ПАХТ - ЛАБЫ

1

6

2 5

7

Рис. 4. Схема установки 1 – колонна; 2 – ротаметр; 3 – диафрагма; 4 – дифманометр диафраг-

мы; 5 – указатель уровня жидкости; 6 – дифманометр; 7 – ЛАТР; 8 – вентиль регулирующий

Опытное определение гидравлического сопротивления сухой тарелки. Отключить подачу воды. Для слива воды с колпачковой тарелки к ней снизу прикреплена трубочка с зажимом. Для слива воды необходимо снять зажим и после освобождения тарелки от жидкости трубочку снова зажать. Включить вентилятор, и при максимальном

151

показании дифманометра 4 в течение 10 минут пропускать воздух через колонну до полного удаления воды с тарелки. Затем, регулируя подачу воздуха, измерить дифманометром 6 гидравлическое сопротивление сухой тарелки. Произвести замеры гидравлического сопротивления тарелок для 5-6 значений расходов воздуха. Эти измерения должны охватить весь диапазон шкалы дифманометра 4. Полученные результаты записать в табл.1 отдельно для ситчатой и колпачковой тарелок. Выключить вентилятор. Объемный расход газа Vɺã определить по показаниям дифманометра 4, используя тарировочный график, помещенный на стенде установки.

Таблица 1 Опытные и расчетные результаты для сухой тарелки

Опытное определение гидравлического сопротивления орошае-

мой тарелки. Открыть вентиль для воды и установить ее расход, соответствующий 30 делениям шкалы ротаметра. Включить вентилятор и, постепенно увеличивая расход воздуха, добиться постоянного уровня жидкости hж на тарелке по уровнемеру 5. Замерить гидравлическое сопротивление (перепад давления воздуха при прохождении его через тарелку) для 5-6 значений расхода воздуха. При каждом расходе газа измерить также высоту жидкости hж на тарелке. Результаты измерений свести в табл.2 для ситчатой и колпачковой тарелок отдельно.

152

Расчетное определение гидравлического сопротивления сухой и орошаемой тарелки. Расчеты выполнить для тех же расходов газа и жидкости, которые наблюдались в опытах. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки определяется по уравнению (2), в котором коэффициент сопротивления для ситчатой тарелки принимается равным ξ= 1,8, а для колпачковой тарелки - ξ= 5,0; скорость газа w 0 в отверстиях ситчатой тарелки (или в прорезях колпачковой тарелки) равна

i

w 0= V г / S 0.

Гидравлическое сопротивление слоя жидкости на тарелке рассчитывается по уравнению (4).

Гидравлическое сопротивление орошаемой тарелки рассчитывается по формуле (1). Все теплофизические характеристики газа и жидкости рекомендуется брать при температуре 15 0С.

Полученные опытные и расчетные результаты записываются в табл. 3 отдельно для ситчатой и колпачковой тарелок.

По полученным опытным и расчетным результатам построить графики зависимостей гидравлических сопротивлений сухой и орошаемой тарелок от скорости газа w0 в живом сечении тарелки и сравнить их.

153

Рис.5. Зависимость ∆p от w 0

Контрольные вопросы

1.Назначение и устройство колонн с ситчатыми и колпачковыми тарелками.

2.Дайте описание гидродинамических режимов работы тарелок.

3.Запишите и поясните расчетные формулы по определению гидравлического сопротивления сухой и орошаемой тарелок.

4.Перечислите преимущества и недостатки ситчатых и колпачковых тарелок.

154

РАБОТА 18

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Доц. А.И. Разинов, ассист. Н.Е. Харитонова, ассист. В.В. Бронская

Теплообмен – перенос энергии в форме тепла. Теплообменными называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла.

В теплообменных процессах тепло передается от одних сред к другим, имеющих общее название теплоносители. Теплообмен может осуществляться как при непосредственном контакте теплоносителей, так и через разделяющую их стенку. Теплопередача – перенос тепла от одного теплоносителя к другому через границу раздела фаз. Теплоот- дача – перенос тепла внутри теплоносителя от границы раздела фаз к ядру фазы или в обратном направлении. В интегральной форме уравнения теплопередачи (1) и теплоотдачи (2) можно записать

ницу раздела фаз за единицу времени); F - поверхность теплопереда-

чи; ∆Тср = Tг - Tх - средняя по поверхности F разность температур горячего Tг и холодного Тх теплоносителей (движущая сила процесса

теплопередачи); Tгр - T - средняя по поверхности F разность температур теплоносителя в непосредственной близости от границы раздела фаз Tггр , Tхгр и в ядре фазы Тг, Тх (движущая сила процесса теплоот- дачи); К - коэффициент теплопередачи (количество тепла, переноси-

мое от одного теплоносителя к другому за единицу времени через единицу поверхности в расчете на единицу движущей силы); αг , αх - коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей (количество тепла, передаваемое от границы раздела фаз к ядру фазы

155

или в обратном направлении за единицу времени, через единицу поверхности в расчете на единицу движущей силы).

Тепловая нагрузка теплообменника может быть найдена из уравнений теплового баланса, в соответствии с которыми она равна количеству тепла, отдаваемому за единицу времени горячим теплоносителем, а также количеству тепла, воспринимаемому за единицу времени холодным теплоносителем. Допуская отсутствие потерь тепла в окружающую среду, при неизменном фазовом состоянии теплоносителей эти уравнения можно записать в виде

теплоемкости; Тгн, Тхн - начальные температуры; Тгк, Тхк - конечные температуры горячего и холодного теплоносителей.

Средняя движущая сила теплопередачи при прямоточном движении теплоносителей и допущении, что структура их потоков близка к модели идеального вытеснения, может определяться как средняя логарифмическая величина. Изменение температур теплоносителей по длине аппарата представлено на рис. 1.

Рис.1 Распределение температур по длине аппарата при прямоточном движении теплоносителей:

2ℓ- длина труб в обеих секциях теплообменника, изображенного на рис.2; ∆Тб и ∆Тм - разности температур теплоносителей на концах аппарата.

156

Измерив в опыте расходы теплоносителей, а также их начальные и конечные температуры и зная величину поверхности теплопередачи, из уравнения (1) с использованием (3) – (8) может быть найдено опытное значение коэффициента теплопередачи Коп.

Расчетное значение коэффициента теплопередачи Кр в случае теплопередачи через плоскую стенку можно найти с использованием коэффициентов теплоотдачи и суммарного термического сопротивления стенки ∑rст , которое определяется термическим сопротивлением

самой стенки, а также термическими сопротивлениями загрязнений со стороны каждого теплоносителя:

где δ, λ - толщина и коэффициент теплопроводности стенки; rзг, rзх - термические сопротивления загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

Наибольшую сложность при расчете коэффициентов теплопередачи составляет определение коэффициентов теплоотдачи. Перенос тепла внутри теплоносителя может осуществляться за счет четырех механизмов: молекулярного, конвективного, турбулентного и излуче-

нием. Последним в жидких средах можно пренебречь. Коэффициент теплоотдачи зависит от формы и размера канала, по которому движется теплоноситель, теплофизических свойств теплоносителя и характера его движения.

Теплообменники типа “ труба в трубе” состоят из последовательно соединенных секций (рис.2). Каждая секция представляет собой конструкцию из двух соосных круглых труб разного диаметра. Один из теплоносителей (в нашем случае горячий) движется по внут-

157

ренней трубе, а другой (холодный) - по кольцевому пространству между трубами. Внутренняя труба с наружным диаметром dн , называемая теплообменной 1, соединяется с другой секцией калачом 2. Внешняя труба с наружным диаметром Dн называется кожуховой 3. Кольцевые пространства секций соединяются с помощью штуцеров.

Рис.2. Теплообменник типа "труба в трубе".

1 - теплообменная труба; 2 - калач; 3 - кожуховая труба; I, II - входы и выходы теплоносителей

Теплопередача между теплоносителями происходит через стенку внутренней (теплообменной) трубы на участке контакта теплоносителей длиной ℓ для каждой из секций.

Судить о характере изотермического движения жидкости в канале можно по величине критерия Рейнольдса:

где w - средняя по сечению канала скорость жидкости; ρ, μ - плотность и динамический коэффициент вязкости жидкости; S, dЭ, ПС - площадь поперечного сечения, эквивалентный диаметр и смоченный периметр канала. При Re < 2300 в каналах круглого и кольцевого сечения наблюдается ламинарный режим течения, при 2300 < Re < 104 - переходный, при Re > 104 - развитый турбулентный. При неизотермическом течении (неоднородности поля температур, наблюдаемой

158

при теплообмене) характер движения усложняется. Так, например, в горизонтальных круглом и кольцевом каналах возникают циркуляционные конвективные токи, вызванные естественной конвекцией

(рис.3).

Рис.3 Направления циркуляционных токов в горизонтальном теплообменнике типа “ труба в трубе” при TI > TII .

Заметное влияние на теплоотдачу естественная конвекция начинает оказывать при (Gr × Pr) > 8 ×105 :

где Gr и Pr - критерии Грасгофа и Прандтля соответствующего теплоносителя, g - ускорение свободного падения, βр - коэффициент объ-

емного расширения, ∆T - движущая сила теплоотдачи.

159

Рис.4. Изменение температуры в процессе теплопередачи через стенку теплообменной трубы толщиной δ при наличии загрязнений толщинойδз

rв , rн - внутренний и наружный радиусы теплообменной трубы, Rв - внутренний радиус кожуховой трубы.

Наименьшие коэффициенты теплоотдачи наблюдаются при ламинарном режиме движения в каналах при отсутствии влияния естественной конвекции, так как перенос тепла в направлении, перпендикулярном поверхности теплопередачи, осуществляется лишь за счет молекулярного механизма. Возникновение конвективных токов (см. рис.3) вызывает дополнительный перенос тепла за счет конвективного механизма и, следовательно, увеличению коэффициентов теплоотдачи. Переход от ламинарного к турбулентному режиму движения приводит к увеличению коэффициентов теплоотдачи за счет дополнительного переноса тепла турбулентным механизмом. В инженерной практике коэффициенты теплоотдачи рассчитывают с использованием критериальных уравнений. Сложность таких расчетов заключается в

гр гр

необходимости знания средних граничных температур Tх , Tг теплоносителей (рис. 4), входящих в критериальное уравнение и учитывающих изменение теплофизических свойств теплоносителя от ядра до границы раздела фаз. Определить их, а также коэффициенты теплоотдачи можно из решения системы пяти уравнений:

160