0401 отчет кожухотрубные. Лабораторная работа 3 Изучение процесса теплопередачи в кожухотрубном теплообменнике по дисциплине

• Название: Лабораторная работа 3 Изучение процесса теплопередачи в кожухотрубном теплообменнике по дисциплине
• Дата: 27.09.2022
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: 0401 отчет кожухотрубные.docx
• Тип: Лабораторная работа; #699778

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»


Инженерная школа ядерных технологий

Отделение ядерно-топливного цикла

18.05.02 «Химическая технология материалов современной энергетики»
_______________________________________
лабораторная работа №3
Изучение процесса теплопередачи в кожухотрубном теплообменнике

по дисциплине:

Процессы и аппараты химической технологии

Исполнитель:
Студент группы 0401		27.04.2022
Руководитель:

Томск – 2022

Цель работы:

1. 
   Ознакомление с теоретическими основами теплообменных аппаратов.
   

2. 
   Ознакомление с устройством 2-ух ходового кожухотрубчатого теплообменника и исследование его работы.
   

3. 
   Тепловой и поверочный расчет по результатам экспериментальных данных.
   

Теоретическое введение:

Теплообменные аппараты (теплообменники) – устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя, нагретого до более высокой температуры, к другому.
Теплоноситель – жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии. Теплоносители, отдающие тепловую энергию в теплообменном аппарате, называют теплагентами, поглощающие – хладагентами.
Теплообменник – устройство, в котором осуществляется теплообмен между теплоносителями, имеющими различные температуры.
Основополагающие требования к теплообменному оборудованию:

• 
  минимальный расход материалов при изготовлении;
  

• 
  устойчивость материала к коррозионному действию теплоносителей;
  

• 
  компактность аппарата при достаточной площади поверхности теплопередачи;
  

• 
  высокий коэффициент теплопередачи при минимальном гидравлическом сопротивлении;
  

• 
  надежность и герметичность оборудования;
  

• 
  легкий доступ к поверхности оборудования для ее очистки от загрязнений;
  

• 
  доступность деталей и узлов или их унификация.
  

Теплообменные аппараты классифицируют в зависимости от формы поверхности, вида теплоносителей, способа передачи тепла. В соответствии с последним показателем, теплообменники подразделяются на: поверхностные, смесительные (контактные), регенеративные (рис. 1).

Поверхностные теплообменники представляют собой наиболее значительную группу аппаратов, используемых в химической технологии. В таких аппаратах теплоносители разделены стенкой, сквозь которую тепло передается за счет теплопроводности материала стенки. Главной характеристикой таких аппаратов является площадь поверхности стенки, поскольку именно от ее размера зависит количество тепла, передаваемое в аппарате от одного теплоносителя к другому. Если поверхность теплообмена формируется из труб, то такие теплообменники называют трубчатыми. К ним относятся кожухотрубчатые, элементные (секционные), двухтрубчатые («труба в трубе»), оросительные, погружные и оребренные теплообменники. Теплообменники с плоской поверхностью теплопередачи представлены тремя видами аппаратов: пластинчатыми, спиральными теплообменниками и аппаратами с двойными стенками (рубашками). Отдельный подкласс составляют блочные теплообменники, изготавливаемые из графитовых или фторопластовых блоков.

• 
  смесительных (контактных) теплообменниках теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
  

• 
  этому классу относятся аппараты для острого нагрева паром, а также градирни и барометрические конденсаторы.
  

В регенеративных теплообменниках процесс переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода. В первый период насадка теплообменника аккумулирует тепло при прохождении через нее горячего теплоносителя, а затем, во второй период, отдает тепло холодному теплоносителю. Теплообменники этого типа часто применяют для регенерации теплоты отходящих дымовых газов.
По назначению поверхностные теплообменные аппараты подразделяют на следующие типы:
холодильники –теплообменные аппараты,применяемые для охлаждения жидких или газовых сред водой или другим хладагентом;
подогреватели –теплообменные аппараты,применяемые длянагрева жидких или газовых сред жидким теплагентом или конденсирующимся паром;
конденсаторы –теплообменные аппараты,применяемые для конденсации паров при охлаждении водой или другим хладагентом;
испарители –теплообменные аппараты,применяемые для испарения жидкостей при обогреве паром или жидким высокотемпературным теплоносителем.
Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным аппаратам непрерывного действия. По конструкции они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, закрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухом с крышками, снабженными патрубками входа и выхода теплоносителя. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены. Теплообменники такого типа предназначены для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газом.
Основной недостаток – большое сечение трубного и межтрубного пространства, что обуславливает невысокие скорости движения теплоносителей и, как следствие, невысокие значения коэффициентов теплоотдачи. Для увеличения скорости движения теплоносителей, теплообменники часто выполняют многоходовыми, устанавливая перегородки в трубном или в межтрубном пространстве.
Основное достоинство – большая удельная поверхность теплообмена.
Описание лабораторной установки



Рисунок 3 – Схема лабораторной установки:
1– теплообменник кожухотрубчатый; 2 – бойлер; 3, 4 – ротаметры; 5 – термопара сопротивления; 6, 7, 8 – вентиля.

Горячая вода поступает из бойлера 2 в межтрубное пространство теплообменника 1, где охлаждается, передавая тепло через стенки труб холодной воде. Холодная вода подается в теплообменник из системы водоснабжения. Подача воды регулируется вентилями 6, 7, 8. Расход горячей и холодной воды измеряется ротаметрами 3, 4. Контроль температуры горячей и холодной воды на входе и выходе осуществляется с помощью термопары сопротивления 5, данные выводятся на цифровое табло.

Ход работы
Перед началом работы нужно убедиться в наличии воды в бойлере (при недостатке воды, следует открыть вентиль 7 и наполнить бойлер). Открыть вентиль 6 и установить по ротаметру 3 заданный расход холодной воды. Открыть вентиль 8 и установить по ротаметру 4 заданный расход горячей воды. Включить термопару сопротивления и отслеживать показания для каждой соответствующей точки установки.
Дождаться стационарного режима теплообмена, характеризуемого постоянством во времени каждой фиксируемой температуры.
Отметить расходы и температуры теплоносителей при стационарном теплообмене.
Закончив опыт, выключить прибор регистрации температур, закрыть вентиль 8, а спустя 1÷2 минуты – вентиль 6.
Обработка экспериментальных данных

1. 
   Расход холодной воды через ротаметр 3 определяется по формуле:
   

Расход горячей воды через ротаметр 4 определяется по формуле:

2. 
   Рассчитать экспериментальное значение коэффициента теплопередачи (K_{Т, эксп}), отнесенного к единице площади наружной поверхности теплообменных труб по формуле:
   

∆ _̅̅̅̅ ∙

где – Q – количество теплоты, передаваемой в единицу времени от одного теплоносителя к другому, или тепловой поток;

– средняя вдоль поверхности теплообмена разность температур
теплоносителей;
A – площадь поверхности теплообмена, вычисляемая по наружному диаметру теплообменных труб.
Количество теплоты, воспринимаемой в единицу времени холодным теплоносителем, определяется по формуле:

Q1 = (ℎ1к − ℎ1н) ∙ m1 = (ℎ1к − ℎ1н) ∙ p1н ∙ V1 ,

(4)

а количество теплоты, отдаваемой в единицу времени горячим теплоносителем, – по формуле:

Q2 = (ℎ2н − ℎ2к) ∙ m2 = (ℎ2н − ℎ2к) ∙ p2н ∙ V2 ,

(5)

где h_1н и h_1к – удельные энтальпии холодной воды при её начальной и конечной температуре в аппарате, соответственно;
h_2ни h_2к–удельные энтальпии горячей воды при её начальной и конечной температуре в аппарате, соответственно;
m₁и m₂–массовые расходы соответственно холодного и горячеготеплоносителей;
V₁и V₂–объёмные расходы соответственно холодного и горячеготеплоносителей;
Ρ_1ни Ρ_2н–плотности соответственно холодного и горячего теплоносителей при их начальных температурах.
Если Q₁≈Q₂, то результаты лабораторных измерений являются вполне достоверными.
Обычно Q₁ оказывается немного больше Q₂, что объясняется теплообменом холодной воды с окружающей средой через стенку кожуха.
Для определения коэффициента теплопередачи рекомендуется принять:

Q₁= Q₂.
Средняя движущая сила теплопередачи (средняя разность температур теплоносителей в аппарате) определяется уравнением:

3. 
   Полученное экспериментально значение коэффициента теплопередачи сравнивается со значением, рассчитанным по уравнению аддитивности термических сопротивлений:
   

где α_н и α_вн – коэффициенты теплоотдачи соответственно с наружной и внутренней стороны теплообменных труб;
d_ни d_вн–диаметры соответственно наружный и внутренний теплообменной трубы;
λст–теплопроводность материала теплообменной трубя(стенки).Для этого необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи α_н и
αвн.
3.1. Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности теплообменной трубы к холодной воде (α₁=α_вн) рекомендуется выполнять в следующем порядке:
а) определить физические свойства холодной воды (в частности, плотность – ρ₁; динамическую вязкость – μ₁; теплопроводность – λ1) и критерий Прандтля при ее средней температуре в теплообменнике. Средняя температура холодного теплоносителя рассчитывается по формуле:



Здесь и далее через ∆ T₁ и ∆ T₂ обозначены конечные изменения температур сред, то есть ∆ T₁ = T_1н – T_2к; ∆ T₂ = _1к − Т_2н.
б) рассчитать среднюю скорость воды в теплообменных трубах и число Рейнольдса ( Re₁);
в) рассчитать число Нуссельта (Nu₁), используя одно из приведенных ниже критериальных уравнений (в зависимости от гидродинамического режима течения теплоносителя):

• 
  уравнениях (9)…(12) все физические свойства среды (кроме помеченных индексом «ст») определяются при средней вдоль поверхности теплообмена температуре теплоносителя; индекс «ст» означает, что свойства среды определяются при температуре стенки.
  

Поскольку температуры теплообменных поверхностей в данном аппарате не измеряются, рекомендуется сделать следующие предположения:



Тогда может быть вычислена средняя температура стенки со сто-роны холодного теплоносителя:



что позволяет определить свойства воды и соответствующие критерии при данной температуре;
г) рассчитать коэффициент теплоотдачи



3.2. Расчет коэффициента теплоотдачи от горячей воды к поверхности теплообменных труб ( a₂= a_н) рекомендуется выполнять в следующем порядке:
а) определить физические свойства горячей воды (в частности, плотность – p₂; динамическую вязкость – μ₂; теплопроводность – λ₂) и критерий Прандтля при ее средней температуре в теплообменнике. Средняя температура горячего теплоносителя рассчитывается по формуле:


б) рассчитать число Рейнольдса (Re₂). Скорость потока, входящая в число Рейнольдса, определяется по формуле:


где S_мтр = ⋯ м² – расчетная площадь проходного сечения в межтрубном пространстве.
в) рассчитать число Нуссельта (Nu₂). Принимая во внимание нестандартное размещение сегментных перегородок в межтрубном пространстве аппарата и, как следствие, существенное различие в площадях проходных сечений в разных местах этого пространства, коэффициент теплоотдачи от поверхности труб к потоку воды в данном конкретном аппарате рекомендуется определять из уравнения:



где Pr – критерий Прандтля; l– определяющий линейный размер, = _н

l=d_н – наружный диаметр теплообменной трубы.

При расчете Нуссельта необходимо знать температуру стенки. Тогда:



г) рассчитать коэффициент теплоотдачи



3.3. Определить по соответствующим справочникам теплопроводность материала теплообменной трубы при ее средней температуре, которую с достаточной точностью можно считать равной:



3.4. Рассчитать коэффициент теплопередачи (К_Т,расч) по формуле (7).
Результат этого расчета обычно значительно превышает величину коэффициента теплопередачи, полученного в эксперименте.

Результаты вычислений и измерений

№ опыта	Тип теплоносителя	Время опыта, с	Начальное показание счетчика, м3	Конечное показание счетчика, м3	Температура теплоносителей, °С
					Начальная	Конечное
1	Х
	Г
2	Х
	Г

Расчеты































































Опыт 2
































































Вывод:

В ходе проделанной работы мы знакомились с теоретическими основами теплообменных аппаратов; с устройством одноходового кожухотрубчатого теплообменника и исследовали его работу. Тепловой и поверочный расчет по результатам экспериментальных данных равен:







Опыт 2





Поверхность теплопередачи:









Погрешности связаны с состоянием внутренней поверхности труб.