Испытание теплообменника типа «Труба в трубе».

1. Цель работы.

1.1  Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи К_а , Вт/(м²К).

1.2  Аналитическое определение коэффициента теплопередачи К_а , Вт/(м²К).

1.3  Определение потерь тепла в окружающую среду — Q_пот^Вт.

2. Описание экспериментальной установки.

                     

Рис. 1. Схема лабораторной установки.

1. Теплообменник типа «труба в трубе».

2. Мерник холодной воды.

3. Сборник холодной воды.

4. Насос холодной воды.

5. Насос горячей воды.

6. Сборник горячей воды с ТЭНом.

7. Мерник горячей воды.

8. Термометры.

– 1.2х — холодная вода

– 1.2г — горячая вода.

3. Методика проведения работы.

После установившегося режима при Δt = const расходы горячей и холоже их температуры на входе в теплообменник с помощью термометров (8) и на выходе. Полученные данные заносим в табл. 1.

Таблица 1.

Время замеров (мин)	Вода горячая			Вода холодная
	t г^н, °C	tг^к, °C	Gг (п)	t х^н, °C	tх^к, °C	Gх (п)
1
2
3
τобщ	t гср^н	tгср^к	Gг общ	t хср^н	tхср^к	Gх общ

 

4. Обработка опытных данных.

4.1 Определяем средние температуры холодной и горячей воды

        t _{х ср}=(t _хср^н+t_хср^к)/2=...°C,

где t _хср^н и t_хср^к — соответственно начальная и конечная температура холодной воды,

t _гср^н и t_гср^к - соответственно начальная и конечная температура горячей воды,

4.2  Определяем исходные объемы горячей и холодной воды

V_г = G_{г общ}/ (τ_общ 60*1000)=...м³/с,

V_х = G_{х общ}/ (τ_общ 60*1000)=...м³/с,

где G_{г общ} и G_{х общ} — соответственно массовые расходы горячей и холодной воды.

G_{г общ} =...л,

   G_{х общ} =...л.

τ_{общ —} общее время (см. табл.1).

4.3  Определяем тепловые нагрузки:

а) при охлаждении горячей воды

   Q_г= V_г ρ_г с_г(t _гср^н- t_гср^к)=...Вт,

где ρ_г — плотность горячей воды, определяем по ее средней температуре, t _гср=...°C (см.пункт 4), ρ_г = кг/м³,

  с_г — теплоемкость горячей воды определяем по t _гср=...°C, по табл. 2 [3,с. 141] или табл.3 [2, с. 127], с_г =...Дж/(кгК),

б) при нагревании холодной воды

   Q_х = V_х ρ_х с_х(t _хср^к- t_хср^н)=...Вт,

где ρ_х — плотность холодной воды определяем по ее средней температуре t _хср =...°C (см.пункт 4.1) по табл. 2 [3, с. 141], ρ_х =...кг/м³,

  с_х — теплоемкость холодной воды определяем по ее средней температуре t _хср =...°C по табл. 2 [3, с. 141], с_х =Дж/(кгК).

4.4 Определяем среднюю разность температур между теплообменивающимися средами (горячей и холодной водой) Δt_ср.

Воспользуемся графиком, построенным в масштабе (см.рис. 2).

 

Рис. 2. К определению Δt_ср.

Из графика (рис.2) видно, что отношение

Δt_б      t _гср^{н —} t_хср^к   t_гср^к - t_хср^н

—— = ———— или ———— =...>2 или <2

Δt_м       t _гср^{к —} t_хср^н        t_гср^н - t_хср^к

если это отношение <2, то средняя разность температур определяется как среднее арифметическое, т.е

                      Δt_б + Δt_м

                       Δt_ср = ———— =...°C,

                           2

                                       Δt_б

если же это отношение   —— >2, то средняя разность

                                      Δt_м

температур определяется как логарифмическое, т.е

                                    Δt_б

 Δt_ср = (Δt_б- Δt_м )/ (2,3lq ——) =...°C.

                                    Δt_м

4.5   Определяем экспериментальное значение коэффициента теплопередачи

          Q_г

К_Э = ——— =...Вт/(м²К)

       F  Δt_ср

                     Q_х

К_Э = ——— =...Вт/(м²К)

        F  Δt_ср

где Q_г и Q_х — количество тепла, Вт,

  F — заданная поверхность теплопередачи теплообменника, F= 0,16 м².

5. определяем коэффициент теплопередачи аналитическим путем.

5.1 Определяем среднюю температуру стенки теплопередающей

           t _гср + t_хср

       t_ст = ———— =...°C

              2

5.2 Определяем теплофизические свойства воды при

    t _гср =...°C,

   t_хср =...°C,

   t_хср =...°C,

по табл. 2 [3, с. 141] и числовые их значения

   Р_τ, υ, λ, β.

Заносим их в табл. 2.

Таблица 2.

t (°C)	Рτ	υ*10^6 (м²/с)	λ Вт/(мК)	β*10^4 1/град
t гср
tхср
tхср

5.3 Определяем скорости движения теплообменивающихся сред:

а) горячей воды

                      4V_г

             υ_г =———=...м/с,

                      πd_вн²

где d_{вн —} внутренний диаметр внутренней трубы, d_вн=0,012 м,

V_{г —} объем секундный горячей воды, V_г=...м³/с

 (см.пункт 4.2),

б) холодной воды

 

                          4V_х

             υ_х = ————— =...м/с,

                      π (Д_вн²- d_н)

где Д_{вн —} внутренний диаметр внешней трубы, Д_вн=0,026 м,

  d_{н —} наружный диаметр внутренней трубы, d_н =0,018 м,

V_{х —} секундный объем холодной воды, V_х =...м³/с.

5.4   Рассчитываем критерий Рейнольдса

а) для горячей воды

                                 Re_г= υ_г d_вн/ν_г =...

где ν_г — кинематическая вязкость воды при  t _гср=...°C по табл. 2, ν_г= м²/с,

б) для холодной воды

                                  Re_х= υ_х d_экв/ν_г =...

где d_экв — эквивалентный диаметр межтрубного пространства, d_экв = Д_вн- d_н =...м,

ν_х — кинематическая вязкость холодной воды при t _хср=...°C по табл. 2, ν_х= м²/с.

5.5 Рассчитываем критерий Нуссельта, подобрав необходимую формулу в зависимости от режима движений горячей воды по внутренней трубе [1, с. 109], [2, с. 52].

– если Re_г<2320, то режим движения ламинарный и расчетное критериальное уравнение для определения критерия Нуссельта будет иметь вид

                            Nu_г = 0,17 Re_г^0,33Pτ_г^0,43Gτ_г^0,1,

где Re_г ,Pτ_г — критерии Рейнольдса и Прандтля взяты по табл. 2 и см.пункт 5.4,

Gτ_{г —} критерий Грасфора, Gτ_г= qd_вн β_г Δt_г/ ν²_г,

q — ускорение свободного падения, q=9,81 м/с²,

d_вн — внутренний диаметр для горячей воды, d_вн =...м,

β _г — коэффициент объемного расширения по табл. 2, β _г =...1/град,

Δt_г- разность температур между слоями движущейся горячей воды по внутренней трубе, Δt_г =...°C.

Если же значение Re_г>10000, то режим движения турбулентный и расчетное критериальное уравнение для определения критерия Нуссельта будет иметь вид

                      Nu_г = 0,021 Re_г^0,8Pτ_г^0,43=...

Если же значение 2320<Re<10000, то режим движения переходный и расчетное уравнение будет иметь вид

                  Nu_г = 0,008 Re_г^0,9Pτ_г^0,43=...   

5.6  Рассчитываем коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке теплопередающей внутренней трубы

α₁ = α_г = Nu_гλ_г/ d_вн =...Вт/(м²К).

5.7 Для кольцевого канала

Nu_х = 0,023Re_х^0,8Pτ_х^0,4(Д_вн/d_н)^0,45=...

5.8 Коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной воде

                          Nu_х  λ_х

                      α₂ = α_х = ——— =...Вт/(м²К)

                            d_экв

5.9 Рассчитываем коэффициент теплопередачи аналитическим путем                     1

Ка= ———————— =...Вт/(м²К),

         1    δ_ст    1

     —— + —— + ——

        α₁        λ_ст         α₂

где δ_ст - толщина теплопередающей стенки,                         δ_ст = (d_н — d_вн) /2= (0,018 — 0,012)/2 =.0,003,

   λ_ст  - коэффициент теплопроводности стальной теплопередающей стенки, λ_ст= 46,5 Вт/(мК).

Результаты расчетов сводим в табл.3.

Таблица 3.

Теплообменивающие среды	υ (м/с)	Re	Nu	α Вт/(м²К)	КЭ (м²К)	Ка(м²К)
Горячая вода
Холодная вода

Сравниваем значение коэффициентов теплопередачи рассчитанные экспериментально и аналитически.

6. Определяем потери тепла в окружающую среду

                      Q_х — Q_г

           Q_пот = ———— *100=...%

                           Q_х

7. Литература.

7.1 В.Н.Стабников, В.И. Баранцев «Процессы и аппараты пищевых производств»,-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982,с. 327.

7.2 В.И.Баранцев «Сборник задач по процессам и аппаратам пищевых производств»,-М.: Агропромиздат, 1985, с. 137.

7.3  С.М.Гребенюк «Лабораторный практикум по процессам и аппаратам пищевых производств»,-М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 151.

8. Вопросы для самопроверки.

8.1 Теплопередача, способы, законы, движущая сила.

8.2 Основное уравнение теплопередачи, расшифровка, характеристика.

8.3 Определение К, α₁, α₂, δ, λ, Δt_ср, τ, F, Q.

8.4  Теплообменники, их типы, устройство, действие, расчет.

8.5 Теплоносители и хладосистемы, их характеристика.

8.6 Глухой и острый обогрев, их сравнительная характеристика.

8.7 Нагревание, охлаждение, пастеризация, стерилизация, их характеристика, цель.

8.8  Пути интенсификации теплообменника.

8.9 Вывод, анализ.