Визначення коефіцієнта теплопередачі

Ціль роботи

Ціль роботи – поглибити знання з теорії теплопередачі: набути навики експериментального визначення коефіцієнта теплопередачі в теплообмінному пристрої.

Завдання

Визначити коефіцієнт теплопередачі у теплообміннику типу «труба в трубі». Вимірювання виконати для двох схем руху теплоносія – прямоточного і рямо токуй.

Загальні відомості

Теплообмінниками називаються пристрої, в яких здійснюється передача теплоти від потоку одного теплоносія до потоку іншого. В якості теплоносія можуть бути використані різні рідини і гази. Теплоносій, що має більш високу температуру, називається гарячим, а той, що має більш низьку температуру – холодним.

Теплообмін між потоками теплоносіїв є одним з найбільш важливих процесів і часто використовується в техніці. В легкій і хімічній промисловості найбільш широко застосовують рекуперативні теплообмінники. Рекуперативні теплообмінні апарати представляють собою пристрої, в яких теплоносії, що протікають з різними температурами, розділені стійкою. Найпростішим теплообмінним апаратом рекуперативного типу є теплообмінник типу «труба в трубі».

Процес передачі теплоти від потоку одного теплоносія через стінку до потоку іншого називається теплопередачею. Теплопередача містить в собі тепловіддачу від гарячого теплоносія до стінки, яка характеризується коефіцієнтом тепловіддачі α₁, теплопровідність через стінку, що має коефіцієнт теплопровідності λ, і тепловіддачу від стінки до холодного теплоносія, що характеризується коефіцієнтом тепловіддачі α₂. При цьому тепловіддача на межах потік теплоносія – стінка і стінка – потік теплоносія здійснюється шляхом конвективного теплообміну, а якщо теплоносій є випромінюючим газом, тоді і шляхом радіаційного теплообміну. Інтенсивність теплопередачі характеризується коефіцієнтом теплопередачі К. Коефіцієнт К чисельно дорівнює кількості теплоти, яка передається в одиницю часу від одного теплоносія до іншого через одиницю поверхні стінки при різниці температур між теплоносіями в один градус.

Значення коефіцієнта теплопередачі залежить від значень коефіцієнтів тепловіддачі на межах потоку і твердої стінки α₁ і α₂, і коефіцієнта теплопровідності самої стінки λ. Для одношарової плоскої стінки ці залежності мають вигляд

[Вт/(м²·К)];

Для циліндричної стінки (труби)

[Вт/(м²·К)];

де К _l – лінійний коефіцієнт теплопередачі (на 1 м довжини труби).

Величина, зворотна коефіцієнту теплопередачі, називається повним термічним опором теплопередачі і виражається так:

[(м^2·К)/Вт].

 

 

Потужність теплового потоку, або кількість теплоти Q, яка може бути
передана в теплообмінному апараті в одиницю часу від гарячого теплоносія до
холодного через поверхню стінки F, що розділяє теплоносії, при середньому
температурному напорі між теплоносіями Δt_сер, можна розрахувати із рівняння
теплопередачі:

[Вт]. (5.1)

Площа поверхні стійки F, через яку передається теплота, є основним конструктивним параметром, що характеризує теплообмінний пристрій. Коефіцієнт теплопередачі К і середній температурний напір Δt_сер є режимними характеристиками і їх значення визначаються режимом експлуатації.

Для температур теплоносіїв (гарячого і холодного) на вході в тепло­обмінник і виході із нього прийняті наступні позначення: t΄₂, t˝₂ – температура гарячого теплоносія відповідно на вході в теплообмінник і виході із нього; t΄₁, t˝₁ – температура холодного теплоносія відповідно на вході в теплообмінник і виході із нього.

За напрямом течії потоків теплоносіїв рекуперативні теплообмінники розподіляють на прямоточні (напрями теплоносіїв співпадають), рямо току (напрями теплоносіїв протилежні), з перехресним струмом і змішані. На рис. 5.1 показані зміни температур обох теплоносіїв уздовж теплообмінника для прямоточної і рямо токуй схем руху теплоносіїв.

Рис.5.1. Характер зміни температури теплоносіїв у теплообміннику типу „труба в трубі”.

 

При прямоточній і рямо токуй схемах теплообмінника середній
температурний напір

, (5.2)

де Δt_Б – температурний напір (різниця температур обох теплоносіїв) на тому кінні теплообмінника, де він більше; Δt_М - температурний напір на другому кінці теплообмінника.

Якщо Δt_Б / Δt_М ≤ 1,7, тоді для визначення Δt_сер можна використати середньоарифметичний напір:

(5.3)

При цьому помилка в розрахунку не перевищує 3% в порівнянні з результатом, одержаним за формулою (5.2).

Теоретичні і експериментальні дослідження показали, що при однакових витратах теплоносіїв і однакових температурах гарячого і холодного теплоносіїв на вході теплообмінника середній температурній напір для режиму протитоку вище, ніж для режиму рямо току. Отже, протитоковий теплообмінник виходить компактніше. Проте, якщо температура одного із теплоносіїв стала, тоді середнє значення температурного напору незалежно від схеми руху не змінюється. Це відбувається при кипінні рідин і при конденсації пари, або коли витрата однієї робочої рідини настільки велика, що її температура змінюється дуже мало.

Лабораторний стенд теплообмінника „труба в трубі” виконаний так, що гарячий теплоносій протікає у внутрішній трубі, а холодний – у зовнішній. При цьому вся кількість теплоти Q, переданої від гарячої рідини до холодної, витрачається на її нагрівання:

[Вт] (5.4)

де: С_Р1 – теплоємність холодної рідини, кДж/(кг·К); М₁ – масова витрата холодної рідини, кг/с.

Прирівнюючи (5.1) до (5.4), маємо:

. (5.5)

Знаючи площу поверхні теплообмінника F, теплоємність С_Р1 і вимірюючи температури обох теплоносіїв на вході в теплообмінник і виході із нього, а також витрату холодного теплоносія М₁, із співвідношення (5.5) можна визначити коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²·К):

. (5.6)

Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис. 5.2) представляє собою теплообмінник типу „труба в трубі”. Гарячий теплоносій, нагрітий в термостаті 7, надходить у внутрішню трубу 6, і, проходячи по ній, охолоджується, віддаючи теплоту через стінку внутрішньої труби холодній воді. З вихідного штуцера ця вода надходить назад в термостат. Холодна вода із водопроводу через вентиль 4 поступає в зовнішню трубу 2 і, проходячи по ній, нагрівається. Із зовнішньої труби нагріта вода надходить в мірну посудину 8, яка має злив.

 

Рис.5.2. Схема лабораторної установки.

 

Витрата води, яка регулюється вентилем 4, визначається за допомогою мірної посудини 8 за часом її заповнення:

[ кг/с], (5.7)

де: V - об'єм заповнення мірної посудини, м³; ρ – густина води, кг/м³; Δτ – час наповнення посудини, с.

Для вимірювання температури води до входу в теплообмінник і після виходу з нього на вхідних і вихідних штуцерах внутрішньої і зовнішньої труб встановлюють термопари 1, 3, 5, 9. Термопари через перемикач підведені до цифрового вольтметру.

Рух теплоносіїв може здійснюватися як по прямоточній, гак і по протиточній схемам шляхом перемикання шлангів, що підводять і відводять холодну воду.

Поверхнею теплообміну є зовнішня поверхня внутрішньої труби 6. Площа теплообміну F визначається за формулою:

, (5.8)

де: l – довжина труби, d – її зовнішній діаметр (наведені на стенді).

Порядок проведення досліду

1. Ввімкнути нагрівний елемент і насос термостату, встановити на контактному
термометрі необхідну температуру нагрівання води.

2. Відрегулювати витрату холодної води вентилем 4.

3. Через кожні 3 хвилини провести вимірювання температур t΄₁, t˝₁, t΄₂, t˝₂. Для
цього перемикач термопар послідовно встановити в положення 1...4, що
відповідають послідовному підключенню до мілівольтметра термопар 1, 5, 6, 9.
Записати в таблицю 5.1 значення термоЕРС (ЕРС – електрорушійна сила), з
тарировочної таблиці (на стенді) визначити відповідні значення температур.

4. Заміри проводити до досягнення стаціонарного режиму, при якому температура теплоносіїв на виході із теплообмінника змінюється не більш, ніж на 1...2 ^оС.

5. Провести вимірювання часу заповнення мірної посудини холодною водою і
занести значення V і Δτ втабл. 5.1.

6. Вимірювання по пунктам 3-5 провести для обох режимів течії теплоносіїв – прямотоку і протитоку.