Теплообменник «труба в трубе»

Лабораторная работа № 5

Теплообменник «труба в трубе»

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель лабораторной работы: исследование параметров, влияющих на теплопередачу в теплообменнике типа “труба в трубе”. Возможные задачи исследования:

1. Влияние теплопроводности материала внутренней трубы на коэффициент теплопередачи.

2. Влияние геометрических размеров аппарата на коэффициент теплопередачи.

3. Влияние схемы движения теплоносителей (прямоток, противоток) на теплопередачу.

4. Влияние на теплоотдачу во внутренней трубе и в кольцевом канале скорости движения теплоносителя.

В ходе работы студенты задают геометрические размеры теплообменника «труба в трубе», выбирают материал стенки трубы, определяют теплоносители, между которыми осуществляется теплопередача, задают расходы теплоносителей и их начальные температуры, измеряют значения температуры на выходе из теплообменника. По результатам опытов вычисляют коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, общее количество переданного тепла. На основании анализа выполненной работы определяются оптимальные размеры аппарата и режимы движения теплоносителей.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются в промышленности. Преимущество таких теплообменников заключается в разнообразии компоновок, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительных секций.

Теплообменник «труба в трубе» (рис. 1) представляет собой трубу 1, концентрически размещенную в трубе 2 большего диаметра с патрубками 3 на концах для подвода теплоносителей от одной секции к другой. Тепло передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку (рис. 2). Тепловой поток, переданный через стенку, прямо пропорционален движущей силе процесса - разности температур между теплоносителями и обратно пропорционален термическому сопротивлению теплопередачи:

, (1)

где Q - тепловой поток, Вт;

средняя разность температур теплоносителей, 0С;

R - термическое сопротивление теплопередачи, (м2×К)/Вт;

F - площадь теплопередающей поверхности, м2;

Рис. 1. Теплообменник «труба в трубе»:

1 – внутренняя труба; 2- наружная труба; 3- патрубки.

Термическое сопротивление теплопередачи складывается из термического сопротивления теплоотдачи от теплоносителя во внутренней трубе к стенке трубы, теплопроводности через стенку и теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю в кольцевом канале. В случае цилиндрической стенки плотность теплового потока зависит от радиуса, поэтому при расчете термического сопротивления теплопередачи цилиндрической стенки плотность теплового потока относят к внутренней или наружной поверхности стенки. Термическое сопротивление теплопередачи цилиндрической стенки, отнесенное к единице внутренней поверхности стенки, равно:

,

где a1 - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего во внутренней трубе, к внутренней поверхности трубы, Вт/(м2×К); a2 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплоносителю, протекающему в кольцевом канале, Вт/(м2×К); lT - коэффициент теплопроводности материала внутренней трубы, Вт/(м×К); d1, D1 - внутренний и наружный диаметры внутренней трубы, м.

Коэффициент k, обратный термическому сопротивлению теплопередачи, называется коэффициентом теплопередачи и рассчитывается по зависимости:

. (2)

Рис.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку: 1- внутренняя труба; 2- кольцевой канал; 3- профиль температуры.

Средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая:

,

где DtБ большая разность температур теплоносителей, °С; DtМ – меньшая разность температур теплоносителей, °С.

Коэффициент теплопередачи a1 при развитом турбулентном течении в прямой трубе (Re >10000) равен

, (3)

где - критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

el - коэффициент, учитывающий влияние на теплообмен начального участка трубы;

w - средняя скорость движения теплоносителя, м/с;

r - плотность теплоносителя, кг/м2;

l - теплопроводность теплоносителя, Вт/(м×К);

cp - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг;

m - коэффициент динамической вязкости теплоносителя, Па×с;

d - эквивалентный диаметр, для трубы круглого сечения равен внутреннему диаметру трубы d1, м.

Определяющая температура - средняя температура теплоносителя. Расчет критерия PrW производится при средней температуре стенки трубы. При ламинарном и переходном режимах движения теплоносителя
(Re < 10000) необходимо учитывать влияние свободноконвективного движения теплоносителя на теплоотдачу. Степень влияния свободной конвекции зависит от факторов: разности температур стенки и теплоносителя, коэффициента объемного расширения, скорости потока. Эти факторы учитываются комплексом критериев GrPr. При значении комплекса GrPr >8×105 коэффициент теплоотдачи в горизонтальной гладкой трубе рассчитывают по формулам

при Re £ 3500:

, (4)

при Re>3500:

, (5)

где - критерий Грасгофа,

b - коэффициент объемного расширения, 1/К;

- разность температуры теплоносителя и стенки, 0С;

- средняя температура теплоносителя, 0С;

- средняя температура внутренней поверхности трубы, 0С;

L - длина теплопередающей поверхности, м;

n = 0,11 при нагревании теплоносителя,

n = 0,25 при охлаждении теплоносителя.

При значении комплекса GrPr £ 8×105 коэффициент теплоотдачи определяется по зависимостям:

при Re £ 2300:

, (6)

при Re > 2300:

. (7)

В формулах (4) - (7) определяющая температура - среднеарифметическая температура стенки и теплоносителя. Коэффициент динамической вязкости mW находится при температуре стенки. Теплофизические свойства теплоносителей в зависимости от температуры приведены в справочной литературе.

Расчет коэффициента теплоотдачи a2 в кольцевом канале выполняется по зависимостям:

при Re £ 2300:

, (8)

при Re >2300:

, (9)

где a рассчитывается по формулам (3) - (7) для гладкой трубы при d=d2 -D1 - эквивалентном диаметре кольцевого канала, м;

d2 – внутренний диаметр наружной трубы, м.

Изменение теплового потока теплоносителя в трубе равно

, (10)

в кольцевом канале

, (11)

где G1, G2 - массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с;

t11, t12 - температура на входе и выходе внутренней трубы, 0С;

t21, t22 - температура на входе и выходе кольцевого канала, 0С.

3. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

Лабораторная работа выполняется на IBM - совместимом компьютере в среде операционной системы Windows 3.1 и выше. Для выполнения работы необходимо запустить программу "Труба в трубе".

Установка (рис. 3) состоит из трубы, концентрически размещенной в трубе большего диаметра; регуляторов размера труб; расхода; входной температуры; списков материалов стенки трубы и теплоносителей; переключателей схемы движения теплоносителей и измерительного блока, состоящего из датчиков и приборов для измерения температуры и расхода теплоносителей. Наружная труба аппарата теплоизолирована.

Материал стенки внутренней трубы выбирают из комбинированного списка, для этого нужно установить курсор мыши на кнопку справа от списка и щелкнуть левой клавишей мыши. Из раскрывшегося списка выбрать нужный материал, установив на него курсор мыши и щелкнув левой клавишей мыши. Аналогично выбирают теплоносители во внутренней трубе аппарата и в кольцевом канале. Размеры труб задают при помощи регуляторов (диаметр внутренней трубы, диаметр наружной трубы и длина теплообменной поверхности). Для увеличения размера необходимо поместить курсор мыши на верхнюю кнопку регулятора и щелкнуть левой клавишей мыши, для уменьшения размера - на нижнюю кнопку. Размеры трубы (наружный диаметр и толщина стенки или длина трубы) указываются слева от регуляторов. Схему движения теплоносителей выбирают при помощи переключателей. Для выбора схемы (прямоток или противоток) необходимо щелкнуть левой клавишей по соответствующему переключателю. Расходы теплоносителей по внутренней трубе и кольцевом канале устанавливают соответствующим регулятором.

Температуры теплоносителей на входе во внутреннюю трубу и в кольцевой канал задаются регуляторами.

Массовый расход во внутренней трубе и кольцевом канале измеряют расходомерами. Измерение температуры на входе и выходе теплоносителей – термопарами. На графиках отображаются диаграммы распределения температуры по длине трубы (красного цвета - горячий теплоноситель, синего цвета - холодный теплоноситель).

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы студент должен знать теоретические положения изучаемого физического явления, изучить устройство лабораторной установки, уметь задавать и определять значения физических величин: температуры, расхода, уметь изменять размеры труб, выбирать материал стенки трубы и теплоносители, задавать схему движения потоков.

Студенту необходимы навыки работы на компьютере в операционной среде Windows 3.1. До выполнения работы подготавливается журнал наблюдений для записи измеряемых величин.

По указанию преподавателя выбирается задача исследования, определяются диапазоны изменения параметров изучаемого процесса.

Рис. 3. Вид лабораторной установки на дисплее ПЭВМ

Работу выполняют в следующей последовательности:

1. В папке файлов «Лабораторные работы» выбрать программу «Труба в трубе» и запустить на исполнение (поместить на пиктограмму программы курсор мыши и дважды щелкнуть по левой клавише мыши). На экране компьютера появится окно программы, аналогичное рис. 3.

2. Задать размеры труб регуляторами 5 - 7.

3. Выбрать материал стенки внутренней трубы из списка 8, теплоносители из списков 10 и 11.

4. Выбрать схему движения теплоносителей при помощи переключателей 9.

5. Задать расходы теплоносителей регуляторами 12 и 13, температуру теплоносителей на входе во внутреннюю трубу - регулятором 14, в кольцевой канал - регулятором 15.

6. В журнал наблюдений записать материал и размеры труб, тип теплоносителя, схема движения потоков, снять показания с приборов 16 - 22.

7. Пункты 4 - 8 повторить до выполнения задачи исследования.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитать массовые расходы G1 и G2, скорости движения теплоносителей w1 и w2, критерии Re1 и Re2 для теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале. Теплофизические свойства теплоносителей и материала стенки трубы найти по справочникам при определяющей температуре.

2. По критериям Re определить режим движения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный) и рассчитать коэффициенты теплоотдачи a1 во внутренней трубе по формулам (3) – (7) и a2 в кольцевом канале по формулам (3) – (9).

3. Вычислить расчетный коэффициент теплопередачи kP по формуле (2).

4. По формуле (1) рассчитать количество тепла Q, переданное через стенку трубы от одного теплоносителя к другому. Вычислить изменения количества тепла Q1 во внутренней трубе по формуле (10) и Q2 в кольцевом канале по формуле (11).

5. По данным проведенных измерений рассчитать коэффициент теплопередачи kИ через цилиндрическую стенку по формуле

.

6. Найти расхождение между kИ и kР

.

7. Полученные данные занести в таблицу, записи в которой должны соответствовать записям в таблицы результатов наблюдений. По результатам расчетов студенты строят графики зависимостей согласно задаче исследования.

6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет оформляется на листах бумаги формата А4 в соответствии со стандартами. Отчет должен содержать:

а) титульный лист установленной формы;

б) краткое изложение теоретических положений;

в) принципиальную схему установки;

г) таблицы «Журнал наблюдений» и «Результаты расчета»;

д) графики изменения параметров;

е) анализ результатов работы.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель работы.

2. Методика выполнения работы.

3. Расчет теплопередачи через цилиндрическую стенку при граничных условиях третьего рода.

4. Основные типы теплообменных аппаратов. Достоинства и недостатки теплообменника «труба в трубе».

5. Движущая сила процесса теплопередачи, термическое сопротивление процессу.

6. Расчет среднего температурного напора между теплоносителями при прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном токе.

7. Как выбирается определяющая температура, что такое определяющий размер? Определите эквивалентный диаметр в кольцевом канале.

8. Проанализируйте тепловой баланс теплообменника, определите факторы, влияющие на сходимость баланса.

9. Как влияет свободная конвекция на теплопередачу?

10. Как влияет изменение теплофизических свойств теплоносителей на теплопередачу?

Была ли эта страница вам полезна?
Да!Нет
6 посетителей считают эту страницу полезной.
Большое спасибо!
Ваше мнение очень важно для нас.

Нет комментариевНе стесняйтесь поделиться с нами вашим ценным мнением.

Текст

Политика конфиденциальности