Меню

Теплообменник труба в трубе коэффициент теплопередачи

Теплообменник труба в трубе коэффициент теплопередачи

4.2.2. Работа №2.1. Исследование теплообмена в теплообменнике типа

Описание схемы лабораторной установки

Самым простым теплообменником по конструктивному оформлению, применяемому в химической технологии, является аппарат типа ТТ (труба в трубе), схема которого представлена на рис. 4.4. Теплообменник состоит из внутренней (1) и наружной (2) труб, крышек (3) и штуцеров (4) для подвода и отвода теплоносителей. Расход теплоносителей определяют по показаниям ротаметров (5) и (6), а их регулирование осуществляется с помощью вентилей (7) и (8). Контроль температур теплоносителей производится термопарами (9), соединенными с цифровым индикатором (10).

Рис.4.4. Принципиальная схема теплообменника “труба в трубе” (ТТ):

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 – крышки; 4 – штуцеры; 5,6 – ротаметры; 7,8 – вентили; 9 – термопары; 10 – цифровой индикатор

1. Рассчитывается тепловой поток, передаваемый от горячей воды к холодной по уравнению:

, Вт (4.17)

где с1 и с2 – удельные теплоемкости горячей и холодной воды при средних температурах, Дж/(кг·К).

2. Составляют температурную схему процесса (рис. 3.1) и рассчитывают среднюю движущую силу процесса Δt ср по одной из формул: (3.5) или (3.6), а также средние температуры теплоносителей по формулам (3.7) — (3.10).

3. Определяют опытное значение коэффициента теплопередачи:

. (4.18)

Поверхность теплообмена F для данного типа теплообменного аппарата определяется по формуле:

, (4.19)

где d ср =( d н + d вн )/2 – средний диаметр внутренней трубы, м; d н , d вн – наружный и внутренний диаметр трубы, м; – длина теплообменной поверхности, м.

4. Для каждого теплоносителя находят скорости движения:

, (4.20)

где ρ1 и ρ2 – плотности горячей и холодной воды при средних температурах, кг/м 3 .

Площадь сечений для теплоносителей определяется из выражений:

для горячего теплоносителя

, (4.21)

для холодного теплоносителя

, (4.22)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

5. Определяют режим движения для теплоносителей по значению критериев Рейнольдса:

и , (4.23)

где μ1 и μ2 – коэффициенты динамической вязкости для горячей и холодной воды при средних температурах, Па·с.

Примечание: теплофизические свойства воды представлены в приложении (табл.2).

Эквивалентные диаметры для горячего и холодного теплоносителей, соответственно:

, . (4.24)

6. По значению числа критерия Re 1 и Re 2 выбирают соответствующее режиму движения критериальное уравнение (1.5)-(1.8) для расчета критериев Nu 1 и Nu 2 из которых находят величину коэффициентов теплоотдачи a 1 и a 2 . Входящие в эти уравнения критерии Pr ст1 и Pr ст2 находятся по температурам стенок и после расчета частных температурных напоров Δ t 1 и Δ t 2 по формулам (3.13) и (3.14).

7. По уравнению (3.3) рассчитывают коэффициент теплопередачи Кр.

8. Значения частных температурных напоров проверяют по уравнениям (3.16)-(3.17).

9. Значение коэффициента теплопередачи Кр сравнивают с опытным значением Ко путем определения относительной ошибки, делают выводы по работе.

4.2.3. Работа №2.2. Исследование теплообмена в теплообменнике с неподвижной решеткой (ТН)

Описание схемы лабораторной установки

Теплообменник (рис.2.8) состоит из корпуса (1), трубных решеток (2) с закрепленными в них теплообменными трубками (3), штуцеров для подвода и отвода теплоносителей (4). Температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата контролируются термопарами (5), соединенными с цифровым индикатором (6). Регулирование подачи теплоносителей осуществляют с помощью вентилей (7), (8) через калиброванные ротаметры (9), (10).

Рис. 4.5. Принципиальная схема одноходового кожухотрубчатого теплообменника типа ТН:

Читайте также:  Состав трубы оцинкованной стали

1 – корпус; 2 – трубные решетки; 3 – теплообменные трубки; 4 – штуцера; 5 – термопары; 6 – цифровой индикатор; 7,8 – вентили; 9,10 – ротаметры

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) поверхность теплообмена для данного теплообменника определяется по формуле:

, (4.25)

где n – число теплообменных трубок; L – длина трубок, м; d ср =( d н + d вн )/2 – средний диаметр теплообменной трубки, м; d н , d вн – наружный и внутренний диаметр теплообменной трубки, м;

4) площадь трубного пространства для горячего теплоносителя рассчитывают по формуле:

; (4.26)

5) для холодного теплоносителя (межтрубное пространство):

, (4.27)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

6) эквивалентные диаметры для горячего и холодного теплоносителей, соответственно:

, . (4.28)

4.2.4. Работа №2.3. Исследование теплообмена в теплообменнике с плавающей головкой (ТП)

Описание схемы лабораторной установки

Данный тип теплообменника представлен на рис.4.6. Теплообменник состоит из корпуса (1), трубной решетки (2), теплообменных трубок (3), крышки с перегородкой (4), плавающей головки (5) и штуцеров для подвода и отвода теплоносителей (6). Контроль температур теплоносителей осуществляется с помощью термопар (7), соединенных с цифровым индикатором (12). Расходы теплоносителей измеряются калиброванными ротаметрами (8), (9), а их регулирование осуществляется вентилями (10), (11).

Рис.4.6. Принципиальная схема теплообменника с плавающей головкой типа ТП:

1 – корпус; 2 – трубная решетка; 3 – теплообменные трубки; 4 – крышка с перегородкой; 5 – плавающая головка; 6 – штуцера; 7 – термопары; 8,9 – ротаметры; 10,11 – вентили; 12 – цифровой индикатор

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) средняя движущая сила процесса теплопередачи при смешанном токе определяют следующим образом:

, (4.29)

где — средняя движущая сила процесса при противоточном движении теплоносителей, °С;

4) для этой конструкции теплообменника поверхность теплообмена рассчитывается по формуле:

, (4.30)

где d ср =( d н + d вн )/2 – средний диаметр теплообменной трубки, м; d н , d вн – наружный и внутренний диаметр теплообменной трубки, м; L – длина трубки, м; R – радиус сферы; n – общее число теплообменных трубок;

5) площадь сечения и эквивалентный диаметр трубного пространства определяют по формулам:

, (4.31)

где n = n /2 – число труб в одном ходу, так как теплообменник является двухходовым;

; (4.32)

6) площадь сечения межтрубного пространства и эквивалентный диаметр:

, (4.33)

, (4.34)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

4.2.5. Работа №2.4. Исследование теплообмена в теплообменнике с перегородками

Описание схемы лабораторной установки

Для интенсификации процесса теплообмена в промышленности применяют теплообменники с перегородками в межтрубном пространстве. Схема такого теплообменника изображена на рис.4.7. Теплообменник состоит из корпуса (1), трубных решеток (2), теплообменных трубок
(3), перегородок в межтрубном пространстве (4), крышек (5), штуцеров (6) для подвода и отвода теплоносителей. Контроль температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника осуществляют с помощью термопар (7), соединенных с цифровым индикатором (8). Измерение расходов теплоносителей производят калиброванными ротаметрами (9), (10), а их регулирование – с помощью вентилей (11), (12).

Рис.4.7. Принципиальная схема теплообменника с перегородками в межтрубном пространстве:

1 – корпус; 2 – трубные решетки; 3 – теплообменные трубки; 4 – перегородки; 5 – крышки; 6 – штуцера; 7 – термопары; 8 – цифровой индикатор; 9, 10 – ротаметры; 11, 12 – вентили

Читайте также:  Дуги для парника из металлопластиковой трубы

1) цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

2) порядок обработки опытных данных представлен в работе №4.1;

3) для этой конструкции теплообменника поверхность теплообмена определяют по формуле (4.25), площадь сечения трубного пространства по формуле (4.26), эквивалентный диаметр ;

4) площадь сечения межтрубного пространства:

, (4.35)

где – расстояние между перегородками, м; m – длина хорды сегментного выреза в перегородке, м;

5) коэффициент теплоотдачи a 2 от теплообменных трубок к теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве, рассчитывают по критериальным уравнениям для коридорного расположения труб:

если Re , (4.36)

если Re >1000, то , (4.37)

где ψ – коэффициент, учитывающий угол обтекания (рис.2.11) теплообменной трубки (угол атаки).

В этих выражениях определяющей температурой является средняя температура теплоносителя, определяющим размером – наружный диаметр теплообменной трубки. Значения коэффициента ψ , учитывающего влияние угла атаки, приведены в таблице 4.3.

Значения ψ в зависимости от угла атаки φ

Угол атаки рассчитывается следующим образом:

, (4.38)

где D – внутренний диаметр корпуса, м.

4.2.6. Работа №2.5. Исследование теплообмена в теплообменнике с двойными трубами

Описание схемы лабораторной установки

Схема теплообменного аппарата с двойными трубами приведена на рис.4.9. Теплообменник состоит из корпуса (1), в котором расположены двойные трубы, состоящие из наружной трубы (3) с закрытым наглухо концом, и внутренней трубы (2) меньшего диаметра с открытым нижним концом. Для подвода и отвода теплоносителей на крышке (6) и корпусе имеются штуцера (4). Двойные трубки закреплены в трубных решетках (5). Контроль температур осуществляется термопарами (7), соединенными с цифровым индикатором (12). Расход теплоносителей контролируется калиброванными ротаметрами (8) и (9), а регулирование количеств жидкости осуществляется вентилями (10), (11).

Рис.4.9. Принципиальная схема теплообменника с двойными трубами:

1 – корпус; 2 – внутренняя трубка; 3 – наружная трубка; 4 – штуцера; 5 – трубные решетки; 6 – крышка; 7 – термопары; 8,9 – ротаметры; 10,11 – вентили; 12 – цифровой индикатор

В этом аппарате перенос теплоты от горячего теплоносителя, поступающего в трубу меньшего диаметра, к холодному теплоносителю, протекающему в межтрубном пространстве, осуществляется конвекцией к внутренней стенке трубы меньшего диаметра, через стенку путем теплопроводности, затем конвекцией от стенки со стороны охлажденной жидкости и от нее к стенке наружной трубы также путем конвекции, через стенку наружной трубы – теплопроводностью и конвекцией от стенки к холодному теплоносителю. Распределение температур в этом случае представлено на рис.4.10, а на рис.4.11 – изменение температур теплоносителей по длине поверхности теплообменника.

Рис.4.10. Распределение температур при теплопередаче в теплообменнике с двойными трубами

Рис.4.11. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена

цель работы, порядок выполнения и таблица опытных данных представлены в разделе 4.2.1;

таблица опытных данных 4.2 дополняется графой с температурой охлажденного теплоносителя .

1. Рассчитывается тепловой поток, передаваемый от горячей воды к холодной по уравнению теплового баланса теплообменника:

, (4.39)

где G 1 , G 2 – расходы теплоносителей, кг/с; с1, , с2 – удельные теплоемкости горячего, охлажденного и холодного теплоносителей, Дж/(кг·К); t , , t – температура более нагретого теплоносителя: начальная, на выходе из наружной трубы и выходе из внутренней трубы, °С; t , t – начальная и конечная температура холодного теплоносителя, °С.

2. Для каждого теплоносителя определяются скорости движения:

, , (4.40)

где ρ1, ρ2, ρ3 – плотности горячей, охлажденной и холодной воды при средних температурах теплоносителей, кг/м 3 .

Читайте также:  Теплоизоляция труб базальтовый цилиндр

Площадь проходного сечения по внутренним трубам:

. (4.41)

Суммарная площадь проходного сечения по кольцевому зазору между трубами:

. (4.42)

Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:

, (4.43)

где D – внутренний диаметр корпуса аппарата, м; n – число двойных труб.

3. Определяют режим движения для теплоносителей по значению критерия Рейнольдса, который рассчитывается следующим образом:

, , (4.44)

где μ1, μ2, μ3 – коэффициенты динамической вязкости для горячей, охлажденной и холодной воды при средних температурах, Па·с.

Примечание: теплофизические свойства воды представлены в приложении (табл.2).

Эквивалентные диаметры для горячего, охлажденного и холодного теплоносителей, соответственно:

, , . (4.45)

4. По значению числа критерия Re 1 , Re 2 и Re 3 выбирают соответствующее режиму движения критериальное уравнение (1.5)-(1.8) для расчета критериев Nu 1 , Nu 2 = Nu 3 , Nu 4 , по которым находят величину коэффициентов теплоотдачи a 1 , a 2 = a 3 , a 4 . В первом приближении принимаем отношение .

5. Определяются коэффициенты теплопередачи:

; (4.46)

, (4.47)

где a 1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке внутренней трубы, Вт/(м 2 ·К); a 2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к охлажденному теплоносителю, Вт/(м 2 ·К); a 3 – коэффициент теплоотдачи от охлажденного теплоносителя к внутренней стенке наружной трубы, Вт/(м 2 ·К); a 4 – коэффициент теплоотдачи от наружной трубы к холодному теплоносителю, Вт/(м 2 ·К); d 1 , d 2 – толщина стенок внутренней и наружной труб, м; l 1 , l 2 – коэффициенты теплопроводности материалов внутренней и наружной труб, Вт/(м·К).

6. Движущая сила процесса переноса теплоты в теплообменнике с двойными трубами меньше, чем при противотоке, но больше, чем при прямотоке и рассчитывается по уравнению:

, (4.48)

где — разность температур теплоносителей у выхода из наружной трубы, °С; , — разность температур теплоносителей, для определения и соответственно, °С.

Величины, входящие в уравнение (4.48):

; ,

где ; .

Движущие силы процесса рассчитывают для горячего и охлажденного теплоносителя и для охлажденного и холодного теплоносителя .

7. Проводится уточнение коэффициентов теплоотдачи a 1 , a 2 , a 3 , a 4 :

, (4.49)

, (4.50)

, (4.51)

, (4.52)

где , , — критерии Прандтля при средних температурах теплоносителей: горячего , охлажденного и холодного .

Pr ст1 , Pr ст2 , Pr ст3 , Pr ст4 находятся по температурам стенок t ст1 , t ст2 , t ст3 , t ст4 , которые рассчитываются по следующим уравнениям:

, (4.53)

, (4.54)

, (4.55)

. (4.56)

8. Определяются уточненные значения коэффициентов теплопередачи:

, (4.57)
. (4.58)

9. Коэффициенты теплопередачи Кут1 и Кут2 сравниваются с опытными значениями Коп1 и Коп2, которые определяются из уравнений теплопередачи:

; (4.59)

. (4.60)

где — поверхность внутренних труб, м 2 ; — поверхность наружных труб, м 2 ; n – число труб; L – длина труб, м; d ср1 =( d 1 + d 2 )/2 – средний диаметр внутренней трубы, м; d 1 , d 2 – внутренний и наружный диаметр внутренней трубы, м; d ср2 =( d 3 + d 4 )/2 – средний диаметр наружной трубы, м; d 3 , d 4 – внутренний и наружный диаметр наружной трубы, м.

10. После расчетов коэффициентов теплопередачи определяется общая движущая сила процесса:

. (4.61)

11. Делают выводы по работе.

1. Какие процессы называют теплоотдачей и теплопередачей?

2. Как рассчитываются коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к разделяющей стенке и от стенки к холодному теплоносителю?

3. Сформулируйте физический смысл и укажите размерность коэффициента теплопередачи.

4. Каким образом рассчитывается коэффициент теплопередачи при передаче тепла через однослойную и многослойную плоские стенки?

5. Как определяется средняя движущая сила процесса теплопередачи при различных взаимных направлениях теплоносителей?

6. Что является целью расчета теплообменного аппарата?

7. Перечислите основные типы конструкций поверхностных теплообменников

Источник

Adblock
detector