Методика проведення роботи

МЕТА РОБОТИ

1. Визначити витрату гарячого теплоносія на нагрівання заданої кількості холодної води.

2. Визначити фактичне значення коефіцієнтів тепловіддачі в кожухотрубному тепло­обміннику при різних швидкостях руху теплоносіїв.

3. Розрахувати теоретичне значення коефіцієнтів теплопередачі за допомогою критеріальних рівнянь і порівняти їх зі значеннями, одержаними на основі експериментів.

4. Пояснити отримані результати.

2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ

Передача тепла від одного рідкого (чи газоподібного) теплоносія до іншого через стінку описується основним рівнянням теплопередачі:

де Q - теплове навантаження теплообмінного апарата - кількість тепла, яка передається від теплоносія з більшою температурою до теплоносія з меншою температурою за одиницю часу, Вт;

К - коефіцієнт теплопередачі - кількість тепла, яке передається через одиницю поверхні теплопередачі за одиницю часу при різниці температур між теплоносіями, що дорівнює одному

градусу, Вт/м² гр;

F - поверхня теплообміну, м²;

- середня різниця температур між теплоносіями, град.

Теплове навантаження Q визначається з рівняння теплового балансу теплообмінного апарата. У роботі досліджується нагрівання холодної води гарячою водою. У цьому випадку:

де t_1n i t_1k - початкова і кінцева температурa xолодної води, К;

G₁ - масова витрата холодної води, °К;

с₁ - теплоємність холодної води при середній температурі, Дж/кг град.

Середня різниця температур між теплоносіями розраховується по одній з двох таких формул, залежно від співвідношення різниць температур теплоносіїв на вході і виході з теплообмінника:

Чи

де

де t_2n i t_2k­­ - початкова і кінцева температура гарячої води, К,

При проектних розрахунках теплообмінної апаратури коефіцієнт теплопередачі К визна­чається за рівнянням

де α₁ - коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія з більшою температурою до стінки, Вт/(м²*К);

α₂ - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія з меншою температурою, Вт/(м²*К);

δ_ст= 0.0025 м - товщина стінки, що поділяє теплоносії;

γ_cт = 93 Вт/'(м'К) - теплопровідність стінки (латунь);

r₁ i r₂ - термічний опір забруднень з боку одного і іншого теплоносія, 1/(Вт/(м²*К)).

Величина термічного опору забруднень змінюється під час експлуатації теплообмінної апаратури і при проектних розрахунках може бути визначена лише приблизно по довідникових даних, складених на підставі досліду роботи промислової апаратури. У цій роботі величину термічних опорів забруднень можна прийняти такою: з боку холодної води r₂ = 0.001 1/(Вт/(м²*К)), а з боку гарячої води r₁ = 0,0005 1 /(Вт/(м²*К)).

Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води до стінки і від стінки до холодної води розраховують по критеріальних рівняннях. Необхідно пам'ятати про те, що ці рівняння мають різний вид для ламінарного, перехідного і турбулентного режимів руху теплоносіїв. Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при русі теплоносіїв в трубах - холодна вода і міжтрубному просторі - гаряча вода використовуються однакові критеріальні рівняння (з врахуванням режимів руху теплоносіїв). Відмінність складається в тому, що при русі теплоносія в трубах як визначаючий розміри в критеріях подібності використовується внутрішній діаметр трубок, а при русі теплоносія в міжтрубному просторі - еквівалентний діаметр останнього – d_екв.:

f - площа вільного січення міжтрубного простору теплообмінника, м ;

П - змочений периметр січення міжтрубного простору, м;

D=0.145 м - внутрішній діаметр кожуха теплообмінника:

d₃ = 0.025 м - зовнішній діаметр трубок (внутрішній діаметр цих трубок d_вн = 0.02м);

n= 13 — кількість трубок.

1. Розвинутий турбулентний рух теплоносіїв Re ≥ 10000

2. Перехідна область режимів руху теплоносіїв 2300 < Rе < 10000

3.Ламінарний режим руху теплоносіїв (коли помітний вплив вільної конвекції відсутній) Re <2300

У рівняннях (9)-(11) прийняті такі позначення: критерій Нуссельта -

Критерій Рейнольдса –

Критерій Прандтля –

де w- швидкість руху теплоносіїв (в трубах чи міжтрубному просторі), м/с;

µ - динамічна в'язкість теплоносіїв, Н*с/м²;

ρ - густина теплоносіїв, кг/м ;

λ - коефіцієнт теплопровідності теплоносіїв, Вт/м К;

d_екв - визначаючий лінійний розмір, м;

L - довжина трубок, м.

Всі параметри - в'язкість, теплопроводність, теплоємність і густина - визначаються з довідникових таблиць при середній температурі відповідних теплоносіїв. Значення критерію Прандтля можна обчислити за рівнянням (14) чи взяти безпосередньо з таблиць при середній температурі теплоносіїв (див. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств", с. 512, 537).

У рівняннях (9)-(11) множник характеризує вплив напрямку передачі тепла на величину коефіцієнтів тепловіддачі. Тут Рr_ст - значення критерію Прандтля, обраховане при температурі теплоносія, яка дорівнює температурі поверхні стінки (у цьому випадку стінки трубок) з боку даного теплоносія. Якщо середня різниця температур між теплоносіями не перевищує величини 50 °С, тобто, Δt_сер < 50 °С, то з невеликою похибкою можна прийняти . ЯкщоΔt_cep > 50 °С, то для визначення Рr_ст температуру стінки знаходять шляхом послідовних наближень (див. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств").

3. ОПИС УСТАНОВКИ

Кожухотрубний теплообмінник (див. рисунок) складається з кожуха 1, у середині якого розташовані теплообмінні трубки 2. Трубки кріпляться в трубних решітках 3, приварених до кожуха. До трубних решіток закріплені кришки теплообмінника 4. Гарячий теплоносій подається в міжтрубний простір теплообмінника по трубопроводу 5, а виводиться з нього по трубопроводу 6. Холодна вода подається в теплообмінник по трубопроводу 7, на якому встановлений лічильник 8, а видаляється підігрітою по трубопроводу 9. Вимірювання температур гарячої і холодної води на вході і виході з теплообмінника здійснюється за допомогою термометрів опору 10, які приєднані до автоматичного моста. Витрату гарячої і холодної води можна регулювати за допомогою вентилів 11.

У теплообміннику встановлено 13 латунних трубок 25/20 мм. Робоча довжина трубок L=950 мм. Поверхня теплообміну F = 0,97 м². Внутрішній діаметр кожуха - 0,145 мм.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

Встановити за допомогою вентилів 11 задану витрату гарячої і холодної води. Підключити до мережі автоматичний міст і через 3-5 хв після встановлення витрат теплоносіїв приступити до запису показів температури. Вимірювання температури за допомогою моста проводяться

почерговим автоматичним переключенням термометрів опору, встановлених на вході і виході теплоносіїв. Номери позицій каретки вимірювального моста, які відповідають конкретним точкам вимірювання температури, наведені в таблиці, розташованій біля шкали моста.

Лічильник 8 дозволяє визначити лише об'єм води, який пройшов через теплообмінник. Для визначення витрати холодної води в трубках теплообмінника необхідно зафіксувати за допомогою секундоміра час, за який в теплообмінник подається певна кількість води, наприклад, 10 або 20 л.

Вимірювання температури і витрати холодної води повторити 3-4 рази відповідно до завдання викладача

Результати вимірювань записують у таблицю.

5. ОБРОБКА ДОСЛІДНИХ ДАНИХ І СКЛАДАННЯ ЗВІТУ

1. Об'ємну V­₁ і масову G₁ витрати холодної води визначають за формулами

де V_x - покази витрати води по лічильнику, м³;

τ - час заміру, с.

2. Витрата тепла на нагрівання холодної води - Q визначається за рівнянням (2).

3. Масова витрата гарячої води – G₂ визначається також за рівнянням (2) розв'язанням його відносно G₂:

4. Швидкість води, що нагрівається в трубках, і в міжтрубному просторі теплообмінника обчислюється з рівняння витрати

де V - об'ємна витрата холодної чи гарячої води, м³/с;

f - загальна площа внутрішнього поперечного січення трубок чи міжтрубного простору, м².

f₁ = 0,785 ; f₂ = 0,785( ).

5. Критерій Рейнольдса обраховується за виразом (13). Для гарячої води як визначаючий розмір береться еквівалентний діаметр міжтрубного простору (рівняння (8)), а для холодної - внутрішній діаметр трубок.

6. Критерій Нуссельта розраховується по одному з рівнянь (9), (10), чи (14) залежно від режимів руху теплоносіїв.

7. За отриманими значеннями критеріїв Нуссельта визначаються коефіцієнти тепловіддачі

8. Теоретичне значення коефіцієнта теплопередачі обчислюється за рівнянням (7).

9. Розв'язуючи рівняння (1) відносно величини К, визначаємо його експериментальне значення.

6. ТАБЛИЦЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ І РЕЗУЛЬТАТІВ РОЗРАХУНКУ

№ з/п	Назва величини	Позначення	Розмірність	Дослідні дані
	Вода, що нагрівається(холодна) Об’єм по лічильнику Час заміру Об’ємна витрата Масова витрата Початкова температура Кінцева температура Середня температура Густина Динамічний коефіцієнт в’язкості Теплоємність Теплопровідність Витрата тепла на нагрівання води Швидкість води в трубах Критерій Рейнольдса Критерій Прандтля Критерій Нусскельта Коефіцієнт тепловіддачі	Vx τ V1 G1 t1n t1k t1cp ρ1 µ1 c­1 λ1 Q1 w1 Re1 Pr1 Nu1 α1	м3 с м3/с кг/с °С °С °С кг/м3 Па.с Дж/(кг.К) Вт/(м2.К) Вт м/с - - - Вт/(м2.К)

	Гаряча вода Масова витрата Об’ємна витрата Швидкість води в міжтрубному просторі Початкова температура Кінцева температура Середня температура Густина Динамічний коефіцієнт в’язкості Теплоємність Теплопровідність Критерій Рейнольдса Критерій Прантдля Критерій Нуссельта Коефіцієнт тепловіддачі Різниця температур на вході в теплообмінник Різниця температур на виході з теплообмінника Середня різниця температур Експериментальне значення коефіцієнта теплопередачі Теоретичне значення коефіцієнта теплопередачі	G2 V2 w2   t2n t2k t2cp ρ2 µ2 c­2 λ2 Re2 Pr2 Nu2 α2 Δtn   Δtk   Δtcp Ke   KT	кг/с м3/с м/с   °С °С °С кг/м3 Па.с Дж/(кг.К) Вт/(м2.К) - - - Вт/(м.К) °С   °С   °С Вт/(м2.К)   Вт/(м2.К)