Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ «Изучение процессов теплообмена между системами пар-жидкость, жидкость-газ в трубчатых рекуперативных теплообменниках», по дисциплине «Процессы и аппараты

нефтегазопереработки и нефтехимии»

Уфа 2010

СОДЕРЖАНИЕ

С.

1 Основные теоретические положения 2

2 Описание экспериментальной установки 13

3 Пуск установки 16

4 Лабораторная работа № 1 18

4.1 Цель работы 18

4.2 Порядок проведения работы 18

4.3 Обработка результатов измерений 19

4.4 Содержание отчета 22

4.5 Вопросы для самоконтроля 23

5 Лабораторная работа № 2 24

5.1 Цель работы 24

5.2 Порядок проведения работы 24

5.3 Обработка результатов измерений 25

5.4 Содержание отчета 27

5.5 Вопросы для самоконтроля 28

6 Лабораторная работа № 3 29

6.1 Цель работы 29

6.2 Порядок проведения работы 29

6.3 Обработка результатов измерений 30

6.4 Содержание отчета 33

6.5 Вопросы для самоконтроля 33

6.6 Список использованных источников 34

Приложение 35

1 Основные теоретические положения

Теплообмен - необратимый самопроизвольный перенос тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Движущей силой этого процесса является разность температур тел. Перенос теплоты осуществляется тремя различными по физике способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность - представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный неоднородностью температурного поля.

Под конвекцией понимают процессы переноса теплоты при перемещении макроскопических объемов газа или жидкости в пространстве между областями с различной температурой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, и этот совместный процесс называют конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей.

Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться излучением. Тепловое излучение - процесс переноса теплоты с помощью электромагнитных волн различной длины.

На практике процессы переноса тепла от одной среды к другой осуществляются в теплообменных аппаратах. По принципу действия они могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В смесительных теплообменниках тепло передается при непосредственном смешивании теплоносителей.

В регенеративных теплообменниках тепло передается посредством объёмной массы аккумулирующего твердого тела, поверхность которого через определённые промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителями. Они редко применяются в промышленности.

В наиболее распространенных рекуперативных теплообменниках перенос тепла осуществляется через поверхность теплообмена - глухую стенку, исключающую смешение теплоносителей. Процесс передачи тепла между различными средами через разделительную твердую стенку называют теплопередачей.

Общий поток тепла Q, передаваемого в теплообменном аппарате (теплообменнике), для конкретного технологического процесса определяется с помощью теплового баланса, составляемого при расчете этого процесса по заданной производительности:

, (1)

где - тепло, отдаваемое горячим теплоносителем;

- тепло, воспринимаемое холодным теплоносителем;

- потери тепла в окружающую среду.

Тепло, отдаваемое горячим теплоносителем равно:

, (2)

если теплоноситель при теплообмене не изменяет агрегатного состояния, или:

, (3)

если изменяет (например, при использовании в качестве теплоносителя насыщенного водяного пара).

Тепло, воспринимаемое холодным теплоносителем равно:

(4)

В этих зависимостях:

- массовый расход горячего и холодного теплоносителей, соответственно, кг/с;

с_т, с_x - теплоемкость горячего и холодного теплоносителя, соответственно, Дж/(кгК);

t , t , t , t , - температура горячего и холодного теплоносителей, соответственно до и после теплообмена;

Н_Т, Н_К - энтальпия (теплосодержание), соответственно парового теплоносителя и его конденсата, Дж/кг;

r = Н_Т - Н_к - удельная теплота парообразования (конденсации) теплоносителя, Дж/кг.

Н_Т, Н_К, r определяются по таблице свойств насыщенных паров теплоносителя в зависимости от температуры и давления. Определенный по тепловому балансу (1) общий тепловой поток Q передается через поверхность теплообмена теплообменника технологической схемы процесса.

Необходимая поверхность теплообмена теплообменника определяется из уравнения теплопередачи для установившегося состояния процесса:

, (5)

выражающего зависимость между потоком тепла Q [Вт] горячего теплоносителя к холодному в единицу времени, коэффициентом теплопередачи К [Вт/(м²К], поверхностью теплообмена F [м²] и средней разностью температур горячего и холодного теплоносителя Δt_ср [К].

Коэффициент скорости теплового процесса - коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю через поверхность теплообмена F=1м² при средней разности температур Δt_ср = 1 градус.

Средняя движущая сила Δt_ср определяется с учетом принятой схемы организации движения потоков теплоносителей в теплообменнике как среднелогарифмическая величина

, (6)

где Δt_б и Δt_м - соответственно большая и меньшая разность температур между горячим и холодным теплоносителями в процессе теплообмена, а если отношение  2, то с достаточной для практики точностью, Δt_ср можно определить как среднеарифметическую величину, т.е. принять

. (7)

Величины Δt_б и Δt_м зависят от принятой схемы организации движения потоков теплоносителей в конструкции теплообменника.

Зависимостями (6) и (7) пользуются при простых вариантах направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки - параллельном токе (прямотоке) и противотоке (см. рисунок 1). При более сложных схемах организации движения потоков теплоносителей (перекрестный, однократный или многократный смешанный токи) Δt_ср наиболее часто находят исходя из среднелогарифмической разности температур при противотоке (Δt_ср)_прот., используя соотношение , где - поправочный множитель меньше единицы.

а) б)

а) прямотоке; б) противотоке, и определение большей и меньшей

разности температур - t_б, t_м

Рисунок 1 - Изменение температуры теплоносителей при:

Если теплоноситель при теплообмене изменяет агрегатное состояние (например, конденсация насыщенного пара) его температура остается постоянной вдоль поверхности теплообмена, то направление движения теплоносителей не оказывает влияния на расчет средней разности температур t_ср (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Изменение температуры теплоносителей в случае конденсации горячего теплоносителя

Использование основного уравнения теплопередачи (5) при определении площади теплообмена для заданной тепловой производительности возможно при наличии данных о термических сопротивлениях со стороны горячего и холодного теплоносителей, разделяющей их твердой стенки, из которых и складывается общее термическое сопротивление теплообмена, определяющее величину коэффициента скорости - коэффициента теплопередачи К:

, (8)

где и - термическое сопротивление горячего и холодного теплоносителей соответственно;

- термическое сопротивление разделяющей стенки, с учетом возможных загрязнений её поверхности (накипь, твердые солевые отложения и т.д.);

и - коэффициенты теплоотдачи, характеризующие интенсивность теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно.

Для расчета потока тепла передаваемого теплоотдачей между теплоносителем и стенкой обычно используют закон теплоотдачи Ньютона:

, (9)

где t_T, t_X - температуры горячего и холодного теплоносителей в ядрах потока соответственно;

t , t - температура стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно.

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией, зависящей от большого числа факторов (теплофизических свойств теплоносителя, его агрегатного состояния, геометрии стенки, её температуры, а также от гидродинамических условий движения теплоносителя - режима и скорости).

Для инженерной практики важно иметь представление о порядке величин в некоторых распространенных процессах теплоотдачи. Ниже приводятся ориентировочные пределы значений коэффициентов теплоотдачи в промышленных теплообменных устройствах, Вт/м²·К:

- свободная конвекция в газах 5  30

- свободная конвекция воды 100  10³

- вынужденная конвекция газов 10  500

- вынужденная конвекция воды 500  2·10⁴

- кипение воды 2·10³  4·10⁴

- пленочная конденсация водяных паров 4·10³  1,5·10⁴

Следует отметить, что сравнительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции, достигаются большими энергетическими затратами, и их целесообразность следует подтверждать экономическими расчетами.

Определение численных значений коэффициентов теплоотдачи при расчете конкретного процесса является наиболее сложной инженерной задачей. Наиболее желательным для инженерной практики является аналитическое решение математической модели процесса для получения этого результата. Однако во многих случаях математическое описание процессов теплообмена оказывается столь сложным, что решить задачу аналитически не представляется возможным. В таком случае задача может быть решена либо численным методом, либо экспериментально. При большом числе аргументов в этом случае оказывается чрезвычайно большим объем вычислений или экспериментов, возникают трудности и при обобщении численных решений и экспериментов. Поэтому в инженерной практике для упрощения процедуры расчета коэффициентов теплоотдачи пользуются так называемыми обобщенными переменными - критериями подобия, представляющие собой безразмерные комплексы физических величин, которые отражают совместное влияние их совокупности на явление.

Степень этого влияния определяется функциональной связью между критериями подобия системы - критериальным уравнением.

В общем виде при установившемся процессе конвективного теплообмена критериальное уравнение имеет вид :

Nu = f(Re, Pr, Gr, Г₁, Г₂,…., Г_n), (10)

где Nu = - критерий Нуссельта характеризует отношение между потоком теплоты от жидкости к поверхности тела (теплоотдачей) и потоком теплоты теплопроводностью в жидкости у стенки;

Re = - критерий Рейнольдса, характеризует гидродинамический режим потока, являясь мерой отношения сил инерции и молекулярного трения;

Gr = - критерий Грасгофа, характеризует отношение сил молекулярного трения к подъемной силе, обусловленной разностью плотностей в различных точках неизотермического потока при свободной конвекции;

Pr = - критерий Прандтля, характеризует подобие физических свойств теплоносителей и является мерой подобия полей температур и скоростей в потоке;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

- скорость среды, м/с;

- коэффициент динамической вязкости, Н·с/м²;

- плотность среды, кг/м³;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

l - характерный линейный размер, м; (если движение теплоносителя происходит в трубе круглого сечения, то в качестве характерного линейного размера принимают внутренний диаметр трубы; если теплоноситель движется в канале сложной формы, то за характерный линейный размер принимают эквивалентный диаметр d_экв= , причем

S - площадь поперечного сечения потока, м²;

П - смоченный периметр, м);

g - ускорение свободного падения, м/с²;

- коэффициент объёмного расширения, 1/К;

Г_1, Г_2, …, Г_n - параметрические критерии, составленные из одноименных величин (так например, при движении теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l - Г = .

Критерии Re, Pr, Gr являются определяющими критериями, критерий Nu - определяемый, зависящий от определяющих критериев. Конкретный вид расчетных критериальных уравнений типа (10) для некоторых распространенных на практике случаев получен обобщением экспериментальных данных.

Так для теплоотдачи без изменения агрегатного состояния для установившегося турбулентного течения внутри прямой трубы предложена зависимость;

Nu = , (11)

Зависимость (11) справедлива при Re  10⁴, Pr > 0,5,  50.

В переходном режиме (2300 < Re < 10⁴) теплоотдача может быть рассчитана по зависимости:

Nu = f (Re)Pr^0,43, (12)

где f (Re) - функция зависящая от Re:

Re	2300	2500	3000	3500	4000	5000	6000	7000	8000	9000	>104
f(Re)	3,6	4,9	7,5	10	12,2	16,5	20	24	27	30	0,021Re0,8

Для ламинарного течения (Re<2300) при горизонтальном расположении труб можно воспользоваться уравнением:

Nu = , (13)

где Pe = = - критерий Пекле, является мерой соотношения тепла переносимого путем конвекции и теплопроводностью при конвективном теплообмене;

_ст - вязкость среды при температуре стенки, Па·с;

L - длина тубы, м.

Зависимость (13) справедлива при значениях

20  ( )  120; 10⁶  (Gr, Pr)  1.3·10⁷; 2  Pr  10

При ( )  10 значение Nu определяют по уравнению:

Nu =0,5( ), (13а)

физические параметры в критериях Nu, Re, Pr, Gr, Pe определяются при средней температуре среды.

Теплоотдача при продольном обтекании пучка труб - распространенный случай переноса тепла в межтрубном пространстве трубчатых теплообменников. В этом случае коэффициенты теплоотдачи рассчитываются по уравнению:

Nu = , (14)

где с = 1,16 или 1,72 соответственно при отсутствии или наличии поперечных перегородок в межтрубном пространстве.

Определяющим геометрическим параметром в уравнении (14) является эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

d_экв = , (15)

где n – число труб в пучке;

D_В – внутренний диаметр наружной трубы (кожуха), м;

d_н – наружный диаметр внутренних труб, м.

Определяющей температурой является температура теплоносителя.

Для частого на практике случая теплоотдачи при изменении агрегатного состояния, например, при конденсации пара на наружной поверхности горизонтальной трубы, коэффициент можно найти по уравнению:

, (16)

где - коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, Вт/(м²·К);

- коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);

- плотность конденсата, кг/м³;

- вязкость конденсата, Н·с/м²;

d_тр - наружный диаметр трубы, м;

r - удельная теплота парообразования при температуре насыщения, Дж/кг;

q - удельная тепловая нагрузка, Дж/(с·м²).

В уравнении (16) физические параметры , , определяются при средней температуре пленки конденсата, однако для инженерной практики допустимо их определение при температуре насыщения t_нас.

Следует иметь в виду, что при наличие в паре даже небольших примесей воздуха или других неконденсирующихся газов, величина для конденсирующегося пара резко снижается. На практике, это требует обязательной установки на теплообменной аппаратуре, в которой используется в качестве теплоносителя насыщенный водяной пар, продувочных клапанов для удаления воздуха при пуске.

Для инженерной практики важным является также и то обстоятельство, что насыщенный водяной пар имеет очень высокие удельную теплоту парообразования (конденсации) r  2200 кДж/кг и коэффициент теплоотдачи при конденсации (на один два порядка больше коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции, см. стр.6), а это значит, что в теплообменниках газ (жидкость) - конденсирующийся пар, основное термическое сопротивление будет сосредоточено со стороны газа (жидкости) и обеспечение его уменьшения будет являться основной задачей при проектировании.

При расчете теплообменника, определив значение критерия Нуссельта по соответствующему критериальному уравнению, вычисляют для каждого теплоносителя

, (17)

а по уравнению (8) величину коэффициента теплопередачи К. Величина К всегда меньше наименьшего из коэффициентов теплоотдачи, если частные термические сопротивления различны по величине, то для интенсификации теплопередачи следует уменьшить наибольшее из них. Как видно, из параметров входящих в критерии подобия теплообменных процессов, практической возможностью для этого является только увеличение скорости движения теплоносителя, что сопряжено с усложнением конструкции (увеличение затрат на изготовление) и увеличением энергозатрат при эксплуатации (из-за увеличения гидравлического сопротивления аппарата), и только экономический расчет обозначит их предельную целесообразность. Важным обстоятельством является и поддержание чистоты поверхности теплообмена в процессе реальной эксплуатации теплообменника, конструктивной доступности для ее периодической очистки.

Зная, К и tср из уравнения (5) можно определить площадь поверхности теплообмена аппарата F, необходимую для осуществления процесса теплопередачи заданной тепловой нагрузки Q:

. (18)

От величины F зависят и общие габариты теплообменного аппарата, определяемые конструктивным расчетом.