Расчет и испытание теплообменного аппарата (типа «труба в трубе»).

Цель работы: повышение уровня знаний в вопросах теплопередачи и приобретение навыков экспериментального исследования, работы эле­ментов технологических цепей и теплообменного оборудования.

 

Задачи работы.

1. Изучение конструкции теплообменника «труба в трубе».

2. Испытание теплообменника. Определение коэффициента теплопередачи. Площади поверхности теплообмена.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплообменный аппарат - это устройство, в котором осуществля­ется передача теплоты от горячего теплоносителя холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители.

Теплообменники (рис.10.1.) широко применяют в различных промышленных технологических процессах, в отопительных системах, в Рис.10.1. Различные конструкции теплообменников «труба в трубе»

 

двигателях внутреннего и внешнего сгорания и их системах в качестве охладите­ля  наддувочного воздуха в поршневых двигателях с наддувом, радиа­тора в системе охлаждения и смазочной системе, охладителя и нагре­вателя в газотурбинных двигателях, экономайзера, пароперегревате­ля, конденсатора, подогревателя в паросиловых установках, а также в других целях.

По способу передачи теплоты теплообменники подразделяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Теплообменник «труба в трубе» относится к рекуперативным теплообменникам.

В рекуперативных теплообменниках каналы, по кото­рым движутся горячий и холодный теплоносители, разделены и теп­лота передается через разделяющую их стенку. При не­изменных параметрах теплоносителей на входе остаются неизмен­ными, независимыми от времени, и параметры в любом из сечений каналов, т.е. процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стацио­нарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекупе­ративные теплообменники могут быть (рис.10.2) прямоточными при парал­лельном движении теплоносителей в одном направлении (а), противоточными при параллельном встречном движении (б)

 

Рис.10.2 Схемы движения теплоносителей в теплообменниках «труба в трубе»:  а - прямоточное; б - противоточное;

 

 

В корпусе аппарата теплоносители могут совершать один или несколько ходов. В соответствии с этим теплообменники называют, например, одноходовым по горячему теплоносителю и двухходовым по холодному теплоносителю. При увеличении количества ходов возрастает скорость движения теплоносителя, что ведет к интенсификации процесса теплоотдачи и повышению тепловой эффективности теплообменника. Однако при этом растут гидравлические потери и затраты энергии на обеспечение движения теплоносителя.

 

 

Описание лабораторного стенда

Стенд для проведения лабораторной работы включает в себя трубу большего и меньшего диаметра (рис. 10.3), вентилятор для подачи холодного воздуха и воздухонагреватель для организации потока горячего нагревателя

D

d

Выход нагретого воздуха

Вход нагреваемого воздуха

Вход греющего воздуха

Выход греющего воздуха

Рис.10.3. Схема лабораторной установки для проведения испытания теплообменного аппарата

 

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Ознакомиться с конструкцией теплообменника «труба в трубе» и  с помощью штангенциркуля замерить размеры теплообменника:

d_нар и  d_вн - диаметры внутренней трубы, м;

D _нар и  D_вн - диаметры наружной трубы, м;

 

2. Измерить параметры воздуха в схеме прямотока. Установить воздухонагреватель на конце внутренней трубы.  С помощью анемометра, установленного на другом конце внутренней трубы измерить скорость воздуха.

3. Установить вентилятор в отверстие наружной трубы, находящееся с того же конца, что и отверстие с нагревателем (рис.10.3) и включить его. Анемометром померить скорость нагреваемого воздуха. Данные занести в таблицу.

4. Повторить замеры для противотока. Для создания противотока переместите воздухонагреватель на другой конец внутренней трубы, при этом вентилятор нагреваемого воздуха не трогать. Теперь, входы одного потока совпадают с выходами другого потока.

5. Провести измерения указанные в пунктах 2-4 три раза че­рез каждые 5 минут после установления стационарного режима и за­нести их в таблицы  10.1а и 10.2а соответственно;

6. После окончания измерения выключить установку.

 

Обработка результатов испытаний.

1. Тепловая нагрузка  Q на теплообменник определяется по формуле 7.1, Вт, для нагреваемого воздуха:

 

Q = G ·с_ср (t _2вых -   t _2вх)                                           (10.1)

 

где G = w · f · ρ - массовый расход нагреваемого воздуха через трубу,   кг/с;

  с _cp - теплоемкость воздуха, Дж/кг К;

  f - живое сечение трубы для прохода нагреваемого воздуха, м, определяется по формуле 10.3 ;

  ρ - плотность воздуха, кг/м³;

  w- скорость ветра в сечении трубы, измеренная анемометром, м/с;

с_cp и ρ - берутся при средней температуре воздуха в трубе по таблице 10.3.

 

t_cp = (t _{2вых +}   t _2вх) / 2                                             (10.2)

 

                                                   (10.3)

где d_экв – эквивалентный диаметр внутреннего теплообменного пространства теплообменника, м, определяется по формуле

 

 

2. Коэффициент    теплопередачи  К  определяется по формуле 10.4, :

                            (10.4)

 

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от греющего воздуха к стенке трубы, , определяется по формуле 10.5;

α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому воздуху, , определяется по формуле 10.5;

- термическое сопротивление стенки трубы;

d - толщина стенки трубы, м;

l - коэффициент теплопроводности материала трубы, ;

  

a = 6,2 + 4,2 w;                                   (10.5.)

где w – скорость воздуха в соответствующей трубе, м/с, замеряется анемометром.

 

3. Площадь поверхности теплообмена, м², определяется по формуле 7.6

                                       (10.6.)

4. Для определения температурного напора Δt _ср (q) строим схемы потоков как на рисунке 7.4. как для прямотока, так и для противотока. Определяем значения разностей (t₁ - t₂) на концах потоков и присваиваем им обозначение Δt _б  и Δt _м, соответственно. Если величины незначительно  отличаются друг от друга, а их отношение Δt _б / Δt _М < 2, то средний температурный напор можно приближенно определить из выражения 10.7:

 

Δt _ср = (Δt _б + Δt _М) / 2.                     (10.7)

 

а при Δt_б / Δt_М > 2 средняя разность температур (средний логарифмический температурный напор), определяется по формуле 10.8:

 

где                 Δt _ср =                                        (10.8)

      

t1вх

tвых1

Воздух греющий

Воздух нагреваемый

t2вх

tвых2

t1вх

tвых1

Воздух греющий

Воздух нагреваемый

t2вх

tвых2

 

Рис.10.4. Схема определения средней рабочей температуры Δt _СР установки при прямотоке и противотоке