Лабораторна робота №2

2. Дослідження конструкції теплообмінних апаратів та процесів теплопередачі в u-подібному теплообміннику

   1. Основні завдання дослідження

Теплообмінник з U-подібними трубками належить до типу кожухотрубових теплообмінників, які знайшли широке застосування в хімічній і іншій галузях промисловості завдяки простоті конструкції й надійності в роботі. Інтенсивність теплообміну в кожухотрубовому теплообміннику істотно залежить від режиму руху теплоносіїв.

Мета роботи. Експериментально визначити коефіцієнт теплопередачі в теплообміннику з U-подібними трубками. У зв'язку з поставленою метою можна сформулювати наступні завдання дослідження

1. Експериментально визначити коефіцієнт теплопередачі K при різних режимах руху води.

2. Обчислити коефіцієнт теплопередачі K₀ за відповідними критеріальними рівняннями.

2. Теоретичні відомості

   1. Методика розрахунку коефіцієнта теплопередачі k0.

Якщо два середовища з різною температурою розділені твердою непроникною стінкою, кількість теплоти Q, яка передається за одиницю часу від більш нагрітого середовища до менш нагрітого, пропорційна різниці температур ∆Т_сер і площі поверхні F стінки, що їх розділяє, через яку ця теплота передається:

(2.1)

Рівняння (2.1) є основним рівнянням теплопередачі. Коефіцієнт пропорційності K, Вт/(м²·К) виражає ту кількість теплоти, що передається через одиницю площі поверхні від одного середовища до іншого за одиницю часу за різниці температур між середовищами в один градус. Ця величина характеризує загальну інтенсивність процесу передачі теплоти через стінку й називається коефіцієнтом теплопередачі K.

Для плоскої стінки:

(2.2)

де α_1, α₂ — коефіцієнти тепловіддачі для гарячого й холодного теплоносія, Вт/(м²·K)

Величина, обернена коефіцієнтові теплопередачі, називається загальним термічним опором R. З рівняння (2.2) маємо, що для плоскої стінки:

(2.3)

Кожний з доданків, що стоять у правій частині формули (2.3), можна розглядати як часткові термічні опори:

Фізичний зміст R очевидний:

це сума термічних опорів всіх шарів, з яких складається стінка, включаючи шари забруднень. Для чистої одношарової стінки:

де – товщина стінки, м; – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/(кг·К).

Величини R₁ і R₂ – термічні опори, які мають місце на границях контакту обох теплоносіїв із стінкою. Відповідно до теорії приграничного шару, передача теплоти від рідини або газу до твердої стінки або навпаки відбувається в тонкому пристінному шарі тільки шляхом теплопровідності. У результаті термічний опір границі розподілу фаз представляє собою термічний опір тонкого прикордонного шару теплоносія. Рушійною силою процесу теплопередачі є різниця температур між теплоносіями, що змінюється уздовж поверхні теплообміну (Рисунок – 2.1)

Середня різниця температур ∆Т_сер, що входить у рівняння теплопередачі (2.1), для протитоку й прямотоку визначається за формулою:

(2.4)

де і – відповідно більша й менша різниця температур на кінцях теплообмінника (див. рисунок –2.1). Рівняння (2.1) і (2.2) з достатньою точністю можна застосовувати й для розрахунку теплопередачі через циліндричну стінку, якщо d_вн > 0,5d_зовн.

Рисунок 2.1 – Характер зміни температур теплоносіїв уздовж поверхні теплообміну.

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі гарячого й холодного теплоносія