Цель работы

1. Закрепить теоретические знания по теплоотдаче с изменением и без изменения агрегатного состояния теплоносителя, по теплопередаче в трубчатых теплообменных устройствах.

2. Практически ознакомиться с одним из наиболее распространенных в химической промышленности типов теплообменной аппаратуры – кожухотрубчатым теплообменником (на примере теплообменника с Ư –образными трубами).

3. Ознакомиться с практическим применением для целей теплообмена насыщенного водяного пара в качестве горячего теплоносителя (греющего) и воды в качестве холодного теплоносителя (нагреваемого).

4. Экспериментально определить зависимость коэффициентов теплоотдачи от скорости движения холодного теплоносителя – воды.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.)

Установка смонтирована на базе двухходового кожухотрубчатого теплообменника 1 с Ư –образными трубами.

Характеристика теплообменника:

- количество труб n, шт……………………………………..2;

- диаметр труб d₂хб, мм ……………………………….28 х2,5;

- полная длина Ư –образной трубы l, м……………………3,4.

В теплообменнике водопроводная вода (холодный теплоноситель) нагревается за счет теплоты конденсации греющего насыщенного водяного пара (горячий теплоноситель).

Вода поступает в трубное пространство теплообменника 1 через ротаметр 9 (тип РС-5). Регулировка расхода ее осуществляется вентилем 10. Для измерения начальной и конечной температур воды на входном и выходном трубопроводах теплообменника установлены термометры 7, 8 (указаны на рис. стрелками).

Насыщенный водяной пар поступает в межтрубное пространство теплообменника. Подача его осуществляется открытием регулирующего вентиля 4. Давление пара в теплообменнике измеряется манометром 5. Конденсат отводится через шайбу II (в момент пуска – через обводную линию). Для удаления неконденсирующихся газов из межтрубного пространства теплообменника служит кран 2.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Открыв вентиль 10, подать воду в трубное пространство теплообменника (с любым расходом). Путем осторожного открытия вентиля подать пар в межтрубное пространство теплообменника и установить (по манометру 5) давление его около 0,4-0,5 атм, но не выше 1 атм. В течение 3-5 мин, открыв кран 2, произвести продувку межтрубного пространства – удалить из него неконденсирующиеся газы. Одновременно открыть вентиль 3 на обводной линии конденсата для быстрого вывода его из теплообменника.

По окончании продувки и после удаления избыточного конденсата закрыть кран 2 и вентиль 3. Установить некоторый расход воды по ротаметру 9. Численное определение расхода производится с помощью тарировочного графика для ротаметра РС-5, размещенного непосредственно на установке, в зависимости от числа делений, на которое поднимается поплавок ротаметра. В установившемся режиме работы (при данном расходе воды), характеризующимся постоянством температуры воды t₂ на выходе из теплообменника, снять показания ротаметра 9 и термометров 7 и 8.

Изменить расход воды и все вышеописанное повторить снова. Рекомендуется провести не менее 10 опытов (при различных расходах воды от минимального до максимального). Давление греющего пара в течение всей работы следует поддерживать постоянным.

После окончания работы закрыть вентиль 4 на паровой линии, а затем через некоторое время вентиль 10 на линии подачи воды. Установку сдать учебному мастеру.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. С помощью таблиц для насыщенного водяного пара [3] по известному давлению определить температуру конденсации греющего пара (горячего теплоносителя) – t_к.

2. Определить среднюю разность температур Δt_i теплоносителей в каждом опыте:

Δt_i = Δ t_{б, i} – Δ t_{м, i} / ln (Δ t_{б, i} / Δ t_{м, i} ),

Δ t_{б, i} = t_к – t_{1, i},

Δ t_{м, i} = t_к – t_{2, i}.

Здесь i – номер опыта (i = 1, 2, 3,…); t_{1, i} – начальная температура воды (ее возможное изменение от опыта к опыту обусловлено не зависящими от экспериментатора причинам), ^оC; t_{2, i} – конечная температура воды, ^оC.

При ( Δ t_{б, i} / Δ t_{м, i} )‹ 2 с достаточной точностью Δ t_i может быть определена как среднее арифметическое из Δ t_{б, i} и Δ t_{м, i} .

3. Определить величину удельного теплового потока

q_i = ρ_i V_i c_i (t_{2, i} – t_{1, i})/ F.

Здесь q_i – удельный тепловой поток, Вт/м²; ρ_i, c_i – плотность и теплоемкость воды при ее средней температуре t_i, кг/м³ и Дж/кг·К (соответственно);

t_i = t_к – Δ t_i;

V_i – объемный расход воды, м³/с; V_i = (50 + 2,91 Ni)· 10^-6 или по тарировочному графику; Ni – число делений ротаметра; F – поверхность теплопередачи, м²;

F = π· d₁· l· n,

Рис. Схема лабораторной установки для исследования процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике:

1 – кожухотрубчатый теплообменник с Ư – образными трубами;2 – кран для продувки межтрубного пространства; 3 – вентиль для быстрого слива конденсата; 4 – регулирующий вентиль на линии греющего пара; 5 – манометр; 6 – запорный вентиль (нормально открыт); 7, 8 – точки замера температуры воды (термометры); 9 – ротаметр; 10 – регулирующий вентиль на линии холодной воды; 11 – конденсатоотводчик (шайба).

d₁ – внутренний диаметр трубы , м; l – полная длина одной трубы, м; n – число труб в теплообменнике.

4. Определить коэффициент теплоотдачи α_{1, i} от конденсирующегося пара к наружной стенке трубы по эмпирической зависимости для одиночной горизонтальной трубы [3, с. 163]:

α_1,i = 0,645 λ (ρ²r g/μ d₂)^1/3· q^-1/3,

где ρ, λ, μ – плотность, коэффициенты теплопроводности и вязкости конденсата (взять при температуре конденсации), соответственно кг/м³; Вт/м·К; Н·с/м²; g – ускорение свободного падения, м/с²; r – удельная теплота конденсации (парообразования), Дж/кг; d₂ – наружный диаметр трубы, м.

5. Определить среднюю температуру внутренней стенки трубы t_ст.i, исходя из условия постоянства величины теплового потока в установившемся режиме работы и заменяя действительную цилиндрическую стенку условной плоской:

t_ст.i = t_к – q_i (1/α_1,i + δ/λ_ст + 1/1/r_загр),

где δ – толщина стенки трубы, м; λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы (стали), Вт/м· К; 1/r_загр – тепловая проводимость загрязнений внутренней стенки трубы, Вт/м²·К (принять для воды по [3]).

6. Для каждого опыта определить значение коэффициента теплоотдачи α_2,I от внутренней стенки трубы к воде (холодному теплоносителю):

α_2,i = q_i / t_ст,i - t_i .

7. По результатам эксперимента построить график зависимости коэффициента теплоотдачи α_2,i от скорости движения воды ω_i в трубах теплообменника. Скорость воды определить предварительно по уравнению расхода:

ω_i = V_i / S,

где S – площадь поперечного сечения потока воды, м²;

S = π d₁²/4· n.

8. Рассчитать значения коэффициентов теплоотдачи от стенки к воде α_{2,i,расч.} с помощью эмпирических уравнений для теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителей в прямых трубах. Расчетные формулы подобрать самостоятельно из рекомендованных литературных источников [1-3] в зависимости от гидродинамического режима течения воды в трубах теплообменника.

9. Проиллюстрировать сходимость экспериментальных результатов α_2,i с расчетными α_{2,i, расч.}, построив корреляционный график в координатах α_2,i – α_{2,i,расч.}.