МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Вивчення процесу теплопередачі у теплообміннику типу “труба в трубі”

Інструкція до лабораторної роботи №15 з курсу

“Процеси і апарати хімічної технології” для студентів

хіміко-технологічних спеціальностей

Затверджено

на засіданні кафедри хімічної інженерії.

Протокол №12 від 8.04. 2003р.

Львів 2004

Вивчення процесу теплопередачі у теплообміннику типу “труба в трубі”: Інструкція до лабораторної роботи №15 з курсу “Процеси і апарати хімічної технології“ для студентів хіміко-технологічних спеціальностей / Укл. В.І.Троцький. Львів : Видавництво Національного університету ”Львівська політехніка”, 2004. 8с.

Укладач Троцький В.І., канд. техн. наук, доц.

Відповідальний за випуск Ханик Я.М., д-р техн. наук, проф.

Рецензент Новіков В.П., д-р хім. наук, проф.

1. Мета роботи

Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнту теплопередачі теплообмінника, розрахунок термічного опору нашарувань стінки, аналіз одержаних результатів.

2. Теоретичні основи

Процес передачі тепла від одного теплоносія до другого відбувається в теплообмінниках. Найбільш простою є конструкція теплообмінника типу “труба в трубі“, який складається з двох концентрично розташованих труб різних діаметрів. Внутрішньою трубою проходить один теплоносій, по міжтрубному простору - другий. Тепло передається через стінку внутрішньої труби.

Кількість тепла Q, яка передається в теплообміннику, визначається з основного рівняння теплопередачі

_, ( 1 )

де К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м­­­² К;

F - площа поверхні теплообміну, м²;

t_ср - середня різниця температур між теплоносіями, К.

Розрахунок t_ср здійснюють, користуючись рівнянням

( 2 )

де ( 3 )

відповідно більша і менша різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника.

гарячий теплоносій

холодний теплоносій

Якщо / 2, то з достатньою точністю ( похибка менше 5%) t_ср можна рахувати за формулою

( 4 )

Коефіцієнт теплопередачі К за фізичним змістом є термічною провідністю в процесі передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного. На цьому шляху можна виділити такі термічні опори :

1) термічний опір при переході тепла від гарячого теплоносія до поверхні труби 1 / _( _ - коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару гарячого теплоносія, Вт/м² К);

2) термічний опір нашарувань на поверхні труби (іржа, накип) r₁;

3) термічний опір стінки труби _ст / _cт (_cт - товщина стінки, м; _ст - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки труби, Вт / м К);

4) термічний опір нашарувань на поверхні труби зі сторони рідини, що нагрівається r₂;

5) термічний опір при переході тепла від стінки до рідини, що нагрівається 1 / _ ( _- коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару холодного теплоносія, Вт/м² К).

Загальний термічний опір процесу теплопередачі дорівнює сумі опорів

( 5 )

a коефіцієнт теплопередачі ( загальна термічна провідність ) є величина обернена опору

( 6 )

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі - одна з основних задач теорії теплообміну. Значення коефіцієнтів тепловіддачі розраховують з критеріальних рівнянь.

В цьому теплообміннику холодна вода проходить по внутрішній трубі і нагрівається гарячою водою, яка подається в кільцевий міжтрубний простір.

Кількість тепла Q, що передається в процесі теплообміну визначається з рівняння теплового балансу

( 7 )

де G₁ і G₂ - відповідно продуктивність по гарячій та холодній воді, кг/с;

С₁ і С₂ - теплоємність теплоносіїв при середніх температурах, Дж/кг К

Термічний опір нашарувань на стінці труби можна визначити з рівняння (5). Коефіцієнт теплопередачі визначають експериментально з рівняння (1). Коефіцієнти тепловіддачі _­ і _ можна розрахувати з критеріального рівняння (8)

( 8 )

де – критерій Нусельта

 критерій Рейнольдса

 критерій Прандтля

w- середня швидкість руху рідини, м/с; d_e - еквівалентний діаметр, м; коефіцієнт динамічної в’язкості, Па с; c - теплоємність води, Дж/кг К; коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/м К.

Необхідні для розрахунку фізичні параметри приймаються при середній температурі теплоносіїв (див. табл. 1). Для гарячої води середня температура t_cp1

( 9 )

Значення Pr для води можна визначити з табл. ХХХІХ [ 4 ] або з табл. 1 цієї інструкції.

В наслідок того, що температура стінки невідома, можна в першому наближенні при визначенні _прийняти Pr/Pr_cт =1 і знайти t_cт1 з рівняння

( 10 )

Після визначення t_cт1 визначають критерій Pr_cт і уточнене значення _. Аналогічно визначається коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодної води _При визначенні Nu, Pr, Re значення фізичних констант вибирають при середній температурі холодної води t_cp2

( 11 )

a Pr_cт - при температурі стінки з сторони холодної води. Оскільки t_cт2 також невідома то розрахунок _виконують аналогічно _з врахуванням рівняння

( 12 )