pr〗^n
n=0,4 voor het opwarmen van een fluidum
(Incropera)
Re_(D )=Reynolds getal
Pr=Prandtl nummer
Prandtl nummer

Het Prandtl nummer is een dimensieloos getal. Het wordt gedefinieerd als verband tussen kinematische viscositeit en thermische vluchtigheid.
Het Prandtl nummer voor lucht van 300K (26,85 C) is 0,707
(Northerm Arizona University, 2003)
Reynolds getal

Het getal van Reynolds is belangrijk in de stromingsleer. Men gebruikt het om te bepalen of een stroming laminair of turbulent is. Als het Reynolds getal kleiner is als 2300 is de stroming laminair, boven 3500 is de stroming turbulent. Tussen 2300 en 3500 kan de stroming zowel turbulent als laminair zijn, dit hangt af van de wandruwheid.
Re_D=(VL)/v
V=Karakteristieke snelheid [m/s]
L=Karakteristieke lengte(bij stroming door buis=diameter buis)⌈m⌉
v=Kinematische viscositeit van het stromende medium ⌈m/s⌉
v_(lucht 20C)=1,66 〖10〗^(-5) m/s
(Northerm Arizona University, 2003)
Bevochtigde omtrek S [m]
S=l(πd)
S=2(π0,35)
S=2,20 m


Karakteristieke lengte (L)
Voor de karakteristiek lengte nemen we de hydraulische diameter, deze wordt gebruikt bij niet- cirkelvormige doorsnedes. We gebruiken voor de berekening de gegevens van de PYRO 4i, de inwendige diameter van het schoorsteenkanaal is 0,35 m.
D_h=(4A)/S [m]
A=doorstromend oppervlak[m]
S=bevochtigde omtrek [m]
A=(π〖d_i〗^2)/4
A=(π〖0,35〗^2)/4
A=0,096 m
D_h=(4A)/S [m]
D_h=(40,096)/2,2 [m]
D_h=0,175 [m]
Doorstromend oppervlak A [m]
Voor het doorstromend oppervlak te berekenen hebben we ook een uitwendige diameter nodig, van deze uitwendige diameter hangen een aantal factoren af zoals de luchtsnelheid, Bij een PYRO 4i gebruikt men een ventilator van het type:
LCE 60-4-1.5
Aansluit diameter = 4
1 inch = 25,4 mm
dlucht=425,4=101,6 mm
Oppervlakte Luchtkanaal:
A=(πd_l )/4=81,07 〖10〗^(-4) m
We moeten ervoor zorgen dat deze oppervlakte van het luchtkanaal ook zeker aanwezig is in de warmtewisselaar. We weten de uitwendige diameter en we weten het benodigde oppervlak, met deze 2 gegevens kunnen we de uitwendige diameter berekenen.
A=(πd_u^2)/4-(πd_i^2)/4
A+(πd_i^2)/4=(πd_u^2)/4
d_u^ =√((4(A+(πd_i^2)/4))/π)
d_u^ =√((4(81,07〖10〗^(-4)+(π0,35)/4))/π)
d_u^ =0,364 m
Om een bepaalde tolerantie te hebben nemen we 0,4 meter. Nu kunnen we ook het doorstromend oppervlak berekenen.
A=(πd_u^2)/4-(πd_i^2)/4
A=(π0,4)/4-(π0,35)/4
A=0,029 m
Debiet Verbrandingslucht Qvl [m/uur]

De luchtbehoefte om 1 m aardgas te verbranden is 8,44 Nm/m. Ook hebben we de luchtfactor en gasverbruik nodig.
Stoichiometrische luchtbehoefte = 8,44 Nm/m , dit is de lucht die de chemische verbinding van aardgas met lucht nodig heeft
Q=Q_(s )Q_aλ
Q=8,44111,34=124,40 Nm/uur
Om van het Nm/uur naar m/uur gaan passen we de volgende formule toe
Q=(TbQn)/Tn
Q=(293,15124,40)/273,15
Q=133,51 m/uur

Luchtsnelheid V [m/s]

V=(Q/3600)/A [m/s]
V=(133,51/3600)/0,029
V=1,28 m/s
Berekening Reynolds getal
Re_D=(VL)/v_(lucht 20C)
Re_D=(1,280,35)/(1,66 〖10〗^(-5) )
Re_D=26988
We kunnen duidelijk zien dat het om een turbulente stroming gaat.
Berekening Dittus-Boetler vergelijking

Nu_d=0,023〖Re_D〗^(4/5)〖Pr〗^0,4
Nu_d=0,023〖26988〗^(4/5)〖Pr〗^0,4
Nu_d=0,023〖26988〗^(4/5)〖0,707〗^0,4
Nu_d=70,21
Convectie cofficint

h=(〖Nu〗_dk)/D_h

h=(70,210,0263)/0,175

h=10,56 W/mK

Warmte stroom

q^''=h(Trg-Tlucht)

q^''=10,56(800-20)
q^''=8233,53 W/m

#12

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 02 mei 2010 - 12:28

Waar ben je nou eigenlijk mee bezig?

Eerst schreef je dat de lucht 500 m3/u was of 0,18 kg/s en nou heb je het over slechts 133,51 m3/h.

Eerst schreef je dat het rookgaskanaal een binnen afmeting van 30 cm had en nu reken je met 0,35 m voor de binnenpijp.

De berekening van de hydraulische diameter klopt niet. De bevochtigde omtrek S is niet in m2 maar in meter. Als de buitenpijp inwendig 0,40 m is (zoals jij later gebruikt) en de binnenpijp is inwendig 0,35 m en zeg dat de wanddikte 5 mm is dan is de binnenpijp uitwendig 0,36 en de hydraulische diameter van het luchtkanaal is dan 0,04 m.
Want S = binnenomtrek buitenpijp plus buitenomtrek binnenpijp = pi*0,40 + pi*0,36 = .... m
En doorstroomd oppervlak A = pi/4 * 0,402 - pi/4 * 0,362 = ..... m2

Die hydraulische diameter moet je dan gebruiken in berekening Re , niet die 0,35 die je nu gebruikt. En natuurlijk ook in Nusselt, maar dat deed je al, alleen met een foute waarde.

Overigens bereken je nu alleen de h van de luchtzijde. Je moet ook de h van de rookgaszijde berekenen. Samen met de warmteweerstand van de pijpwand en vervuilingsfactoren bereken je dan de U.
En voor het temperatuursverschil moet je niet dat van 800 - 20 nemen maar de LMTD zoals eerder.

Oja, en nogmaals: je moet met de gemiddelde stofeigenschappen rekenen, niet alleen met die van de inlaat. Of je berekent zowel de h aan de inlaat en de h aan de uitlaat en middelt die.

Omdat je nu veel minder rookgas en lucht hebt, en bovendien een ruimere binnenbuis dan eerder zal de U nu lager dan 10 W/m2.K worden want je snelheden zijn nu veel lager dan ik eerst berekende. Je Reynolds getallen voor lucht en rookgas zullen daardoor onder de 10000 zakken waardoor die Dittus Boelter formule voor berekening van Nusselt niet meer van toepassing is en je een andere moet zoeken voor het overgangsgebied.
Hydrogen economy is a Hype.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures