Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Кафедра ХТНР

Звіт

до лабораторної роботи №14

Визначення коефіцієнта теплопередачі кожухотрубного теплообмінника

Виконав:

ст. гр. АТПм-11

Михайлецький Н.Ю.

Перевірив:

доц. каф. ХТНР

Кіндзера Д.П.

ЛЬВІВ-2013

1. Мета роботи

1. Визначити витрату гарячого теплоносія на нагрівання заданої кількості холодної води.

2. Визначити фактичне значення коефіцієнтів тепловіддачі в кожухотрубному тепло­обміннику при різних швидкостях руху теплоносіїв.

3. Розрахувати теоретичне значення коефіцієнтів теплопередачі за допомогою критеріальних рівнянь і порівняти їх зі значеннями, одержаними на основі експериментів.

4. Пояснити отримані результати.

2. Теоретичні основи

Передача тепла від одного рідкого (чи газоподібного) теплоносія до іншого через стінку описується основним рівнянням теплопередачі:

де Q - теплове навантаження теплообмінного апарата - кількість тепла, яка передається від теплоносія з більшою температурою до теплоносія з меншою температурою за одиницю часу, Вт;

К - коефіцієнт теплопередачі - кількість тепла, яке передається через одиницю поверхні теплопередачі за одиницю часу при різниці температур між теплоносіями, що дорівнює одному

градусу, Вт/м² гр;

F - поверхня теплообміну, м²;

- середня різниця температур між теплоносіями, град.

Теплове навантаження Q визначається з рівняння теплового балансу теплообмінного апарата. У роботі досліджується нагрівання холодної води гарячою водою. У цьому випадку:

де t_1n i t_1k - початкова і кінцева температурa xолодної води, К;

G₁ - масова витрата холодної води, °К;

с₁ - теплоємність холодної води при середній температурі, Дж/кг град.

Середня різниця температур між теплоносіями розраховується по одній з двох таких формул, залежно від співвідношення різниць температур теплоносіїв на вході і виході з теплообмінника:

Чи

де

де t_2n i t_2k­­ - початкова і кінцева температура гарячої води, К,

При проектних розрахунках теплообмінної апаратури коефіцієнт теплопередачі К визна­чається за рівнянням

де α₁ - коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія з більшою температурою до стінки, Вт/(м²*К);

α₂ - коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія з меншою температурою, Вт/(м²*К);

δ_ст= 0.0025 м - товщина стінки, що поділяє теплоносії;

γ_cт = 93 Вт/'(м'К) - теплопровідність стінки (латунь);

r₁ i r₂ - термічний опір забруднень з боку одного і іншого теплоносія, 1/(Вт/(м²*К)).

Величина термічного опору забруднень змінюється під час експлуатації теплообмінної апаратури і при проектних розрахунках може бути визначена лише приблизно по довідникових даних, складених на підставі досліду роботи промислової апаратури. У цій роботі величину термічних опорів забруднень можна прийняти такою: з боку холодної води r₂ = 0.001 1/(Вт/(м²*К)), а з боку гарячої води r₁ = 0,0005 1 /(Вт/(м²*К)).

Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води до стінки і від стінки до холодної води розраховують по критеріальних рівняннях. Необхідно пам'ятати про те, що ці рівняння мають різний вид для ламінарного, перехідного і турбулентного режимів руху теплоносіїв. Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при русі теплоносіїв в трубах - холодна вода і міжтрубному просторі - гаряча вода використовуються однакові критеріальні рівняння (з врахуванням режимів руху теплоносіїв). Відмінність складається в тому, що при русі теплоносія в трубах як визначаючий розміри в критеріях подібності використовується внутрішній діаметр трубок, а при русі теплоносія в міжтрубному просторі - еквівалентний діаметр останнього – d_екв.:

f - площа вільного січення міжтрубного простору теплообмінника, м ;

П - змочений периметр січення міжтрубного простору, м;

D=0.145 м - внутрішній діаметр кожуха теплообмінника:

d₃ = 0.025 м - зовнішній діаметр трубок (внутрішній діаметр цих трубок d_вн = 0.02м);

n= 13 — кількість трубок.

1. Розвинутий турбулентний рух теплоносіїв Re ≥ 10000

2. Перехідна область режимів руху теплоносіїв 2300 < Rе < 10000

3.Ламінарний режим руху теплоносіїв (коли помітний вплив вільної конвекції відсутній) Re <2300

У рівняннях (9)-(11) прийняті такі позначення: критерій Нуссельта -

Критерій Рейнольдса –

Критерій Прандтля –

де w- швидкість руху теплоносіїв (в трубах чи міжтрубному просторі), м/с;

µ - динамічна в'язкість теплоносіїв, Н*с/м²;

ρ - густина теплоносіїв, кг/м ;

λ - коефіцієнт теплопровідності теплоносіїв, Вт/м К;

d_екв - визначаючий лінійний розмір, м;

L - довжина трубок, м.

Всі параметри - в'язкість, теплопроводність, теплоємність і густина - визначаються з довідникових таблиць при середній температурі відповідних теплоносіїв. Значення критерію Прандтля можна обчислити за рівнянням (14) чи взяти безпосередньо з таблиць при середній температурі теплоносіїв (див. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств", с. 512, 537).

У рівняннях (9)-(11) множник характеризує вплив напрямку передачі тепла на величину коефіцієнтів тепловіддачі. Тут Рr_ст - значення критерію Прандтля, обраховане при температурі теплоносія, яка дорівнює температурі поверхні стінки (у цьому випадку стінки трубок) з боку даного теплоносія. Якщо середня різниця температур між теплоносіями не перевищує величини 50 °С, тобто, Δt_сер < 50 °С, то з невеликою похибкою можна прийняти . Якщо Δt_cep > 50 °С, то для визначення Рr_ст температуру стінки знаходять шляхом послідовних наближень (див. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, A.A. Носков "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств").