Исследование работы теплообменника «трубав трубе»

1. Теоретические основы работы

1.1. Экспериментальный метод определения коэффициента теплопередачи.

В данной работе изучается теплообменный аппарат, в котором теплоносители находятся в однофазном состоянии и не контактируют друг с другом непосредственно. Такие аппараты называют поверхностными теплообменниками или рекуперативными. Установка позволяет осуществить две простых схемы движения теплоносителей: прямоточная (теплоносители движутся в одном направлении) и противоточная (теплоносители движутся в противоположных направлениях). Целью данной работы является экспериментальное определение коэффициента теплопередачи от «горячего» теплоносителя к «холодному» и расчет гидравлических характеристик теплообменника.

Тепловой поток, отдаваемый горячим теплоносителем рассчитывается по формуле, Вт

(1)

Воспринимаемый тепловой поток холодным теплоносителем рассчитается ана-логично, Вт

, (2)

где t₁ и t₂ – температуры горячего и холодного теплоносителей соответственно. Индексы «штрих» и «два штриха» - соответствуют условиям на входе и выходе. Cp₁ и Cp₂ – изобарные теплоемкости теплоносителей (в данном случае величины можно принять равными 4180 Дж/(кг*К), поскольку теплоносителем является вода, а в рабочем интервале температур её теплоемкости слабо отличается от вышеприведенной величины).

G₁ и G₂ – массовые расходы теплоносителей (кг/с)

, (3)

где V – объемный расход (м³/c); плотность воды (принять 994 (кг/м³).

Отношение (4) - КПД теплообменника.

(4)

Тепловой поток в окружающую среду (потери тепла) определяется разностью

. (5)

Для повышения точности дальнейшего расчета воспользуемся средней между ними величиной

(6)

Уравнение теплопередачи для цилиндрического теплообменника выглядит следующим образом

, (7)

где l – рабочая длина поверхности теплопередачи, l = 0,9 м; k_l - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м*К); T - среднелогарифмический температурный напор.

Среднелогарифмический температурный напор равен

, (8)

где T_Б и T_М – большая и меньшая разница температур в концевых сечениях теплообменника независимо от схемы движения теплоносителей (рис.1), то есть T₁ = t₁ – t₃; T₂ = t₂ – t₄ , если T₁ > T₂ значит T_Б = T₁ ;T_М = T_2.

t₃ = t₂ ^/ - при прямотоке - t₄ = t₂^//

t₄ = t₂^// - при противотоке - t₄ = t₂^/

Рис.1

Тогда из уравнения (7) линейный коэффициент теплопередачи будет равен, Вт/(м*К):

. (9)

Формула (9) используется для экспериментального определения коэффициента теплопередачи.

Число Рейнольдса

^, (10)

где w – скорость теплоносителя, м/с (её можно оценить как w=V/F, где F –площадь сечения канала);  кинематическая вязкость, м²/c (её значение берется из таблиц при средней температуре теплоносителя); l₀ – характерный размер поверхности теплообмена. Для внутреннего контура l₀ =0,013 м – это внутренней диаметр внутренней трубы. Для кольцевого канала внешнего контура l₀ – это разность между внутренним диаметром внешней трубы и внешним диаметром внутренней трубы l₀ = 0,025-0,015=0,01 м. Для труб турбулентное течение соответствует Re > 4000.

Тогда для внутренней цилиндрической трубки и кольцевого канала внешнего контура можно рассчитать коэффициенты гидравлического трения (безразмерная величина) по одной из следующих формул:

Пуазейля для ламинарного движения при Re < 2300 ….....……...…….. ;

Формула Блазиуса при 2300 < Re < 10⁴………………….…..….. ;

Формула Альдшуля при Re > 10⁴…………………..…..… ;

Формула Никурадзе при Re > 10⁵…………………...... .

Удельное линейное падение давления в трубо­проводе (уравнение Дарси), Па/м

, (11)

где  – коэффициент гидравлического тре­ния; w – скорость движения среды, м/с;  – плотность среды, кг/м3; l_o – характерный линейный размер канала, м;