ЛР / Сборник лаб.работ по курсу ТА ТЭК

2

УДК 536.246

Купцов С. М., Зацепин С.С., Купцова Е.С. Сборник лабораторных ра-

бот на виртуальном теплообменном аппарате: Методические указания к ла-

бораторным работам по курсам «Термодинамика», «Термодинамика и тепло-

передача», «Техническая термодинамика и теплопередача» и «Теплообмен-

ные аппараты». – М.: РГУ нефти и газа (НИУ), 2017. – 63 с.

Рассмотрены процессы теплопередачи на виртуальной установке теп-

лообменного аппарата, позволяющей имитировать теплообмен в различных средах.

Приведены основные понятия и формулы для теплового расчета тепло-

обменников различного назначения.

Изложено содержание, порядок выполнения и примеры расчетов четы-

рех лабораторных работ.

При подготовке к защите лабораторных работ рекомендуется ответить на вопросы, предлагаемые в конце указаний.

В приложении представлены материалы справочного характера, необ-

ходимые для проведения расчетов.

Рецензент - проф. В.А. Лукьянов.

© РГУ нефти и газа (НИУ) нефти и газа имени И.М. Губкина, 2017

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………..…...…………… 4 Тепловой баланс теплообменника ………………………….……..………… 5 Коэффициент теплопередачи ……………………………………..…………. 6 Средняя разность температур ………………………………………………... 9 Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубе …………… 10 Теплоотдача при изменении агрегатного состояния ………………….….. 14 Расчет конечных температур теплоносителей …………………….……… 17 Общие требования к проведению лабораторных работ ………………….. 18 Лабораторная работа №1. Теплопередача в однофазном теплообменнике типа «труба в трубе» …………………………………….. 19 Лабораторная работа №2. Интенсификация теплообмена

в теплообменном аппарате ……………………..…….…………….……… 36 Лабораторная работа №3. Теплопередача в теплообменнике типа «конденсатор» ……………………………………………….…...…… 45 Лабораторная работа №4. Теплопередача в теплообменнике

типа «испаритель» …………………………….………………………..…… 51 Вопросы для самопроверки …………………………………………..……. 58 Приложение …………………………………………………………………. 60 Литература ……………………………………………………………..……. 63

4

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания к лабораторным работам по теплопередаче

«Сборник лабораторных работ на виртуальном теплообменном аппарате» подготовлены в соответствии с новыми учебными программами по дисци-

плинам, включающим разделы курса «Теплопередача» и являются творче-

ским продолжением и развитием работ кафедры термодинамики и тепловых двигателей [2, 5].

В соответствии с различным количеством часов, предусмотренным учебными планами для студентов разных факультетов и направлений, следу-

ет рекомендовать конкретный перечень лабораторных работ.

В методических указаниях впервые в практике кафедры объединены общетехнические вопросы теплотехники и компьютерное моделирование процессов теплообмена.

Моделирование процессов теплопередачи приведено на виртуальных теплообменных аппаратах различного назначения.

Практически невозможно представить любое направление топливно-

энергетического комплекса, где не используются теплообменные аппараты.

Поэтому вопросы энергосбережения требуют анализа эффективности работы теплообменного оборудования.

Основной целью выполнения и защиты лабораторных работ по тепло-

передаче является закрепление сложного теоретического материала, приоб-

ретение навыков теплотехнических расчетов и оценка эффективности про-

цессов теплообмена.

5

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ТЕПЛООБМЕННИКА

Количество теплоты Q1 , отданное горячим теплоносителем, и количе-

ство теплоты Q2 , полученное холодным теплоносителем в единицу времени,

определяется по уравнениям [1, 3, 4]:

где G1 и G2 – массовый расход горячего и холодного теплоносителей в теп-

лообменном аппарате, кг/с; hг и hх – удельные энтальпии горячего и холод-

ного теплоносителей, Дж/кг; индексы 1 и 2 характеризуют свойства теплоно-

сителей на входе и выходе из теплообменника.

В большинстве случаев процессы «охлаждения» горячего и «нагрева» холодного теплоносителей близки к изобарному. Поэтому изменение удель-

ной энтальпии для однофазных жидких и газообразных теплоносителей

где cpm,1 и cpm,2 – средние удельные изобарные теплоемкости горячего и хо-

лодного теплоносителей, Дж/(кг.К); t и – температуры горячего и холод-

ного теплоносителей на входе и выходе из теплообменника, о С .

Тепловые потоки для однофазных теплоносителей:

6

теплообмена с окружающей средой. Независимо от вида теплообменника ба-

ланс теплоты в аппарате записывается уравнением

где – относительные потери теплоты в теплообменном аппарате – коэффи-

циент, учитывающий тепловые потери в окружающую среду,

Возможен вариант, когда температура окружающей среды больше средней температуры холодного теплоносителя, тогда, ожидается Q2 > Q1 , и

здесь нет смысла говорить про относительную потерю теплоты.

Для теплообменных аппаратов, в которых происходит конденсация насыщенных паров горячего и нагрев холодного теплоносителя без фазового перехода, баланс теплоты конденсатора принимает вид

где r1 – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; x – степень сухости.

Если в теплообменном аппарате за счет охлаждения однофазного горя-

чего теплоносителя наблюдается нагрев и кипение холодного теплоносителя,

то тепловой баланс испарителя запишется в виде

холодного теплоносителя, Дж/кг.

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Коэффициент теплопередачи характеризует интенсивность передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку [1, 3, 4].

8

При испытании теплообменного аппарата важно определить опытное значение коэффициента теплопередачи и сравнить его с расчетным значени-

ем.

Коэффициент теплопередачи от горячего к холодному теплоносителю можно определить из уравнения теплопередачи при переменных температу-

рах первого рода [4, 5]:

произведение коэффициента теплопередачи k и площади теплообмена F .

За площадь теплообмена F для криволинейных поверхностей прини-

мается площадь теплообмена со стороны наименьшего коэффициента тепло-

отдачи .

В теплообменных аппаратах за площадью поверхности теплообмена обычно принимается площадь теплообмена по наружной поверхности тепло-

обменных труб. Учитывая это и принимая во внимание, что в виртуальном однофазном теплообменнике коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к холодному теплоносителю практически всегда меньше коэффициента тепло-

отдачи от горячего теплоносителя к стенке, в качестве расчетной площади поверхности теплообмена F принимается поверхность теплообменного аппа-

рата по наружному диаметру внутренней трубы Fн. Поэтому опытное значе-

ние коэффициента теплопередачи между однофазными теплоносителями бу-

дет определяться

Для испарителя и в некоторых случаях однофазных теплообменников в формулу (13) надо будет подставлять поверхность теплообменного аппарата по внутреннему диаметру внутренней трубы Fв.

Сопоставляя опытное и расчетное значения коэффициентов теплопере-

дачи можно, в первом приближении, оценить эффективность работы тепло-

обменника по значению термических сопротивлений загрязнений.

СРЕДНЯЯ РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР

Средняя разность температур для прямоточной, противоточной схем движений теплоносителей и теплообменников с фазовым переходом [1, 3, 4]

определяется по уравнению

где 1, 2 – разности температур горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема движения и динамики изменения температуры теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБЕ

Обычно значения коэффициента теплоотдачи определяются расчетным способом из уравнений подобия конвективного теплообмена [1, 3, 4]. Стаци-

онарная конвективная теплоотдача без фазового перехода в теплоносителе в общем случае описывается уравнением подобия

Определяемое число Нуссельта, или критерий теплоотдачи, характери-

зует соотношение тепловых потоков, передаваемых конвективным теплооб-

меном и теплопроводностью по нормали на границе твердое тело – жидкость

где d – определяющий линейный размер (для трубы - диаметр), м; λ – коэф-

фициент теплопроводности жидкости, Вт/(м.К).

Число Рейнольдса – критерий гидродинамического подобия, характе-

ризуется соотношением сил инерции и молекулярного трения (вязкости)

где w – скорость движения потока, м/с; d – внутренний диаметр трубы или эквивалентный диаметр межтрубного (кольцевого) пространство, м; , –

кинематический и динамический коэффициент вязкости жидкости, м2/с и Па.с.

Скорость движения жидкости определяется из уравнения неразрывно-

сти потока