Методическое обеспечение: Таранова Л.В.

Редактор: Гордеева Ю.В.

3D графика: Дубин А.Н.

Script программирование: Егоров А.И.

Управление проектами: Сергиенко Е.В.

Лабораторная работа

Тема: Изучение процесса передачи тепла в теплообменнике

типа «Труба в трубе».

Раздел: «Тепловые процессы»

1 ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: Изучение процесса теплопередачи в теплообменнике «труба в трубе»; экспериментальное определение коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи.

2 ТЕОРИЯ

Электрохимическая коррозия

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:

, (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

(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:

(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 сопротивление системы равно, сумме отдельных сопротивлений, а проводимость есть величина, обратная сопротивлению:

(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:

(5)

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

где Pr – критерий Прандтля; характеризует отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя (физические свойства)и определяется по уравнению::

(6)

Re – критерий Рейнольдса; характеризует соотношение сил инерции и молекулярного трения в потоке и находится по формуле:

(7)

Gr – критерий Грасгофа; характеризует соотношение сил трения и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока и определяется по формуле;

(8)

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):

(9)

где e_l – поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплопередачи отношения длины трубы L к ее диаметру d. Значения e_l приведены в [3]; при L/d > 50, e_l » 1.

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

(10)

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

(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.

3 ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Активные клавиши

Рис. 3.1. Функции манипулятора

Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии используется объект (Включатель, вентили регулятор)

Средняя клавиша мыши (СКМ) - при прокрутке назад (на себя) сцена отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.

Движение мыши:

движение вправо - сцена движется вправо,

движение влево - сцена движется влево,

движение вверх - сцена движется вверх,

движение вниз - сцена движется вниз.

3.2 Лабораторное оборудование

Для проведения лабораторной работы необходимо следующее оборудование:

Стендовая установка для изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе» (рис.3.2), состоящая из:

- теплообменника, состоящего из двух стеклянных труб: наружной трубы внутренним диаметром 18 мм и концентрически расположенной внутри нее трубы диаметром 10,5´0,75 мм. Рабочая длина трубы (790´2) мм;

- ротаметров для измерения расходов горячей и холодной воды;

- термометров для определения температур горячей и холодной воды, на входе и на выходе из аппарата;

- термостата для поддержания температуры горячей воды.

Расход воды измеряется при помощи ротаметра 4 (холодная) и 5 (горячая). В опытах расход холодной воды (путем поворота вентиля ротаметра) устанавливается в пределах от 25 - 35% по ротаметру; горячей воды – 35-45%. Показания ротаметров (%) пересчитываются в расходные единицы (V, л/с), пользуясь тарировочным графиком (рис.3.3).

Рис. 3.2. Общий вид и схема лабораторной установки:

1 – теплообменник; 2 – термостат; 3 – вентиль для холодной и горячей воды; 4, 5 – ротаметры для холодной и горячей воды; 6,9 – термометры на линии холодной воды (выход, вход); 7, 8 – термометры на линии горячей воды (вход, выход)

Температура холодной воды измеряется термометрами 6,9, а горячей – термометрами 7,8. Температура холодной воды на входе в теплообменник соответствует температуре воды в водопроводной сети (обычно в пределах 10–20°С); температура воды в термостате – 60-70°С.

Опыты проводятся при выбранных (по заданию) расходах воды с фиксаций показаний термометров 6,7,8,9 каждые 2-5 мин. до стабилизации значений температур, что означает установившийся температурный режим. Результаты заносятся в таблицу экспериментальных данных.

Рис. 3.3. Тарировочные кривые по воде и воздуху

Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.4). В нем можно увидеть выпадающее меню для переключения между объектами (кнопки «Все», «Вентили» и т.д.), кнопку вызова подсказок (рис. 3.6), кнопку «Начать заново», кнопку паузы, кнопку выхода из лабораторной работы, окно с заданными данными (температура, расход воды), кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.7), в котором можно включить полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из полноэкранного режима нажать клавишу ESC.

Рис. 3.4. Кнопка вызова бокового меню

Рис. 3.5. Боковое меню.

Рис. 3.6. Окно подсказок Рис. 3.7. Окно настроек

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопередачи К в теплообменнике «труба в трубе»; расчет коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂, расчет термического сопротивления загрязнений стенки.

Порядок выполнения работы

1. Включить термостат (Нажать на включатель ЛКМ) и установить рекомендованную температуру нагрева воды (несколько нажатий ЛКМ).

2. Установить небольшой расход (ниже заданных значений, предоставленных в боковом меню) холодной и горячей воды и осуществлять циркуляцию воды (нажатие ЛКМ сначала на вентиль с горячей водой, затем с холодной).

3. Подождать, пока установка прогреется.

4. Установить заданные расходы холодной и горячей воды (нажатие ЛКМ сначала на вентиль с горячей водой, затем с холодной).

5. При этих расходах измеряют:

- температуры горячей (термометры 7,8) и холодной (термометры 9,6) воды на входе и на выходе из аппарата с интервалом 3 мин, программа будет автоматически останавливаться на паузу для снятия результатов. Чтобы продолжить эксперимент, необходимо нажать кнопку «Продолжить» в выпадающем меню справа. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры холодной воды примут постоянные значения (5 значений), что обозначает установившийся температурный режим.

- пользуясь графиком (рис.3.3) определяют расходы воды (V, л/с) и переводят эти значения в систему СИ (м³/с);

Результаты измерений заносят в таблицу экспериментальных данных (табл.1).

Таблица 1

Таблица экспериментальных данных

№	Измеряемая величина		Значения
			1	2		3	4		5
Температуры, ^0С
1	3.2.1.1.1 Начальная температура холодной воды
2	3.2.1.1.2 Конечная температура холодной воды
3	3.2.1.1.3 Начальная температура горячей воды
4	3.2.1.1.4 Конечная температура горячей воды
Расходы
		по ротаметру, %	л/с		м^3/с			кг/с
Расход горячей воды
Расход холодной воды

6. По окончании работы закрывают вентили на линии горячей и холодной воды и выключают термостат (нажатием ЛКМ, сначала вентиль с холодной водой, затем с горячей и затем термостат).

Обработка экспериментальных данных

1. Величину коэффициента теплопередачи К вычисляют из уравнения (1), предварительно определив количество переданного тепла (Q), поверхность теплообмена (F) и средний температурный напор (Dt_СР):

К= Q/ F Dt_СР

При этом средний температурный напор Dt_СР определяют по формуле (2 или 3) по измеренным температурам холодного и горячего теплоносителей при установившемся режиме, предварительно составив схему распределения температур при соответствующем варианте взаимного движения потоков (противоток).

Количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному (или воспринятого потоком холодной воды), находят из уравнения:

(12)

где Q – количество тепла, воспринятого холодной водой, Вт;

G_B – расход холодной воды, кг/с (G_B= V_В ∙ρ_В), где V_В – объемный расход воды (м³/с); ρ_В – плотность воды при средней температуре (см. приложение);

c_B – теплоемкость воды (Дж/кг град), определяемая при средней температуре воды (см. приложение);

– конечная и начальная температуры холодной воды, °С.

Поверхность теплообмена определяют по формуле:

F=πd_срl

где d_ср – средний диаметр внутренней трубы (0,0097м);

l - длина теплопередающей поверхности; складывается из длин 2-х внутренних труб: l=2^.0,79=1,58м.

2. Средние температуры теплоносителей определяют с учетом того, что их температуры 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 по формуле (5) с использованием формул (9, 10, 11) в зависимости от режима течения.

Для расчета критериев Рейнольдса и Прандтля используют уравнения (6,7). Необходимые для расчета физико-химические свойства воды приведены в приложении; скорости потоков воды находят, зная их объемные расходы (V, м³/с) и площади проходных сечений при известных размерах внутренней и наружной труб:

w= V/S

где S –площадь проходного сечения для потоков горячей и холодной воды (м²), определяемая соответственно, как:

-для горячей воды: Sг=π dв²/4 (dв – внутренний диаметр внутренней трубы – 0,009м);

-для холодной воды: Sх=π D²/4 -– π dн²/4 (D - диаметр наружной трубы, dн – наружный диаметр внутренней трубы; соответственно 0,018 и 0,0105м).

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:

(13)

где Q – количество тепла, отданного горячей водой (или воспринятого холодной водой), Вт;

t_ст1 – температура стенки со стороны горячей воды, °С

F – теплопередающая поверхность, м²; .

б) для теплового потока от стенки к холодной воде:

(14)

где Q – количество тепла, воспринятого холодной водой), Вт;

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

F – теплопередающая поверхность, м²; .

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 (5, 9, 10, 11)

При расчетах значений a₁ и a₂ с использованием формулы (5) в качестве определяющего геометрического размера (l) используют dв=0,009м (для горячей воды) и эквивалентный диаметр dэ (для холодной воды). При этом: dэ=4 Sх /Р, где Р =π(D + dн), м.

4. Величину термического сопротивления загрязнений на стенках теплопередающей трубы år_загр. находят из выражения (4). При этом толщина стенки трубы - d_ст =0,0075 м), а теплопроводность материала стенки (стекла) - l_ст=0,7Вт/м²К.

Результаты расчетов свести в таблицу 2.

Таблица 2

Таблица обработки экспериментальных данных

параметр	значения		параметр горячая вода	значения
	горячая вода	холодная вода		горячая вода	холодная вода
Q, Вт			Re
K, Вт/м^2град			Nu
w, м/с			a, Вт/м^2град
årзагр, м^2град/ Вт

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Приведите основное уравнение теплопередачи, поясните 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. Перечислите основные способы передачи тепла. Отметьте, 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. Определение тепловой нагрузки теплообменных аппаратов.

15. Определение среднего температурного напора при различных вариантах взаимного направления движения теплоносителей.

1. 16. Определение коэффициентов теплоотдачи; расчетная формула; единицы измерения.

17. Определение тепловой проводимости стенки, загрязнений.

2. 18. Определение коэффициента теплопередачи; расчетная формула; единицы измерения.

19. Определение температуры поверхности разделяющей стенки.

20. Нагревающие и охлаждающие агенты.

21. Назначение и классификация теплообменных аппаратов.

22. Общий вид и принцип работы теплообменников типа «труба в трубе».

23. Принципиальное устройство кожухотрубчатых теплообменников

24. Разновидности кожухотрубчатых теплообменников, их преимущества и недостатки.

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

26. Приведите уравнение теплового баланса и его физический смысл.

6. ОТЧЕТ

6.1 Форма отчета

Цель работы___________________________________________________

_______________________________________________________________

Название работы_________________________________________________

Схема лабораторной установки: (перечислить оборудование, привести эскиз и описание установки)

________________________________________________________________

1.______________________________________________________________

2.______________________________________________________________

3.______________________________________________________________

и т.д.___________________________________________________________

Порядок проведения работы: (краткий конспект)

1._____________________________________________________________

2._____________________________________________________________

3._____________________________________________________________

4._____________________________________________________________

и т.д.__________________________________________________________

Экспериментальные данные (привести таблицу экспериментальных данных)

________________________________________________________________________________________________________________________________

Обработка экспериментальных данных (привести расчеты по потокам горячей и холодной воды и таблицу обработки экспериментальных данных)

________________________________________________________________

________________________________________________________________

Выводы по работе________________________________________________

1.______________________________________________________________

2.______________________________________________________________

Ответы на контрольные вопросы

________________________________________________________________

________________________________________________________________

Работу выполнил__________________________________________

Отчет принял_____________________________________________

«____»______________20___г.

7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

1. Касаткин, А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] : учебник для вузов / А. Г. Касаткин. - 2-е изд., стер., дораб., перепечатка с издания 1973 г. - М. : Альянс, 2005. - 750 с.

2. Беев Э.А. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] : лабораторный практикум / Э. А. Беев, [и др.]. ; ТюмГНГУ. - Тюмень : ТюмГНГУ, 2004. - 124 с.

3. Павлов К.Ф, Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. [Текст]: учебник/ К.Ф.Павлов, П.Г.Романов, А.А.Носков - 11-е изд., стер. - М.: РусМедиаКонсалт, 2004. - 576 с.

4. Варгафтик Н.Б, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] : справочное издание / Н. Б. Варгафтик. - 3-е изд., стер., испр., Перепечатка со второго издания. - М. : ООО "Старс", 2006. - 720 с.

Дополнительная:

1. Кузнецов, А.А. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов [Текст]: /учебное пособие/А.А. Кузнецов, Е.Н.Судаков М. «Химия» 1983, 224 с.

2. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. [Текст]: учебник для вузов- 3-е издание перераб. и доп. / А.И. Скобло, Ю.К.Молоканов, В.А.Владимиров, В.А.Щелкунов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2000.- 677с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. [Текст] : пособие по проектированию: учебное пособие для студентов химико-технологических специальностей вузов / Г. С. Борисов [и др.] ; под ред. Ю. И. Дытнерского. - 4-е изд., стер., перепечатка с изд. 1991 г. - М. : АльянС, 2008. - 494 с.

4.

Приложение

Параметры воды при различных температурах

t, ^oC	ρ, кг/м^3	СВОД, кДж/(кг×°С)	ν·10^6, м^2/с	λ·10^2, Вт/(м×°С)	Pr	β·10^4, К^-1
0	999,6	4,21	1,79	55,1	13,7	-0,63
10	999,7	4,19	1,31	57,5	9,52	+0,70
20	998,2	4,18	1,01	59,9	7,02	2,12
30	995,7	4,17	0,81	61,8	5,42	3,21
40	992,2	4,17	0,66	63,4	4,31	3,87
50	988,1	4,17	0,56	64,8	3,54	4,49
60	983,2	4,18	0,48	65,9	2,98	5,31
70	977,8	4,19	0,42	66,8	2,55	5,70
80	971,8	4,19	0,37	67,5	2,21	6,32
90	965,3	4,19	0,33	68,0	1,95	6,95
100	958,4	4,22	0,29	68,3	1,75
110	951,0	4,23	0,27	68,5	1,60

Динамическая вязкость воды в зависимости от температуры

Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с	Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с	Температура, ^0С	Вязкость m ´10^3, Па×с
5	1,519	14	1,171	23	0,936
6	1,473	15	1,140	24	0,914
7	1,428	16	1,111	25	0,894
8	1,386	17	1,083	26	0,874
9	1,346	18	1,056	27	0,855
10	1,308	19	1,030	28	0,836
11	1,271	20	1,005	29	0,818
12	1,236	21	0,981	30	0,801
13	1,203	22	0,958	31	0,784