Москва 2005

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ

Москва 2005

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТЕПЛООБМЕННОМ

Учебное пособие

Учебное издание

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Галина Ивановна Барабанщикова

Тамара Викторовна Федоткина

Светлана Александровна Веремеева

Редактор: К.А. Сидорова

Компьютерная верстка: И.Н. Соснина

Подписано в печать 15.04.2010 г. Бумага офсетная.

Печать трафаретная. Тираж 300 экз. Заказ 061. Усл. печ. л. 5,5

Отпечатано в печатном цехе «Ризограф»

Тюменского Аграрного Академического Союза

625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

АППАРАТЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

О.И. Кормильцева

АППАРАТЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теплотехника» для студентов специальностей: 072000, 090700, 090900, 120100, 120500, 120600, 170200, 171700, 250400, 320700, 330500   Под редакцией проф. Б.П. Поршакова

УДК 536.24

Кормильцева О.И. Изучение теплопередачи в теплообменном аппарате типа «труба в трубе»: Методические указания к лабораторной работе по курсу «Теплотехника». – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005. – 22 с.

Приведены краткая классификация теплообменных аппаратов, основные определения и порядок теплового расчета теплообменного аппарата. Представлена схема лабораторной установки, изложена методика проведения лабораторной работы и обработки опытных данных.

Для контроля знаний студентов предложены вопросы.

Рецензент – К.Х. Шотиди, кандидат технических наук, профессор

кафедры термодинамики и тепловых двигателей

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

© Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина,

Целью работы является изучение теплопередачи в теплообменном аппарате типа «труба в трубе».

Проводятся тепловые испытания теплообменного аппарата, расчет конечных температур теплоносителей и сравнение их с найденными опытным путем.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменными аппаратами (ТА) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Все теплообменные аппараты по способу передачи теплоты могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах теплоносители отделены друг от друга твердой стенкой (такие аппараты называются рекуперативными), либо поочередно контактируют с одной и той же стенкой (такие аппараты называются регенеративными).

В рекуперативном аппарате одна сторона поверхности теплообмена все время омывается горячим теплоносителем, другая – холодным. Тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку. Направление теплового потока в стенке остается неизменным.

В регенеративном аппарате одна и та же поверхность теплообмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева поверхности теплообмена, называемой насадкой регенератора, она контактирует с горячим теплоносителе и аккумулирует теплоту, которую в

период охлаждения отдает холодному теплоносителю. Направление теплового потока в стенках аппарата периодически меняется. В качестве насадки в таких аппаратах могут использоваться шары, кольца, мелкие трубы, собранные в плотный пучок, иногда кирпичная кладка (например, в регенераторах мартеновских печей). Достоинствами таких аппаратов являются возможность размещения большой поверхности в единице объема (большая компактность) и работы при высоких температурах (при использовании в качестве насадки высокотемпературных материалов), недостатками – плохая герметичность, неизбежность перемешивания теплоносителей, невозможность работы при высоких давлениях рабочих сред.

В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном контакте горячего и холодного теплоносителей, при этом теплообмен сопровождается массообменном. В аппаратах смесительного типа горячий и холодный теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси (примером таких аппаратов могут служить различного типа скрубберы или смесители горячей и холодной воды, используемые в системах водоснабжения). В аппаратах барботажного типа теплоносители находятся в разных фазах и при контакте обмениваются теплотой, практически не перемешиваясь между собой. Например, в градирнях капли разбрызгиваемой воды охлаждаются встречным потоком холодного воздуха, а в барботерях горячий пар охлаждается, поднимаясь через слой жидкости. Аппараты смесительного типа не могут применяться, если рабочие среды имеют разные давления или вообще не могут перемешиваться.

Аппараты смесительного и регенеративного типа не нашли широкого применения на практике. Основным типом теплообменников, используемых в различных областях техники, по-прежнему остаются рекуперативные аппараты.

Рекуперативные теплообменные аппараты можно, в свою очередь, классифицировать:

1. По взаимному направлению потоков теплоносителей:

- прямоточные (прямоток), когда оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении;

- противоточные (противоток), когда оба теплоносителя движутся в противоположных направлениях;

- с перекрестным током – теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, однократно или многократно;

- с более сложными схемами различного сочетания прямотока, противотока и перекрестного тока.

2. По роду теплоносителей:

- аппараты, в которых оба теплоносителя не меняют своего агрегатного состояния (газо-газовые, жидко-жидкостные, газожидкостные);

- аппараты, в которых изменяется агрегатное состояние одного теплоносителя, - конденсаторы (горячего теплоносителя), парогенераторы, испарители (холодного теплоносителя);

- аппараты, в которых изменяются агрегатные состояния обоих теплоносителей (конденсаторы – испарители).

3. По конструктивному оформлению:

- трубчатые;

- трубчато-ребристные;

- пластинчатые;

- пластинчато-ребристые;

- трубчато-пластинчатые.

Наиболее распространенной конструкцией являются трубчатые аппараты. Поверхность теплообмена таких аппаратов состоит из одной или нескольких труб. Простейший теплообменник – типа «труба в трубе» - состоит всего из одной трубы, которая внутри омывается одним теплоносителем, а снаружи –

другим, который протекает в кольцевом пространстве между теплообменной трубой и кожухом. Если теплообменник состоит из нескольких труб, то они собираются в трубный пучок с помощью трубных досок. Трубы с трубными досками заключены в кожух.

Различают два типа теплового расчета ТА – I рода и II рода.

При тепловом расчете I рода (конструктивном) заданы температуры теплоносителей на входе и на выходе ТА, водяные эквиваленты теплоносителей , определяются мощность, поверхность теплообмена и тип ТА.

При тепловом расчете II рода (поверочном) заданы входные температуры теплоносителей водяные эквиваленты теплоносителей и теплопередающей поверхности , тип и геометрические размеры ТА, определяются мощность ТА и конечные температуры .

В основе теплового расчета ТА лежат уравнение теплового баланса для случая безфазовых переходов

, (1)

и основное уравнение теплопередачи

, (2)

где - водяные эквиваленты теплоносителей, ; - удельные теплоемкости теплоносителей, ; - массовые расходы теплоносителей, ; - кпд ТА; - коэффициент теплопередачи, ; - теплопередающая поверхность, ; - средняя логарифмическая разность температур, .

Для двух схем движения теплоносителей – прямоточной () и противоточной (). определяется по уравнению Грасгофа.

, (3)

где , - разности температур между «горячим» и «холодным» теплоносителями на входе и выходе ТА.

Для схемы «прямоток»

; (4)

Для схемы «противоток»

; (5)

Характер изменения температур теплоносителей вдоль теплопередающей поверхности показаны на рис. 1.

В противоточной схеме среднелогарифмическая разность температур оказывается больше, чем в прямоточной. Следовательно, поверхность теплообмена будет меньше и ТА с противоточной схемой движения теплоносителя будет более компактным. Кроме того, при осуществлении противотока можно получить более высокую конечную температуру нагреваемой жидкости, чем при прямотоке, даже выше температуры греющей жидкости на выходе, что в прямоточной схеме невозможно. Таким образом, противоток является более эффективной схемой, чем прямоток.

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки может быть рассчитан

, (6)

где - коэффициенты теплоотдачи от «горячего» теплоносителя к внутренней поверхности трубы и от внешней поверхности трубы к «холодному» теплоносителю соответственно;

- термическое сопротивление теплопроводности стенки трубы с учетом загрязнений.

Определяющим критерием подобия при вынужденной конвекции является критерий Рейнольдса

, (7)

где - скорость движения теплоносителя; - определяющий линейный размер; - коэффициент кинематической вязкости.

Критерий Рейнольдса определяет режим течения теплоносителя. При движении теплоносителя в трубе режим течения будет развитым турбулентным при , ламинарным при и переходным при . Для расчета коэффициента теплоотдачи в трубе можно воспользоваться следующим уравнением

, (8)

где - число Грасгофа;

- число Прандтля;

Коэффициенты определяются из табл. 1.

Таблица 1

Значения коэффициентов в уравнении (8)

Режим течения, Re	Значения коэффициентов
C	j	y	i
Ламинарный, Re< 2300:   а) вязкостное течение, Gr.Pr < 8.10^5;   б) вязкостно-гравитационное течение, Gr.Pr ≥ 8.10^5	1,55 .(d/l) ^0,33     0,15	0,33     0,33	0,33     0,43	0,1
Переходный, 2300 ≤Re≤ 10^4: Re= 2300 Re= 2500 Re= 3000 Re= 4000 Re= 5000 Re= 6000 Re= 7000 Re= 8000 Re= 9000 Re= 10000
3,6	0	0,43
4,9
7,5
12,2
16,5
20,0
24,0
27,0
30,0
33,0
Турбулентный, Re> 10^4	0,021	0,8	0,43

При вычислении числа Нуссельта по уравнению (8) теплофизические свойства воды выбирают при средней температуре потока и из табл. 2.

Таблица 2

Теплофизические свойства воды

	999,9	4,212	0,551	1,789	13,67
	999,7	4,191	0,574	1,306	9,52
	998,2	4,183	0,599	1,006	7,02
	995,7	4,174	0,617	0,805	5,42
	992,2	4,174	0,634	0,659	4,31
	983,1	4,174	0,648	0,556	3,54
	983,2	4,178	0,650	0,479	2,98
	977,8	4,187	0,667	0,415	2,55
	971,8	4,195	0,674	0,365	2,21
	965,3	4,208	0,680	0,326	1,95

Действительные конечные температуры теплоносителей рассчитываются по формулам:

«прямоток»

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

«противоток»

, (13)

, (14)

, (15)

. (16)

Описание опытной установки

Лабораторная установка представляет собой имитационный макет, моделирующий теплообменные процессы в ТА типа «труба в трубе», рис. 2.

«Горячий» теплоноситель течет по внутренней трубе 1, «холодный» - по кольцевому каналу между внутренней и наружной трубами 2. Возможно осуществление движения теплоносителей по «прямоточной» и «противоточной» схемам. В качестве теплоносителей используется вода.

Расход жидкости определяется по перепаду давления на кольцевой диафрагме 4 и рассчитывается по формуле

, (17)

где - эмпирический коэффициент; - перепад давлений на диафрагме, Па.

Температуры теплоносителей измеряются до кольцевой диафрагмы, на входе и выходе теплообменного аппарата. Для измерения температур используются хромель-копелевые термопары 5 (тарировочная табл. 3).

Таблица 3

Перевод мВ в ⁰С для хромель- копелевых термопар

^0С
		0,06	0,13	0,19	0,26	0,33	0,39	0,46	0,52	0,59
	0,65	0,72	0,78	0,85	0,91	0,98	1,05	1,11	1,18	1,24
	1,31	1,38	1,44	1,51	1,58	1,64	1,71	1,77	1,84	1,91
	1,98	2,04	2,11	2,17	2,25	2,31	2,37	2,44	2,51	2,57
	2,64	2,70	2,77	2,83	2,90	2,96	3,03	3,09	3,16	3,22
	3,28	3,35	3,42	3,49	3,56	3,62	3,69	3,76	3,83	3,89
	3,96	4,03	4,09	4,16	4,23	4,30	4,37	4,44	4,51	4,57
	4,64	4,71	4,78	4,85	4,92	4,99	5,06	5,13	5,20	5,27
	5,35	5,42	5,49	5,56	5,63	5,70	5,77	5,85	5,92	5,99
	6,06	6,13	6,20	6,27	6,35	6,42	6,49	6,56	6,63	6,70

Основные характеристики теплообменного аппарата приведены в табл. 4.

Таблица 4

Основные характеристики теплообменного аппарата

	внутренний диаметр трубы	, м	2,2*10^-2
	наружный диаметр трубы	, м	2,4*10^-2
	диаметр кожуха	, м	4*10^-2
	длина трубы	, м
	площадь сечения кольцевой диафрагмы для горячего теплоносителя	, м ^2	2,3*10^-4
	площадь сечения кольцевой диафрагмы для холодного теплоносителя	, м ^2	2,0*10^-4
	площадь кольцевого канала	, м ^2	8,1*10^-4
	площадь поверхности теплообмена	, м ^2	0,377
	термическое сопротивление теплопроводности стенки трубы		5,0*10^-5

Порядок проведения лабораторной работы

Лаборант производит выбор теплоносителей – вода, устанавливает параметры теплообменного аппарата, схемы движения и входные температуры теплоносителей.

После чего измеряются температуры «горячей» и «холодной» воды на входе и выходе ТА в милливольтах , , , , которые по табл. 5

переводятся в градусы Цельсия , , , . Определяются также перепады давления «горячей» и «холодной» воды , .

Затем изменяется схема движения теплоносителей и измерения повторяются.

Все измеренные величины заносятся в табл. 5. После чего производится обработка результатов измерений.

Таблица 5

Протокол испытаний

№ опыта	Схема движения теплоносителей	, Па	, Па		, ^0С		, ^0С		, ^0С	,	, ^0С

Обработка результатов измерений

В контрольном опыте были получены следующие данные.

Теплоносители: вода – вода. Схема движения теплоносителей – прямоток.

№ опыта	Схема движения теплоносителей	, Па	, Па		, ^0С		, ^0С		, ^0С	,	, ^0С
				5,48		4,62		1,44		2,45

Теплоносители: вода – вода. Схема движения теплоносителей – прямоток.

№ опыта	Схема движения теплоносителей	, Па	, Па		, ^0С		, ^0С		, ^0С	,	, ^0С
				5,48		4,62		1,44		2,45

Температура горячей воды на входе в теплообменный аппарат , на выходе . Температура холодной воды на входе , на выходе , перепад давления горячего теплоносителя Па, перепад давления холодного теплоносителя Па.

Коэффициенты расхода теплоносителей = 0,032, = 0,028.

Расход горячего теплоносителя

,

Расход холодного теплоносителя

.

Количество теплоты, отданное горячей водой

.

Количество теплоты, полученное холодной водой

.

Теплофизические свойства воды выбираются из табл. 2.

Для горячей воды	Для холодной воды
,	,
,	,
,	,
,	,

Относительные потери теплоты в теплообменном аппарате

.

Среднелогарифмическая разность температур

.

Коэффициент теплопередачи, полученный опытным путем

.

Скорость горячей воды в трубе

.

Число Рейнольдса

.

, следовательно, режим течения горячей воды турбулентный. Из (4)

.

Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке трубы

.

Скорость холодной воды в кольцевом канале

.

Число Рейнольдса

.

Эквивалентный диаметр определяется как

м,

где - смоченный периметр, .

Режим течения турбулентный, число Нуссельта из (8)

.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной воде

.

Расчетное значение коэффициента теплопередачи

.

Отличие опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи

.

Водяные эквиваленты горячей и холодной воды

Конечная температура горячей воды

Конечная температура горячей воды, полученная опытным путем, .

Конечная температура холодной воды

.

Конечная температура холодной воды, найденная опытным путем .

Результаты обработки опытных данных заносятся в табл. 6 и табл. 7.

Таблица 6

Коэффициенты теплопередачи, найденные опытным и расчетным путем

№№ опыта	Схема движения теплоносителя	Расход горячей воды ,	Расход холодной воды ,	Скорость горячей воды ,	Скорость холодной воды ,	Температура горячей воды	Температура холодной воды
, ^0С	, ^0С	, ^0С	, ^0С

Количество теплоты	Относитель-ная потеря теплоты , %	Средняя разность темпера-тур , ^0С	Коэффициент теплопередачи, найденный опытным путем ,	Коэффициент теплоотдачи ,	Коэффициент теплоотдачи ,	Коэффициент теплопередачи, найденный расчетным путем ,	Отличие опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи
отданной горячей водой , Вт	полученной холодной водой , Вт

Таблица 7

Конечные температуры горячей и холодной воды, найденные опытным и расчетным путем

№№ опыта	Схема движения теплоносителя	Водяные эквиваленты	Перепад температуры, найденный расчетным путем	Конечная температура горячей воды	Конечная температура холодной воды
горячей воды ,	холодной воды ,	горячей воды , ^0С	холодной воды , ^0С	найденная опытным путем , ^0С	найденная расчетным путем , ^0С	найденная опытным путем , ^0С	найденная расчетным путем , ^0С

Контрольные вопросы

1. Что такое теплообменный аппарат?

2. Какие существуют типы теплообменных аппаратов?

3. Что называется теплопередачей?

4. Какое определение имеет коэффициент теплопередачи?

5. Что такое термическое сопротивление теплоотдачи, теплопередачи?

6. Какой вид имеет основное уравнение теплопередачи?

7. Какой вид имеет уравнение подобия для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубе?

8. Как определяется эквивалентный диаметр некруглого сечения?

9. Что такое тепловой расчет I и II рода?

10. Какие схемы движения теплоносителей могут быть в ТА типа «труба в трубе»?

11. Какая схема движения теплоносителей имеет преимущество: «прямоток» или «противоток»?

12. Какой вид имеет уравнение теплового баланса?

13. Что такое водяной эквивалент теплоносителя?

14. Как определяются относительные потери теплоты в теплообменном аппарате?

Список литературы

1. Калинин А.Ф. Расчет и выбор конструкции кожухообразного теплообменного аппарата. –М.:РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, 2002. -82с.

2. Поршаков Б.П., Козаченко А.Н. Основы термодинамики и теплопередачи: Учеб.-метод. пособие. –М.:ГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, 2002. -132с.

Дата добавления: 2014-12-16