Исследование процесса теплопередачи в теплообменнике типа "Труба в трубе"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методические указания к лабораторной работе № 3

«Исследование процесса теплопередачи в теплообменнике типа Труба в трубе»

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Процесс переноса тепла от более нагретого (горячего) к менее нагретому (холодному) теплоносителю через разделяющую их твердую стенку описывается основным уравнением теплопередачи

Q=k·F·Дtcp (1)

где Q - тепловой поток, Вт;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 град;

F - поверхность теплопередачи, м2;

Дtcp - средняя разность температур между теплоносителями, оС.

Величина теплового потока определяется по уравнениям теплового баланса

Q = Q1 = Q2 + ДQ (2)

где Q1 - тепловой поток от горячего теплоносителя к разделяющей стенке, Вт;

Q2 - тепловой поток от разделяющей стенки к холодному теплоносителю, Вт;

ДQ - потери теплового потока в окружающую среду, Вт.

Указанные тепловые потоки определяются по уравнениям

Q1=·cр1·(t-t) (3)

Q2=·cр2·(t-t) (4)

где G1, G2 - массовые расходы горячего и холодного теплоносителя, кг/ч;

cр1, cр2 - удельные массовые теплоемкости теплоносителей при средней температуре и постоянном давлении, Дж/кг·град;

t, t- начальная и конечная температура горячего теплоносителя, оС;

t, t - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, оС

Массовые расходы теплоносителей можно представить соотношениями

G1 = V1· с1 G2 = V2· с2 (5)

где V1,V2- объемные расходы теплоносителей, м3 /ч;

с1, с2 - плотности теплоносителей при средних температурах, кг/м3.

Совместное рассмотрение уравнений (2), (3) и (4) дает

Q=·cр1·(t-t)= ·cр2·(t-t)+ ДQ (6)

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки рассчитывается по уравнению

1

Красч =++++ (7)

где б1, б2 - коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя соответственно, Вт/м2 ·град;

д31, д32 - толщина загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителя, м;

л31, л32 - коэффициенты теплопроводности загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителя, Вт/м град;

дcm - толщина стенки, м;

лст - коэффициент теплопроводности материала стенки, Bт/м·град.

Для цилиндрической однослойной стенки линейный коэффициент теплопередачи (на один метр длины трубы) определяется по соотношению

1

КL =+Ln+ (8)

где d1, d2 - внутренний и наружный диаметр трубы, м.

Полное линейное термическое сопротивление теплопередачи равно сумме частных:

термического сопротивления теплопроводности стенки ·Lnи термических сопротивлений теплоотдачи 1/б1d1 и 1/ б2d2.

Средняя разность температур между теплоносителями в общем случае определяется соотношением

Дtср.лог. =Дtд- Дtм

Ln (9)

где Дtд, Дtм - большая и меньшая разность температур на концах теплообменного аппарата, оС.

При относительно равномерном температурном напоре вдоль поверхности теплообменного аппарата (Дtд, Дtм <2) вместо соотношения (9) можно использовать выражение

Дtср.ар. = (10)

Средняя арифметическая разность температур между теплоносителями всегда больше средней логарифмической (Дtср.ар.>Дtср.лог).

На рис.1 показано характерное изменение температур теплоносителей для противоточного теплообменника. Как следует из уравнения (1), при равномерном температурном напоре (Дtд/ Дtм <2) поверхность теплообмена для прочих равных условий всегда будет меньше. Если поверхности теплообменников одинаковы, равномерный температурный напор дает возможность увеличить тепловой поток (повысить рекуперацию) процесса теплообмена.

В настоящей лабораторной работе рассматривается случай теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителей внутри трубы и кольцевом канале. Для расчета коэффициентов теплоотдачи используются критериальные уравнения. При установившемся турбулентном режиме течения (Re>104) расчетное уравнение теплоотдачи имеет вид [1]

Рис.1. Изменение температур теплоносителей для противоточного теплообменного аппарата

Nuж = 0,021 Re·Pr·()1/4 (11)

где Nuж - критерии Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи на границе «теплоноситель-стенка»;

Reж- критерии Рейнольдса - мера соотношения между силами инерции и

вязкости, действующими в потоке;

Ргж - критерий Прандтля, характеризующий подобие физических свойств теплоносителя, определяемый по средней температуре теплоносителя;

Ргcm- критерий Прандтля, определяемый по физическим свойствам теплоносителя при температуре стенки;

б- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·град;

dэ - эквивалентный диаметр канала, м; для круглой трубы эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру трубы, м;

лж- коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре, Вт/м·град;

V - средняя скорость теплоносителя, м/с;

vж - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя при средней температуре, м2/с;

аж - коэффициент температуропроводности теплоносителя при средней температуре, м2/с. Теплофизические характеристики горячего и холодного теплоносителя определяются по среднеарифметическим значениям температур теплоносителей

tср.1 =t+ t (12)

2

tср.2 = t+ t (13)

2

Для переходного режима течения теплоносителей ( 2300 < Rеж < 104 ) в практических расчетах используется соотношение [2]

Nuж = 3,27·10-3·Reж·Pr0.43ж(Prж/Prст)1/4 (14)

Для ламинарного вязкостно - гравитационного режима течения теплоносителей

(Rеж2300, Grж·Ргж> 8·105) применимо уравнение [3]

Nuж = 0,15(Reж·Prж)1/3· ( Grж·Ргж)1/10 · (Ргж/Prcm)1/4 · е(е/d) (15)

Для ламинарного вязкостного режима течения ( Rеж 2300, Grж·Ргж< 8·105 ) [3]

Nuж = 1,55 (Reж · Prж · )1/3 · ()0,14 (16)

где Grж gdэ3 · в · Дt - критерий Грасгофа, характеризующий меру соотношения vж2

подъемной силы, обусловленной различием плотностей теплоносителя в отдельных точках неизотермического потока и силы трения; этот критерий учитывает влияние свободной конвекции;

g=9.81м/c2 -ускорение силы тяжести;

в - коэффициент объемного расширения теплоносителя, 1/град;

Дt - разность температур стенки и теплоносителя (или наоборот), оС;

е (L/dэ) - поправка на калибр канала; при L/dэ50, е =1.0.

При турбулентном режиме течения жидкости в кольцевом канале коэффициент теплоотдачи определяется по критериальному уравнению [3]

Nuж =0.017 · Rеж0,8 · Рrж0.4 · (Ргж/Ргсm)1/4 · (d 2/d1)0.18 (17)

где d1 - наружный диаметр внутренней трубы, м;

d2 - внутренний диаметр наружной трубы, м.

В уравнении (17) определяющим размером является эквивалентный диаметр кольцевого сечения dэ= d2 - d1.

2. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка (рис.2) состоит из теплообменника типа «труба в трубе» (1); ротаметров (2) для измерения объемного расхода холодной воды; термопар (9),(10),(11),(12); потенциометра (3); регулирующей арматуры.

Горячая вода заданной температуры поступает во внутреннюю трубу теплообменника (1) из теплосети. Постоянство объемного расхода горячей воды поддерживается с помощью регулирующего вентиля (6). После теплообменника горячая вода возвращается в теплосеть.

Холодная вода из водопроводной сети поступает в кольцевое межтрубное пространство теплообменника (1). Объемный расход холодной воды устанавливается по ротаметру (2) с помощью регулирующего вентиля (5).

Лабораторная установка предусматривает две схемы относительно движения теплоносителей: прямоток и противоток. Горячая вода циркулирует постоянно в одном направлении. Направление движения холодной воды в теплообменнике можно изменять на противоположное.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Открывают вентили (5),(8) и пропускают холодную водопроводную воду через ротаметр (2) и кольцевое пространство теплообменника (1). При этом вентиль (4) и (6) закрыты. Через вентиль (8) вода сливается в канализацию.

Нагретая вода из теплосети подается во внутреннюю трубу теплообменника и при открытом вентиле (6) и возвращается в теплосеть. В этом случае теплообменник будет работать по противоточной схеме движения теплоносителей.

Устанавливают стационарный режим протекания процесса, для чего необходимо подождать 15-20мин.

Температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата измеряются с помощью термопар (9),(10),(11),(12) и потенциометра (3). Результаты измерений заносят в протокол измерений (табл. 1). При противоточной схеме температуру воды на входе в теплообменник из термостата поддерживают на уровне 50-60оС.

Определяют расход холодной воды по ротаметру вначале и по окончанию эксперимента.

Результаты измерений заносят в протокол.

Таблица 1.

Протокол измерений

Номера опытов	Номера замеров	Показания ротаметра N	Показания термопар
			1	2	3	4
1	1
	2
	3
	среднее значение
2	1
	2
	3
	среднее значение
3	1
	2
	3
	среднее значение

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

В пределах каждого опыта для средних значений показаний ротаметра и термопар по тарировочным кривым V = ц (h) и t1oC = ц (мх) (приложение 1, 2) определяются расходы теплоносителей и их температуры на входе и выходе из теплообменника (t11, t; t21, t).

По уравнениям (12) и (13) рассчитываются средние значения температур теплоносителей и определяются необходимые теплофизические свойства с1, с2; м1, м2; ср1, ср2 (приложение 3).

Рассчитываются массовые расходы теплоносителей

G1 = V1 ·с'1 , кг/с

G2 = V2 ·с'2 , кг/с

где V1, V2 - объемные расходы горячего и холодного теплоносителя, м3/с;

с'1, с'2 - плотность горячего и холодного теплоносителя на входе в ротаметры, кг/м3.

Величина теплового потока от горячего теплоносителя к стенке трубы

Q1 = G1 · ep1 · (t'1 - t''1), Вт

где ep1 - теплоемкость горячего теплоносителя по средней температуре в трубе, Дж/кг· град;

t'1, t''1 - температура горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, оС.

Величина теплового потока от стенки трубы к холодному теплоносителю

Q2 = G2 · ep2 · (t''2 - t'2 ), Вт

где ep2 - теплоемкость холодного теплоносителя по средней температуре в межтрубном пространстве, Дж/кг· град;

t'2, t''2 - температура холодного теплоносителя на входе и выходе из межтрубного пространства, оС.

Потери теплового потока в окружающую среду

ДQ = Q1 - Q2, Вт

Определить больший и меньший температурный напор между теплоносителями по концам теплообменника.

Например (рис.1): Дtб = t'1 - t''2; Дtм = t''1 - t'2

Рассчитать величину среднего логарифмического температурного напора между теплоносителями

Дtср.лог. = Дtб - Дtм , оС

Ln

Рассчитать поверхность теплопередачи

F = рd1н · L, м2

где d1н - наружный диаметр внутренней трубы, м;

L - длина теплообменной трубы, м.

Экспериментальное значение коэффициента теплопередачи теплообменного аппарата

кэкс = , Вт/м2 · оС

Рассчитать:

Число Рейнольдса для горячего теплоносителя

Re1 =

где V1 - объемный расход горячего теплоносителя, м3/с;

d1в - внутренний диаметр трубы для горячего теплоносителя, м;

м1, с1 - динамическая вязкость и плотность горячего теплоносителя при средней температуре потока t1 ср.

Число Рейнольдса для холодного теплоносителя

Re2 =

По значениям чисел Рейнольдса определяются режимы течения, выбираются уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи внутри трубы б1 и в межтрубном пространстве б2.

По уравнению (7) определяют расчетное значение коэффициента теплопередачи кр, пренебрегая загрязнениями стенки трубы.

Результаты выполненных расчетов сводят в табл. 2.

Таблица 2

Результаты опытов для прямоточной схемы

Номер опыта

Расход воды по ротаметру, м3 м3\4

Расход воды по ротаметру, м4 м3\4

Температура, оС

Q1, Вт

Q2, Вт

Дtср, оС

кэкс кэ Вт/м2 град

красч Вт/м2 град

t'1

t''1

t'2

t''2

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

теплообменник теплоноситель воздушный охлаждение

1. Как определяется общее термическое сопротивление при передаче тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую теплоносители стенку?

2. Перечислите достоинства и недостатки прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей в теплообменнике.

3. Что служит движущей силой процесса теплопередачи?

4. Какими путями и мероприятиями следует интенсифицировать процесс теплопередачи?

5. Как определяют расчетное значение коэффициента теплопередачи для теплообменника?

6. За счет чего следует повышать коэффициент теплопередачи при эксплуатации аппарата воздушного охлаждения (АВО)?

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М: "Энергия". - 1973. - 318 С.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Издание четвертое, переработанное и дополненное. М.: Энергоиздат. - 1981. - 416 С.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Издание десятое, переработанное и дополненное. Под редакцией П.Г. Романкова. Л.: Химия. - 1987. - 575 С.

Приложение

t, оС	с·10-5, Па	с, кг/м3	i, кДж/кг	ср кДж/(кг·К)	л Вт/(кг·К)	б·106, м2/с	м·106, Н·с/м2	н·106, м2/с	в·104, 1/К	у·104, Н/м	Pr
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160	1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,013 1,43 1,98 2,70 3,61 4,76 6,18	999,9 999,7 998,2 995,7 992,2 988,1 983,1 977,8 971,8 965,3 958,4 951,0 943,1 934,8 926,1 917,0 907,4	0 42,04 83,91 125,7 167,5 209,3 251,1 293,0 335,0 377,0 419,1 461,4 503,7 546,6 589,1 632,2 675,4	4,212 4,191 4,183 4,174 4,174 4,174 4,179 4,187 4,195 4,208 4,220 4,233 4,250 4,266 4,287 4,313 4,346	0,560 0,580 0,597 0,612 0,627 0,640 0,650 0,662 0,669 0,676 0,684 0,685 0,686 0,686 0,685 0,684 0,681	13,2 13,8 14,3 14,7 15,1 15,5 15,8 16,1 16,3 16,5 16,8 17,0 17,1 17,3 17,2 17,3 17,8	1788 1306 1004 801,5 653,3 549,4 469,9 406,1 355,1 314,9 282,5 259,0 237,4 217,8 201,1 186,4 173,6	1,789 1,306 1,006 0,805 0,659 0,556 0,478 0,415 0,365 0,326 0,295 0,272 0,252 0,233 0,217 0,203 0,191	-0,63 +0,70 1,82 3,21 3,87 4,49 5,11 5,70 6,32 6,95 7,52 8,08 8,64 9,19 9,72 10,3 10,7	756,4 741,6 726,9 712,2 696,5 676,9 662,2 643,5 625,9 607,2 588,6 569,0 548,4 528,8 507,2 486,6 466,0	13,5 9,45 7,03 5,45 4,36 3,59 3,03 5,28 2,23 1,97 1,75 1,60 1,47 1,35 1,26 1,17 1,10

Размещено на Allbest.ru