ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

Измеряемая величина

Начальная температура холодной воды

Конечная температура холодной воды

Начальная температура горячей воды

Конечная температура горячей воды

В ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

ВВЕДЕНИЕ

Процесс передачи тепла между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры, осуществляется в аппаратах различных конструкций, называемых теплообменниками. Одной из таких конструкций является теплообменник «труба в трубе», представляющий собой систему двух коаксиальных труб разных диаметров. По внутренней трубе проходит один теплоноситель, по кольцевому зазору между трубами – второй. Поток тепла при этом направлен поперек цилиндрической поверхности внутренней трубы.

Количество передаваемого в теплообменнике тепла в случае установившегося процесса можно определить из уравнения теплопередачи:

, (8.1)

где F – теплопередающая поверхность, м; Dt_CP – средний температурный напор, °С; K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² град).

Средний температурный напор – это разность между температурами горячего и холодного теплоносителей, усредненная вдоль теплопередающей поверхности. Усреднение требуется в тех случаях, когда температура хотя бы одного теплоносителя изменяется при прохождении его через теплообменник. Независимо от взаимного направления движения теплоносителей Dt_CP можно рассчитать по формуле

(8.2)

где Dt_б и Dt_м – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника.

Если 0, 5£ £ 2, 0, то с достаточной точностью Dt_CP можно рассчитать по формуле:

(8.3)

Коэффициент теплопередачи К по физическому смыслу является термической проводимостью того пути, по которому тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. Вдоль этого пути обычно выделяются следующие термические сопротивления:

1. Сопротивление при переходе тепла от основной массы (потока) первого теплоносителя к поверхности трубы (1/a₁, где a₁ – коэффициент теплоотдачи или термическая проводимость ламинарного пристенного слоя);

2. Термическое сопротивление слоя загрязнений на стенках трубы (накипь, ржавчина);

3. Термическое сопротивление собственной стенки трубы (d_ст /l_ст, где d_ст – толщина стенки, l_ст – коэффициент теплопроводности материала трубы);

4. Термическое сопротивление загрязнений на стенках трубы со стороны второго теплоносителя;

5. Термическое сопротивление ламинарного слоя при переходе тепла от наружной стенки трубы к основной массе второго теплоносителя (1/a₂).

Так как перечисленные сопротивления проходятся тепловым потоком последовательно, то общее термическое сопротивлении системы равно, сумме отдельных сопротивлений, а проводимость есть величина, обратная сопротивлению:

(8.4)

Определение коэффициентов теплоотдачи является одной из основных задач теории теплообмена. Коэффициенты теплоотдачи рассчитываются из критериальных соотношений, в которых сам вид обобщенных безразмерных переменных (критериев подобия) определяется теоретически на основе теории подобия, а явный вид зависимости между критериями находится экспериментально для каждого вида теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи a входит в определяемый критерий Нуссельта (Nu), характеризующий интенсивность перехода тепла на границе потока–стенки:

(8.5)

Определяемый критерий Nu, в свою очередь, является функцией следующих определяющих критериев:

где Pr – критерий Прандтля:

(8.6)

характеризует отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя (физические свойства);

Re – критерий Рейнольдса:

(8.7)

характеризует соотношение сил инерции и молекулярного трения в потоке;

Gr – критерий Грасгофа

(8.8)

характеризует соотношение сил трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока;

где r – плотность, кг/м³; с_p – удельная теплоемкость (при постоянном давлении), Дж/кг К; m, n – динамический (Па× С) и кинематический (м²/с коэффициент вязкости; a, l – коэффициенты температуропроводности (м²/с) и теплопроводности (Вт/м× К); l – определяющий геометрический размер, м (в работе – это диаметр внутренней трубы или эквивалентный диаметр кольцевого пространства); w – средняя скорость потока, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с²; b – коэффициент объемного расширения, К^-1; Dt – разность температур стенки и жидкости (или наоборот), К

Вид критериального соотношения для расчета коэффициентов теплоотдачи определяется экспериментально для каждого конкретного случая. Так, при движении потоков в прямых трубах и каналах он зависит от режима течения жидкости (газа);

а) при развитом турбулентном течении (Re ³ 10000):

(8.9)

где e_l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплопередачи отношения длины трубы L к ее диаметру d. Значения e_l приведены в табл. 4.5. (1, с. I54.) При L/d > 50, e_l » 1.

б) в переходной области (2300 £ Rе £ 10000) точных зависимостей не имеется. Для практических расчетов рекомендуется приближенное уравнение:

(8.10)

в) при ламинарном режиме движении теплоносителя между двумя трубами, расположенными концентрически, критериальное уравнение для расчета теплообмена с поверхностью внутренней трубы имеет вид:

(8.11)

где e_l – коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины и диаметра трубы.

При ламинарном режиме для труб с соотношением L/d > 50, e_l » 1. Множитель (Pr/Pr_ст) учитывает направление теплового потока и близок к единице, когда температуры жидкости и стенки не сильно отличаются.

При расчетах критериев за определяющую температуру принимается средняя температура потока, а за определяющий размер l – эквивалентный диаметр d_э.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи К в теплообменнике «труба в трубе»; расчет коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂, расчет термического сопротивления загрязнений стенки и сравнение тепловой проводимости загрязнений стенки с коэффициентами теплоотдачи и теплопередачи.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка (рис.8.1) состоит из теплообменника 1, термостата для горячей воды 2, водопровода 3, контрольно–измерительных приборов (ротаметры 4, 5; термометры 6, 7, 8, 9). В качестве теплоносителя используется дистиллированная вода, подогретая до определенной температуры в термостате.

Теплообменник «труба в трубе» состоит из двух стеклянных труб: наружной трубы внутренним диаметром 18 мм и концентрически расположенной внутри ее трубы диаметром 10, 5´ 0, 75 мм. Рабочая длина трубы (790´ 2) мм.

Горячую воду подают из термостата во внутреннюю трубу теплообменника с последующим возвращением в термостат. Холодную воду из водопровода подают в межтрубное пространство теплообменника, затем отводят в канализацию.

Расходы горячей и холодной воды замеряют ротаметрами. Температуру горячей и холодной воды до и после теплообменника измеряют ртутными термометрами.

Рис. 8.1. Схема лабораторной установки:

1 – теплообменник типа «труба в трубе»; 2 – термостат; 3 – вентиль; 4, 5 – ротаметры; 6, 7, 8, 9 - термометры

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

При пуске установки устанавливают небольшой расход холодной воды, затем налаживают циркуляцию горячей воды (с небольшим расходом) по схеме: термостат 2 – трубное пространство теплообменника 1 – ротаметр 5 – термостат 2. После прогрева теплообменника (5–10 мин.) устанавливают заданные расходы горячего и холодного теплоносителей. Работают на установившемся режиме. Через каждые 2–5 мин. записывают показания термометров 6, 7, 8, 9. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры холодной воды примут постоянные значения (5–7 значений), что обозначает установившийся температурный режим.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

И СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Величину коэффициента теплопередачи К вычисляют из уравнения (8.1). При этом средний температурный напор Dt_СР определяют по формуле (8.2) по измеренным температурам холодного и горячего тепло носителей при установившемся режиме. Количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному, находят из уравнения:

(8.12)

где Q – количество тепла, воспринятого холодной водой, Вт; G_B – расход холодной воды, кг/с; c_B – теплоемкость воды, Дж/кг град, (Приложение 1, лабор. раб. №9); – конечная и начальная температуры холодной воды, °С.

При этом теплоемкость холодной воды определяют при ее средней температуре.

2. Средние температуры теплоносителей определяют с учетом того, что температуры теплоносителей при прохождении вдоль разделяющей поверхности изменяются не линейно, а экспоненциально.

При условии, если < средние температуры определяются следующим образом:

;

Если > , то

;

где: индекс «г» относится к горячему теплоносителю, а индекс «х» – к холодному.

3. Коэффициенты теплоотдачи a₁ и a₂ определяются в зависимости от режима течения по формулам (8.5, 8.9, 8.10, 8.11).

Значения физических констант берутся при средних температурах соответствующих теплоносителей. Так как температура стенки заранее неизвестна, то в качестве первого приближения при вычислении коэффициентов a'₁ и a'₂ принимается Pr/Pr_СТ = 1. После этого во втором приближении определяется значение температуры стенки t_СТ, из следующих выражений:

а) для теплового потока от горячей воды к стенке:

(8.13)

где Q – количество тепла, отданного горячей водой (или воспринятого холодной водой), Вт; F – теплопередающая поверхность, м²; t_ст1 – температура стенки со стороны горячей воды, °С.

б) для теплового потока от стенки к холодной воде:

(8.14)

где t_ст2 – температура поверхности стенки со стороны холодной воды, °С.

Затем вычисляют значения Pr_ст1 и Pr_ст2 при полученных температурах t_ст1 и t_ст2, рассчитывают более точные значения коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂ по формуле (8.5, 8.9, 8.10, 8.11).

4. Величину термического сопротивления загрязнений на стенках теплопередающей трубы å r_загр_. находят из выражения (8.4).

Отчет о выполненной работе должен содержать:

1. Тему работы.

2. Цель работы.

3. Схему и описание установки.

4. Полный расчет искомых величин.

5. Выводы.

6. Таблицу измеренных величин.

1. Расход холодной воды:

а) показание ротаметра делений

б) массовый расход кг/с

2. Расход горячей воды;

а) показания ротаметра делений

б) массовый расход кг/с

Отчетная таблица

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основное уравнение теплопередачи, его физический смысл.

2. Движущая сила процесса теплопередачи.

3. Влияние взаимного направления движения теплоносителей на движущую силу процесса теплопередачи.

4. Коэффициент теплопередачи, его физический смысл и единицы измерения.

5. Основные способы передачи тепла. Какие способы передачи тепла имеют место в теплообменнике " труба в трубе".

6. Основное уравнение теплоотдачи, его физический смысл.

7. Основной закон передачи тепла теплопроводностью (закон Фурье).

8. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл, единицы измерения.

9. Коэффициент теплопроводности, его физический смысл, единицы измерения.

10. Теплопередача при постоянных температурах теплоносителей.

11. Теплопередача при переменных температурах теплоносителей.

12. Выбор взаимного направления движения теплоносителей.

13. Определение поверхности теплообмена.

14. Определений тепловой нагрузки теплообменных аппаратов.

15. Определение среднего температурного напора.

16. Определение коэффициентов теплоотдачи.

17. Определение тепловой проводимости стенки, загрязнений.

18. Определение коэффициента теплопередачи.

19. Определение температуры поверхности разделяющей стенки.

20. Нагревающие и охлаждающие агенты.

21. Конструкции теплообменных аппаратов.

22. Основные критерии подобия: Nu, Pr, Gr, Re, их вид и физический смысл.

23. Конструкции теплообменных аппаратов.

24. Схема экспериментальной установки.

25. Методика проведения эксперимента.

26. Цель работы.

27. Тепловой баланс теплообменного аппарата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Павлов К.Ф., Романков Н.Г., Носков А.А, Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1981, - с.560.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971, - с.274–367.

3. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1982,. - с.490–532.

4. Молоканов Ю.К, Процессы и аппараты нефтегазопереработки. - М.: Химия, 1980. - с. 149–I88.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 10 11 12 Следующая