книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

При отношении tб 2 средняя разность температур может

tм

определяться как среднее арифметическое:

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур можно определить по формуле:

где tб, tм – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей.

Здесь

где Tн – начальная температура горячего теплоносителя; Tк – ко-

нечная температура горячего теплоносителя; t – изменение температуры холодного теплоносителя,

чальная температура холодного теплоносителя.

Коэффициент теплопередачи K характеризует интенсивность теплопереноса и вычисляется по следующей формуле:

61

где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи первого и второго теплоносителей; ст/ ст – термическое сопротивление стенки.

Коэффициент теплопередачи в системе СИ имеет следующую размерность:

Коэффициент теплопередачи K показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 м2 при разности температур между теплоносителями 1 градуc.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением:

В практических расчетах коэффициента теплопередачи необходимо учитывать термическое сопротивление загрязнений rзагр:

При теплопередаче через чистую металлическую стенку (без загрязнений и тепловой изоляции) термическое сопротивление стенки невелико и им можно пренебречь.

62

Если значения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 значительно отличаются друг от друга, например 1 2, то величина K практически определяется меньшим из них, т.е. в данном случае

значением 2: K 2.

Такая ситуация характерна для процесса теплопередачи, если в качестве теплоносителей используются газ и жидкость. Коэффициент теплоотдачи для воды значительно превышает коэффициент теплоотдачи для воздуха, поэтому для интенсификации теплопередачи необходимо стремиться увеличить меньший коэффициент теплоотдачи, например, увеличением скорости воздуха.

При выполнении работы следует иметь в виду, что для определения коэффициентов теплоотдачи по некоторым критериальным уравнениям необходимо знать температуру стенки. Она определяется методом последовательных приближений: задавшись произвольно этой температурой, находят коэффициент теплоотдачи , далее вычисляют коэффициент теплопередачи K и по удельной тепловой нагрузке q проверяют сходимость предварительно принятой величины tст с полученной в результате расчета. Например, при охлаждении воды воздухом проверить температуру стенки можно следующим образом:

Описание установки

Основным элементом лабораторной установки является кожухотрубчатый теплообменник.

Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции (рис. 6.4) состоит из корпуса (кожуха) 1 и приваренных к нему трубных решеток 2.

63

ляемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5–6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред.

Теплообменники жесткого типа отличаются простотой конструкции и сравнительно малым весом на единицу поверхности нагрева. Возможность работы при больших скоростях участвующих в теплообмене сред позволяет свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей и устранить образование застойных зон. Вместе с тем теплообменники этого типа обладают определенными недостатками. Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции становится значительной (приблизительно равной или большей 50 °С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха, больших 50 °С, или значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата. Кроме того, следует отметить, что механическая чистка наружной поверхности труб этих теплообменников невозможна, поэтому они должны либо работать в чистой среде, либо обеспечивать возможность промывки корпуса горячей водой или химическими реагентами.

Лабораторная установка предназначена для изучения процесса теплообмена в системе вода–воздух. В состав установки (рис. 6.5) входят кожухотрубчатый теплообменник, имеющий два хода в трубном пространстве и один ход в межтрубном, осевой канальный вентилятор, электродный отопительный котел, циркуляционный насос, мембранная расширительная емкость. В качестве кон- трольно-измерительных приборов использованы термопреобразова-

65

тели сопротивления ТПС 100П, измеритель–регулятор температуры «Термодат-13», преобразователь расхода вихревой ВПР, расходо- мер-счетчик ЭРСВ, измерители ТРМ 200, измерители-регуляторы ТРМ 201 и однофазные преобразователи частоты тока.

Рис. 6.5

Теплообменник имеет трубный пучок, состоящий из 28 медных трубок (14 на один ход) диаметром 16 1 мм. Корпус теплообменного аппарата, изготовленный из стали 20, имеет диаметр 159 4,5 мм, расстояние между торцами трубных решеток составляет 1500 мм.

Одним из теплоносителей является вода, которая поступает в теплообменник 1 через заливную емкость 2 (рис. 6.6). Она циркулирует на установке по замкнутому контуру, нагревается с помощью электродного отопительного котла 3 и движется в трубном пространстве теплообменника. При помощи преобразователя частоты, который регулирует частоту оборотов двигателя циркуляционного насоса 4, можно добиться любого требуемого расхода горячего теплоносителя. Измерение расхода горячего теплоносителя обеспечивается расходомером-счетчиком электромагнитным ЭРСВ 7.

66

1–2

Часть II Определение зависимости коэффициента теплопередачи

от скорости теплоносителей Вариант А Определение зависимости коэффициента теплоотдачи

воды и коэффициента теплопередачи в системе вода– воздух от скорости движения жидкой среды

Вариант Б Определение зависимости коэффициента теплоотдачи

воздуха и коэффициента теплопередачи в системе вода–воздух от скорости движения газовой среды

68

Пуск установки производится только с разрешения преподавателя или учебного мастера в следующем порядке:

1.Следует убедиться, что теплообменник заполнен водой.

2.Включают в работу циркуляционный насос.

3.Включают электродный отопительный котел и устанавливают температуру нагрева воды.

4.При помощи регулятора температуры «Термодат 13» контролируют температуру нагрева, которая должна поддерживаться на одном уровне в течение всего эксперимента.

5.По указанию преподавателя задают расход горячего теплоносителя при помощи измерителя-регулятора ТРМ 201-Щ1, установленного на щите.

6.Включают вентилятор.

7.По указанию преподавателя устанавливают расход холодного теплоносителя измерителем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

8.Дожидаются выхода установки на стационарный режим

ификсируют температуру воды на выходе и воздуха на входе

ивыходе из теплообменника.

9.После окончания работы вентилятор, котел и насос отклю-

чают.

Часть II. Определение зависимости коэффициента теплопередачи от скорости теплоносителей

Вариант А. Определение зависимости коэффициента теплоотдачи воды и коэффициента теплопередачи в системе вода– воздух от скорости движения жидкой среды:

1.Перед проведением работы осуществляют пуск установки

ивыводят ее на стационарный режим.

2.Устанавливают необходимый расход воды и расход воздуха. Подача насоса должна осуществляться на 56 % от его максимальной производительности. Расход воздуха в течение эксперимента остается постоянным. Вентилятор должен быть загружен на 17 % от его максимальной производительности.

69

3.В начале работы снимают показания приборов, замеряющих входные и выходные параметры теплообменника. Результаты записывают в табл. 6.1.

4.Задают расход горячего теплоносителя (33 %) измерите- лем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

5.Через 10–15 мин после выхода установки на стационарный режим снимают показания приборов и заносят в табл. 6.1.

6.Далее, уменьшая расход воды до 5 % при помощи частотного преобразователя и измерителя-регулятора ТРМ 201-Щ1, как только установка выйдет на стационарный режим, фиксируют параметры работы теплообменника.

7.Для завершения работы достаточно четырех опытов. Вариант Б. Определение зависимости коэффициента тепло-

отдачи воздуха и коэффициента теплопередачи в системе вода– воздух от скорости движения газовой среды:

1.Перед проведением работы осуществляют пуск установки

ивыводят ее на стационарный режим.

2.Устанавливают расход воды и расход воздуха. Вентилятор должен быть загружен на 11 %. Расход воды в течение эксперимента остается постоянным, подача насоса должна осуществляться на 56 % от его максимальной производительности.

3.В начале работы снимают показания приборов, замеряющих входные и выходные параметры теплообменника. Результаты записывают в табл. 6.1.

4.Задают расход холодного теплоносителя (17 %) измерите- лем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

5.Через 10–15 мин после выхода установки на стационарный режим снимают показания приборов и заносят в табл. 6.1.

6.Далее, увеличивая расход воздуха до 23 % от максимальной производительности вентилятора при помощи измери- теля-регулятора ТРМ 201-Щ1, как только установка выйдет на стационарный режим, фиксируют параметры работы теплообменника.

7.Для завершения работы достаточно трех опытов.

70