Лабораторна робота 7. ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМІННИКА

Мета та основні завдання роботи

1. Визначити коефіцієнт втрат тепла в навколишнє середовище.

2. Визначити режим руху.

3. Визначити коефіцієнт теплопередачі.

4. Визначити окремі коефіцієнти тепловіддачі.

5. Визначити гідравлічні втрати в теплообміннику залежно від швидкості руху рідини або газу в трубках.

Основні теоретичні відомості

У мікробіологічній промисловості для передавання тепла від одного середовища до іншого найчастіше застосовують кожухотрубні, пластинчасті і змієвикові теплообмінники та теплообмінники типу труба в трубі.

Тепловий баланс теплообмінника

Тепловий баланс теплообмінника має такий вигляд:

. (7.1)

Кількість тепла, яке надходить з парою, , Вт;

Кількість тепла, яке надходить з рідиною або газом, , Вт;

Винесення тепла з рідиною або газом , Вт;

Винесення тепла з конденсатом , Вт;

Втрати тепла в навколишнє середовище , Вт,

де D – кількість гріючої пари, кг/с; і – тепловміст ентальпія пари, Дж/кг; G – кількість рідини або газу, кг/с; t₁, t₂ – температура на вході і виході з теплообмінника, °С; – температура конденсату, °С; c – теплоємність рідини або газу, Дж/кг· К. Теплоємність конденсату береться рівною 4190, Дж/кг· К.

Коефіцієнт втрат тепла в навколишнє середовище:

. (7.2)

Найбільш поширеним теплоносієм є насичена водяна пара.

У процесі теплообміну розрізняють явища теплопередавання і тепловіддавання. Теплопередача характеризується коефіцієнтом k, що вимірює кількість тепла, переданого від одного середовища до іншого крізь тверду стінку; тепловіддача – коефіцієнтом , що вимірює кількість тепла, переданого від нагріваючого тіла до стінки або від стінки до нагріваючого тіла.

Визначення загального коефіцієнта теплопередачі

Запишемо формулу для сталого процесу передавання тепла, Вт:

. (7.3)

Загальний коефіцієнт теплопередачі, Вт/м² ·К:

, (7.4)

де Q – теплове навантаження теплообмінника, Вт; F – поверхня нагріву теплообмінника, м²; Δt_c – середня різниця температур між теплоносіями, К.

Коефіцієнт теплопередачі для плоскої стінки можна розрахувати за формулою:

, (7.5)

де i – коефіцієнти тепловіддачі з кожного боку стінки, Вт/м²·град.

Оскільки величина відносно невелика, то нею можна знехтувати, після чого формула набере вигляду:

(7.6)

Коефіцієнт тепловіддачі для водяної пари, що конденсується на вертикальній трубі, визначають за формулою:

, (7.7)

де r – теплота конденсації, Дж/кг; l – довжина трубки, м; λ – коефіцієнт теплопровідності конденсату, Вт/м² · К; ρ – густина конденсату, кг/м³; μ – в’язкість конденсату, Н·с/м²; – температура гріючої пари, К; – температура стінки, К.

Значення цих величин (теплофізичних властивостей конденсату) визначають при середній температурі плівки конденсату.

Температуру плівки визначають за формулою:

. (7.8)

Коефіцієнт тепловіддачі залежно від режиму руху визначають за однією з формул:

; (7.9)

; (8.1)

; (8.1)

; (8.1)

; (8.1)

. (.18

Визначальною температурою, якщо Re > 2300, є середня температура потоку.

У горизонтальних трубках с = 0,74. У вертикальних під час руху гарячої рідини вниз або холодної вгору с — 0,63; під час руху гарячої рідини вгору або холодної вниз с = 0,85.

Визначальною температурою, якщо Rе > 2300, є температура суміжного шару.

Режим руху рідини або газу визначають за числом Рейнольда:

, (7.10)

де μ – абсолютна в’язкість рідини або газу, Н · с/м²; – густина рідини або газу, кг/м³; d – внутрішній діаметр трубки, м; ω – швидкість руху рідини або газу.

м/с,

де n – кількість трубок.

Якщо один з коефіцієнтів тепловіддачі значно менший від другого, то коефіцієнт теплопередачі наближено дорівнює меншому коефіцієнту тепловіддачі. Величина коефіцієнта тепловіддачі при нагріванні або охолоджуванні повітря перебуває в межах 12÷174, а при конденсації водяної пари – в межах 4000÷15000 Вт/м² · К.

Отже, можна записати, що

. (7.11)

Теплове навантаження визначають за формулою

Вт, (7.12)

де Q – кількість протікаючої рідини або газу, кг/с; с – теплоємність рідини або газу, Дж/кг · К

Поверхню нагріву F визначають безпосереднім вимірюванням або за таким розрахунком:

n ,м², (7.13)

де d_р – розрахунковий діаметр трубок, береться залежно від співвідношення і :

якщо ,

якщо ,

якщо ,

l – довжина трубки, м; n – кількість трубок, шт.; – зовнішній діаметр трубки, м; – внутрішній діаметр трубки, м.

Середня логарифмічна різниця температур між теплоносіями Δt_c визначається за формулою:

. (7.14)

Якщо відношення < 2, то Δt_c визначається як середня арифметична величина:

,

де – різниця температур на вході і виході з теплообмінника, К.

Швидкість руху рідини або газу істотно впливає на величину коефіцієнта теплопередачі. Підвищення швидкості посилює турбулентність потоку і перешкоджає утворюванню накипу, що сприяє підвищенню коефіцієнта теплопередачі.

Проте вибір швидкості при проектуванні апаратів має істотне значення, оскільки підвищення її веде до збільшення гідравлічного опору руху рідини або газу, а значить і до підвищеної витрати енергії при перекачуванні рідини насосом. Через те вибір її визначається економічними міркуваннями.

Гідравлічний опір теплообмінника складається з опорів тертя по довжині трубки і місцевих опорів Δp_м.о:

Н/м². (7.15)

Величина Δp_м.о для одноходового теплообмінника складається з опору теплоносія на вході і виході з теплообмінника та опору при вході і виході трубного простору.