Завдання

1. Виміряти температури теплоносіїв на вході і виході з теплообмінного апарата „труба в трубі”, а також витрати води, що нагрівається при обох схемах руху теплоносіїв – прямотоковій і протитоковій.

2. Визначити коефіцієнти теплопередачі для вказаних схем руху теплоносіїв, порівняти їх.

Загальні відомості

Теплообмінними апаратами називають пристрої для передачі тепло­ти від одного теплоносія до іншого. За принципом дії теплообмінні апарати поділяються на поверхневі і змішуючі.

У змішуючих теплообмінних апаратах передача теплоти здійснюється при безпосередньому контакті і змішуванні рідких і газоподіб­них середовищ.

У поверхневих апаратах теплоносії розділені твердими теплопро­відними стінками, через які відбувається теплообмін між теплоносія­ми. Поверхневі теплообмінні апарати бувають рекуперативними та регенера­тивними .

У рекуперативних апаратах теплообмін між теплоносіями здійснює­ться через стінки, які розділяють теплоносії. У регенеративних теплообмінних апаратах теплоносії по черзі стикаються з однією і тією ж самою поверхнею нагрівання.

У даній лабораторній роботі використовується найпростіший рекуперативний теплообмінний апарат типу „труба в трубі”.

Процес передачі теплоти від потоку одного теплоносія до потоку іншого теплоносія через стінку називається теплопередачею. Теплопе­редача включає тепловіддачу від гарячого теплоносія до стінки, теплопровідність через стінку, тепловіддачу від стінки до холодного теп­лоносія.

Інтенсивність теплопередачі характеризується коефіцієнтом тепло­передачі. Коефіцієнт теплопередачі чисельно дорівнює кількості теп­лоти, яка передається за одиницю часу від одного теплоносія до дру­гого через одиницю поверхні стінки, що їх розділяє, при різниці температур між теплоносіями один градус.

Для одношарової плоскої стінки коефіцієнт теплопередачі визначається із залежності:

, (5.1)

де К - коефіцієнт теплопередачі Вт/м²∙К; α₁, α₂ – відповідно коефіцієнти тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінки і від стінки до холодного середовища, Вт/м²∙К; δ – товщина стінки, м; λ – коефіцієнт теплопровідності стінки Вт/м∙К.

Для одношарової циліндричної стінки коефіцієнт К дорівнює:

, (5.2)

де d₁, d₂ - відповідно внутрішній і зовнішній діаметри труби, м.

Кількість теплоти Q, яка передана в теплообмінному апараті через поверхню стінки F, що розділяє теплоносії, прямо пропорційна середньому температурному напору ∆t_ср і визначається за основним рівнянням теплопередачі:

Q=K∙F∙∆t_ср. . (5.3)

Температура теплоносія змінюється уздовж поверхні теплообміну (рис.5.1), тому середній температурний напір можна визначити як середній арифметичний:

, (5.4)

або як середній логарифмічний

, (5.5)

де ∆t_б - температурний напір (різниця температур теплоносіїв) на тому кінці поверхні теплообміну, де він більший, °С; ∆t_м - тем­пературний напір на другому кінці поверхні теплообміну, °С.

Формулу (5.4) використовують тоді, коли ∆t_δ /∆t_м ≤1,8. В іншому разі для більшої точності використовують формулу (5.5).

а

∆t_м

б

∆t_м

Рис. 5.1. Схеми руху теплоносія : а- прямотокова; б- протитокова

В нашому досліді теплота передається від пари, що одержана в парогенераторі і проходить по внутрішній трубі, через стінку до холодної води, яка протікає по кільцевому каналу, утвореному зовніш­ньою і внутрішньою трубами.

Для апаратів такого типу (із зміною агрегатного стану одного з теплоносіїв) рівняння теплового балансу записується так:

, (5.6)

де M₁ – витрата пари, кг/с; h₁, h_k – відповідно ентальпія пари, що надходить, і конденсату, кДж/кг; M₂, C₂ - відповідно витрати, кг/с, і теплоємність, кДж/кг∙К, води, що нагрівається; і - відповідно температура холодного теплоносія на вході і виході, °С.

Використовуючи рівняння (5.3) і (5.6) , одержуємо:

M₂C₂( )=K∙F∙∆t_ср. (5.7 )

Звідси знаходимо вираз для визначення коефіцієнта теплопередачі К:

. (5.8)