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:
30
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
2.34 Mб
Скачать

41

 

 

=

( 1 - 2 )

 

82,9 34,6

55,3 оС .

m

 

 

 

 

 

1

 

 

 

82,9

 

 

 

 

 

ln

 

ln

 

 

 

 

 

2

 

34,6

 

 

Опытное значение коэффициента теплопередачи

 

Q

 

65,8

103

3160 Вт /(м

2

 

kоп =

1

 

 

.К) .

Fн m

 

 

 

 

 

0,3770

55,3

 

 

Параметры испытания теплообменника заносим в таблицу 17.

Таблица 17 – Опытные данные испытания теплообменника

Труба

Q1,

Q2,

η

Θ1,

Θ2,

Θm,

kоп,

 

 

 

 

 

 

 

кВт

кВт

оС

оС

оС

Вт/(м2.К)

 

 

Гладкая

65,8

64,8

0,985

82,9

34,6

55,3

3160

 

 

 

 

 

 

 

 

Диафрагмы

89,0

86,2

0,968

82,9

17,8

42,3

5580

 

 

 

 

 

 

 

 

Для определения расчетного значения коэффициента теплопередачи надо вычислить скорости движения воды по трубам.

Скорость горячей воды

w1

 

 

G1

 

 

0,453

 

1,24 м/с .

 

 

f

1

961,7

3,80

10 4

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Скорость холодной воды

w2

 

 

G2

 

 

1,123

 

2,22 м/с .

 

2

f

2

993,6

5,10

10 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Числа Рейнольдса для горячей и холодной воды

 

 

 

 

w d

 

1,24 22 10 3

90880 ,

Re

 

1

1

 

 

1

 

 

 

3,00 10 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w d

экв

 

2,22 11 10 3

34500 .

Re

 

 

2

 

 

2

 

2

 

7,07 10 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Числа Рейнольдса соответствуют турбулентному режиму движения обоих теплоносителей (26).

Числа Нуссельта для горячей и холодной воды

42

 

 

0,021 Re0,8

Pr0,43

 

Pr

0,25

0,021 908800,8 1,780,43

1,78

0,25

 

Nu

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

218,0 ;

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

3,03

 

 

 

 

 

 

 

Prc

 

 

 

 

 

 

0,021 Re0,8

Pr0,43

Pr

 

0,25

0,021 345000,8 4,680,43

4,68

0,25

Nu

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

193,9 .

2

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

Prc

 

 

 

 

3,03

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Числа Нуссельта определены исходя из предположения, что темпера-

тура стенки трубы равна t

с

59 оС , и

соответствующее число Прандтля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prc 3,03.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке трубы

 

 

 

Nu1 1

 

218,0 0,684

6780 Вт/(м 2 .К) .

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

d

 

 

 

22 10 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной воде

 

 

 

 

 

Nu2 2

 

193,9 0,627

11060 Вт/(м 2 .К) .

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

dэкв

 

 

 

11 10 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверим допустимость прогноза температуры стенки t

59 оС

ба-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

лансом плотностей тепловых потоков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 t tс 2 tс ,

 

 

6780 95,2 59 11060 59 36,4 ,

 

 

24,5 104 25,0 104

Вт/м2.

 

Ошибка в прогнозе очень мала, поэтому принимаем к дальнейшим рас-

четам полученные значения коэффициентов теплоотдачи.

Расчетное значение коэффициента теплопередачи

k

 

=

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

3470 Вт/(м 2 .К) .

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

 

 

 

1

 

 

1

 

5

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

i 1

 

i

 

2

 

 

 

6780

 

 

 

11060

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43

 

 

 

 

Суммарное удельное термическое сопротивление теплопроводностью

стальной

стенки и загрязнений со стороны воды принято

n

 

 

5

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

10

 

 

 

.К)/Вт [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отличие опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи

 

 

 

 

 

 

 

 

kоп kр

 

100

 

3160 3470

 

100 9,8% .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kоп

 

 

3160

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные расчетные параметры испытания теплообменника на схеме движения «прямоток» с гладкими трубами записываем в таблицу 18.

Таблица 18 – Расчетные данные испытания теплообменника

Труба

w1,

w2,

Nu1

Nu1

1

2

kр,

 

 

 

 

 

 

м/с

м/с

 

 

Вт/(м2.К)

Вт/(м2.К)

Вт/(м2

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

Гладкая

1,24

2,22

218,0

193,9

6780

11060

3470

 

 

 

 

 

 

 

 

Диафрагмы

1,23

2,20

487,3

200,8

15060

11520

4920

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчеты и данные таблицы 18 свидетельствуют о наименьшем значе-

нии коэффициента теплоотдачи от горячей воды к стенкам трубы. Практиче-

ски 1 меньше 2 в 1,6 раза.

Исследуем процесс интенсификации теплообмена в так называемых диафрагменных трубах.

Опыт 2. Теплоносители: вода – вода. Трубы с кольцевыми диафрагмами.

Схема движения – прямоток.

Опыт проводится аналогично. На вкладке «Параметры» (рисунок 6)

при тех же параметрах теплообменного аппарата (таблица 13) устанавливаем кольцевые диафрагмы на трубу (рисунок 2). Параметры кольцевых диафрагм отмечаем в таблице 19, которая является продолжением таблицы 13.

Сохраняем значения перепадов давлений Рг и Рх и не меняем поло-

жения реостатов R1 и R4 (рисунок 8).

 

44

 

 

Таблица 19 Параметры кольцевых диафрагм

 

 

 

 

Параметр

Значение

 

 

 

1

Диаметр кольцевых диафрагм dд , мм

18

 

 

 

 

 

2

Диаметр кольцевых каналов dк , мм

22

 

 

 

 

 

3

Шаг кольцевых диафрагм s , мм

24

 

 

 

Рисунок 8 – Схема виртуальной установки:

схема движения – прямоток; Трубы с кольцевыми диафрагмами.

Опытные данные заносим в таблицу 14, параметры теплоносителей в таблицу 15. Уточняем теплофизические свойства горячей и холодной воды.

Далее производим подобный тепловой расчет, учитывая формулу для определения числа Нуссельта в трубе с искусственной шероховатостью (28)

и относительный шаг шероховатости. Относительный шаг искусственной шероховатости

s

 

 

s

 

 

24 2

12 .

(49)

 

 

 

 

h

 

dк dд

 

22 18

 

2

 

 

 

 

 

Использование диафрагменной трубы привело к росту коэффициента теплоотдачи более чем в 2 раза и увеличению значений коэффициента тепло-

передачи и теплового потока на 35 ÷ 40 %. Это непосредственное свидетель-

ство интенсификации теплообмена.

45

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Теплопередача в теплообменнике типа «конденсатор»

Лабораторная работа выполняется на виртуальном теплообменном ап-

парате типа «конденсатор».

Цель работы – изучение теплопередачи в теплообменнике - конденсаторе.

Порядок подготовки установки к работе и проведение опыта

Для запуска лабораторной работы надо открыть файл TP_014А. Затем последовательно кликнуть на «Disable This Warning And Continue» и «ОК».

На вкладке «Параметры» (рисунок 9) выбрать длину и внутренний диаметр трубы и занести в таблицу 20.

Рисунок 9 – Выбор параметров трубы конденсатора

В теплообменнике горячий теплоноситель – конденсирующийся сухой насыщенный водяной пар, холодный теплоноситель – вода.

Таблица 20 Параметры конденсатора

Параметр

Значение

 

 

 

 

1

Внутренний диаметр трубы d1 , мм

 

15

 

 

 

 

2

Наружный диаметр трубы d2 , мм

 

17

 

 

 

 

3

Площадь сечения трубы f1 d12

, см2

1,767

 

4

 

 

 

 

 

 

4

Длина трубы , м

 

4

 

 

 

5

Площадь поверхности теплообмена одной трубы Fв d1 , м2

0,1885

 

 

 

 

6

Количество труб n

 

6

 

 

 

 

46

На схеме виртуального теплообменника (рисунок 10) мышкой клик-

нуть на ключи S1 и S2 для включения привода насоса и задания температуры холодной воды, на входе в конденсатор.

Ключ S3 включает систему получения сухого насыщенного водяного

пара.

Холодный теплоноситель – вода 1 входит в конденсатор и направляется в пучок труб. Расход холодного теплоносителя регулируется реостатом R1 и

замеряется с помощью перепада давлений на кольцевой диафрагме 2.

Рисунок 10 – Схема виртуального конденсатора

Горячий теплоноситель 3 (на входе – сухой насыщенный водяной пар)

конденсируется на пучке труб. Давление пара регулируется реостатом R3.

Температура холодной воды измеряется на входе Тв1 и выходе Тв2

конденсатора с помощью термопар и милливольтметров (рисунок 10).

Полученные значения перепадов давлений и показания термопар,

включая показания на выходе из теплообменника, заносим в таблицу 21.

47

Таблица 21 – Опытные данные испытания конденсатора

 

Параметры «холодной» воды

 

Давление пара

 

 

 

 

Перепад давления

Показания милливольтметра, мВ

 

Р, Па

Рх, кПа

 

 

 

Вход Тв1

 

Выход Тв2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

813043

0,64

5,33

 

8,75

 

 

 

 

 

Массовый расход воды определяется по перепаду давления на кольце-

вой диафрагме 2 в кПа и рассчитывается по формуле (41)

G

2

 

P

= 0,032

0,64 103 0,8095 кг/с ,

2

 

х

 

 

где 0,032 эмпирический коэффициент расхода воды.

Используя данные таблицы П1 переводим значения термопар:

 

78,9 оС ;

 

2

125,4 оС .

 

1

 

 

 

 

 

По значению абсолютного давления насыщения

 

P P P

P 813043 1 105 0,913 МПа

s 1 1и

0

 

 

 

 

 

определяем температуру насыщения t

s

t 175,4 oC

(таблица П5) и необхо-

 

 

 

 

1

 

димые свойства конденсата и «холодной» воды (таблица П4) при средней температуре

 

1 2

 

78,9 125,4

102,1 оС .

2

2

 

 

 

Удельная теплота парообразования (конденсации) водяного пара при заданном давлении равна r1 2032 кДж/кг. Свойства конденсата и «холод-

ной» воды заносим в таблицу 22.

Таблица 22 – Теплофизические свойства воды

Вода

cpm , Дж/(кг.К)

, кг/м3

107 , м2

, Вт/(м.К)

Pr

 

 

 

 

 

 

Конденсат

4398

891,3

1,75

0,679

1,01

 

 

 

 

 

 

Холодная

4223

956,9

2,89

0,684

1,71

 

 

 

 

 

 

48

Обработка результатов измерений

Тепловой поток, полученный «холодной» водой

Q2 = G2 cpm,2 ( 2 - 1 ) = 0,8095 4,223 (125,4 - 78,9 ) 158,8 кВт .

На основании идеального баланса теплоты в конденсаторе (формула 7)

и полной конденсации сухого насыщенного водяного пара (x1=1, x2=0) вы-

числяем расход пара

G1 = Q2 158,8 0,0782 кг/с. r1 2032

Значения расходов и температур конденсата и воды записываем в таб-

лицу 23.

Таблица 23 – Параметры конденсата и «холодной» воды

Массовый расход, кг/с

 

Температура, оС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пар

Вода

Пар/Конденсат

 

 

 

Вода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G1

G2

Вход t

Выход t

2

Вход

1

 

Выход

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,0782

0,8095

175,4

175,4

 

78,9

 

125,4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разности температур

 

= t

-

175,4 78,9 96,5 оС ;

2

= t

2

-

2

175,4 125,4 50,0 оС .

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя разность температур

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m =

( 1

- 2 )

 

96,5 50,0

70,7 оС .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

1

 

 

 

ln

 

96,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

50,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опытное значение коэффициента теплопередачи

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

158,8 103

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kоп =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1990 Вт /(м

.К) .

 

 

 

Fв,ТА

 

 

 

 

 

 

 

6

70,7

 

 

 

 

 

m

0,1885

 

 

 

 

 

Параметры испытания теплообменника заносим в таблицу 24.

49

Таблица 24 – Опытные данные испытания теплообменника

Q1,

Q2,

Θ1,

Θ2,

Θm,

kоп,

кВт

кВт

оС

оС

оС

Вт/(м2.К)

158,8

158,8

96,5

50,0

70,7

1990

 

 

 

 

 

 

Для определения расчетного значения коэффициента теплопередачи надо вычислить коэффициенты теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара и ламинар-

ном движении пленки конденсата на горизонтальном пучке труб определяет-

ся на основании критериального уравнения (32)

 

 

 

 

 

 

 

 

3

r1

1

 

0,25

 

Pr1

 

0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nu1

0,72

g d2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

0,25

 

 

 

 

 

 

0,25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9,81 (17 10

 

) 2032 10

 

891,3

 

 

 

1,01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

282,5

1,75 10

7

0,679 (175,4 149)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,19

 

 

Число Нуссельта рассчитано при оценке температуры стенки трубы

t 149 оС , и тогда число Прандтля

Pr 1,19 .

 

 

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

Коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке трубы

 

Nu1 1

 

 

218,0 0,679

11290 Вт/(м 2 .К)

 

 

 

 

1

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22 10 3

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость движения воды по трубе в пучке

 

 

w2

 

 

 

G2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8095

 

 

0,798 м/с .

 

2

n f

1

 

 

956,9 6 1,767

10 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число Рейнольдса для «холодной» воды

 

 

 

 

 

 

 

 

w d

1

 

0,798 15 10 3

41410 .

 

Re

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2,89 10 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Число Рейнольдса соответствуют турбулентному режиму движения во-

ды в трубном пучке.

Число Нуссельта для «холодной» воды

 

 

 

 

 

Pr

0,25

 

1,71 0,25

 

Nu

 

0,021 Re0,8

Pr0,43

 

2

 

0,021 414100,8 1,710,43

 

 

143,0 .

2

 

 

 

2

2

 

 

 

1,19

 

 

 

 

 

 

Prc

 

Коэффициент теплоотдачи от стенки к «холодной» воде

 

 

 

Nu2 2

 

143,0

0,684

6540 Вт/(м 2 .К) .

2

 

 

 

 

 

d

 

15

10 3

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Проверим допустимость прогноза температуры стенки tс 149 оС ба-

лансом плотностей тепловых потоков.

1 ts tс 2 tс ,

11290 175,4 149 6540 149 102,1 ,

29,8 104 30,7 104 Вт/м2.

Расхождение в балансе теплоты примерно 3%, что допустимо для теп-

лотехнических расчетов, поэтому подставляем полученные значения коэф-

фициентов теплоотдачи в расчетное значение коэффициента теплопередачи

k

 

=

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1830 Вт/(м 2 .К) .

р

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

 

 

 

1

 

1

 

4

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

 

i

 

 

 

11290

 

 

 

6540

 

 

Суммарное удельное термическое сопротивление теплопроводностью стальной стенки и загрязнений со стороны воды и конденсата принято

n

 

 

 

4

2

 

 

 

 

3 10

 

.К)/Вт [2].

 

 

i 1

 

i

 

 

 

 

Отличие опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи

kоп kр

100

 

 

19900 1830

 

100

7,7 % .

 

 

 

 

 

 

kоп

 

1990

 

 

 

 

 

 

 

Соседние файлы в папке ЛР