Методика виконання роботи.

Мета роботи.

Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнта теплопередачі теплообмінника, розрахунок термічного опору нашарувань стінки, аналіз одержаних результатів.

Теоретичні відомості.

Передача тепла від одного теплоносія до іншого відбувається в теплообмінниках. Найпростішою є конструкція теплообмінника типу «труба в трубі», який складається з двох концентрично розташованих труб різних діаметрів. Внутрішньою трубою проходить один теплоносій, по міжтрубному простору – інший. Тепло передається через стінку внутрішньої труби. Кількість тепла Q, в теплообміннику, визначається з основного рівняння теплопередачі

Q=KF∆t_cp (1)

де К- коефіцієнт теплопередачі, Вт/м²*К;

F – площа поверхні теплообміну, м²;

∆t_cp- середня різниця температур між теплоносіями, К

Розрахунок здійснюють, користуючись рівнянням

де

відповідно більша і менша різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника

Якщо ∆t_а/∆t_і ≤ 2, то з достатньою точністю (похибка менше 5%) ∆t_cp можна обчислювати за формулою

Коефіцієнт теплопередачі К за фізичним змістом є термічною провідністю під час передачі тепла від гарячого теплоносія до холодного. На цьому шляху можна виділити такі термічні опори:

1) Термічний опір при переході тепла від гарячого теплоносія до поверхні труби 1/α₁ (α₁ – коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару гарячого теплоносія, Вт/м²*К);

2) Термічний опір нашарувань на поверхні труби (іржа, накип) r₁;

3) Термічний опір стінки труби δ_ст/λ_ст (δ_ст – товщина стінки, м; λ_ст – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки руби, Вт/м*К);

4) Термічний опір нашарувань на поверхні труби з боку рідини, що нагрівається r₂;

5) Термічний опір при переході тепла від стінки до рідини, що нагрівається 1/α₂ (α₂ – коефіцієнт тепловіддачі або термічна провідність пристінного шару холодного теплоносія, Вт/м²*К);

Загальний термічний опір теплопередачі дорівнює сумі опорів

А коефіцієнт теплопередачі (загальна термічна провідність) є величина обернена опору

Визначення коефіцієнтів тепловіддачі – одне з основних завдань теорії теплообміну. Значення коефіцієнтів тепловіддачі розраховують з критеріальних рівнянь.

У цьому теплообміннику холодна вода проходить по внутрішній трубі і нагрівається гарячою водою, яка подається в кільцевий міжтрубний простір.

Кількість тепла Q, що передається під час теплообміну визначається з рівняння теплового балансу

де G₁ і G₂ – відповідно продуктивність по гарячій та холодній воді, кг/с;

C₁ і C₂ – теплоємність теплоносіїв при середніх температурах, Дж/кг*К;

Термічний опір нашарувань на стінці труби можна визначити з рівняння (5). Коефіцієнт теплопередачі визначають експериментально з рівняння (1). Коефіцієнт тепловіддачі α₁ і α₂ можно разрахувати з критеріального рівняння (8)

де

 

w – середня швидкість руху рідини, м/с; d_e –еквівалентний діаметр, м; µ - коефіцієнт динамічної в’язкості, Па*с; с – теплоємність води, Дж/кг*К; λ – коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/м*К;

Необхідні для розрахунку фізичні параметри приймаються при середній температурі теплоносіїв(див. табл.. 1). Для розрахунку води середня температура t_cp1

t_cp1 = t_cp2 + ∆t_cp; (9)

Значення Pr для води можно визначити з табл. ХХХІХ [4] або з табл.1 цієї інструкції.

Внаслідок того, що температура стінки невідома, можна в першому наближенні при визначенні α₁ прийняти Pr/Pr_ст. =1 і знайти t_cp1 з рівняння

(10)

Після визначення t_cp1 визначають критерій Pr_ст. і уточнене значення α₁. Аналогічно визначається коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодної води α₂. При визначенні Nu, Pr, Re значення фізичних констант вибирають при середній температурі холодної води t_cp2

а Pr_ст. – при температурі стінки з боку холодної води. Оскільки t_cp2 також невідома, то розрахунок α₂ виконують аналогічно α₁ з врахуванням рівняння

(12)

 

Опис установки.

Установка складається з теплообмінника 1, трубопроводу гарячої води 2, водопроводу 7, лінії відводу гарячої води 8, лінії відводу нагрітої води 10, контрольно-вимірювальної апаратури, яка складається з електронного моста 3, термометрів опору 4, лічильника витрати холодної води 5, вентилів 6.

Теплообмінник «труба в трубі» складається з чотирьох елементів, які розміщені один над одним. Кожний елемент складається з двох труб: зовнішньої діаметром 56 х 4 мм і внутрішньої діаметром 32 х 3 мм. Матеріал – сталь Ст.3. Внутрішні труби елементів з’єднані одна з іншою послідовно за допомогою U – подібних труб, зовнішні труби також з’єднані між собою послідовно. Гарячу воду подають у міжтрубний простір теплообмінника і скидають у лінію оборотної води. Холодну воду подають у внутрішню трубу теплообмінника. Загальна довжина труб, які беруть участь у теплообміні, L=6.9 м. Витрата холодної води визначається за допомогою лічильника. Температуру води на вході і виході з теплообмінника вимірюють за допомогою термометрів опору, під’єднаних до електронного моста.

Методика виконання роботи.

Після пуску установки встановлюють задану витрату холодної та гарячої води і після 15-20 хвилинного нагрівання записують початкові та кінцеві значення гарячої і холодної води. По лічильнику 6 визначають витрату холодної води.