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
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”
ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ
У ТЕПЛООБМІННИКУ ТИПУ “ТРУБА В ТРУБІ”
Інструкція до лабораторної роботи №15 з курсу
“Процеси і апарати хімічної технології” для студентів
хіміко-технологічних спеціальностей
Затверджено
на засіданні кафедри хімічної інженерії.
Протокол №12 від 8.04. 2003р.
Львів 2004
Вивчення процесу теплопередачі у теплообміннику типу “труба в трубі”: Інструкція до лабораторної роботи №15 з курсу “Процеси і апарати хімічної технології“ для студентів хіміко-технологічних спеціальностей / Укл. В.І.Троцький. Львів : Видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”, 2004. 8с.
Укладач Троцький В.І., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Ханик Я.М., д-р техн. наук, проф.
Рецензент Новіков В.П., д-р хім. наук, проф.
1. МЕТА РОБОТИ
Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнту теплопередачі теплообмінника, розрахунок термічного опору нашарувань стінки, аналіз одержаних результатів.
2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ
Процес передачі тепла від одного теплоносія до другого відбувається в теплообмінниках. Найбільш простою є конструкція теплообмінника типу “труба в трубі“, який складається з двох концентрично розташованих труб різних діаметрів. Внутрішньою трубою проходить один теплоносій, по міжтрубному простору - другий. Тепло передається через стінку внутрішньої труби.
Кількість тепла Q, яка передається в теплообміннику, визначається з основного рівняння теплопередачі
, ( 1 )
де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м 2 К;
F - площа поверхні теплообміну, м2;
Dtср - середня різниця температур між теплоносіями, К.
Розрахунок Dtср здійснюють, користуючись рівнянням
( 2 )
де ( 3 )
відповідно більша і менша різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника.
гарячий теплоносій
холодний теплоносій
Якщо /£ 2, то з достатньою точністю ( похибка менше 5%) Dtср можна рахувати за формулою
( 4 )
Коефіцієнт теплопередачі К за фізичним змістом є термічною провідністю в процесі передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного. На цьому шляху можна виділити такі термічні опори :
1) термічний опір при переході тепла від гарячого теплоносія до поверхні труби 1 / a1 ( a1 - коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару гарячого теплоносія, Вт/м2 К);
2) термічний опір нашарувань на поверхні труби (іржа, накип) r1;
3) термічний опір стінки труби dст / lcт ( dcт - товщина стінки, м; lст - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, Вт / м К);
4) термічний опір нашарувань на поверхні труби зі сторони рідини, що нагрівається r2;
5) термічний опір при переході тепла від стінки до рідини, що нагрівається 1 / a2 ( a2 - коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару холодного теплоносія, Вт/м2 К).
Загальний термічний опір процесу теплопередачі дорівнює сумі опорів
( 5 )
a коефіцієнт теплопередачі ( загальна термічна провідність ) є величина обернена опору
( 6 )
Визначення коефіцієнтів тепловіддачі - одна з основних задач теорії теплообміну. Значення коефіцієнтів тепловіддачі розраховують з критеріальних рівнянь.
В цьому теплообміннику холодна вода проходить по внутрішній трубі і нагрівається гарячою водою, яка подається в кільцевий міжтрубний простір.
Кількість тепла Q, що передається в процесі теплообміну визначається з рівняння теплового балансу
( 7 )
де G1 і G2 - відповідно продуктивність по гарячій та холодній воді, кг/с;
С1 і С2 - теплоємність теплоносіїв при середніх температурах, Дж/кг К
Термічний опір нашарувань на стінці труби можна визначити з рівняння (5). Коефіцієнт теплопередачі визначають експериментально з рівняння (1). Коефіцієнти тепловіддачі a1 і a2 можна розрахувати з критеріального рівняння (8)
( 8 )
де – критерій Нусельта
- критерій Рейнольдса
- критерій Прандтля
w- середня швидкість руху рідини, м/с; de - еквівалентний діаметр, м; m - коефіцієнт динамічної в’язкості, Па с; c - теплоємність води, Дж/кг К; l- коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/м К.
Необхідні для розрахунку фізичні параметри приймаються при середній температурі теплоносіїв (див. табл. 1). Для гарячої води середня температура tcp1
( 9 )
Значення Pr для води можна визначити з табл. ХХХІХ [ 4 ] або з табл. 1 цієї інструкції.
В наслідок того, що температура стінки невідома, можна в першому наближенні при визначенні a1 прийняти Pr/Prcт =1 і знайти tcт1 з рівняння
( 10 )
Після визначення tcт1 визначають критерій Prcт і уточнене значення a1. Аналогічно визначається коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодної води a2. При визначенні Nu, Pr, Re значення фізичних констант вибирають при середній температурі холодної води tcp2
( 11 )
a Prcт - при температурі стінки з сторони холодної води. Оскільки tcт2 також невідома то розрахунок a2 виконують аналогічно a1 з врахуванням рівняння
( 12 )
3. ОПИС УСТАНОВКИ
Установка складається з теплообмінника 1, трубопроводу гарячої води 2, водопроводу 7, лінії відводу гарячої води 8, лінії відводу нагрітої води 10, контрольно-вимірювальної апаратури, яка складається з електронного моста 3, термометрів опору 4 , лічильника витрати холодної води 5, вентилів 6.
Теплообмінник “ труба в трубі “ складається з чотирьох елементів які розміщені один над одним. Кожний елемент складається з двох труб : зовнішньої діаметром 56 х 4 мм і внутрішньої діаметром 32 х 3 мм. Матеріал - сталь Ст. 3. Внутрішні труби елементів з’єднані одна з другою послідовно за допомогою U-подібних труб, зовнішні труби також з’єднані між собою послідовно. Гарячу воду подають у міжтрубний простір теплообмінника і скидають в лінію оборотної води. Холодну воду подають у внутрішню трубу теплообмінника. Загальна довжина труб, які беруть участь в процесі теплообміну, L=6.9 м. Витрата холодної води визначається за допомогою лічильника. Температуру води на вході і виході з теплообмінника вимірюють за допомогою термометрів опру, під’єднаних до електронного моста.
Рис.1. Схема установки
4. МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ ОБОТИ
Після пуску установки встановлюють задану витрату холодної та гарячої води і після 15-20 хвилинного нагрівання записують початкові та кінцеві значення гарячої tпг , tkг і холодної tпх , tkx води. По лічильнику 6 визначають витрату холодної води.
5. ОБРОБКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ ТА СКЛАДАННЯ ЗВІТУ
1. Величину коефіцієнта теплопередачі К визначають з формули ( 1 ). Необхідні значення теплового навантаження теплообмінника Q визначають з рівняння ( 7 ), а середню різницю температур Dtcp з формули ( 2 ) по виміряним температурам холодної та гарячої води.
2. Величина термічного опору нашарувань на стінці труби S r визначається з виразу ( 5 ). Для цього необхідно розрахувати коефіцієнти тепловіддачі a1 і a2 із співвідношення ( 8 ).
Звіт по роботі містить :
1. Мету роботи.
2. Схему та опис установки.
3. Таблицю вимірюваних та розрахункових даних.
4. Висновки.
ТАБЛИЦЯ ВИМІРЮВАНИХ ВЕЛИЧИН
1. Витрата холодної води Gx , кг/с
2. Початкова температура гарячої води tпг, ° C
3. Кінцева температура гарячої води tkг, ° C
4. Початкова температура холодної води tпх , ° C
5. Кінцева температура холодної води tкх , ° С
ТАБЛИЦЯ РОЗРАХУНКОВИХ ВЕЛИЧИН
|
№ |
Назва величини |
Розрахункові залежності |
Значення |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
Різниця температур на кінцях теплообмінника |
||
|
|
Середня різниця температур |
||
|
|
Середня температура холодної води |
||
|
|
Середня температура гарячої води |
||
|
|
Теплове навантаження |
||
|
|
Коефіцієнт теплопередачі |
||
|
|
Витрата гарячої води |
||
|
|
Число Re1 |
||
|
|
Pr1 по tcp1 (для гарячої води) |
з таблиці 1 |
|
|
|
Число (для гарячої води) |
||
|
|
|||
|
|
tcт1 |
||
|
|
Pr1 по tcт1 |
з таблиці 1 |
|
|
|
|||
|
|
Число Re2 |
||
|
|
Pr2 по tcp2( для холодної води) |
з таблиці 1 |
|
|
|
Число (для холодної води) |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|||
|
|
tcт2 |
||
|
|
Prcт2 по tcт2 |
з таблиці 1 |
|
|
|
|||
|
|
Таблиця 1
1. Фізичні властивості води
|
T°C |
m 106 Па с |
r кг / м3 |
l 102 Вт / м °С |
C Дж / кг °С |
Pr |
|
0 |
1790 |
1000 |
55.1 |
4230 |
13.7 |
|
10 |
1310 |
1000 |
57.5 |
4190 |
9.52 |
|
20 |
1000 |
998 |
59.9 |
4190 |
7.02 |
|
30 |
804 |
996 |
61.8 |
4180 |
5.42 |
|
40 |
657 |
992 |
63.4 |
4180 |
4.31 |
|
50 |
549 |
988 |
64.8 |
4180 |
3.54 |
|
60 |
470 |
983 |
65.9 |
4180 |
2.98 |
|
70 |
406 |
978 |
66.8 |
4190 |
2.55 |
|
80 |
355 |
972 |
67.5 |
4190 |
2.21 |
|
90 |
315 |
965 |
68.0 |
4190 |
1.95 |
|
100 |
282 |
958 |
68.3 |
4230 |
1.75 |
Середній коефіцієнт теплопровідності сталі lст = 46.5 Вт / м °С
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Як записується основне рівняння теплопередачі ?
2. Як відбувається теплопередача через стінку ?
3. Як визначити середню різницю температур в теплообміннику ?
4. Чому дорівнює загальний термічний опір при теплопередачі ?
5. Як визначити термічний опір стінки і забруднень ?
6. Як визначити коефіцієнти тепловіддачі і їх фізичний зміст ?
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической техно - логии. 9 - е изд. М. : Химия, 1973 - 754 с.
2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппраты химической и нефтехимической технологии. 3 - е изд. М. : Химия, 1987 - 496 с.
3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической техно - логии. М. : Химия, 1981 - 812 c.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10 - е изд. Л. : Химия, 1987 - 576 c.
Навчальне видання
ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ
У ТЕПЛООБМІННИКУ ТИПУ “ТРУБА В ТРУБІ”
Інструкція до лабораторної роботи №15 з курсу
“Процеси і апарати хімічної технології” для студентів
хіміко-технологічних спеціальностей
Укладач Троцький Володимир Іванович
Редактор Галина Клим
Комп’ютерне верстання Тетяни Вікіцької
Здано у видавництво 09.03.2004. Підписано до друку 03.2004.
Формат 70x100/16. Папір офсетний. Друк на різографі.
Умовн. друк. арк. 0,65. Обл.-вид. арк. 0,60.
Наклад 50 прим. Зам. 40146.
Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"
Реєстраційне свідоцтво серії ДК№ 751 від 27.12.2001 р.
Поліграфічний центр
Видавництва Національного університету "Львівська політехніка"
вул. Ф.Колесси, 2, Львів, 79000