Описание лабораторной установки. Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи для кожухотрубчатого теплообменника и его сопоставление с расчетным.

ЛАБОРАТорная РАБОТА № 15

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ В

КУЖУКОТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

I. Цель работы

Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи для кожухотрубчатого теплообменника и его сопоставление с расчетным.

Содержание работы

1) Изучить устройство кожухотрубчатого теплообменника и способа организации потоков теплоносителей в трубном пучке и в межтрубном пространстве.

2) Ознакомиться с уравнениями теплопередачи, теплоотдачи и теплопроводности и методикой определения расчетных значений коэффициентов теплоотдачи из критериальных уравнений для течения теплоносителей в трубном и в межтрубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников.

3) Изучить методику определения расчетным путем значений температуры стенки.

4) Провести экспериментальные исследования теплообмена между двумя теплоносителями в кожукотрубчатом теплоносителе.

5) На основании полученных опытных данных найти экспериментальное значение коэффициента теплопередачи.

6) Определить расчетное значение коэффициента теплопередачи и сопоставить его с величиной коэффициента теплоотдача, найденным экспериментально. Проанализировать причины распадения сопоставленных значении коэффициентов теплоотдача.

Теоретическая часть

В работе используются следующие термины и понятия: теплоно­ситель, теплоотдача, теплопроводность, теплопередача, коэффици­ента теплоотдачи, теплопроводности и теплопередачи, уравнения теплоотдачи, теплопроводности плоской стенки и теплопередачи, чис­ла подобия (Рейнольдса, Грасгофа, Нуссельта, Прандтля), критери­альные уравнения, движущая сила процесса теплопередачи,средняятемпература теплоносителя, прямоток, противоток и перекрестный ток, тепловой баланс. Содержание этих терминов и понятий должно быть усвоено студентами до выполнения работы но материалу, изложенному в учебнике /I, стр.274-279;292;г96-299;311-312;316-318/.

До выполнения работы следует обязательно изучить устройство и принцип работы кожухотрубчатых теплообменников и способы организации потоков теплоносителя в них (прямоточное, противоточное, однократно-перекрестное, смешанное и многократно-перекрестное движение теплоносителей). Знать назначение таких конструктивных элементов кожухотрубчатых теплообменников, как трубный пучок; трубная решётка, кожух, межтрубное и трубное пространство, пере­городки. Сведения по этому вопросу можно найти в учебнике / I, стр.334-347/.

Топлопередачей принято называть процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделяющуюих стенку. Аппараты, в которых осуществляется этот процесс, называются тепло­обменниками. Существует большое разнообразие конструкций теплооб­менников, но на предприятиях химической промышленности наиболее широкое применение нашли кожухотрубчатые теплообменники.

При теплопередаче тепловой поток от горячего теплоносителя к стенке q_Т2 и от стенки к холодному теплоносителюq_ТХ пере­дается путем конвективного теплообмена, называемого теплоотдачей, а через стенку q_ТС - путем теплопроводности.

На основании теоретических основ теплопереноса

, (15.1)

, (15.2)

, (15.3)

где и - коэффициенты теплоотдачи, соответственно, со сто­роны горячего и холодного теплоносителя;

λ - коэффициент теплопроводности материала стенки;

δ - толщина стенки;

F - поверхность теплообмена;

Т_г и Т_х - температура горячего и холодного теплоносителей;

Т_{ст. г} и Т_{ст .х} - температура на поверхности стенки со стороны горячего и холодного теплоносителя.

На рис.15.1 изображён график, показывающий характер изменения температур при теплопередачи в направление переноса тепла.

При стационарном процессе наблюдается неразрывность теплового потока:

, (15.4)

где - тепловой поток теплопередачи, определяемый из уравнения теплопередачи как

, (15.5)

где- движущая сила процесса теплопередачи;

К – коэффициент теплопередачи.

Температуры горячего и холодного теплоносителя приих тече­нии в теплообменнике, как правило, изменяются - горячий теплоноситель охлаждается, а холодный - нагревается.

На рис.15.2 изображены графики, показывающие изменение тем­пературы теплоносителей вдоль поверхности теплообмена для прямо­тока (при этом оба теплоносителя в теплообменнике движутся в од­ном направлении) и противотока (то есть при их встречном движении), когда агрегатное состояние теплоносителей не изменяется. На рисунке , , и , , означают начальные и ко­нечные температуры горячего и холодного теплоносителей.

Движущей силой процесса теплопередачи является разность тем­ператур горячего и холодного теплоносителя, которая, как видно из рис. 15.2, является переменной вдоль теплообменника. Для инженерных расчетов переменная вдоль поверхности теплообмена движущая сила усредняется и принимается равной средней логарифмической величине;

, (15.6)

где и - соответственно, большая и меньшая движущая си­ла теплопередачив крайних сечениях теплообменника, как это показано на рис.15.2. Если , то с достаточной для инженерных расчетов степенью точности среднюю движущую силу теп­лопередачи можно определятькак средне- арифметическую величину:

.

Коэффициент теплопередачи определяется как

или , (15.7)

где и - термические сопротивления теплоотдачи со стороны горячего ихолодного теплоносителя;

- термическое сопротивление стенки.

Значение коэффициентов теплотдачи и определяются с помощью критериальных зависимостей, представляемых в форме алгебраических уравнений или графиков, вид которых определяется режимом течения жидкости, расположением трб в пространстве (горизонтальное или вертикальное), их геометрическими параметрами и целым рядом других факторов. Эти критериальные зависимости приводятся в специальной, справочной или учебной литературе. Например, критериальные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи при течении теплоносителя в трубах можно найти в /2, стр.152-156/. Для определения коэффициента теплоотдачи со стороны теплоносителя, протекающего в межтрубном пространстве, при течении его вдоль труб, когда

где S - межосевое расстояние для труб, a d - их наружный диаметр, можно воспользоваться критериальными зависимостями для теплоотдачи в трубах, заменив в них внутренний диаметр труб на эквивалентный диаметр межтрубного пространства ,где - площадь живого сечения для межтрубного пространства, - смоченный периметр для этого сечения.

Для кожухотрубчатых теплообменников с однократно перекрестным течением теплоносителя в межтрубном пространстве ила с многократно перекрестным, когда в межтрубном пространстве установлены поперечные перегородки, коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного пространства определяется с помощь критериальных зависимостей, приведенных в/2, стр.156-157/.

При выполнении расчетов с помощью критериальных зависимостей в качестве определяющих температур принимаются средняя температура теплоносителей вдоль потока и и средняя температура стенки вдоль поверхности теплообмена . Значения средних. температур теплоносителей находят следующим образом. Для теплоносителя , температура которого при протекают через теплообменник изменяется в меньшей степени, среднюю температуру находят как

. (15.8)

Зная эту температуру и обозначая её в дальнейшем как , сред­нюю температуру для другого теплоносителя определяют как

, (15.9)

где знак "+" принимается, если по формуле(15.9) определяется средняя температура для горящего теплоносителяи "-"-если для холодного.

Температура стенки зависит от интенсивности теплообмена меж­ду потоком теплоносителя и стенкой. Коэффициент теплоотдачи является величиной, позволяющей численно оценить эту интенсивность теплообмена. Такая взаимозависимость между температурой стенки и коэффициентом теплоотдачи существенно осложняет определите тем­пературы стенки, так как необходимый для этих расчетов коэффици­ент теплоотдачи в свою очередь является неизвестной и подлежащей определению величиной. Один из способов определения температуры стопки, широко используемый при выполнении инженерных расчетов, заключается в построении так называемой нагрузочной характеристи­ки, для построения которой используются уравнения (15.1), (15.2) и (15.3).

Нагрузочная характеристика строится следующим образом. Из ряда заданных значений температуры стенки со стороны одного из теплоносителей, например, со стороны горячего теплоносителя, в ин­тервале температур от до определяется для каждого из заданных значений температур на основании уравнения (15.1) тепловой поток со стороны горячего теплоносителя как

, (15.10)

где - коэффициент теплоотдачи, найденный с помощью критериальных уравнений, когда при определении чисел подобия используется заданная температура стенки

На основании уравнения (15.3) и условия неразрывности теп­лового потока (15.4) определяется температура стенки со стороны холодного теплоносителя, соответствующая приня­той температуре как

. (15.11)

Далее по найденной температуре определяется с помощью критериальных уравнений коэффициент теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя и на основании уравнения (15.2) находится соответствующая температура тепловой поток со стороны холодного теплоносителя:

. (15.12)

Таким образом определяются значения тепловых потоков и для ряда принятых значений температура стенки и строятся, как это показано на рис.15.3, графика зависимости и от температуры , называемые нагрузочной характе­ристикой. Очевидно, что точка пересечения кривых отвечает условию неразрывности теплового потока (15.4) и определяемая ею температура является искомой. Из нагрузочной характеристики также следует и то, что отвечающий точке пересечения тепловой поток яв­ляется тем единственным, отвечающим условиям неразрывности теплово­го потока (15,4), и определяется из основного уравнения теплопередачи (15.5), если при определении по критериальным зависимостям коэффициентов теплоотдачи и , входящих в выражение для коэффициента теплопередачи (15.7) в качестве температуры стенки со стороны горячего теплоносителя будет принята ее температура, соответствующая точке пересечения кривых нагрузочной характе­ристики.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка (рис.15.4) состоит из кожухотрубчатого теплообменника I и системы трубопроводов для подачи и отвода теплоносителей. При открытых кранах 4 и 7 и закрытых 5 и 6 в теплообменнике осуществляется прямоточное движение теплоносителей, а при закрытых кранах 4 и 7 и открытых 5 и 6 - противоточное. С помощью кранов 2 и 3 регулируют расходы теплоносителей, контро­лируяих по ротаметрам 8 и 9. Измерение температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника осуществляется с помощью тер­мопар № 1, № 2, № 3 и № 4, спаи которых омываются потоками тепло­носителей, а замеряемая ими температура фиксируется потенциомет­ром 10. Подача каждого теплоносителя может быть осуществлена как в трубное, так и в межтрубное пространство. Испытываемый теплооб­менник может быть установлен горизонтально или вертикально, иметь или не иметь перегородок в межтрубном пространстве, быть одно- или многоходовым Характеристика испытуемого теплообменника с указа­нием всех необходимых для расчета размеров на стенде, расположенной рядом с установкой.