Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПРИ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБЕ (ТРУБА В ТРУБЕ)
Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента
теплопередачи от "горячего" теплоносителя к "холодному"
и сравнение его с расчётной величиной при двух схемах
движения теплоносителей: прямоточной и противоточной.
Процессы теплообмена играют важную роль в современной технике. Они применяются всюду, где возникает необходимость нагрева или охлаждения среды для её обработки и для утилизации теплоты. Особенно широко процессы теплообмена используют в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической, металлургической и пищевой промышленностях. В химической промышленности теплообменное оборудование составляет по весу и стоимости 15-18 % от всего оборудования, а в нефтеперерабатывающей - до 50 %.
Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, а также осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, кипения, конденсации и др. Теплообменные аппараты классифицируют по различным признакам. Например, по способу передачи теплоты их можно разделить на две группы: поверхностные и смешения. Более подробно остановимся на конструкции теплообменного аппарата типа «труба в трубе».
Данные теплообменные аппараты целесообразно применять для небольших производительностей. Теплообменники типа «труба в трубе» относятся к секционным, но конструктивно упрощённым аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра, все элементы аппарата соединены сваркой.
Однако эти теплообменники имеют недостатки: во-первых, высокая стоимость единицы поверхности нагрева, во-вторых, если теплообменный аппарат многоходовой (рисунок 1), то получаем значительную длину пути движения жидкости по сравнению с одноходовым, что создает повышенные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.
При выборе конструкции теплообменного аппарата необходимо большее внимание уделять: обеспечению наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении; компактности и наименьшему расходу материалов; надёжности и герметичности в сочетаниях с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т. д. При создании новых, более эффективных теплообменных аппаратов стремятся:
На интенсивность и эффективность влияют также: форма поверхности теплообмена; эквивалентный диаметр и компоновка каналов, обеспечивающие оптимальные скорости движения сред; средний температурный напор; наличие турбулизирующих элементов в каналах; оребрение и т.д. Кроме конструктивных методов интенсификации процесса теплообмена существуют режимные методы, связанные с изменением гидродинамических параметров и режима течения жидкости у поверхности теплообмена.
Интенсивность процесса теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи (К).
Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны. Однако существует общая методика теплотехнических расчётов, которую можно применять для частных расчётов в зависимости от имеющихся исходных данных.
На практике решается две задачи расчёта теплообменных аппаратов: конструктивный (проектный) и поверочный.
Конструктивный расчёт производится при проектиро вании теплообменного аппарата, когда заданы расходы теплоносителей и их параметры. Цель конструктивного расчёта - определение поверхности теплообмена и конструктивных размеров выбранного аппарата.
Поверочный расчёт выполняется для выявления возможности использования имеющихся или стандартных теплообменных аппаратов для тех технологических процессов, в которых используется данный аппарат. При поверочном расчёте заданы размеры аппарата и условия его работы, а неизвестной величиной является фактическая производительность теплообменного аппарата. Поверочный расчёт производят для оценки работы аппарата при режимах, отличных от номинальных, таким образом, целью поверочного расчёта является выбор условий, обеспечивающих оптимальный режим работы аппарата.
Большую роль в определении поверхности теплообмена играет схема движения теплоносителя. Существуют следующие четыре схемы движения: прямоток, противоток, перекрёстный и смешанный ток.
Прямоток - параллельное движение теплоносителей в одном направлении (рисунок 2 и 3). Для определения температур на концах теплообменника воспользуемся соотношением, °C:
, (1.1)
где и - начальная и конечная температуры первой среды, °C; и - второй среды,°C.
Рисунок 2. Прямоточное движение теплоносителей
Рисунок 3. График изменения температуры сред при прямотоке по длине теплообменника
Затем находим отношение большей разности температур к меньшей. Если температура рабочих сред t вдоль поверхности теплообмена F изменяется незначительно, т.е. отношение , то температурный напор определяют как среднее арифметическое из температурных разностей, °C:
. (1.2)
Если , (рисунок 3), то температурный напор определяют как среднелогарифмический по уравнению, °C:
. (1.3)
Противоток - параллельное движение теплоносителей в противоположных направлениях (рисунок 4 и 5). Температурный напор противотока можно определить в той же последовательности, что и для прямотока, °C:
. (1.4)
Рисунок 4. Противоточное движение теплоносителей
Рисунок 5. График изменения температуры сред при противотоке по длине теплообменника
Затем используем формулы (1.2) и (1.3).
Для сложных схем движения теплоносителей, т.е. при перекрёстном и смешанном токах, нужно определить температурный напор так же, как при противотоке, а затем ввести поправочный коэффициент , °C:
. (1.5)
Тепловой поток, отдаваемый горячим теплоносителем, определяем по формуле, Вт:
, (1.6)
Тепловой поток, воспринимаемый холодным теплоносителем, определяем по формуле, Вт:
, (1.7)
где t1 и t2 - температуры горячего и холодного теплоносителей соответственно, °C. Индексы «штрих» и «два штриха» - соответствуют условиям на входе и выходе; CP1 и CP2 - изобарные теплоёмкости теплоносителей, Дж/(кг*К); поскольку теплоносителем является вода G1 и G2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с; которые можно определить как, кг/с:
, (1.8)
где V - объёмный расход, м3/с; ρ - плотность воды, кг/м3.
Коэффициент полезного действия, записывается как:
. (1.9)
Потери теплоты в окружающую среду определяются по формуле, Вт:
. (1.10)
Для точности дальнейшего расчета воспользуемся средней между ними величиной, Вт:
. (1.11)
Уравнение теплопередачи для теплообменника будет выглядеть следующим образом, Вт:
, (1.12)
где l - длина поверхности теплообмена, м.
Среднелогарифмический температурный напор равен, °C:
, (1.13)
где и - большая и меньшая разница температур в концевых сечениях теплообменника (независимо от схемы движения теплоносителей (рисунок 6)), °C.
Рисунок 6. Схема движения теплоносителей
, если , то значит , тогда коэффициент теплопередачи будет равен, Вт/(м2*ºC):
. (1.14)
Формула (1.14) используется для экспериментального определения коэффициента теплопередачи.
Для цилиндрической стенки коэффициент теплопередачи находится из уравнения, Вт/(м2*ºC):
. (2.1)
Трубы сделаны из нержавеющей стали, , Вт/м*ºC. Среднюю температуру стали t найдём следующим образом , ºC. Поверхностью теплообмена между теплоносителем является внутренняя труба, у которой d1 и d2 - это внутренний и внешний диаметры соответственно, м. Величины α1 и α2 - это коэффициенты теплоотдачи снаружи и внутри трубы, Вт/(м2*ºC). Чтобы оценить их величины необходимо вычислить число Рейнольдса - критерий режима течения. В данном опыте предполагается, что течение теплоносителей ламинарное.
, (2.2)
для труб соответствует турбулентному течению; - скорость теплоносителя, м/с (её можно оценить как , где F - площадь сечения канала, м2); - кинематическая вязкость, м2/с (значение берётся из таблиц при средней температуре теплоносителя); l0 - характерный размер поверхности теплообмена, м. Для внутреннего контура l0 - это внутренний диаметр внутренней трубы, м. Для внешнего контура l0 - это разность между внутренним диаметром внешней трубы и внешним диаметром внутренней трубы .
Тогда для внутреннего контура можно записать выражение:
, (2.3)
а для внешнего:
. (2.4)
В случае же ламинарного течения жидкости, для обеих труб справедливо выражение:
. (2.5)
Поскольку разница между теплофизическими свойствами теплоносителей в средних сечениях каналов и в пристенных слоях отличается мало, то поправку принимаем равной 1.
Pr - число Прандтля, в нашем случае функция температуры, берётся из таблиц при средней температуре теплоносителя.
Nu - безразмерная теплоотдача (число Нуссельта):
, (2.6)
где l0 - определяющий размер для внутреннего контура трубы, м; а для внешнего - ; λж - теплопроводность теплоносителя (воды), также берётся из таблиц при средней температуре теплоносителя, Вт/(м*ºC).
Из соотношения (2.6) определяют α1 и α2, Вт/(м2*ºC):
, (2.7)
Критериальные методы оценки весьма неточны, но полученные значения коэффициентов теплопередачи не должны расходиться более чем на 15%.
1 - рабочий участок (труба в трубе); 2 - водоподогреватель; 3 - насос водоподогревателя;
4 - расширительный бачок водоподогревателя; 5 - вентиль расширительного бачка;
6 - вентиль регулирования расхода горячей воды во внутренней трубе;
7 - радиатор (холодильник) для охлаждения воды, текущей в наружной трубе рабочего участка;
8 - насос холодильника; 9 - расширительный бачок радиатора;
10 - измеритель расхода воды, текущей во внутренней трубе рабочего участка;
11 - измеритель расхода воды, текущей во внешней трубе рабочего участка;
12 - вентиль радиатора (холодильника) с источником питания;
К1, К2, К3, К4 - вентили, регулирующие режимы течения (прямоток или противоток) и расход воды во внешней трубе рабочего участка;
ВМ - вентили Маевского, предназначенные для удаления воздуха системы;
t1 - температура воды на входе во внутреннюю трубу рабочего участка;
t2 - температура воды на выходе из внутренней трубы рабочего участка;
t3 - температура воды на входе во внешнюю трубу рабочего участка в условиях прямотока;
t4 - температура воды на выходе из внешней трубы рабочего участка в условиях прямотока.
Рисунок 7. Схема экспериментальной установки
При включении противотока (поменять местами t3 и t4 во внешней трубе).
Рисунок 8. Органы управления экспериментальной установки
При этом определили промежуток времени за который через сечения труб прошли соответствующие объёмы воды. Время эксперимента 15 минут.
Таблица 1. Результаты эксперимента
|
t1′, °C |
t1″, °C |
t2′, °C |
t2″, °C |
V1, м3 |
V2, м3 |
Внутренняя труба |
Наружная труба |
Длина поверхности теплообмена, мм |
Материал трубы |
||
|
dвн1, мм |
dн1, мм |
dвн2, мм |
dн2, мм |
||||||||
|
Прямоток |
|||||||||||
|
60 |
40 |
27 |
35 |
3,594 |
3,658 |
13 |
15 |
25 |
27 |
900 |
нержавеющая сталь |
|
Противоток |
|||||||||||
|
60 |
40 |
27 |
42 |
3,068 |
3,113 |
13 |
15 |
25 |
27 |
900 |
нержавеющая сталь |
;
.
;
.
,
т.к. .
,
т.к. .
.
.
,
где - плотность воды, кг/м3.
.
,
где - теплоёмкость теплоносителя при температуре 60 °С, Дж/кг*ºС.
.
,
где - теплоёмкость теплоносителя при температуре 27 °С, Дж/кг*ºС.
,
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
где - характерный размер поверхности теплообмена, м; - кинематическая вязкость воды при температуре 40,5 ºC, м2/с.
.
где - характерный размер поверхности теплообмена, м; - кинематическая вязкость воды при температуре 42,25 ºC, м2/с.
.
где - число Прандтля для воды при температуре 40,5 ºC.
.
;
.
.
.
Вывод: Экспериментально определили коэффициент теплопередачи при прямоточном и противоточном течении жидкости в трубе. В обоих случаях режим течения - турбулентный. Выяснили, что противоточное движение жидкости имеет преимущество, т.к. у этого движения выше средний логарифмический температурный напор ∆t и коэффициент теплопередачи , в отличие от прямоточного.
1 и 3 – первая и вторая распределительные камеры; 2 – решётка теплообменных труб;
4 – решётка кожуховых труб; 5 – опорная обечайка; 6 – кожуховая труба;
7 – теплообменная труба; 8 – прокладка; 9 – задняя камера; 10 – опора
Рисунок 1. Многоходовой разборный теплообменник «труба в трубе»