Мет_указ_[1 часть]

2.Для всех экспериментальных точек найти фиктивные скорости воздуха и построить график в координатах lg = f(lgW).

3.Вычислить плотность воздуха:

где Т - температура, К;о - плотность воздуха при нормальных условиях, равная 1,293 кг/м3.

4.Выбрав 3 любые экспериментальные точки и выразив для них значениясух в системе СИ (Н/м2), из уравнения (4) найти опытные значения коэффициента трения оп.

5.Для этих же точек рассчитать значения критерия Рейнольдса, принимая для

воздуха г = 1,8 10 -5 кг/(м с). 6 6. По соответствующему уравнению определить теоретические значения ко-

эффициента трения теор и сравнить с экспериментальными.

Сопротивление орошаемой насадки

1.Построить график в координатах lg Pорош= f(lg W), по которому найти опытное значение скорости воздуха в точке инверсии Wо. инв.

2.Зная температуру воды, по таблице 3 найти плотность воды ж и динамическую вязкость воды ж.

3.Объемные расходы воздуха и воды в точке инверсии пересчитать в массовые:

4.По уравнению (9) определить теоретическое значение скорости воздуха в точке инверсии Wт.инв и сравнить его с экспериментальным.

5.Найти плотность орошения U.

6.Выбрав 3 любые экспериментальные точки, из уравнения (10) определить опытные значения коэффициента b и сравнить с теоретическим.

Расчетные данные занести в таблицу 2.

Таблица 2 - Расчетные результаты

21

Таблица 3

Отчет включает схему установки, расчеты определяемых величин, графики сопротивления сухой и орошаемой насадки, таблицы 1 и 2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к лабораторной работе №2

1.Порядок выполнения работы.

2.Виды насадок и их характеристики.

3.Гидравлическое сопротивление сухой насадки (теоретическое и экспериментальное определение).

4.Гидродинамические режимы двухфазных потоков в насадочных колоннах (характерные виды движения потоков и переходные точки).

5.Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки (теоретическое и экспериментальное определение).

6.Поверхность фазового контакта, оптимальный режим работы и определение диаметра насадочных колонн.

7.Особенности работы эмульгационных колонн.

8.Конструкция устройств для распределения жидкости.

22

Лабораторная работа №5 «Испытание кожухотрубчатого теплообменника»

Краткие теоретические сведения о процессе теплообмена

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур, при которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Существуют три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: тепловое излучение, теплопроводность и конвекция.

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излу-

чающего тела. Влияние теплового излучения незначительно до температур

500-600 оС.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие непосредственного соприкосновения друг с другом микрочастиц (молекул, атомов) в твердых телах и в тонких ламинарно движущихся слоях жидкостей и газов.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают естест-

23

венную (свободную) и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствие разности температур в этих точках. Вынужденная конвекция осуществляется при принудительном движении всего объема жидкости.

В большинстве случаев распространение тепла происходит одновременно двумя-тремя способами.

Основным законом переноса тепла теплопроводностью является закон

Фурье:

количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за вре-

мя d прямо пропорционально температурному градиенту t , поверхности

Размерность коэффициента теплопроводности в системе СИ:

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина коэффициента , характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Наиболее важным часто встречающимся случаем теплообмена является конвективный теплообмен. Под конвективным теплообменом в соответствии с рис. 5.1 понимают процесс распространения тепла в газе (жидкости) от поверхности твердого тела одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Этот процесс называют также теплоотдачей. Интенсивность теплоотдачи зависит от гидродинамических условий течения газа.

24

водностью; размерами и формой поверхности теплообмена. Зависимость коэффициентов теплоотдачи от этих факторов весьма сложна, поэтому для их определения используются методы теории подобия.

Для вынужденного движения жидкостей и газов внутри труб критериальное уравнение при турбулентном режиме (Re 10000) имеет вид:

где Nu - критерий Нуссельта; l - коэффициент, учитывающий отношение длины трубы к ее диаметру; Re - критерий Рейнольдса; Pr, Prст – значения критерия Прандтля, соответственно, при средней температуре теплоносителя и при температуре стенки трубы.

Для газов критериальное уравнение (5.3) может быть упрощено. Например, для воздуха:

При движении воздуха в условиях естественной конвекции в ограни-

где в этих формулах:

dэ - эквивалентный диаметр трубы; w - скорость теплоносителя;

, , , - соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, плотность и коэффициент объемного расширения теплоносителя при его средней

26

температуре;

t - разность между температурой стенки трубы и средней температурой теп-

лоносителя, t = tст – tг.

При расчете теплообменников по значению критерия Нуссельта, найденному из соответствующего критериального уравнения, определяют коэффициент теплоотдачи .

Процесс передачи тепла от более нагретого к более холодному теплоносителю через разделяющую их стенку носит название теплопередачи. Основное уравнение теплопередачи для элементарной поверхности dF можно

где К - коэффициент теплопередачи; t1, t2 - температуры теплоносителей.

лей. Для ее определения составляется схема распределения температур. В непрерывных процессах теплообмена возможны

следующие варианты направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:

Рис. 5.3 – Схемы направления движения теплоносителей при теплообмене:

а – прямоток; б - противоток; в – перекрестный ток; г – однократный смешанный ток; д – многократный смешанный ток.

27

1.параллельный ток, или прямоток в соответствии с рис. 5. 3, а, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

2.противоток (рис. 5. 3, б), при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях;

3.перекрестный ток (рис. 5. 3, в), при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;

4.смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одной направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток (рис. 5. 3, г) и многократный смешанный ток (рис. 5. 3, д).

Средняя разность температур tср для противотока и прямотока находится по уравнению:

tм

где tб, tм - соответственно наибольшее и наименьшее значения разностей температур t1 и t2 .

При отношении tб 2 средняя разность температур может опреде-

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур можно определить:

где tб, tм – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей.

где нач - начальная температура горячего теплоносителя;

28

где tкон - конечная температура холодного теплоносителя; tнач- начальная температура холодного теплоносителя.

Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность теплопереноса и вычисляется по следующему уравнению:

1 ст 2

где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи первого и второго теплоносителей;ст/ ст - термическое сопротивление стенки.

Размерность коэффициента теплопередачи в системе СИ:

Коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 м2 при разности температур между теплоносителями 1 град.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением:

где 1 , 1 - термические сопротивления теплоносителей.

1 2

Впрактических расчетах коэффициента теплопередачи необходимо

учитывать термическое сопротивление загрязнений:

При теплопередаче через чистую металлическую стенку (без загрязнений и тепловой изоляции) термическое сопротивление стенки невелико и им можно пренебречь.

Если значения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 значительно отличаются друг от друга, например, 1 2 , то величина К практически определяется меньшим из них, т.е. значением 2: К 2 .

29

Такая ситуация характерна для процесса теплопередачи, если в качестве теплоносителей используются газ и жидкость. Коэффициент теплоотдачи для воды значительно превышает коэффициент теплоотдачи для воздуха, поэтому для интенсификации теплопередачи необходимо стремиться увеличить меньший коэффициент теплоотдачи, например, увеличением скорости воздуха.

При выполнении работы следует иметь в виду, что для определения коэффициентов теплоотдачи по некоторым критериальным уравнениям необходимо знать температуру стенки. Она определяется методом последовательных приближений: задавшись произвольно этой температурой, находят коэффициент теплоотдачи , далее вычисляют коэффициент теплопередачи К и по удельной тепловой нагрузке проверяют сходимость предварительно принятой величины tст с полученной в результате расчета. Например, при охлаждении воды воздухом проверить температуру стенки можно следующим образом:

где возд, воды - коэффициенты теплоотдачи воздуха и воды; tсрвозд, tсрводы - средние температуры воздуха и воды;

tствозд, tcтводы - температуры стенок со стороны воздуха и воды.

Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции в соответствии с рис. 5.4, состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2.

ІІІ

Рис. 5.4. Кожухотрубчатый двухходовой теплообменник:

1 – корпус (обечайка); 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – крышка; 5 – поперечная перегородка

В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4. С помощью поперечной перегородки 5, установленной в крышке теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.

30