Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛР / Сборник лаб.работ по курсу ТА ТЭК

.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
2.34 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) имени И. М. ГУБКИНА

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

С. М. Купцов, С.С. Зацепин, Е.С. Купцова

Сборник лабораторных работ на виртуальном теплообменном аппарате

Методические указания к лабораторным работам по курсам «Термодинамика», «Термодинамика и теплопередача», «Техническая термодинамика и теплопередача» и «Теплообменные аппараты» для студентов по направлениям подготовки: 131000 «Нефтегазовое дело», 150700 «Машиностроение», 151000 «Технологические машины и оборудование», 221700 «Стандартизация и метрология», 240100 «Химическая технология», 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 280700 «Техносферная безопасность».

Москва 2017

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]:

Q1 = G1 (hг,1 - hг,2

) ,

Вт;

(1)

Q2 = G2 (hх,2 - hх,1

) ,

Вт,

(2)

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

можно выразить уравнениями [3, 4]

 

 

hг cpm,1 t1 t2 cpm,1 t и

hх cpm,2 2 1 cpm,2 ,

(3)

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:

 

 

 

Q1 = G1 cpm,1 (t1 - t2 ) = W1 t ,

(4)

 

 

 

Q2 = G2 cpm,2 ( 2 - 1 ) = W2 ,

(5)

где

W G c

pm

– водяной эквивалент теплоносителя, Вт/К (Вт/оС).

 

 

 

 

 

 

На практике тепловой поток, отданный горячим теплоносителем не ра-

вен тепловому потоку, полученному холодным теплоносителем,

вследствие

6

теплообмена с окружающей средой. Независимо от вида теплообменника ба-

ланс теплоты в аппарате записывается уравнением

Q1 =Q2 ,

(6)

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

G1 r1 x1 x2 = G2 cpm,2 ( 2 - 1 ) ,

(7)

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

 

 

 

 

 

G1 cpm,1 (t1 - t2 ) = G2 cpm,2 ( s - 1 ) G2 r2 x2 ,

(8)

где

 

s

и

r

– температура кипения, о С и скрытая теплота парообразования

 

 

 

2

 

 

холодного теплоносителя, Дж/кг.

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

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

7

Принимая во внимание, что трубы теплообменника тонкостенные, рас-

чётное значение коэффициента теплопередачи можно определять, как для плоской многослойной стенки

kр =

 

 

 

1

 

 

 

 

,

(9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

i 1

 

i

 

 

 

 

где 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного

2

 

n

 

 

 

 

теплоносителей, Вт/(м

.К);

 

 

 

= R т

удельное термическое сопротивле-

 

 

 

i=1

 

i

 

ние стенки и загрязнений, определяемое как сумма термических сопротивле-

ний теплопроводности стенки

с

, загрязнений со стороны горячего

з1

и

 

 

 

 

с

з1

холодного

з2 теплоносителей, (м2.К)/Вт.

з2

Справочные данные по термическим сопротивлениям стенки и загряз-

нений приведены в лабораторных работах.

Эффективность работы теплообменного аппарата в процессе его экс-

плуатации снижается вследствие образования и увеличения загрязнений на стенках теплообменника со стороны теплоносителей. Это приводит к росту суммарного термического сопротивления и уменьшению численного значе-

ния коэффициента теплопередачи, что, в конечном счёте, негативно влияет на количество передаваемой теплоты.

Для нахождения более точного значения коэффициента теплопередачи в формулу (9) необходимо вводить поправки на соотношения площадей наружной к внутренней 1 и наружной к средней 2 поверхности теплообме-

на:

kрн =

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

,

(10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

n

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

i 1

 

i

 

 

 

 

 

8

=

Fн

,

 

=

2 Fн

.

(11)

2

 

1

F в

 

 

F в Fн

 

 

 

 

 

 

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]:

 

Q = kF m ,

 

 

(12)

где kF – водяной эквивалент

поверхности

 

теплообмена, Вт/К ( Вт/ оС );

F – площадь поверхности теплообмена, м2;

m

– средняя разность темпера-

 

 

 

тур между теплоносителями, оС.

 

 

 

 

В практических расчетах

неразделимый

 

комплекс определяется как

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

 

9

 

 

kоп =

Q1

.

(13)

Fн m

 

 

 

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

 

 

=

( 1

- 2 )

,

(14)

m

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

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)

 

10

 

 

 

Для схемы «прямоток»

1 = t1 - 1 , 2

= t2 - 2 .

(15)

Для схемы «противоток»

1 = t1 - 2 ,

2

= t2 - 1 .

(16)

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

 

Pr

0,25

 

Nu C Rem Gr p Prn

.

(17)

 

 

 

 

 

 

Prc

 

Определяемое число Нуссельта, или критерий теплоотдачи, характери-

зует соотношение тепловых потоков, передаваемых конвективным теплооб-

меном и теплопроводностью по нормали на границе твердое тело – жидкость

Nu

d

,

(18)

 

 

 

 

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)

Re

w d

 

w d

,

(19)

 

 

 

 

 

 

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

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке ЛР