Лабораторная работа 1

процесс передачи тепла

в теплообменном аппарате типа «труба в трубе»

Цель работы:

1. закрепить теоретические знания по разделу «Теплообменные аппараты»;

2. рассчитать температурный напор Δt и теплопроизводительность Q для прямоточного и противоточного движения теплоносителей;

3. определить экспериментальное значение коэффициента теплопередачи k и сравнить его с расчетным.

1. Схема и описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой простейший теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 1). Внутренняя труба, по которой протекает горячая вода, имеет внутренний диаметр 20 мм, наружный – 24, внешняя тру- ба – соответственно 38 и 40 мм. По кольцевому сечению внешней трубы протекает холодная вода. Переключая направление движения холодной воды, можно получить прямоточное (прямоток) и противоточное (противоток) движение теплоносителей. Расход теплоносителей измеряется объемным способом с помощью мерных сосудов, а температура теплоносителей – термометрами.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

2. Теоретические основы

Уравнение теплового баланса для теплообменных аппаратов, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, имеет вид:

, (1)

где Q – количество передаваемого тепла, Вт;

, – массовый расход греющего и нагреваемого теплоносителя;

, – теплоемкость горячей и холодной воды (в расчетах принять: кДж/(кг·К);

– температура горячей воды на входе и выходе из теплообменника;

– температура холодной воды на входе и выходе из теплообмен-ника;

η_п – коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду.

Уравнение теплопередачи связывает теплопроизводительность Q с коэффициентом теплопередачи k, площадью поверхности нагрева F и со средним температурным напором Δt:

Q = kFΔt. (2)

Коэффициент теплопередачи для круглой трубы рассчитывается по уравнению, Вт/(м²·К):

, (3)

где – средний, внутренний и наружный диаметры трубы, м;

, – коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке и от стенки трубы к холодной воде, Вт/(м²·К);

λ – коэффициент теплопроводности материала трубы, для латуни λ = = 110 Вт/(м²·К).

При расчете коэффициента теплопередачи тонкостенных труб можно использовать формулу для расчета коэффициента теплопередачи через плоскую стенку толщиной δ, м:

. (4)

При движении теплоносителей вдоль поверхности теплообмена их температура изменяется (рис. 2).

Средняя разность значений температуры рассчитывается по уравнению:

, (5)

где , – большая и меньшая разность значений температуры на концах теплообменника.

Рис. 2. График изменения температуры теплоносителей:

а – прямоток, в – противоток

Расчетное значение коэффициентов теплоотдачи и может быть получено из критерия Нуссельта:

, (6)

где – коэффициент теплопроводности теплоносителя, который определяется из таблиц, приведенных в пособии [6], по соответствующей температуре.

Для некруглого сечения поверхности теплообмена в уравнение (6) вместо диаметра d подставляется эквивалентный диаметр , равный отношению учетверенной площади f сечения канала к длине смоченного периметра u:

. (7)

В случае устойчивого турбулентного движения теплоносителя в трубе для определения критерия Нуссельта можно использовать критериальное уравнение М. А. Михеева:

, (8)

где Re – критерий Рейнольдса, который зависит от скорости движения теплоносителя ω и коэффициента кинематической вязкости теплоносителя,

. (9)

Критерий Прандтля Pr выбирается из таблиц учебного пособия [6].