2.1. Изучение процесса теплопередачи в теплообменнике типа «труба в трубе»

Теоретический материал

Процессы тепловой обработки пищевых продуктов являются важнейшими элементами пищевой технологии.

В зависимости от назначения тепловые процессы могут обеспечивать нагревание, охлаждение, термостатирование, замораживание продукта и пр.

Тепловая обработка пищевых продуктов связана с передачей тепла между средами – теплоносителями, которая осуществляется в аппаратах, называемых теплообменниками.

По способу теплообмена теплообменники подразделяются на смесительные и поверхностные.

Одним из поверхностных теплообменников является теплообменник типа «труба в трубе», конструкция рабочего элемента которого состоит из двух коаксиально расположенных труб различного диаметра. Обменивающиеся теплом среды в таком теплообменнике движутся по внутренней трубе (нагреваемая среда) и в межтрубном пространстве (теплоноситель), при этом скорость движения сред является одним из факторов, оказывающих влияние на интенсивность теплопередачи.

Количество тепла, передаваемое через стенку от горячей среды к холодной, может быть рассчитано по основному уравнению теплопередачи:

, (2.1.1)

где – средняя разность температур (по длине теплообменника или по поверхности) между средами (теплоносителями), °С, может быть определена для случаев:

при , (2.1.2)

при , (2.1.3)

где и – соответственно большая и меньшая разности температур между теплоносителями на входе и выходе из теплообменника; F – поверхность теплообмена, м²; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² °С).

Разность температур является движущей силой теплообмена. Коэффициент теплопередачи по физическому смыслу является термической проводимостью пути, по которому тепло передается от горячего теплоносителя к холодному. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению. В случае теплопередачи общее сопротивление теплопередаче обычно представляют как сумму сопротивлений:

, (2.1.4)

где – термическое сопротивление при передаче тепла от теплоносителя к поверхности стенки, где – коэффициент теплоотдачи или термическая проводимость пристенного слоя, Вт/(м² °С); – суммарное термическое сопротивление стенки, слоев покрытий и загрязнений (накипь, нагар, ржавчина и др.) со стороны обеих сред, – толщина слоя, м; – коэффициент теплопроводности, Вт/(м² °С); – термическое сопротивление при передаче тепла от поверхности стенки к более холодной среде, где – коэффициент теплоотдачи или термическая проводимость пристенного слоя со стороны более холодной среды.

Термическая проводимость:

, (2.1.5)

или

. (2.1.6)

Наибольшую трудность при определении коэффициента теплопередачи представляет нахождение коэффициентов теплоотдачи ; коэффициент теплопроводности находят из таблиц [1].

Коэффициент теплоотдачи находят из критериальных уравнений для каждого вида теплообмена или экспериментально. Выбор необходимого критериального уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи из множества зависимостей, имеющихся в литературе, ведут с учетом следующих признаков: вида теплообмена, агрегатного состояния обменивающихся сред, вида и режима движения, геометрии поверхности теплообмена, ориентации поверхности в пространстве, наличия средств интенсификации теплообмена.

При вычислении коэффициентов теплоотдачи очень важно, чтобы все теплофизические величины, входящие в критерии подобия, были выбраны при определенных температурах и в одной системе единиц.

В лабораторной установке нагревание воды осуществляется горячей водой. Теплообмен идет без изменения агрегатного состояния сред в горизонтальных трубах круглого сечения. Движение воды вынужденное. Режим движения следует определить при выполнении работы самостоятельно по критерию Рейнольдса.

Общий вид критериальной зависимости для данного случая

Nu = f (Re, Gr, Pr), (2.1.7)

или

Nu = c Re^m Grⁿ Pr^p. (2.1.8)

Конкретный вид уравнений в зависимости от режима движения:

для ламинарного режима Nu = 0,15 Re^0,33 Gr^0,43 Pr^0,4; (2.1.9)

для переходного режима Nu = 0,008 Re^0,9 Pr ^0,43; (2.1.10)

для турбулентного режима Nu = 0,023 Re^0,3 Pr ^0,43. (2.1.11)

Критерий (число) Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена:

, (2.1.12)

где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² °С); – определяющий геометрический размер аппарата, м;  – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м² °С) (из таблиц [1]).

Для кольцевого сечения аппарата типа «труба в трубе»:

, (2.1.13)

в других случаях:

,

где П – смоченный периметр, м; S – площадь поперечного сечения потока теплоносителя, м.

Критерий Рейнольдса:

, (2.1.14)

где  – плотность, кг/м³;  – коэффициент динамической вязкости, Па·с; – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; g – ускорение свободного падения, м/с²; – скорость движения среды в аппарате, м/с.

Критерий Прандтля характеризует физические свойства теплоносителя:

,

где с_ – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг °С).

Критерий Грасгофа характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции:

, (2.1.16)

где β – коэффициент объемного расширения теплоносителя, 1/°С; t – разность температур теплоносителя к поверхности нагрева, град.

По указанным уравнениям производят расчет критерия Нуссельта, по которому определяют коэффициенты теплоотдачи.

Цель работы

1. Изучить влияние скорости движения нагреваемой среды на интенсивность теплообмена.

2. Определить величину коэффициента теплопередачи при различных скоростях движения сред по экспериментальным данным.

3. Определить термическое сопротивление загрязнений стенки.

Задание

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и методикой выполнения лабораторной работы.

2. Провести испытания теплообменника.

3. Произвести обработку данных и вычислить коэффициент теплопередачи при разных скоростях движения нагреваемой среды. Произвести поверочный расчет поверхности теплообмена.

Описание установки

Установка (рис. 2.1.1) состоит из теплообменника 1, термостата 2, термометров 3, 4, 5, 6, резиновых трубопроводов 7, приемной трубы слива 8, мерника 9, вентиля 10 для регулирования количества подаваемой из магистрали воды.

Рис. 2.1.1. Схема экспериментальной установки:

1 – теплообменник, 2 – термостат; 3, 4, 5, 6 – термометры; 7 – калач; 8 – слив; 9 – мерник; 10 – вентиль; 11 – тумблеры нагревателей; 12 – тумблер пуска двигателя; 13 – электродвигатель.

Теплообменник состоит из двух горизонтально расположенных элементов типа «труба в трубе», изготовленных из стеклянных трубок (внутренний диаметр наружной трубки 20 мм, диаметр внутренней трубки 8,5  0,4 мм). Внутренние трубы и межтрубное пространства соединены друг с другом резиновыми трубками 7. Теплоноситель (горячая вода) подается в межтрубное пространство из термостата насосом, приводимым в действие вместе с мешалкой электродвигателем 13.

Производительность насоса термостата 0,0385 л/с (3,85 10^-5 м³/с). Нагреваемая вода с температурой t_н поступает из магистрали во внутреннюю трубу, нагревается до температуры t_к и по трубке подается в приемную трубу 8 для слива в канализацию или при измерении расхода направляется в мерный сосуд 9. Вода в термостате нагревается с помощью двух электронагревательных элементов, Обменивающиеся теплом среды движутся в теплообменнике по схеме противотока.

Порядок выполнения работы

Перед началом работы необходимо нагреть предварительно налитую в термостат воду до температуры 60 – 70 °С, для чего необходимо включить тумблеры электронагревательных элементов 11, а по достижении заданной температуры отключить с помощью одного из тумблеров электронагревательный элемент на 700 Вт. Далее поддержание температуры воды в термостате может быть осуществлено с помощью второго электронагревательного элемента и контактного термометра. Вентиль 10 на магистрали холодной воды установить с учетом того, чтобы скорость течения по трубам соответствовала ламинарному режиму (Re < 2320).

Измерение расхода воды произвести объемным способом, для чего трубку слива перевести в мерник 9 и одновременно включить секундомер, который необходимо будет выключить после, заполнения мерника.

Секундный расход веды определить по формуле:

, (2.1.17)

где V – объем мерника, м³;  – время наполнения мерника, с.

При достижении требуемой температуры включить тумблер 12 привода насоса термостата. Испытания проводить при установившемся режиме, через 2 – 5 мин регистрировать показания всех четырех термометров. Началом замеров температур считать момент, когда температура нагреваемой воды будет постоянной.

По термометру 3 регистрируем температуру поступающей холодной воды, по термометру 4 – температуру нагретой воды, по термометру 5 – начальную температуру теплоносителя (горячая вода, выходящая из термостата), по термометру 6 – температуру выходящего из теплообменника теплоносителя.

Данные испытания занести в протокол. После окончания первой серии испытания на минимальной скорости течения нагреваемой воды по заданию преподавателя с помощью учебного мастера или заведующего лабораторией отрегулировать вентиль 10 на максимальный расход поступающей холодной воды с целью увеличения ее скорости движения и по достижении нагреваемой водой постоянной температуры на выходе произвести измерения расхода и температур по указанной ранее методике.

Данные первой и второй серий испытаний занести в протокол, составленный по форме (табл. 2.1.1.).

После завершения испытаний следует отключить насос термостата, нагревательные элементы, электропитание установки на общем щите, закрыть вентиль подачи холодной воды в теплообменник, вылить воду из мерника, сдать секундомер учебному мастеру, подписать черновик протокола у преподавателя.

По данным первой и второй серки испытаний вычислить средние значения величин.