спхфу Практикум ПАХТ ч2 2013

Таблица опытных и расчетных данных Таблица 9.1

3. Скорость воды в змеевике

4m

w 2 , где

dв2

G - расход воды по ротаметру, кг/с

d= 5мм – внутренний диаметр трубки змеевика; - плотность воды, кг/м3.

4. Критерий Рейнольдса

Re wd , где

- вязкость воды, Па.с

5.Среднюю разность температур определяют по формуле (9.9).

6.Количество теплоты определяют по уравнению (9.10).

7.Коэффициент теплопередачи определяют из формулы (9.8), в которой

F – площадь поверхности теплообмена змеевика,

F dl ,

где d = 6 мм – средний диаметр трубки змеевика; l – длина змеевика (трубки), м.

l Dn h n 1 ,

где D=92 мм – диаметр витка змеевика; n = 4 – количество витков;

h = 26 мм – шаг витка.

Расчетные данные заносят в таблицу 9.1.

8. Строят зависимость t1 и t2к от времени.

Контрольные вопросы

1.Характерные особенности неустановившегося теплового режима.

2.Определение расхода теплоты при неустановившемся тепловом

режиме.

3.Средняя разность температур при неустановившемся тепловом

процессе.

4.Тепловой баланс теплообменного аппарата.

5.Зависимость коэффициента теплопередачи от режима потока теплоносителя.

6.Основное уравнение теплопередачи при неустановившемся тепловом

режиме.

Работа 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВУХТРУБЧАТОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Тепловые процессы (нагревание или охлаждение теплоносителей) находят широкое применение в различных производственных процессах, в том числе и в химико-фармацевтической промышленности. Для непрерывных процессов количество теплоты Q, Вт, которое передается от более нагретого к более холодному теплоносителю через разделяющую их стенку определяется уравнением

где К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙К);

F – площадь поверхности теплообмена, м2;

tср средняя разность температур между теплоносителями, К;

Средняя разность температур определяется по формуле

Количество теплоты, перешедшее от более горячего к более холодному теплоносителю можно определить из уравнения теплового баланса. Для теплообменного аппарата, в котором подвод тепла осуществляется за счет конденсации греющего пара, уравнение теплового баланса имеет вид:

(10.4)

где G2 – массовый расход греющего пара, кг/с;

G1 – массовый расход нагреваемого теплоносителя, кг/с;

c2 – удельная теплоемкость нагреваемого теплоносителя, Дж/(кг∙К);

t2, t1 – конечная и начальная температуры нагреваемого теплоносителя, ºС;

r – удельная теплота парообразования греющего пара, Дж/кг.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле

где 1 и 2 - коэффициенты теплоотдачи от греющего пара к стенке и от стенки

кнагреваемому теплоносителю, Вт/(м2∙К);

- толщина стенки трубы теплообменника, м;

ст - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м∙К);

rзагр - сумма термических сопротивлений загрязнений стенок трубы, м2∙К/Вт.

Коэффициент теплоотдачи 2 от стенки к жидкости (газу)

Nu

2 d

зависит от режима движения теплоносителя и определяется по

экспериментально полученным уравнениям.

В случае ламинарного режима (Re<2300)

2gd3 t

Gr - критерий Грасгофа; (10.12)

2

- коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м∙К);

d – внутренний диаметр трубы, по которой движется теплоноситель, м;

и с – плотность кг/м3, и удельная теплоемкость Дж/(кг∙К), теплоносителя;

и - динамический коэффициент вязкости, Па∙с, и коэффициент объемного расширения, К-1, теплоносителя;

t разность температур внутренней поверхности трубы и теплоносителя, К; g – ускорение свободного падения, м/с2.

При вычислении критериев Re, Pr, Nu, Gr значения физико-химических констант принимают при средней температуре жидкости, а критерия Prст – при температуре стенки, соприкасающейся с потоком. Для газов Pr/Prст=1 как при нагревании, так и при охлаждении, поскольку для газов данной атомности (при невысоких давлениях) критерий Pr является приблизительно постоянным, не

зависящим от температуры и давления.

Температуру стенки трубы в первом расчете принимают ориентировочно и затем уточняют проверочным расчетом по поверхностной плотности теплового потока (удельной тепловой нагрузке) q, Вт/м2. При этом должно

выполняться условие

где tст1 и tст2 – температуры поверхности стенки со стороны греющего пара и со стороны нагреваемого теплоносителя, ºС (рис. 10.1)

tконд – температура конденсации греющего пара, ºС

tср – средняя температура нагреваемого теплоносителя, ºС

Вслучае невыполнения условия (10.13) задаются другими значениями tст1

ирасчеты повторяют.

Рис. 10.1. Схема к расчету q

Цель работы

-изучение работы теплообменника;

-определение коэффициента теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к воздуху в двухтрубчатом теплообменнике;

-установление зависимости коэффициента теплопередачи от стенки трубы к воздух при различных режимах его движения;

-определение расхода греющего пара на нагревание воздуха.

Лабораторная установка и методика проведения работы

Лабораторная установка (рис. 10.2) состоит из парообразователя 2,

снабженного водомерным стеклом 1, манометром 4 и термометром 3;

двухтрубчатого трехсекционного теплообменника 7, газодувки 14;

гидравлического затвора 9 и системы трубопроводов с регулировочным вентилем 13, диафрагмой 11, соединенной с дифференциальным манометром

12, термометрами 6 и 10 и вентилями 5 и 8. Каждая из 3-х секций теплообменника длиной 0,5 м состоит из двух концентрически расположенных стальных труб диаметрами 32 х 2,5 и 15 х 2,5 мм.

Рис. 10.2. Cхема установки для исследования процесса теплопередачи в двухтрубчатом теплообменнике.

Перед началом опыта проверяют наличие воды в парообразователе и ее уровень. В случае пониженного уровня воды или ее отсутствия открывают вентиль 5 и заполняют парообразователь водой. Включают электронагреватель парообразователя. В гидравлический затвор подают воду, регулируя ее расход вентилем 8. Полностью закрывают вентиль 13. Кипение воды в парообразователе, температуру пара и его давление контролируют термометром

3 и манометром 4.

После появления конденсата пара на выходе из гидравлического затвора включают газодувку 14. Регулировочным вентилем 13 по дифманометру 12,

присоединенному к диафрагме 11, устанавливают заданный перепад давления

Р. При достижении установившегося режима теплопередачи, о чем будет свидетельствовать постоянство температуры воздуха на выходе из теплообменника, определяют температуры воздуха на входе и выходе из теплообменника по термометрам 10 и 6. Далее опыт повторяют при других расходах воздуха (устанавливают другие значения Р). После окончания работы выключают обогрев парообразователя, газодувку и подачу воды в гидравлический затвор. Закрывают вентиль 13.

Обработка опытных данных и порядок составления отчета

1. Пользуясь графиком (рис.10.3) по показаниям дифманометра определяют объемный расход воздуха V, м3/с, и рассчитывают его массовый расход по формуле

G V ,

где - плотность воздуха , кг/м3, при средней температуре,

tср t1 t2 , 2

t1 и t2 – температуры воздуха на входе и на выходе, ºС.

воздуха принимают из условия, что при теплопередаче от конденсирующегося пара к газу температура стенки близка к температуре конденсации пара, так как теплоотдача от пара к стенке существенно интенсивнее теплоотдачи от стенки к воздуху.

5. В зависимости от режима движения воздуха по формуле (10.6), (10.7)

или (10.8) рассчитывают критерий Nu, после чего определяют значение коэффициента теплоотдачи 2 от стенки к воздуху из формулы (10.9).

6. Коэффициент теплоотдачи 1 от конденсирующегося водяного пара к стенке всегда на 2 - 3 порядка выше коэффициента теплоотдачи 2 от стенки к воздуху. В таком случае он практически не оказывает влияния на общий коэффициент теплопередачи К. Следовательно, значение коэффициента 1

можно принимать ориентировочно по справочным данным.

7.По формуле (10.5) рассчитывают коэффициент теплопередачи К, от конденсирующегося водяного пара к воздуху. Значения термических сопротивлений загрязнений принимают также по справочным данным.

8.Проверяют принятую температуру стенки из системы уравнений (10.13)

ипри необходимости уточняют перерасчетом.

Таблица опытных и расчетных данных Таблица 10.1