ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10

Изучение процесса теплопередачи в теплообменнике типа "труба в трубе"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Ознакомление с устройством и принципом работы теплообменни­ка Типа "труба в трубе", изучение основных закономерностей процесса теплопередачи в поверхностном теплообменнике.

2. Экспериментальное и расчетное определение коэффициентов теплопередачи и их сравнение.

3. Сравнение эффективности переноса тепла для различных схем движения теплоносителей (при прямотоке и противотоке).

1. Теоретическая часть

Процесс передачи тепла между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры, осуществляется в специальных аппаратах -теплообменниках. Е зависимости от способа передачи тепла различают поверхностные (рекуперативные), регенеративные и смесительные теп­лообменники.

Поверхностные теплообменники получили наибольшее распростране­ние (кожухотрубные, змеезиковые, спиральные, пластинчатые, ороси­тельные и т.д.). Передача тепла в них происходит через разделяющую теплоносители поверхность теплообмена. Одним из таких аппаратов яв­ляется теплообменник типа "труба в трубе", состоящий из двух концентрических труб разных диаметров. По внутренней трубе проходит один телоноситель, по кольцевому межтрубному пространству - другой. Теплота передается через стенку внутренней трубы.

Процесс переноса тепла от более нагретого теплоносителя к ме­нее нагретом'/ описывается основным уравнением теплопередачи, кото­рое определяет связь между количеством теплоты и площадью поверх­ности теплообмена. Для установившегося процесса теплопередачи это уравнение имеет следующий вид:

Q=K*F*∆t_ср

глеQ - количестве тепла, проходящего через поверхность тепло­обмена, Вт;

К - коэффициент теплопередачи Вт/м²*град;

F - поверхность теплообмена, м²;

∆t_ср- разность температур между средами (теплоносителями, °С).

Разность температур теплоносителей является движущей силой теплообменных процессов. Под действием этой разности теплота пере­дается от горячего теплоносителя к холодному. Средняя разность тем­ператур рассчитывается по формуле:

где∆t_би ∆t_м- большая и меньшая разность температур на кон­цах теплообменника. При небольших изменениях температур теплоносителей, когда < 2, ее определяют как среднеарифметическую:

При таком определении средней разности температур ошибка не превышает 5 %.

Процесс теплообмена в аппаратах непрерывного действия может осуществляться в прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном потоках. На рис. 10.1 показан характер изменения температур теплоносителей при прямотоке и противотоке. Один из теплоносителей Glохлаждается от температуры t1' до t2", а другой G2нагревается от

t2' доt2".

Как видно из рисунка (10.1) движущая сила при теплопередаче между двумя теплоносителями не сохраняет своего постоянного значения, а изменяется вдоль теплообменной поверхности. Например, при прямотоке при входе в теплообменник движущая сила максимальна: ∆tб=t1-t2", а на выходе - минимальна ∆tм= t1" –t2".Такая же картина получается и при противотоке. Поэтому при расчетах процессов теплопередачи пользуются средней движущей силой процесса

(∆t_ср).

Для определения коэффициента теплопередачи К необходимо предварительно рассчитать коэффициенты теплоотдачи α1 и α₂ по обе стороны стенки, разделяющей теплоносители, а также термическое сопротивление самой стенки с учетом загрязнений. Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку определяется по уравнению:

(10.4)

K=1/ 1/α1 .+ Е δ/λ + 1/α2=1/R

где α1- коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке, Вт/(м² град); α2- коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоно­сителю, Вт/м² град);

1/α1 и 1/α2 - частные термические сопротивления

E δ /λ= δ ст/λст+ E δ загр/λзагр=rст+ Erзагр- сумматермическихсопротивлений и хагрязнений.

Величина 1/R. обратная коэффициенту теплопередачи, называется общим термическим сопротивлением теплопередачи (R):

R= r1+г_ст+r2

Для учета загрязнений ( r_Ст = βст/λст)•

Уравнение (10.4) получено для плоских стенок, но его можно применять при расчете "К" для цилиндрических стенок, если d_BH/d_Hap<0,5

δ =0,5(d_Hap-d_BH)=rнар-rвн

Расчет коэффициентов теплоотдачи ведется по критериальным уравнениям, вид которых зависит от режима движения теплоносителей. Для установившегося турбулентного режима (Re > 10000)

Nu= 0.021Re⁰-⁸• Pr⁰-⁴³• (Рr/Рrст)⁰'²⁵ (10.6)

Для переходного режима (2300 <Re <10000) пользуются приближенными расчетами по формуле (10.7)

Nu = O.OO8Re^0,9• Рг^0,43 (10.7)

Для ламинарного режима (Re < 2300)

Nu = 0.17Re⁰'³⁵• P_r⁰-⁴³• (Gr^0,1 • (Рг/Ргст)^0,25 (10.8)

Для установившегося турбулентного режима в прямой трубе можно пользоваться расчетным уравнением (10.9)

Nu = 0.023Re^0,8• Pr^0,4= 0.023(ω _ср d_экв/ν _ж)^0,8• (с*μ / λ_ж)^0,4 (10.9)

При движении жидкости в кольцевом канале в уравнение (10.9) вносится поправочный множитель (d_вн/d_н) :

Nu = 0.023Re^0,8• Рг^0,4 • (d_вн/d_н) ^0,45 (10.10)

Все физические константы в уравнениях (10.6 - 10.10) отнесены к средней температуре жидкостей.

Nu= αd/λ - критерий Нуссельта

Re=wdρ/μ= wd/ν- критерий Рейнольдса

Pr=cμ/λ- критерий Прандтля, вычисленный по средней температуре жидкости;

Gr=gd³ β∆t/ν² -критерий Грасгофа, учитывает влияние на теплоотдачу естественной конвекции,

β-коэффициент объемного расширения жидкости, К^-1;

∆t -разность температур между стенкой и жидкостью (или наоборот).

d- внутренний диаметр трубы, м;

Pr _ст -критерий Прандтля, вычисленной по средней темпера­туре стенки;

α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^2,град);

λ_ж- коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м^-град);

w- скорость жидкости в трубе, м/с;

ρ- плотность жидкости, кг/М³;

c- удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг^-град);

μ- динамический коэффициент вязкости жидкости, Па^-с.

ν-кинематический коэффициент вязкости, м²/с

расход теплоты в уравнении (10.1) рассчитывают по формуле:

Q=Q₁=Q₂ +Q_пот 10.11

Тепло (Q₁), отдаваемое горячим теплоносителем:

Q₁=G₁*C₁(t¹₁-t² ₁)=V₁*pC₁*(t¹₁-t² ₁) (10.12)

Тепло (Q₂), воспринимаемое холодным теплоносителем:

Q₂=G₂*C₂(t¹₂-t² ₂)=V₂*pC₂*(t¹₂-t² ₂)

где V_1,V_2-расход горючей и холодной воды. м³/с

p –плотность воды, кг/м³

С₁,С²- теплоемкость горячей и холодной воды Дж/(кг^-град).