Міністерство освіти та науки україни

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

ІНСТРУКЦІЯ

до лабораторної роботи №14

„ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМІННИКА”

з курсу

“Процеси і апарати хімічної технології”

для студентів

хіміко-технологічних спеціальностей

Затверджено

на засіданні кафедри хімічної

Протокол № від 2010р.

Львів 2010

Визначення коефіцієнта теплопередачі кожухотрубного теплообмінника.Інструкція до лабораторної роботи №14 з курсу “Процеси і апарати хімічної технології“ для студентів хіміко-технологічних спеціальностей / Укл.В.І.Троцький. Львів : Вид-во Нац.ун-ту ”Львівська політехніка”, 2010.

Укладач В.І.Троцький ,к.т.н.,доц.

Відповідальний за випускВ.М.Атаманюк, д.т.н.,проф.

Рецензенти А.І.Дубинін .д.т.н.,проф.

В.П.Дулеба, к.т.н.,доц.

1. МЕТА РОБОТИ

1. Визначити витрату гарячого теплоносія на нагрівання заданої кількості холодної води.

2. Визначити фактичне значення коефіцієнтів тепловіддачі в кожухотрубному теплообміннику при різних швидкостях руху теплоносіїв.

3. Розрахувати теоретичне значення коефіцієнтів теплопередачі з допомогою критеріальних рівнянь і порівняти їх з значеннями, одержаними на основі експериментів.

4. Пояснити отримані результати.

2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ

Передача тепла від одного рідкого (чи газоподібного) теплоносія до іншого через стінку описується основним рівнянням теплопередачі:

(1)

де Q – теплове навантаження теплообмінного апарату – кількість тепла, яка передається від теплоносія з більшою температурою до теплоносія з меншою температурою за одиницю часу, Вт;

К – коефіцієнт теплопередачі – кількість тепла, яке передається через одиницю поверхні теплопередачі за одиницю часу при різниці температур між теплоносіями, рівній одному градусу, Вт/м² гр;

F – поверхня теплообміну, м²;

Δt_cp–середня різниця температур між теплоносіями, град.

Теплове навантаження Qвизначається з рівняння теплового балансу теплообмінного апарату. В даній роботі досліджується процес нагрівання холодної води гарячою водою. В цьому випадку:

(2)

де t_1п і t_1к – початкова і кінцева температура холодної води, ^оК;

G₁–масова витрата холодної води, ^оК;

с₁ – теплоємність холодної води при середній температурі, Дж/кг град.

Середня різниця температур між теплоносіями розраховується по одній з двох наступних формул, в залежності від співвідношення різниць температур теплоносіїв на вході і виході з теплообмінника.

, якщо (3)

чи

, якщо (4)

де ;

(5)

(6)

t_2п і t_2к – початкова і кінцева температура гарячої води, ^оК.

При проектних розрахунках теплообмінної апаратури коефіцієнт теплопередачі К визначається за наступним рівнянням:

(7)

де α₁ – коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія з більшою температурою до стінки, Вт/м² К;

α₂ – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія з меншою температурою, Вт/м² К;

δ_ст = 0.0025 м – товщина стінки, поділяючої теплоносії;

λ_ст = 93 Вт/м К – теплопровідність стінки (латунь);

r₁ і r₂ – термічний опір забруднень з боку одного і іншого теплоносія, 1/(Вт/м² К).

Величина термічного опору забруднень змінюється в процесі експлуатації теплообмінної апаратури і при проектних розрахунках може бути визначена лиш приблизно по довідникових даних, складених на підставі досліду роботи промислової апаратури. В даній роботі величина термічних опорів забруднень може бути прийнята наступною: з боку холодної водиr₂=0.001 1/(Вт/м² К), а з боку гарячої води r₁=0.0005 1/(Вт/м² К).

Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води до стінки і від стінки до холодної води розраховується по критеріальним рівнянням. Необхідно пам’ятати про те, що ці рівняння мають різний вид для ламінарного, перехідного і турбулентного режимів руху теплоносіїв. Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при русі теплоносіїв в трубах – холодна вода і міжтрубному просторі – гаряча вода використовуються однакові критеріальні рівняння (з врахуванням режимів руху теплоносіїв). Відмінність складається в тому, що при русі теплоносія в трубах в якості визначаючого розміру в критеріях подібності використовується внутрішній діаметр трубок, а при русі теплоносія в міжтрубному просторі – еквівалентний діаметр останнього – d_екв:

(8)

де f – площа вільного січення міжтрубного простору теплообмінника, м²;

П – змочений периметр січення міжтрубного простору, м;

D= 0.145м – внутрішній діаметр кожуха теплообмінника;

d_з = 0.025 м – зовнішній діаметр трубок (внутрішній діаметр цих трубок d_вн=0.02м);

n = 13 – число трубок.

1. Розвинутий турбулентний рух теплоносіїв Re≥10000

(9)

2. Перехідна область режимів руху теплоносіїв 2300<Re<10000

(10)

3. Ламінарний режим руху теплоносіїв (коли помітний вплив вільної конвекції відсутній) Re≤2300

(11)

В рівняннях (9) + (11) прийняті наступні позначення:

критерій Нуссельта – (12)

критерій Рейнольдса – (13)

критерій Прандтля – (14)

де w – швидкість руху теплоносіїв (в трубах чи міжтрубному просторі), м/с;

μ – динамічна в’язкість теплоносіїв, Н·с/м²;

ρ – густина теплоносіїв, кг/м³;

λ–коефіцієнт теплопровідності теплоносіїв, Вт/м К;

d_екв – визначаючий лінійний розмір, м;

L–довжинатрубок, м.

Всі параметри – в’язкість, теплопроводність, теплоємність і густина визначаються з довідникових таблиць при середній температурі відповідних теплоносіїв. Значення критерію Прандтля може бути обраховано за рівнянням (14) чи взято безпосередньо з таблиць при середній температурі теплоносіїв. (див. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков „Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств”, стр. 512, 537).

В рівняннях (9) – (11) множник характеризує вплив напрямку передачі тепла на величину коефіцієнтів тепловіддачі. ТутPr_ст­ – значення критерію Прандтля, обраховане при температурі теплоносія, рівній температурі поверхні стінки (в даному випадку стінки трубок) з боку даного теплоносія. Якщо середня різниця температур між теплоносіями не перевищує величини 50^оС, тобто , то з невеликою похибкою можна прийняти. Якщо, то для визначенняPr_ст. температуру стінки знаходять шляхом послідовних наближень (див. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков „Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств”).