Содержание

4.2. Работа №2

 Исследование процессов теплоотдачи и теплопередачи при установившемся режиме в различных типах теплообменников

4.2.1. Цель и порядок выполнения работы

Цель работы: знакомство с устройством и работой основных типов теплообменных аппаратов, овладение расчетом коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, составление тепловых балансов.

Порядок выполнения работы

1. По заданию преподавателя для указанного теплообменника устанавливают по ротаметрам расходы холодного и горячего теплоносителей.

2. Через 5 мин записывают в таблицу 4.2 значения температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника до установления стационарного режима, т.е. когда показания температур остаются во времени постоянными.

Таблица 4.2

Таблица опытных данных

№ п/п	Время опыта τ, мин	Показания ротаметров		Расход воды, кг/с		Температура воды, °С
		горя-чей воды	холод-ной воды	горя-чей,  G1	холод-ной,  G2	горячей		холодной
						на входе, t1н	на выходе, t1к	на входе, t2н	на выходе, t2к
1
2
3

4.2.2. Работа №2.1. Исследование теплообмена в теплообменнике типа

“труба в трубе” (ТТ)

Описание схемы лабораторной установки

Самым простым теплообменником по конструктивному оформлению, применяемому в химической технологии, является аппарат типа ТТ (труба в трубе), схема которого представлена на рис. 4.4. Теплообменник состоит из внутренней (1) и наружной (2) труб, крышек (3) и штуцеров (4) для подвода и отвода теплоносителей. Расход теплоносителей определяют по показаниям ротаметров (5) и (6), а их регулирование осуществляется с помощью вентилей (7) и (8). Контроль температур теплоносителей производится термопарами (9), соединенными с цифровым индикатором (10).

Рис.4.4. Принципиальная схема теплообменника “труба в трубе” (ТТ):

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 – крышки; 4 – штуцеры; 5,6 – ротаметры; 7,8 – вентили; 9 – термопары; 10 – цифровой индикатор

Обработка опытных данных

1. Рассчитывается тепловой поток, передаваемый от горячей воды к холодной по уравнению:

, Вт                         (4.17)

где с₁ и с₂ – удельные теплоемкости горячей и холодной воды при средних температурах, Дж/(кг·К).

2. Составляют температурную схему процесса (рис. 3.1) и рассчитывают среднюю движущую силу процесса Δt_ср по одной из формул: (3.5) или (3.6), а также средние температуры теплоносителей по формулам (3.7) - (3.10).

3. Определяют опытное значение коэффициента теплопередачи:

.                                                 (4.18)

         Поверхность теплообмена F для данного типа теплообменного аппарата определяется по формуле:

,                                                   (4.19)

где d_ср=(d_н+d_вн)/2 – средний диаметр внутренней трубы, м; d_н, d_вн – наружный и внутренний диаметр трубы, м;  – длина теплообменной поверхности, м.

4. Для каждого теплоносителя находят скорости движения:

,                                    (4.20)

где ρ₁ и ρ₂ – плотности горячей и холодной воды при средних температурах, кг/м³.

         Площадь сечений для теплоносителей определяется из выражений:

для горячего теплоносителя

,                                                 (4.21)

для холодного теплоносителя

,                                          (4.22) 

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

5. Определяют режим движения для теплоносителей по значению критериев Рейнольдса:

   и    ,                          (4.23)

где μ₁ и μ₂ – коэффициенты динамической вязкости для горячей и холодной воды при средних температурах, Па·с.

         Примечание: теплофизические свойства воды представлены в приложении (табл.2).

         Эквивалентные диаметры для горячего и холодного теплоносителей, соответственно:

,    .                                   (4.24)

6. По значению числа критерия Re₁ и Re₂ выбирают соответствующее режиму движения критериальное уравнение (1.5)-(1.8) для расчета критериев Nu₁ и Nu₂ из которых находят величину коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂. Входящие в эти уравнения критерии Pr_ст1 и Pr_ст2 находятся по температурам стенок  и  после расчета частных температурных напоров Δt₁ и Δt₂ по формулам (3.13) и (3.14).

7. По уравнению (3.3) рассчитывают коэффициент теплопередачи К_р.

8. Значения частных температурных напоров проверяют по уравнениям (3.16)-(3.17).

9. Значение коэффициента теплопередачи К_р сравнивают с опытным значением К_о путем определения относительной ошибки, делают выводы по работе.

4.2.3. Работа №2.2. Исследование теплообмена в теплообменнике с неподвижной решеткой (ТН)

Описание схемы лабораторной установки

Теплообменник (рис.2.8) состоит из корпуса (1), трубных решеток (2) с закрепленными в них теплообменными трубками (3), штуцеров для подвода и отвода теплоносителей (4). Температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата контролируются термопарами (5), соединенными с цифровым индикатором (6). Регулирование подачи теплоносителей осуществляют с помощью вентилей (7), (8) через калиброванные ротаметры (9), (10).

Рис. 4.5. Принципиальная схема одноходового кожухотрубчатого теплообменника типа ТН:

1 – корпус; 2 – трубные решетки; 3 – теплообменные трубки; 4 – штуцера; 5 – термопары; 6 – цифровой индикатор; 7,8 – вентили; 9,10 – ротаметры

Примечание:

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) поверхность теплообмена для данного теплообменника определяется по формуле:

,                                              (4.25)

где n – число теплообменных трубок; L – длина трубок, м; d_ср=(d_н+d_вн)/2 – средний диаметр теплообменной трубки, м; d_н, d_вн – наружный и внутренний диаметр теплообменной трубки, м;

4) площадь трубного пространства для горячего теплоносителя рассчитывают по формуле:

;                                           (4.26)

5) для холодного теплоносителя (межтрубное пространство):

,                                      (4.27)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

6) эквивалентные диаметры для горячего и холодного теплоносителей, соответственно:

,     .                             (4.28)

4.2.4. Работа №2.3. Исследование теплообмена в теплообменнике с плавающей головкой (ТП)

Описание схемы лабораторной установки

Данный тип теплообменника представлен на рис.4.6. Теплообменник состоит из корпуса (1), трубной решетки (2), теплообменных трубок (3), крышки с перегородкой (4), плавающей головки (5) и штуцеров для подвода и отвода теплоносителей (6). Контроль температур теплоносителей осуществляется с помощью термопар (7), соединенных с цифровым индикатором (12). Расходы теплоносителей измеряются калиброванными ротаметрами (8), (9), а их регулирование осуществляется вентилями (10), (11).

Рис.4.6. Принципиальная схема теплообменника с плавающей головкой типа ТП:

1 – корпус; 2 – трубная решетка; 3 – теплообменные трубки; 4 – крышка с перегородкой; 5 – плавающая головка; 6 – штуцера; 7 – термопары; 8,9 – ротаметры; 10,11 – вентили; 12 – цифровой индикатор

Примечание:

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) средняя движущая сила процесса теплопередачи при смешанном токе определяют следующим образом:

,                                               (4.29)

где - средняя движущая сила процесса при противоточном движении теплоносителей, °С; <1 – поправочный множитель, учитывающий соотношение перепадов температур теплоносителей и степень нагрева более холодного теплоносителя (см. приложение рис. 1).

4) для этой конструкции теплообменника поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:

,                           (4.30)

где d_ср=(d_н+d_вн)/2 – средний диаметр теплообменной трубки, м; d_н, d_вн – наружный и внутренний диаметр теплообменной трубки, м; L – длина трубки, м; R – радиус сферы; n₀ – общее число теплообменных трубок;

5) площадь сечения и эквивалентный диаметр трубного пространства определяют по формулам:

,                                             (4.31)

где n=n₀/2 – число труб в одном ходу, так как теплообменник является двухходовым;

;                                                    (4.32)

6) площадь сечения межтрубного пространства и эквивалентный диаметр:

,                                         (4.33)

,                                             (4.34)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

4.2.5. Работа №2.4. Исследование теплообмена в теплообменнике с перегородками

Описание схемы лабораторной установки

         Для интенсификации процесса теплообмена в промышленности применяют теплообменники с перегородками в межтрубном пространстве. Схема такого теплообменника изображена на рис.4.7. Теплообменник состоит из корпуса (1), трубных решеток (2), теплообменных трубок
(3), перегородок в межтрубном пространстве (4), крышек (5), штуцеров (6) для подвода и отвода теплоносителей. Контроль температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника осуществляют с помощью термопар (7), соединенных с цифровым индикатором (8). Измерение расходов теплоносителей производят калиброванными ротаметрами (9), (10), а их регулирование – с помощью вентилей (11), (12).

Рис.4.7. Принципиальная схема теплообменника с перегородками в межтрубном пространстве:

1 – корпус; 2 – трубные решетки; 3 – теплообменные трубки; 4 – перегородки; 5 – крышки; 6 – штуцера; 7 – термопары; 8 – цифровой индикатор; 9, 10 – ротаметры; 11, 12 – вентили

Примечание:

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) для этой конструкции теплообменника поверхность теплообмена определяют по формуле (4.25), площадь сечения трубного пространства по формуле (4.26), эквивалентный диаметр ;

4) площадь сечения межтрубного пространства:

,                                                  (4.35)

где  – расстояние между перегородками, м; m – длина хорды сегментного выреза в перегородке, м;

5) коэффициент теплоотдачи a₂ от теплообменных трубок к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве, рассчитывают по критериальным уравнениям для коридорного расположения труб:

                      если Re<1000, то ,            (4.36)

                      если Re>1000, то ,          (4.37)

где ψ – коэффициент, учитывающий угол обтекания (рис.2.11) теплообменной трубки (угол атаки).

         В этих выражениях определяющей температурой является средняя температура теплоносителя, определяющим размером – наружный диаметр теплообменной трубки. Значения коэффициента ψ, учитывающего влияние угла атаки, приведены в таблице 4.3.

Рис.4.8. Угол атаки

Таблица 4.3

Значения ψ в зависимости от угла атаки φ

φ	90	80	70	60	50	40	30	20	10
ψ	1	1	0,98	0,94	0,88	0,78	0,67	0,52	0,42

Угол атаки рассчитывается следующим образом:

,                                 (4.38)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

4.2.6. Работа №2.5. Исследование теплообмена в теплообменнике с двойными трубами

Описание схемы лабораторной установки

         Схема теплообменного аппарата с двойными трубами приведена на рис.4.9. Теплообменник состоит из корпуса (1), в котором расположены двойные трубы, состоящие из наружной трубы (3) с закрытым наглухо концом, и внутренней трубы (2) меньшего диаметра с открытым нижним концом. Для подвода и отвода теплоносителей на крышке (6) и корпусе имеются штуцера (4). Двойные трубки закреплены в трубных решетках (5). Контроль температур осуществляется термопарами (7), соединенными с цифровым индикатором (12). Расход теплоносителей контролируется калиброванными ротаметрами (8) и (9), а регулирование количеств жидкости осуществляется вентилями (10), (11).

Рис.4.9. Принципиальная схема теплообменника с двойными трубами:

1 – корпус; 2 – внутренняя трубка; 3 – наружная трубка; 4 – штуцера; 5 – трубные решетки; 6 – крышка; 7 – термопары; 8,9 – ротаметры; 10,11 – вентили; 12 – цифровой индикатор

         В этом аппарате перенос теплоты от горячего теплоносителя, поступающего в трубу меньшего диаметра, к холодному теплоносителю, протекающему в межтрубном пространстве, осуществляется конвекцией к внутренней стенке трубы меньшего диаметра, через стенку путем теплопроводности, затем конвекцией от стенки со стороны охлажденной жидкости и от нее к стенке наружной трубы также путем конвекции, через стенку наружной трубы – теплопроводностью и конвекцией от стенки к холодному теплоносителю. Распределение температур в этом случае представлено на рис.4.10, а на рис.4.11 – изменение температур теплоносителей по длине поверхности теплообменника.

Рис.4.10. Распределение температур при теплопередаче в теплообменнике с двойными трубами

Рис.4.11. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

Примечание:

цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

таблица опытных данных 4.2 дополняется графой с температурой охлажденного теплоносителя .

Обработка опытных данных

1. Рассчитывается тепловой поток, передаваемый от горячей воды к холодной по уравнению теплового баланса теплообменника:

,                   (4.39)

где G₁, G₂ – расходы теплоносителей, кг/с; с₁, , с₂ – удельные теплоемкости горячего, охлажденного и холодного теплоносителей, Дж/(кг·К); t_1н, , t_1к – температура более нагретого теплоносителя: начальная, на выходе из наружной трубы и выходе из внутренней трубы, °С; t_2н, t_2к – начальная и конечная температура холодного теплоносителя, °С.

2. Для каждого теплоносителя определяются скорости движения:

, ,                              (4.40)

где ρ₁, ρ₂, ρ₃ – плотности горячей, охлажденной и холодной воды при средних температурах теплоносителей, кг/м³.

         Площадь проходного сечения по внутренним трубам:

.                                              (4.41)

Суммарная площадь проходного сечения по кольцевому зазору между трубами:

.                                        (4.42)

Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:

,                                        (4.43)

где D – внутренний диаметр корпуса аппарата, м; n – число двойных труб.

3. Определяют режим движения для теплоносителей по значению критерия Рейнольдса, который рассчитывается следующим образом:

 ,   ,                     (4.44)

где μ₁, μ₂, μ₃ – коэффициенты динамической вязкости для горячей, охлажденной и холодной воды при средних температурах, Па·с.

         Примечание: теплофизические свойства воды представлены в приложении (табл.2).

         Эквивалентные диаметры для горячего, охлажденного и холодного теплоносителей, соответственно:

,     ,    .                   (4.45)

4. По значению числа критерия Re₁, Re₂ и Re₃ выбирают соответствующее режиму движения критериальное уравнение (1.5)-(1.8) для расчета критериев Nu₁, Nu₂=Nu₃, Nu₄, по которым находят величину коэффициентов теплоотдачи a₁, a₂= a₃, a₄. В первом приближении принимаем отношение .

5. Определяются коэффициенты теплопередачи:

    для внутренней трубы

;                                            (4.46)

    для наружной трубы

,                                           (4.47)

где a₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке внутренней трубы, Вт/(м²·К); a₂ – коэффициент теплоотдачи  от стенки к охлажденному теплоносителю, Вт/(м²·К); a₃ – коэффициент теплоотдачи  от охлажденного теплоносителя к внутренней стенке наружной трубы, Вт/(м²·К); a₄ – коэффициент теплоотдачи  от наружной трубы к холодному теплоносителю, Вт/(м²·К); d₁, d₂ – толщина стенок внутренней и наружной труб, м; l₁, l₂ – коэффициенты теплопроводности материалов внутренней и наружной труб, Вт/(м·К).

6. Движущая сила процесса переноса теплоты в теплообменнике с двойными трубами меньше, чем при противотоке, но больше, чем при прямотоке и рассчитывается по уравнению:

,                                 (4.48)

где  - разность температур теплоносителей у выхода из наружной трубы, °С; ,   - разность температур теплоносителей, для определения  и  соответственно, °С.

         Величины, входящие в уравнение (4.48):

; ,

где ; .

Движущие силы процесса рассчитывают для горячего и охлажденного теплоносителя  и для охлажденного и холодного теплоносителя .

7. Проводится уточнение коэффициентов теплоотдачи a₁, a₂, a₃, a₄:

,                                    (4.49)

,                                   (4.50)

,                                    (4.51)

,                                  (4.52)

где , ,  - критерии Прандтля при средних температурах теплоносителей: горячего , охлажденного и холодного .

Pr_ст1, Pr_ст2, Pr_ст3, Pr_ст4 находятся по температурам стенок t_ст1, t_ст2, t_ст3, t_ст4, которые рассчитываются по следующим уравнениям:

,                                        (4.53)

,                                        (4.54)

,                                      (4.55)

.                                      (4.56)

8. Определяются уточненные значения коэффициентов теплопередачи:

,                                    (4.57)
.                                    (4.58)

9. Коэффициенты теплопередачи К_ут1 и К_ут2 сравниваются с опытными значениями К_оп1 и К_оп2, которые определяются из уравнений теплопередачи:

;                                              (4.59)

.                                              (4.60)

где  - поверхность внутренних труб, м²;  - поверхность наружных труб, м²; n – число труб; L – длина труб, м; d_ср1=(d₁+d₂)/2 – средний диаметр внутренней трубы, м; d₁, d₂ – внутренний и наружный диаметр внутренней трубы, м; d_ср2=(d₃+d₄)/2 – средний диаметр наружной трубы, м; d₃, d₄ – внутренний и наружный диаметр наружной трубы, м.

10. После расчетов коэффициентов теплопередачи определяется общая движущая сила процесса:

.       (4.61)

 11. Делают выводы по работе.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие процессы называют теплоотдачей и теплопередачей?

2. Как рассчитываются коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к разделяющей стенке и от стенки к холодному теплоносителю?

3. Сформулируйте физический смысл и укажите размерность коэффициента теплопередачи.

4. Каким образом рассчитывается коэффициент теплопередачи при передаче тепла через однослойную и многослойную плоские стенки?

5. Как определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи при различных взаимных направлениях теплоносителей?

6. Что является целью расчета теплообменного аппарата?

7. Перечислите основные типы конструкций поверхностных теплообменников