Изучение процесса теплопередачи

Ф. 7.11-18

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ

КАЗАХСТАН

ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. М.АУЕЗОВА

 

 

Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С., Тлеуов А.С.,

Ханходжаев Ш.Х., Омаркулов П.К., Якубова Р.Р.

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

 

ПО ДИСЦИПЛИНАМ

 

«Основные процессы и аппараты химических производств»,

«Технологические процессы и производства»,

«Процессы и аппараты химической технологии»,

«Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности»,

«Процессы и аппараты»,

«Теоретические основы нефтехимической технологии»,

 

Часть 2 «Тепло- и массообменные процессы»

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

для студентов специальностей

050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731

всех форм обучения

 

 

Шымкент 2008

 

УДК 66.021.3 (072)

ББК 35.11

 

Алтынбеков Ф.Е., Нурунбетов Т.С., Тлеуов А.С., Ханходжаев Ш.Х.,

Омаркулов П.К., Якубова Р.Р. Лабораторный практикум по дисциплинам «Основные процессы и аппараты химических производств», «Технологические процессы и производства», «Процессы и аппараты химической технологии», «Процессы и аппараты перерабатывающей промышленности», «Процессы и аппараты», «Теоретические основы нефтехимической технологии. Часть 2 «Тепло- и массообменные процессы»: Учебное пособие – Шымкент: Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, 2008. – 35 с.

 

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 050720,

050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех форм обучения. Лабораторный практикум содержит теоретические основы тепло- и массообменных процессов, методики выполнения и расчета работы, контрольные вопросы. Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ГОСО соответствующих специальностей и с содержанием типовых программ дисциплин.

 

 

Рецензенты:: Волненко А.А., д.т.н., профессор, ЮКГУ им.М.Ауезова

Шахабаев Е.Ш., к.т.н., доцент ШИ МКТУ им.Х.Яссави

 

Учебное пособие рекомендовано к изданию Методическим советом ЮКГУ им. М.Ауезова (протокол № _4_ от «_31__»__03___ 2008 г.).

 

© Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, 2008 г.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 4

1. Лабораторная работа № 8 «Изучение процесса

теплопередачи в теплообменнике типа «труба в трубе» 5

2. Лабораторная работа № 9 «Определение гидравлического

сопротивления насадочной колонны» 14

3. Лабораторная работа № 10 «Изучение процесса

радиационной сушки» 20

4. Лабораторная работа № 11 «Изучение процесса простой

перегонки» 29

Литература 35

 

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Процессы и аппараты» является завершающей дисциплиной в общеинженерной и основополагающей в специальной подготовке специалиста.

Целью преподавания дисциплины «Процессы и аппараты» является изучение закономерностей протекания типовых технологических процессов, встречающихся в различных производствах, овладение методами подбора и расчета аппаратов, применяемых в промышленном производстве.

Настоящая дисциплина состоит из лекционного курса, лабораторного практикума, самостоятельной работы студентов.

Лабораторный практикум является важной частью изучения данной дисциплины. На лабораторных занятиях прививаются навыки практического экспериментального и расчетного анализа процессов различных производств. Изучаются и усваиваются основные закономерности расчета аппаратов, применяемые в химической, нефтехимической, пищевой технологий. На основании этого выбираются оптимальные условия ведения процесса, рассчитываются основные параметры, характеризующие эффективность технологического процесса.

Учебное пособие охватывает содержание курса в разделе «Тепло- и массообменные процессы» и содержит 4 лабораторных работ, каждая из которых включает цель работы, теоретические сведения об изучаемом процессе, описание установки, методику выполнения работы, порядок расчета основных показателей процесса, контрольные вопросы. Лабораторные работы выполняются бригадами по 2-3 человека после получения допуска преподавателем. После выполнения работы каждый студент проводит расчеты в соответствии с заданием, оформляет отчет и затем его защищает преподавателю.

Лабораторный практикум составлен в соответствии с содержанием типовой и рабочей программ по соответствующим дисциплинам и требованиями фирменного стандарта ЮКГУ им.М.Ауезова Ф.4.7-008-02 и предназначен для студентов специальностей 050720, 050721, 050724, 050708, 050702, 050727, 050728, 050730, 050731 всех форм обучения.

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

В ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

 

Цель работы: 1. Ознакомление с устройством и работой теплообменника типа «труба в трубе».

2. Опытное определение коэффициента теплопередачи и сравнение его с расчетным.

 

Теоретическая часть

Тепловыми процессами называются такие процессы, скорость которых определяется скоростью подвода или отвода тепла (нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание).

Движущей силой процесса теплопередачи между теплоносителями является разность температур.

Процесс передачи тепла между двумя теплоносителями осуществляется в аппаратах, которые называются теплообменниками.

Одной из наиболее простых конструкций этих аппаратов являются теплообменники типа «труба в трубе», достоинством которых является простота конструкций, возможность осуществлять процесс при высоких параметрах теплоносителей (давление и температура, высокая скорость теплоносителей). Недостатком этих теплообменников является большой вес металла на 1 м² поверхности теплообмена, громоздкость, малая производительность.

Теплообменники типа «труба в трубе» представляют собой конструкцию, состоящую из двух концентрически расположенных труб разных диаметров, размещенных одна в другой. По внутренней трубе проходит один теплоноситель, по кольцевому пространству между трубами - другой.

Расход тепла в теплообменнике в стационарных условиях теплопереноса определяется основным уравнением теплопередачи:

 

(8.1)

 

где: К - коэффициент теплопередачи, Вт/м^2. град;

F - поверхность теплообмена, м²;

Δt_cp - средняя разность температур, К;

При условии установившихся температур вдоль поверхности теплообмена средняя разность температур определяется по формуле:

 

(8.2)

Этой формулой пользуются при условии, когда Δt_б/Δt_м > 2. Если соотношение Δt_б/Δt_м < 2, то средняя разность температур определяется по формуле:

 

(8.3)

 

где: Δt_б - большая разность температур между теплоносителями на одном конце

теплообменника, К;

Δt_м - меньшая разность температур между теплоносителями на другом

конце теплообменника, К.

Коэффициент теплопередачи К из уравнения (8.1) равен в Вт/(м^2.К):

 

(8.4)

 

Он показывает, какое количество тепла передается от одного теплоносителя другому через стенку теплопроводностью в единицу времени(1 сек), через поверхность теплопередачи, равную 1 м², при средней разности температур между теплоносителями в один градус (1 К) и равен обратной величине суммы термических сопротивлений на этом пути:

 

(8.5)

 

где: α₁ - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы, Вт/(м^2.К);

δ₁ - толщина слоя загрязнения (накипи) со стороны горячего теплоносителя, м;

λ₁ - коэффициент пленки загрязнения со стороны горячего теплоносителя, Вт/(м^2.К);

δ_cm - толщина стенки трубы, м;

λ_cm - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м^2.К);

δ₂ - толщина накипи (или ржавчины) на стенке трубы со стороны горячего теплоносителя, м;

λ₂ - коэффициент теплопроводности накипи на стенке трубы со стороны холодного теплоносителя, Вт/(м^2.К).

Выражение (8.5)можно написать в виде:

(8.6)

где - термическое сопротивление горячего теплоносителя, (м^2.К)/Вт;

- термическое сопротивление накипи на стенке со стороны горячего теплоносителя, (м^2.К)/Вт;

- термическое сопротивление стенки трубы, (м^2.К)/Вт;

- термическое сопротивление накипи на стенке со стороны холодного теплоносителя, (м^2.К)/Вт;

- термическое сопротивление со стороны холодного теплоносителя, (м^2.К)/Вт.

Если теплообменник не загрязнен, то коэффициент теплопередачи равен:

 

(8.7)

 

Коэффициенты теплоотдачи определяют с помощью критериального уравнения при турбулентном режиме движения теплоносителя

 

(8.8)

где: (8.9)

Nu – число Нуссельта;

(8.10)

Pr – число Прандтля;

(8.11)

Re – число Рейнольдса;

(8.12)

d_э – эквивалентный диаметр сечения потока, м.

Эквивалентный диаметр сечения потока равен: для трубы круглого сечения d_экв = d_вн; для кольцевого сечения d_э = d_в - d_н, т.е. разности между внутренним диаметром наружной трубы и наружным диаметром внутренней трубы.

Pr_ст - число Прандтля стенки;

f - площадь живого сечения потока, м²;

П - смоченный периметр потока, м²;

μ - динамический коэффициент вязкости теплоносителя, Па^.с;

с - теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, Дж/кг^.град.;

ρ - плотность среды потока кг/м³, которая для газов определяется из формулы:

 

(8.13)

 

ρ₀ - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

Т_о, Р_о - температура и давление при нормальных условиях, К, Па, соответственно;

Т, Р - температура и давление при рабочих условиях, К, Па, соответственно;

w - средняя скорость потока теплоносителя, м/с, определяется из формулы:

(8.14)

 

V_СЕК - объемный секундный расход теплоносителя, м³/с;

ε_i - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы к ее диаметру, берется из таблицы 1.

 

Таблица 8.1.

 

число Рейнольдса Re	Отношение длины трубы к ее диаметру ℓ/d
					50 и более
1. 102	1,23	1,13	1,07	1,03
1. 102	1,18	1,10	1,05	1,02
1. 102	1,13	1,08	1,04	1,02
1. 103	1,10	1,06	1,03	1,02
1. 103	1,05	1,03	1,02	1,01

 

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м^2.К).

Pr/Pr_ст - выражение, учитывающее направление теплового потока.

 

Значение Pr определяется из монограммы /2/. Значение физически: констант в формуле (8.7) необходимо брать при средней температуре стенки соприкасающейся с потоком. Для газов формула (8.7) упрощается, например, для воздуха она будет равна:

 

(8.15)

 

Коэффициент теплоотдачи при переходном режиме (Re = 2300 - 10000) определяется из графической зависимости /2/. Надежных формул для этой области нет.

Для определения коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме используется уравнение:

 

(8.16)

 

Значение коэффициента ε зависит от Re и отношения l/d и выбирается из таблицы 8.1.

где: Gr - число Грасгофа:

 

(8.17)

 

где: Δt_cp - средняя разность температур, К;

ε - коэффициент для ламинарного режима;

β - коэффициент объемного расширения, равен 1/Т, м/град.;

g - ускорение свободного падения, м/с.

Описание установки

Установка (рис. 8.1) состоит из теплообменника 1, газопровода с вентилем 2, водопровода с вентилем 3, подогревателя 4, компрессора 5 и ротаметра 7. Теплообменник состоит из двух труб: наружной трубы размером 50 x 2 мм и внутренней трубы размером 22 x 1,5 мм, длина теплообменной поверхности L = 1 м. Теплообменник изготовлен из нержавеющей стали.