Мет_указ_[1 часть]
.pdf2.Для всех экспериментальных точек найти фиктивные скорости воздуха и построить график в координатах lg = f(lgW).
3.Вычислить плотность воздуха:
|
273 |
|
кг |
|
|
г |
о |
|
, |
|
(11) |
Т |
м3 |
где Т - температура, К;о - плотность воздуха при нормальных условиях, равная 1,293 кг/м3.
4.Выбрав 3 любые экспериментальные точки и выразив для них значениясух в системе СИ (Н/м2), из уравнения (4) найти опытные значения коэффициента трения оп.
5.Для этих же точек рассчитать значения критерия Рейнольдса, принимая для
воздуха г = 1,8 10 -5 кг/(м с). 6 6. По соответствующему уравнению определить теоретические значения ко-
эффициента трения теор и сравнить с экспериментальными.
Сопротивление орошаемой насадки
1.Построить график в координатах lg Pорош= f(lg W), по которому найти опытное значение скорости воздуха в точке инверсии Wо. инв.
2.Зная температуру воды, по таблице 3 найти плотность воды ж и динамическую вязкость воды ж.
3.Объемные расходы воздуха и воды в точке инверсии пересчитать в массовые:
G V |
|
г |
, |
кг |
(12) |
||
|
|
|
|||||
г |
|
|
ч |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
L Vж |
ж , |
|
кг |
(13) |
|||
|
ч |
||||||
|
|
|
|
|
|
4.По уравнению (9) определить теоретическое значение скорости воздуха в точке инверсии Wт.инв и сравнить его с экспериментальным.
5.Найти плотность орошения U.
6.Выбрав 3 любые экспериментальные точки, из уравнения (10) определить опытные значения коэффициента b и сравнить с теоретическим.
Расчетные данные занести в таблицу 2.
Таблица 2 - Расчетные результаты
Номер |
|
Vг |
W |
lg W |
lg pсух |
lg орош |
оп |
Re |
теор |
b |
точек |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W о.инв |
= |
W т.инв |
= |
U = |
|
|
|
|
21
Таблица 3
Свойства |
|
|
Температура, 0С |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
20 |
|
30 |
|
40 |
50 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность ж, кг/м3 |
1000 |
998 |
|
996 |
|
992 |
988 |
Динамическая |
|
|
|
|
|
|
|
вязкость ж 103, |
1,31 |
1,0 |
|
0,804 |
|
0,657 |
0,549 |
кг/(м с) |
|
|
|
|
|
|
|
Отчет включает схему установки, расчеты определяемых величин, графики сопротивления сухой и орошаемой насадки, таблицы 1 и 2.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к лабораторной работе №2
1.Порядок выполнения работы.
2.Виды насадок и их характеристики.
3.Гидравлическое сопротивление сухой насадки (теоретическое и экспериментальное определение).
4.Гидродинамические режимы двухфазных потоков в насадочных колоннах (характерные виды движения потоков и переходные точки).
5.Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки (теоретическое и экспериментальное определение).
6.Поверхность фазового контакта, оптимальный режим работы и определение диаметра насадочных колонн.
7.Особенности работы эмульгационных колонн.
8.Конструкция устройств для распределения жидкости.
22
Лабораторная работа №5 «Испытание кожухотрубчатого теплообменника»
Краткие теоретические сведения о процессе теплообмена
Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур, при которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.
Существуют три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: тепловое излучение, теплопроводность и конвекция.
Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излу-
чающего тела. Влияние теплового излучения незначительно до температур
500-600 оС.
Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие непосредственного соприкосновения друг с другом микрочастиц (молекул, атомов) в твердых телах и в тонких ламинарно движущихся слоях жидкостей и газов.
Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают естест-
23
венную (свободную) и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствие разности температур в этих точках. Вынужденная конвекция осуществляется при принудительном движении всего объема жидкости.
В большинстве случаев распространение тепла происходит одновременно двумя-тремя способами.
Основным законом переноса тепла теплопроводностью является закон
Фурье:
количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за вре-
мя d прямо пропорционально температурному градиенту t , поверхности
dF и времени d . |
|
n |
||
|
|
|||
dQ |
t |
dFd , |
(5.1) |
|
|
||||
|
n |
|||
|
|
|
||
где dQ – количество переданного тепла; |
t |
- температурный градиент; |
||
|
||||
dF - элемент поверхности теплообмена; |
n |
|||
|
|
|||
- коэффициент теплопроводности; |
|
|
||
d - время. |
|
|
Размерность коэффициента теплопроводности в системе СИ:
|
|
dQ dn |
|
Дж м |
|
Вт |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||
|
К м |
2 |
|
|
|||||||||
|
|
t dF |
|
|
|
с |
|
|
м К |
Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Величина коэффициента , характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.
Наиболее важным часто встречающимся случаем теплообмена является конвективный теплообмен. Под конвективным теплообменом в соответствии с рис. 5.1 понимают процесс распространения тепла в газе (жидкости) от поверхности твердого тела одновременно конвекцией и теплопроводностью.
Этот процесс называют также теплоотдачей. Интенсивность теплоотдачи зависит от гидродинамических условий течения газа.
24
tст
tгаз
tж
Рис.5.1. Характер изменения температур в движущейся среде при конвективном теплообмене
При теплоотдаче тепло распространяется от поверхности твердого тела к газу через пограничный слой теплопроводностью и от пограничного слоя в массу (ядро) газовой среды преимущественно конвекцией. Лимитирующей стадией процесса теплоотдачи является перенос тепла теплопроводностью через пограничный слой. В ядре потока происходит выравнивание температур благодаря интенсивному перемешиванию. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и к увеличению количества передаваемого тепла, т.е. к интенсификации процесса теплообмена. Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона:
количество тепла dQ, отдаваемое за время d поверхностью стенки dF, имеющей температуру стенки tст газу с температурой tг, прямо пропорционально элементу поверхности теплообмена dF и разности температур tст - tг.
dQ (tст tг)dF d , |
(5.2) |
где tст , tг – температуры соответственно поверхности теплообмена и окружающей среды (газа); - коэффициент теплоотдачи.
Размерность коэффициента теплоотдачи в системе СИ:
|
dQ |
|
|
Дж |
|
|
Вт |
||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
dF(t |
t )d |
|
м2 К с |
|
|
м2 К |
|
||
|
ст г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от 1м2 поверхности стенки к газу в течение 1 сек при разности температур между стенкой и газом, равной 1 град.
Величина коэффициентов теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами: режимом и скоростью движения теплоносителя; вязкостью, плотностью, теплоемкостью и теплопро-
25
водностью; размерами и формой поверхности теплообмена. Зависимость коэффициентов теплоотдачи от этих факторов весьма сложна, поэтому для их определения используются методы теории подобия.
Для вынужденного движения жидкостей и газов внутри труб критериальное уравнение при турбулентном режиме (Re 10000) имеет вид:
|
0,8 |
|
0,43 |
|
Pr |
0,25 |
|
|
Nu 0,021 l Re |
Pr |
|
|
, |
|
|||
|
|
|
|
|
(5.3) |
|||
|
|
|
|
|
Prст |
|
где Nu - критерий Нуссельта; l - коэффициент, учитывающий отношение длины трубы к ее диаметру; Re - критерий Рейнольдса; Pr, Prст – значения критерия Прандтля, соответственно, при средней температуре теплоносителя и при температуре стенки трубы.
Для газов критериальное уравнение (5.3) может быть упрощено. Например, для воздуха:
Nu = 0,018 l Re0,8. |
(5.4) |
|
|
При ламинарном режиме (Re 2320): |
|
Nu = 0,15 l Re0,33 Pr0,43 Gr0,1(Pr/Prст)0,25. |
(5.5) |
|
|
При переходном режиме (2320 Re 10000) справедливо приближен- |
|
ное уравнение: |
|
Nu = 0,008 Re 0,9 Pr 0,43. |
(5.6) |
|
При движении воздуха в условиях естественной конвекции в ограни-
ченном и замкнутом пространстве: |
|
Nu = 0,85 Gr 0,25. |
(5.7) |
|
Nu dэ .
Re – критерий Рейнольдса:
Re wdэ .
Gr - критерий Грасгофа:
Gr |
gdэ3 2 |
t, |
|
2 |
|||
|
|
(5.8)
(5.9)
(5.10)
где в этих формулах:
dэ - эквивалентный диаметр трубы; w - скорость теплоносителя;
, , , - соответственно теплопроводность, динамическая вязкость, плотность и коэффициент объемного расширения теплоносителя при его средней
26
температуре;
t - разность между температурой стенки трубы и средней температурой теп-
лоносителя, t = tст – tг.
При расчете теплообменников по значению критерия Нуссельта, найденному из соответствующего критериального уравнения, определяют коэффициент теплоотдачи .
Процесс передачи тепла от более нагретого к более холодному теплоносителю через разделяющую их стенку носит название теплопередачи. Основное уравнение теплопередачи для элементарной поверхности dF можно
записать следующим образом: |
|
|
dQ = К(t1 |
– t2) dFd , |
(5.11) |
|
|
где К - коэффициент теплопередачи; t1, t2 - температуры теплоносителей.
В промышленной аппаратуре теплопе- |
|
|
|
|
|
|
|
δст |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
редача протекает в большинстве случаев при |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
переменных температурах теплоносителей, ко- |
|
t1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
гда температуры изменяются вдоль разделяю- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
щей их стенки. |
|
|
|
|
tст1 |
|
|
|
tст2 |
|
|
|
||||||||
Движущая сила теплопередачи (разность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
температур между теплоносителями) также из- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
меняется вдоль поверхности теплообмена, по- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
этому она определяется как средняя разность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
температур. Тогда основное уравнение тепло- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
передачи имеет вид (в интегральной форме): |
Рис. 5.2. Характер измене- |
|||||||||||||||||||
Q = К tср F |
(5.12) |
|||||||||||||||||||
ния температур при |
теп- |
|||||||||||||||||||
Средняя разность температур зависит от |
|
лопередаче через |
пло- |
|||||||||||||||||
взаимного направления движения теплоносите- |
|
|
|
скую стенку |
|
|
|
лей. Для ее определения составляется схема распределения температур. В непрерывных процессах теплообмена возможны
следующие варианты направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:
|
|
|
|
|
2 |
1 |
1 |
1 |
|
2 |
1 |
1 |
|
||||
2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||
а |
б |
в |
г |
|
д |
Рис. 5.3 – Схемы направления движения теплоносителей при теплообмене:
а – прямоток; б - противоток; в – перекрестный ток; г – однократный смешанный ток; д – многократный смешанный ток.
27
1.параллельный ток, или прямоток в соответствии с рис. 5. 3, а, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;
2.противоток (рис. 5. 3, б), при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях;
3.перекрестный ток (рис. 5. 3, в), при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;
4.смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одной направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток (рис. 5. 3, г) и многократный смешанный ток (рис. 5. 3, д).
Средняя разность температур tср для противотока и прямотока находится по уравнению:
tср tб tм , |
(5.13) |
ln tб |
tм
где tб, tм - соответственно наибольшее и наименьшее значения разностей температур t1 и t2 .
При отношении tб 2 средняя разность температур может опреде-
|
|
tм |
|
|
ляться как среднее арифметическое: |
|
|||
tср |
|
tб tм |
. |
(5.14) |
|
||||
|
2 |
|
В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и четное число ходов в трубном) среднюю разность температур можно определить:
tср |
|
|
A |
, |
|
2.3lg |
tб |
tм A |
|||
|
|
||||
tб |
tм A |
(5.15) |
|||
|
|
где tб, tм – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника при противотоке с теми же начальными и конечными температурами теплоносителей.
A 2 t2 , |
(5.16) |
где - изменение температуры горячего теплоносителя; |
|
t- изменение температуры холодного теплоносителя. |
|
нач кон , |
(5.17) |
где нач - начальная температура горячего теплоносителя;
28
Tкон- конечная температура горячего теплоносителя. |
|
t tкон tнач , |
(5.18) |
где tкон - конечная температура холодного теплоносителя; tнач- начальная температура холодного теплоносителя.
Коэффициент теплопередачи К характеризует интенсивность теплопереноса и вычисляется по следующему уравнению:
К |
1 |
, |
|
1 ст 1 |
(5.19) |
1 ст 2
где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи первого и второго теплоносителей;ст/ ст - термическое сопротивление стенки.
Размерность коэффициента теплопередачи в системе СИ:
Q |
|
|
|
|
Дж |
|
|
|
|
Вт |
|
|||||
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
ср |
|
м |
2 |
К |
|
м |
2 |
|
|||||||
F t |
|
|
|
с |
|
|
|
К |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 м2 при разности температур между теплоносителями 1 град.
Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением:
1 |
|
1 |
|
ст |
|
1 |
, |
(5.20) |
|
|
ст |
|
|||||
K |
1 |
2 |
где 1 , 1 - термические сопротивления теплоносителей.
1 2
Впрактических расчетах коэффициента теплопередачи необходимо
учитывать термическое сопротивление загрязнений:
К |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
. |
|
|
1 |
|
ст |
r |
|
1 |
|
(5.21) |
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
1 |
|
|
ст |
загр |
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При теплопередаче через чистую металлическую стенку (без загрязнений и тепловой изоляции) термическое сопротивление стенки невелико и им можно пренебречь.
Если значения коэффициентов теплоотдачи 1 и 2 значительно отличаются друг от друга, например, 1 2 , то величина К практически определяется меньшим из них, т.е. значением 2: К 2 .
29
Такая ситуация характерна для процесса теплопередачи, если в качестве теплоносителей используются газ и жидкость. Коэффициент теплоотдачи для воды значительно превышает коэффициент теплоотдачи для воздуха, поэтому для интенсификации теплопередачи необходимо стремиться увеличить меньший коэффициент теплоотдачи, например, увеличением скорости воздуха.
При выполнении работы следует иметь в виду, что для определения коэффициентов теплоотдачи по некоторым критериальным уравнениям необходимо знать температуру стенки. Она определяется методом последовательных приближений: задавшись произвольно этой температурой, находят коэффициент теплоотдачи , далее вычисляют коэффициент теплопередачи К и по удельной тепловой нагрузке проверяют сходимость предварительно принятой величины tст с полученной в результате расчета. Например, при охлаждении воды воздухом проверить температуру стенки можно следующим образом:
q = K tср = возд(tствозд –tсрвозд) = воды(tсрводы –tстводы), |
(5.22) |
|
где возд, воды - коэффициенты теплоотдачи воздуха и воды; tсрвозд, tсрводы - средние температуры воздуха и воды;
tствозд, tcтводы - температуры стенок со стороны воздуха и воды.
Двухходовой кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции в соответствии с рис. 5.4, состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2.
4 |
1 |
3 |
4 |
ІІІ
5 |
І |
2 |
ІІ |
2 |
|
Рис. 5.4. Кожухотрубчатый двухходовой теплообменник:
1 – корпус (обечайка); 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – крышка; 5 – поперечная перегородка
В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4. С помощью поперечной перегородки 5, установленной в крышке теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.
30