МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ
З курсу
“Процеси і апарати хімічної технології”
для студентів
хіміко-технологічних спеціальностей
Затверджено
на засіданні кафедри хімічної
Протокол № від 2010р.
Львів 2010
Визначення коефіцієнта теплопередачі кожухотрубного теплообмінника. Інструкція до лабораторної роботи №14 з курсу “Процеси і апарати хімічної технології“ для студентів хіміко-технологічних спеціальностей / Укл. В.І.Троцький. Львів : Вид-во Нац.ун-ту ”Львівська політехніка”, 2010.
Укладач В.І.Троцький ,к.т.н.,доц.
Відповідальний за випуск В.М.Атаманюк, д.т.н.,проф.
РецензентиА.І.Дубинін .д.т.н.,проф.
В.П.Дулеба, к.т.н.,доц.
МЕТА РОБОТИ
1. Визначити витрату гарячого теплоносія на нагрівання заданої кількості холодної води.
2. Визначити фактичне значення коефіцієнтів тепловіддачі в кожухотрубному теплообміннику при різних швидкостях руху теплоносіїв.
3. Розрахувати теоретичне значення коефіцієнтів теплопередачі з допомогою критеріальних рівнянь і порівняти їх з значеннями, одержаними на основі експериментів.
4. Пояснити отримані результати.
2. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ
Передача тепла від одного рідкого (чи газоподібного) теплоносія до іншого через стінку описується основним рівнянням теплопередачі:
(1)
де Q – теплове навантаження теплообмінного апарату – кількість тепла, яка передається від теплоносія з більшою температурою до теплоносія з меншою температурою за одиницю часу, Вт;
К – коефіцієнт теплопередачі – кількість тепла, яке передається через одиницю поверхні теплопередачі за одиницю часу при різниці температур між теплоносіями, рівній одному градусу, Вт/м2 гр;
F – поверхня теплообміну, м2;
Δtcp – середня різниця температур між теплоносіями, град.
Теплове навантаження Q визначається з рівняння теплового балансу теплообмінного апарату. В даній роботі досліджується процес нагрівання холодної води гарячою водою. В цьому випадку:
(2)
де t1п і t1к – початкова і кінцева температура холодної води, оК;
G1 – масова витрата холодної води, оК;
с1 – теплоємність холодної води при середній температурі, Дж/кг град.
Середня різниця температур між теплоносіями розраховується по одній з двох наступних формул, в залежності від співвідношення різниць температур теплоносіїв на вході і виході з теплообмінника.
, якщо 
(3)
чи
, якщо 
(4)
де 
; 
(5)
(6)
t2п і t2к – початкова і кінцева температура гарячої води, оК.
При проектних розрахунках теплообмінної апаратури коефіцієнт теплопередачі К визначається за наступним рівнянням:
(7)
де α1 – коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія з більшою температурою до стінки, Вт/м2 К;
α2 – коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія з меншою температурою, Вт/м2 К;
δст = 0.0025 м – товщина стінки, поділяючої теплоносії;
λст = 93 Вт/м К – теплопровідність стінки (латунь);
r1 і r2 – термічний опір забруднень з боку одного і іншого теплоносія, 1/(Вт/м2 К).
Величина термічного опору забруднень змінюється в процесі експлуатації теплообмінної апаратури і при проектних розрахунках може бути визначена лиш приблизно по довідникових даних, складених на підставі досліду роботи промислової апаратури. В даній роботі величина термічних опорів забруднень може бути прийнята наступною: з боку холодної води r2 = 0.001 1/(Вт/м2 К), а з боку гарячої води r1 = 0.0005 1/(Вт/м2 К).
Коефіцієнти тепловіддачі від гарячої води до стінки і від стінки до холодної води розраховується по критеріальним рівнянням. Необхідно пам’ятати про те, що ці рівняння мають різний вид для ламінарного, перехідного і турбулентного режимів руху теплоносіїв. Для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі при русі теплоносіїв в трубах – холодна вода і міжтрубному просторі – гаряча вода використовуються однакові критеріальні рівняння (з врахуванням режимів руху теплоносіїв). Відмінність складається в тому, що при русі теплоносія в трубах в якості визначаючого розміру в критеріях подібності використовується внутрішній діаметр трубок, а при русі теплоносія в міжтрубному просторі – еквівалентний діаметр останнього – dекв:
(8)
де f – площа вільного січення міжтрубного простору теплообмінника, м2;
П – змочений периметр січення міжтрубного простору, м;
D = 0.145 м – внутрішній діаметр кожуха теплообмінника;
dз = 0.025 м – зовнішній діаметр трубок (внутрішній діаметр цих трубок dвн=0.02м);
n = 13 – число трубок.
1. Розвинутий турбулентний рух теплоносіїв Re≥10000
(9)
2. Перехідна область режимів руху теплоносіїв 2300<Re<10000
(10)
3. Ламінарний режим руху теплоносіїв (коли помітний вплив вільної конвекції відсутній) Re≤2300
(11)
В рівняннях (9) + (11) прийняті наступні позначення:
критерій Нуссельта – 
(12)
критерій Рейнольдса – 
(13)
критерій Прандтля – 
(14)
де w – швидкість руху теплоносіїв (в трубах чи міжтрубному просторі), м/с;
μ – динамічна в’язкість теплоносіїв, Н·с/м2;
ρ – густина теплоносіїв, кг/м3;
λ – коефіцієнт теплопровідності теплоносіїв, Вт/м К;
dекв – визначаючий лінійний розмір, м;
L – довжина трубок, м.
Всі параметри – в’язкість, теплопроводність, теплоємність і густина визначаються з довідникових таблиць при середній температурі відповідних теплоносіїв. Значення критерію Прандтля може бути обраховано за рівнянням (14) чи взято безпосередньо з таблиць при середній температурі теплоносіїв. (див. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков „Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств”, стр. 512, 537).
В рівняннях (9) – (11) множник 
характеризує вплив напрямку передачі тепла на величину коефіцієнтів тепловіддачі. Тут Prст – значення критерію Прандтля, обраховане при температурі теплоносія, рівній температурі поверхні стінки (в даному випадку стінки трубок) з боку даного теплоносія. Якщо середня різниця температур між теплоносіями не перевищує величини 50оС, тобто 
, то з невеликою похибкою можна прийняти 
. Якщо 
, то для визначення Prст. температуру стінки знаходять шляхом послідовних наближень (див. К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков „Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств”).
ОПИС УСТАНОВКИ
Кожухотрубний теплообмінник, мал. 1, складається з кожуха 1, у середині якого розташовані теплообмінні трубки 2. Трубки кріпляться в трубних решітках 3, приварених до кожуха. До трубних решіток закріплені кришки теплообмінника 4. Гарячий теплоносій подається в міжтрубний простір теплообмінника по трубопроводу 5, а виводиться з нього по трубопроводу 6. Холодна вода подається в теплообмінник по трубопроводу 7, на якому встановлений лічильник 8, а видаляється підігрітою по трубопроводу 9. Вимірювання температур гарячої і холодної води на вході і виході з теплообмінника здійснюється за допомогою термометрів опору 10, які приєднані до автоматичного моста. Витрату гарячої і холодної води можна регулювати за допомогою вентилів 11.
В теплообміннику встановлено 13 латунних трубок 25/20 мм. Робоча довжина трубок L=950мм. Поверхня теплообміну F=0,97м2. Внутрішній діаметр кожуха – 0.145мм.
Схема установки.
Рис.1.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ
Встановити за допомогою вентилів 11 задану витрату гарячої і холодної води. Підключити до мережі автоматичний міст, і через 3-5 хв. після встановлення витрат теплоносіїв приступити до запису показів температури. Виміри температури за допомогою моста проводяться почерговим автоматичним переключенням термометрів опору, встановлених на вході і виході теплоносіїв. Номери позицій каретки вимірювального моста, які відповідають конкретним точкам вимірювання температури, приведені в таблиці, розташованій біля шкали моста.
Лічильник 8 дозволяє визначити лише об’єм води, який пройшов через теплообмінник. Для визначення витрати холодної води в трубках теплообмінника необхідно зафіксувати за допомогою секундоміру час, за який в теплообмінник подається певна кількість води, наприклад, 10 або 20 л.
Вимірювання температури і витрати холодної води повторити 3-4 рази в відповідності з завданням викладача.
Результати вимірювань заносяться в таблицю.
5. ОБРОБКА ДОСЛІДНИХ ДАНИХ І СКЛАДАННЯ ЗВІТУ
1. Об’ємна V1 і масова G1 витрата холодної води визначають по формулах:
де Vx – показання витрати води по лічильнику, м3;
τ – час заміру, с.
2. Витрата тепла на нагрів холодної води – Q визначається за рівнянням (2).
3. Масова витрата гарячої води – G2 визначається також по рівнянню (2) шляхом розв’язку його відносно G2:
4. Швидкість води, що нагрівається в трубках і в міжтрубному просторі теплообмінника обчислюється з рівняння витрати
де V – об’ємна витрата холодної чи гарячої води, м3/с;
f – загальна площа внутрішнього поперечного січення трубок чи міжтрубного простору, м2.
; 
5. Критерій Рейнольдса обраховується по виразу (13). Для гарячої води в якості визначаючого розміру береться еквівалентний діаметр міжтрубного простору (рівняння (8)), а для холодної – внутрішній діаметр трубок.
6. Критерій Нуссельта розраховується по одному з рівнянь (9), (10), чи (14) в залежності від режимів руху теплоносіїв.
7. За отриманими значеннями критеріїв Нуссельта визначаються коефіцієнти тепловіддачі:
; 
8. Теоретичне значення коефіцієнту теплопередачі обчислюється за рівнянням (7).
9. Розв’язуючи рівняння (1) відносно величини К, визначаємо його експериментальне значення.