Теоретические положения. По курсу «основы энергосбережения»

ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа № 5

Подписано в печать

ЖИВ Дмитрий Львович

Учебное издание

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (ПРАКТИКУМ)

по курсу «Основы энергосбережения»

для студентов технических специальностей

БАШТОВОЙ Виктор Григорьевич

КРАВЧЕНКО Евгений Владимирович и др.

Редактор Н.А. Школьникова

Формат 60х84 1/16. Бумага тип. № 2. Офсет. печать.

Усл. печ. л. 3,. Уч. изд. л. 2,. Тираж 150. Зак. 285.

Издатель и полиграфическое исполнение:

Лицензия ЛВ № 155 от 30.01.99. 220027, Минск, пр. Ф. Скорины, 65.

ТЕПЛООБМЕННИК “ТРУБА В ТРУБЕ“

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.

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;

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); l _T - коэффициент теплопроводности материала внутренней трубы, Вт/(м×К); d ₁, D ₁ - внутренний и наружный диаметры внутренней трубы, м.

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

. (2)

Средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая:

,

где D t_Б – большая разность температур теплоносителей, °С; D t_М – меньшая разность температур теплоносителей, °С.

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

, (3)

где - критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

e _l - 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);

c_p - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг;

m - коэффициент динамической вязкости теплоносителя, Па×с;

d - эквивалентный диаметр, для трубы круглого сечения равен внутреннему диаметру трубы d ₁, м.

Определяющая температура - средняя температура теплоносителя. Расчет критерия Pr_W производится при средней температуре стенки трубы. Значения поправочного коэффициента e _l приведены в [2].

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 m _W находится при температуре стенки. Теплофизические свойства теплоносителей в зависимости от температуры приведены в справочной литературе [2-5].

Расчет коэффициента теплоотдачи a₂ в кольцевом канале выполняется по зависимостям [5]:

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;

d ₂ – внутренний диаметр наружной трубы, м.

Изменение теплового потока теплоносителя в трубе равно

, (10)

в кольцевом канале

, (11)

где G ₁, G ₂ - массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с;

t ₁₁, t ₁₂ - температура на входе и выходе внутренней трубы, ⁰С;

t ₂₁, t ₂₂ - температура на входе и выходе кольцевого канала, ⁰С.

Дата добавления: 2015-06-27