Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения всех специальностей Бийск (стр. 4 из 12)

8. Распределение компрессоров по степени сжатия.

3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВУХТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Цель работы: ознакомиться с устройством теплообменника типа «труба в трубе» и исследовать его работу, а также провести тепловой, проектный и проверочный расчеты.

Теоретическая часть

Основное уравнение теплопередачи

Основное уравнение теплопередачи имеет вид:

, (3.1)

где Q – количество переданного тепла, Вт;

К – коэффициент теплопередачи,

;

S – поверхность нагрева аппарата,

;

∆t_ср – средний температурный напор, К.

Коэффициент теплопередачи К является основной величиной, характеризующей эффективность работы теплообменных аппаратов.

Коэффициент теплопередачи можно определить по следующей формуле для плоской стенки:

, (3.2)

где

– коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к по-верхности нагрева, ;

– коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к холод-ному теплоносителю, ;

– толщина стенки, м;

– коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, .

Интенсивность теплоотдачи зависит от свойств теплоносителей и характера их движения, в соответствии с этим методика определения коэффициента теплоотдачи различна.

Уравнение теплового баланса

При работе теплообменных аппаратов в результате теплообмена происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и повышение энтальпии холодного теплоносителя.

Методика определения количества отданного и поглощенного тепла (тепловой нагрузки) зависит от агрегатного состояния теплоносителей.

Так, при нагревании и охлаждении без изменения агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса для непрерывных процессов имеет вид:

, (3.3)

где

– количество горячего и холодного теплоносителей, про-ходящих через аппарат за единицу времени, кг/с;

c₁, с₂ – удельная теплоемкость горячего и холодного теплоноси-телей,

;

, – начальная и конечная температуры горячего теплоноси-теля, °С;

, – начальная и конечная температуры холодного теплоноси-теля, °С;

– потери тепла в окружающую среду за единицу времени, Вт.

При нагревании жидкости или газа сухим насыщенным паром уравнение теплового баланса имеет вид:

, (3.4)

где D – количество пара, прошедшего через аппарат, кг/с;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя

При вынужденном (принудительном) движении теплоносителя (жидкость или газ) коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, имеющего общий вид:

(3.5)

Для расчета выбирается критериальное уравнение в зависимости от режима движения теплоносителя в аппарате.

Для теплоносителя внутри прямых вертикальных труб при ламинарном режиме (Re<2300):

; (3.6)

при переходном режиме (2300<Re< 10000):

; (3.7)

при турбулентном режиме (Re> 10000):

. (3.8)

Критерий Рейнольдса Re характеризует режим движения тепло-носителя:

, (3.9)

где

– коэффициент кинематической вязкости, ;

– определяющий размер аппарата, м.

Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена:

, (3.10)

где

– коэффициент теплоотдачи, .

По приведенным формулам подсчитывают значение критериев, а затем по выбранному в зависимости от режима движения критериальному уравнению определяют критерий Нуссельта Nu. По найденному критерию Нуссельта рассчитывают коэффициент теплоотдачи.

Теплоотдача при конденсации пара

В химической промышленности очень широко применяются процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния веществ: испарение, конденсация, плавление или кристаллизация. Теплообмен в этих процессах имеет ряд особенностей:

1) тепло распространяется при постоянной температуре (темпе-ратура фазового превращения, т.е. температура кипения или конденса-ции);

2) тепло одновременно распространяется в двух фазах.

Если в качестве горячего теплоносителя используется сухой насыщенный пар, то при соприкосновении его с поверхностью нагрева за счет отдачи тепла происходит конденсация пара.

Рисунок 6 – Схема конденсации пара

Конденсация бывает капельная и пленочная (рисунок 6). При капельной конденсации (рисунок 6а) образующийся конденсат осаж-дается на несмачиваемой поверхности в виде отдельных капель. При пленочной конденсации (рисунок 6б) конденсат образует на поверх-ности нагрева сплошную пленку. В этом случае интенсивность тепло-отдачи ниже, чем при капельной конденсации, так как передача тепла от пара к поверхности нагрева происходит через сплошную пленку конденсата, которая оказывает большое термическое сопротивление, поэтому толщина пленки существенно влияет на теплоотдачу.

Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации опреде-ляется из критериального уравнения:

, (3.11)

где Ga – критерий Галлилея;

Кu – критерий Кутателадзе.

Из этого уравнения можно найти коэффициент теплоотдачи при конденсации пара:

, (3.12)

где А – коэффициент, зависящий от расположения поверхности нагрева; для вертикальных аппаратов

, для горизонтальных

;

r – удельная теплота парообразования,

;

– плотность пленки конденсата, ;

– коэффициент теплопроводности пленки конденсата, ;

– коэффициент кинематической вязкости пленки конденсата, ;

– перепад температур на пленке конденсата, К;

H – высота стенки, на которой происходит конденсация, м; для вертикальных аппаратов

, для горизонтальных

.