Расчет и испытание теплообменного аппарата (типа «труба в трубе»).

Цель работы: повышение уровня знаний в вопросах теплопередачи и приобретение навыков экспериментального исследования, работы эле­ментов технологических цепей и теплообменного оборудования.

Задачи работы.

1. Изучение конструкции теплообменника «труба в трубе».

2. Испытание теплообменника. Определение коэффициента теплопередачи. Площади поверхности теплообмена.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменный аппарат - это устройство, в котором осуществля­ется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

Т еплообменники (рис.10.1.) широко применяют в различных промышленных технологических процессах, в отопительных системах, в Рис.10.1. Различные конструкции теплообменников «труба в трубе»

двигателях внутреннего и внешнего сгорания и их системах в качестве охладите­ля наддувочного воздуха в поршневых двигателях с наддувом, радиа­тора в системе охлаждения и смазочной системе, охладителя и нагре­вателя в газотурбинных двигателях, экономайзера, пароперегревате­ля, конденсатора, подогревателя в паросиловых установках, а также в других целях.

По способу передачи теплоты теплообменники подразделяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Теплообменник «труба в трубе» относится к рекуперативным теплообменникам.

В рекуперативных теплообменниках каналы, по кото­рым движутся горячий и холодный теплоносители, разделены и теп­лота передается через разделяющую их стенку. При не­изменных параметрах теплоносителей на входе остаются неизмен­ными, независимыми от времени, и параметры в любом из сечений каналов, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стацио­нарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекупе­ративные теплообменники могут быть (рис.10.2) прямоточными при парал­лельном движении теплоносителей в одном направлении (а), противоточными при параллельном встречном движении (б)

Рис.10.2 Схемы движения теплоносителей в теплообменниках «труба в трубе»: а - прямоточное; б - противоточное;

В корпусе аппарата теплоносители могут совершать один или несколько ходов. В соответствии с этим теплообменники называют, например, одноходовым по горячему теплоносителю и двухходовым по холодному теплоносителю. При увеличении количества ходов возрастает скорость движения теплоносителя, что ведет к интенсификации процесса теплоотдачи и повышению тепловой эффективности теплообменника. Однако при этом растут гидравлические потери и затраты энергии на обеспечение движения теплоносителя.

Описание лабораторного стенда

Стенд для проведения лабораторной работы включает в себя трубу большего и меньшего диаметра (рис. 10.3), вентилятор для подачи холодного воздуха и воздухонагреватель для организации потока горячего нагревателя

Рис.10.3. Схема лабораторной установки для проведения испытания теплообменного аппарата

Последовательность выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией теплообменника «труба в трубе» и с помощью штангенциркуля замерить размеры теплообменника:

d_нар и d_вн - диаметры внутренней трубы, м;

D _нар и D_вн - диаметры наружной трубы, м;

2. Измерить параметры воздуха в схеме прямотока. Установить воздухонагреватель на конце внутренней трубы. С помощью анемометра, установленного на другом конце внутренней трубы измерить скорость воздуха .

3. Установить вентилятор в отверстие наружной трубы , находящееся с того же конца , что и отверстие с нагревателем (рис.10.3) и включить его. Анемометром померить скорость нагреваемого воздуха. Данные занести в таблицу.

4. Повторить замеры для противотока. Для создания противотока переместите воздухонагреватель на другой конец внутренней трубы, при этом вентилятор нагреваемого воздуха не трогать. Теперь, входы одного потока совпадают с выходами другого потока.

5. Провести измерения указанные в пунктах 2-4 три раза че­рез каждые 5 минут после установления стационарного режима и за­нести их в таблицы 10.1а и 10.2а соответственно;

6. После окончания измерения выключить установку.

Обработка результатов испытаний.

1. Тепловая нагрузка Q на теплообменник определяется по формуле 7.1, Вт, для нагреваемого воздуха:

Q = G ·с_ср (t_2вых - t_2вх) (10.1)

где G = w· f · ρ - массовый расход нагреваемого воздуха через трубу, кг/с;

с_cp - теплоемкость воздуха, Дж/кг К;

f - живое сечение трубы для прохода нагреваемого воздуха, м, определяется по формуле 10.3 ;

ρ - плотность воздуха, кг/м³;

w- скорость ветра в сечении трубы, измеренная анемометром, м/с;

с_cp и ρ - берутся при средней температуре воздуха в трубе по таблице 10.3.

t_cp = (t_{2вых +} t_2вх) / 2 (10.2)

(10.3)

где d_экв – эквивалентный диаметр внутреннего теплообменного пространства теплообменника, м, определяется по формуле

2. Коэффициент теплопередачи К определяется по формуле 10.4, :

(10.4)

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от греющего воздуха к стенке трубы , , определяется по формуле 10.5;

α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому воздуху, , определяется по формуле 10.5;

- термическое сопротивление стенки трубы;

 - толщина стенки трубы, м;

 - коэффициент теплопроводности материала трубы, ;

 = 6,2 + 4,2w; ( 10.5.)

где w – скорость воздуха в соответствующей трубе, м/с, замеряется анемометром.

3. Площадь поверхности теплообмена , м², определяется по формуле 7.6

(10.6.)

4. Для определения температурного напора Δt _ср () строим схемы потоков как на рисунке 7.4. как для прямотока, так и для противотока. Определяем значения разностей (t₁ - t₂) на концах потоков и присваиваем им обозначение Δt _б и Δt _м , соответственно. Если величины незначительно отличаются друг от друга, а их отношение Δt _б / Δt _М < 2, то средний температурный напор можно приближенно определить из выражения 10.7:

Δt _ср = (Δt _б + Δt _М) / 2. (10.7)

а при Δt_б / Δt_М > 2 средняя разность температур (средний логарифмический температурный напор), определяется по формуле 10.8:

где Δt _ср = (10.8)

Рис.10.4. Схема определения средней рабочей температуры Δt _СР установки при прямотоке и противотоке

Протоколы результатов измерений и вычислений прямотока

Таблица 10.1а

№	tвх1, °С	tвых1, °С	tвх2, °С	tвых2, °С	w1, м/c	w2, м/c	G, кг/c	, кг/м3	с, Дж/кг∙К	Q, Вт
1
2
3

Таблица 10.1б

№	α1,	α2,	, м	,	К,	Δt ср (θ) °С	F, м2
1
2
3

Протоколы результатов измерений и вычислений противотока

Таблица 10.2а

№	tвх1, °С	tвых1, °С	tвх2, °С	tвых2, °С	w, м/c	G, кг/c	с, Дж/кг∙К	Q, Вт
1
2
3

Таблица 10.2б

№	α1,	α2,	, м	,	К,	Δt ср (θ) °С	F, м2
1
2
3

Инструменты.

1. Анемометр

2. Штангенциркуль.

3. Термометры.

4. Линейка.

Таблица 10.3.

Физические свойства сухого воздуха

при Р = 760 мм.рт.ст. = 98 кПа

Температура, оС	Плотность , кг/м3	Теплоемкость С, кДж/(кгК)	Теплопроводность ·102, Вт/(м к)	Вязкость динамическая ·106,Па с	Число Прандтля Pr
–20	1,395	1,009	2,28	16,2	0,716
–10	1,342	1,009	2,36	16,7	0,712
0	1,293	1,005	2,44	17,2	0,707
10	1,247	1,005	2,51	17,6	0,705
20	1,205	1,005	2,59	18,1	0,703
30	1,165	1,005	2,67	18,6	0,701
40	1,128	1,005	2,76	19,1	0,699
50	1,093	1,005	2,83	19,6	0,698
60	1,060	1,005	2,90	20,1	0,696
70	1,029	1,009	2,96	20,6	0,694
80	1,000	1,009	3,05	21,1	0,692
90	0,972	1,009	3,13	21,5	0,690
100	0,946	1,009	3,21	21,9	0,688
120	0,898	1,009	3,34	21,9	0,688
140	0,854	1,013	3,49	23,7	0,684
160	0,815	1,017	3,64	24,5	0,682
180	0,779	1,022	3,73	25,3	0,681

Форма отчетности.

1. Краткое описание лабораторной работы.

2. Схема установки.

3. Результаты измерений и расчетов (табл.10.1а,б и 10.2а,б). Схемы для определения температурного напора для каждого измерения

4. Анализ результатов и выводы.

В выводах необходимо указать значимость проведенных расчетов в выборе теплообменников такого типа. Показать различия теплообменников и какие параметры влияют на технологические режимы, какие параметры определяют материальные затраты.

Контрольные вопросы.

1. Чем отличаются и в чем назначение рекуперативных и регенеративных теплообменников?

2. При какой температуре определяют термодинамические свойс­тва воздуха?

3. Для чего необходимо определять направление потоков рабочих веществ? На какие параметры влияет?

4. Как влияет скорость воздуха на изменение коэффициента теплопередачи?

5. В каких случаях для расчета коэффициента теплопередачи используют логарифмическую разность температур?

6. Как увеличить площадь теплообмена ? И за чем это надо?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица П.1.1.

Плотность и коэффициенты теплопроводности

некоторых материалов

Материал	Плотность ρ, кг/м3	Теплопроводность λ, Вт/(м·К)
Асбест	600	0,151
Асбоцементная плита	300	0,087
Асфальт	1900…2000	0,070…0,080
Бетон	1900…2200	0,900…1,300
Битум	950…1000	0,302…0,348
Бумажная изоляция	200…250	0,070…0,080
Бутовая кладка	1700…2200	0,900…1,400
Стекловата	130	0,038
Шлаковата	250	0,076
Вата минеральная	200	0,052…0,064
Войлок минеральный	200	0,064
Войлок строительный	160	0,046…0,058
Газобетон теплоизоляционный	400…600	0,110…0,060
Дерево	500…800	0,140…0,230
Железобетон	2200…2400	1,400…1,500
Земля и насыпи	1600…1800	0,700…0,930
Камыши в щитах	250…300	0,070…0,090
Совелит	450	0,097
Текстолит	1380	0,240
Шлакобетон	1000…1500	0,400…0,700
Штукатурка цементная	1800	0,990…1,160
Алюминий	2700	202
Кладка кирпичная	1700	0,696…0,812
Опилки древесные	250…300	0,090…0,120
Лед	920	2,330
Пенобетон	550…570	0,140…0,170
Плиты пробковые	150…180	0,045…0,060
Плиты минераловатные	350	0,075
Плиты древесноволокнистые	400	0,054
Пенопласт	30	0,0464

Окончание таблицы П.2.6.

Рубероид	600…800	0,140…0,170
Сталь черная	7850	46,5
Сталь нержавеющая	7900	17,40
Чугун	7500	46,40…92,80
Медь	8800	384,0
Эмаль	2350	0,872…1,163
Ржавчина (окалина)	–	1,16
Краска масляная	–	0,233

Таблица П.1.2