Лабораторная работа: Определение термических характеристик теплообменного аппарата труба в трубе

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Отчёт по лабораторной работе №1

Определение термических характеристик теплообменного аппарата «труба в трубе»

Выполнил:

Носов З.

Проверил:

Корытцева А. К., к.х.н.

Нижний Новгород 2018 г.

Цель работы: определить опытный и расчетный коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата типа «труба в трубе» в нескольких режимах работы.

Описание лабораторной установки:

Установка для определения коэффициента теплопередачи (рис. 1) в двухтрубчатом теплообменном аппарате состоит из теплообменника (1), термостата (2) и двух ротаметров (3 и 4) и компьютера (9).

Теплообменник типа «труба в трубе» включает три расположенных друг над другом теплообменных элемента, соединенных последовательно. Каждый элемент состоит из двух стеклянных труб: наружной трубы с Dвнутр. = 33 мм и концентрически расположенной внутри нее трубы с dн = 20 мм и толщина стенки - 1,5 мм. Общая длина теплообменника - 2360мм.

Холодная вода из водопровода подается в межтрубное пространство. Расход холодной воды регулируется вентилем (10) и измеряется ротаметром (4). Пройдя теплообменник она сливается в канализацию. По внутренней трубе теплообменника циркулирует горячая вода из термостата (2). Измерение расхода воды производится ротаметром (3).

Контроль температуры на входе и выходе горячей и холодной воды контролируется цифровыми датчиками, чувствительным элементом которых является термометр сопротивления. Данные с датчиков поступают в компьютер, где обрабатываются программой Temp.Keeper (9)

Рис 1. Схема установки для определения термического сопротивления теплообменника «труба в трубе». 1 - теплообменник, 2 - термостат, 3,4 - ротаметры, 5,6,7,8 - датчики температуры, 9 - компьютер, 10, 11 - регулирующие краны.

Ход работы

Получили от преподавателя условия проведения опыта, с помощью регулирующих кранов 10 и 11 установили необходимый расход горячей и холодной воды. Из-за колебаний давления в сети водопровода постоянно регулировали расход холодной воды при помощи регулирующего крана. Дождались стабилизации температурных показателей, отображаемых в программе Temp.Keeper и записали три значения температуры с интервалом в 1 минуту.

Таблица №1. Экспериментальные данные

Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи

Исходя из калибровочных графиков, нашли из показателей ротаметра объёмный расход V_i для воды. Рассчитали массовый расход: . Определили среднее количество тепла Q_ср, переданное от горячего теплоносителя холодному в единицу времени: , Q_гор = G_гор*С_гор*(t_г,н - t_г,к), Q_хол = G_хол*С_хол*(t_х,к - t_х,н). Площадь поверхности теплообмена F рассчитали как из средних параметров трубы как произведение средней длины окружности сечения и длины теплообменника: . Рассчитали средний температурный напор: . Зная эти величины, нашли коэффициент теплопередачи: .

Пример расчёта для первого набора значений:

V_гор = 0,294 л/мин, V_хол = 1,169 л/мин; t_ср,г = 37,66 ^оС, t_ср,х = 13,86 ^оС, с_гор = 999,34 кг/м³, с_хол = 993,03 кг/м³.

,

.,

,

Q_ср = 561,7 Дж.

F = р * 0,0185 * 2,360 м² = 0,137 м².

.

Теоретическое определение коэффициента теплопередачи.

Использовали формулу для нахождения расчётного коэффициента теплопередачи для тонкостенных труб: , где д_ст - толщина теплопередающей стенки (м), л_ст - коэффициент теплопроводности стенки (Вт/м*К), б_г и б_х - коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей (Вт/м²*К), r₁ и r₂ - термические сопротивления загрязнений стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей (м²*К/Вт). Последними по указанию методического пособия пренебрегли.

Коэффициенты теплопередачи находят с помощью критерия Нуссельта: Nu = бl/л => б = Nu*л/l, l для труб равен d. Критерий Нуссельта находится при помощи критериальных уравнений:

· Для переходного режима движения (2300 < Re < 10000):

Nu = 0,008*Re^0,9*Pr^0,43

· Для ламинарного режима (Re < 2300):_____________________

Nu = 0,17*Re^0,38*Pr^0,43*Gr^0,1*(Pr/Pr_ст)^0,25

Критерий Рейнольдса:

Критерий Прандтля:

термическое сопротивление теплообменник

Критерий Грасгофа:

Скорость движения нашли из объёмного расхода, определённого по ротаметру: . Все остальные величины являются справочными и соответствующим способом были определены.

Пример расчёта для первого набора значений:

V_гор = 0,294 л/мин, V_хол = 1,169 л/мин; t_ст = 25,76^оС, t_ср,х = 13,86^оС, t_ср,г = 37,66^оС.

Nu_гор = 0,17*Re_гор^0,38*Pr_гор^0,43*Gr_гор^0,1*(Pr_гор/Pr_ст)^0,25 =
= 0,17 * (547)^0,38*(4,4)^0,43*(4,6*10⁵)^0,1*(4,4/6,002)^0,25 = 12,024

Nu_хол = 0,17*Re_хол^0,38*Pr_хол^0,43*Gr_хол^0,1*(Pr_хол/Pr_ст)^0,25 =
= 0,17 * (389)^0,38*(8,6)^0,43*(2,24*10⁴)^0,1*(8,6/6,002)^0,25 = 12,321

б_гор = Nu_гор*л₃₈/d_вн = 445,97 Вт/м²*К;
б_хол = Nu_хол*л₁₄/(D_вн - d_н) = 554,54 Вт/м²*К.

Результаты расчётов вместе с номерами экспериментов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты нахождения опытного и расчётного коэффициентов теплопередачи

Вывод

В ходе работы определены теоретические и экспериментальные значения коэффициентов теплопередачи (таблица 2).

Несовпадение теоретического и экспериментального значений коэффициентов теплопередачи можно объяснить тем, что в системе присутствуют значительные теплопотери.

Литература

1) Клапшин. Ю.П., Щелоков И.А. Теплообменные процессы в химической технологии. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2016. - 24 с.