Изучение процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Ярославский государственный технический университет»
Кафедра «Химическая технология органических веществ»
Отчёт защищен
С оценкой_______
Преподаватель
_____Леонтьев В.К.
«___»__________2023
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В
КОЖУХОТРУБЧАТОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Отчёт по лабораторной работе
по дисциплине «Процессы и аппараты в химической технологии»
ЯГТУ 18.03.01 - 03 ЛР
Отчет выполнил
студент гр. ЗО-30
____Соколов Д.О.
«___»__________2023
2023

2.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
- приобретение навыков экспериментального исследования тепловых
процессов;
- овладение
методикой
теплопередачи;
расчета
коэффициентов
теплоотдачи
и
- определение опытного значения коэффициента
сопоставление его значения с расчетным.
теплопередачи
и
ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
Рис. 1. Схема опытной установки
Схема опытной установки изображена на рисунке 7.1. Одноходовой
кожухотрубчатый теплообменник обвязан системой труб. Открывая или
закрывая вентили (1-12) можно реализовать все возможные варианты движения теплоносителей (горячая и холодная вода) через теплообменный аппарат,
смотри рисунок 7.2.

3.

Для измерения начальных и конечных значений температур
теплоносителей используются термопары (Т1-Т4), подключенные к
переключателю термопар, с которого сигнал поступает на потенциометр. По
шкале потенциометра считывается значение температуры потока, в котором
установлена данная термопара. Номер термопары соответствует номеру, на
котором устанавливается указатель переключателя термопар.
Абсолютная погрешность при измерении температуры воды данным
попотенциометром составляет 0,5 градуса.
Расходы теплоносителей измеряются ротаметрами Р1 и Р2.
Параметры кожухотрубчатого теплообменника
Внутренний диаметр кожуха
Внутренний диаметр труб
Наружный диаметр труб
Число ходов
Общее число труб
Длина труб
Коэффициент теплопроводности материала стенки
Поверхность теплопередачи
D = 200 мм
10 мм
14 мм
1
61 шт
L = 500 мм
17,5 Вт/м·К
1,34 м2
Схема движения горячего и холодного теплоносителя через
теплообменный аппарат
Чтобы установить заданную схему движения теплоносителей через
теплообменный аппарат, необходимо:
- закрыть вентили подачи горячей и холодной воды на установку
- закрыть вентили с 1 по 12, включительно
- открыть не менее чем на два оборота вентили, номера которых указаны в
заданной схеме движения теплоносителей (см. рис. 7.2)
- закрыть, а потом на четверть оборота открыть вентили 13 и 14
- открыть вентили подачи горячей и холодной воды на установку
- плавно открыть вентили 13 и 14 по положению поплавка ротаметров Р1 и Р2,
установить заданные расходы теплоносителей.

4.

Схема 1
Схема 2
Схема 3
Схема 4
Открыть
1,6,9 4,7,11
Открыть
1,8,10 4,7,11
Открыть
2,7,11 3,6,9
Открыть
2,5,12 3,8,10
Схема 5
Схема 6
Схема 7
Схема 8
Открыть
1,6,9 4,5,12
Открыть
1,8,10 4,5,12
Открыть
2,7,11 3,8,10
Открыть
2,5,12 3,6,9
Рис. 2. – Схемы движения теплоносителей
Методика выполнения экспериментальной части работы
Экспериментальная
установка
позволяет
выполнять
работы
разнообразные как по содержанию, так и по степени сложности. Конкретное
задание по работе формулируется преподавателем, при этом необходимо
учитывать ограниченные возможности слива воды с установки.
Суммарный расход горячей и холодной воды должен удовлетворять
условию (nгор + nхол) ≈ 160.
Независимо от сложности задания оно всегда может содержать пункт,
требующий сопоставления опытного и расчетного значения коэффициентов
теплопередачи при постоянных расходах теплоносителей.
Возможный вариант задания: при расходе горячей воды,
соответствующему nгор делениям шкалы ротаметра и расходе холодной воды
соответствующему nхол делениям шкалы ротаметра определить опытное
значение коэффициента теплопередачи и сравнить его с расчетным. Горячую

5.

воду направить в трубное пространство теплообменника сверху вниз,
холодную воду направить в межтрубное пространство снизу вверх.
Возможный алгоритм выполнения экспериментальной части
задания
- внимательно ознакомиться с описанием опытной установки, назначением
отдельных её элементов, схемой движения теплоносителей, правилами
изменения схемы движения теплоносителей, знать какие параметры измеряются в процессе эксперимента, какими приборами, заготовить таблицу
записи опытных данных.
- обратиться к руководителю занятий для получения допуска к выполнению
работы и конкретного задания.
- получив допуск к выполнению работы и задание, под наблюдением руководителя занятий или лаборанта, руководствуясь пунктом 7.2 установить
заданную схему движения теплоносителей и заданные расходы, включить в
сеть вилку потенциометра.
- в процессе выполнения эксперимента постоянно, регулируя вентилями 13 и
14, поддерживать поплавки ротаметров на заданном числе делений.
- через 10 минут после начала эксперимента, через каждые две-три минуты в
течение еще 10 минут, используя переключатель термопар, считывать и
записывать показания термопар Т1 , Т2, ТЗ, Т4. Считывая со шкалы прибора
показание конкретной термопары, стараться приблизительно оценить
десятые доли градуса, это поможет отследить колебания начальных
температур теплоносителей. Опыт заканчивают если в течение последних 5
минут температуры теплоносителей сохраняют постоянное значение.
- сообщить руководителю занятий или лаборанту об окончании опыта, под их
наблюдением закрыть вентили подачи горячей и холодной воды на
установку, выключить из сети вилку потенциометра.
- используя показания термопар и схему движения теплоносителей пригор
гор
хол
хол
своить значения температурам t н , t к , t н , t к .

6.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
Расчет для схемы 3
1. Вычисление опытного значения коэффициента теплопередачи.
1) Определяют массовые расходы теплоносителей.
G
Расход горячего теплоносителя ( гор = 0,26 кг/с) определяется по
тарировочному графику для ротаметра Р1 по заданному числу делений
ротаметра (Приложение А).
G
Расход холодного теплоносителя ( хол =0,27 кг/с) определяется по
тарировочному графику для ротаметра Р2 по заданному числу делений
ротаметра (Приложение А).
2) Составляют тепловой баланс теплообменника и определяют
тепловую нагрузку Q.
гор
Qгор=Qхол ±Qп ;
гор
Qгор=Gгор⋅C гор⋅(t н −t к ) = 0,26·4190·(65-52) = 14162,2 Вт
Q хол=G хол⋅C хол⋅(t кхол −t нхол ) = 0,27·4190·(21-9) = 13575,6 Вт
G
гор и
где
воды), кг/с;
Gхол – массовые расходы теплоносителей (горячей и холодной
C гор и C хол – массовые теплоемкости теплоносителей (в данном случае
горячей и холодной воды), Дж/(кг·К);
гор
t гор
н , t к – начальная и конечная температура горячего теплоносителя, ºС;
хол
хол
t н , t к – начальная
теплоносителя, ºС;
и
конечная
температура
холодного
Qп – потери тепла в окружающую среду, Вт.
Дж
Теплоемкость горячей и холодной воды принимают равной 4190 кг⋅К .
Тепловая нагрузка теплообменника Q – это количество тепла, которое
передается от горячего теплоносителя к холодному в единицу времени без
учета потерь. Для данной схемы тепловой нагрузкой теплообменного
аппарата является
Qгор :

7.

гор
Q=Q гор =G гор⋅C гор⋅(t гор
н −t к ) = 14162,2 Вт.
3) Рассчитывают движущую силу процесса теплопередачи (среднюю
разность температур теплоносителей) с построением t-S(l) диаграммы. При
расчете необходимо учесть направление движения теплоносителей в
теплообменном аппарате. Согласно схеме теплоносители движутся в
гор
противотоке. Один из теплоносителей охлаждается от температуры t н
хол
гор
хол
t к другой нагревается от t н до t к .
до
Рис. 1. Характер изменений температур теплоносителей при противоточной
схеме движения
( t-S(l) диаграмма)
Δt
Δt
Определяют наибольшую б и наименьшую м разность температур
между горячим теплоносителем и нагреваемой средой. Определяют
Δt б
отношение Δt м = 43/44 = 0,98.
Δt б
Δt м
≤2
Так как
,
среднеарифметической, т.е.
то
Δt ср =
средняя
Δt б + Δt м
2
=
разность
температур
будет
43,5°С.
4) Используя основное уравнение теплопередачи, вычисляют опытное
значение коэффициента теплопередачи:
K оп=
Q
=
S⋅Δt ср 242,96 Вт/(м2·К);

8.

где Kоп – опытное значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м2·К);
S – поверхность теплопередачи, м2 (смотри параметры теплообменного
аппарата);
Δt ср – средний температурный напор, средняя разность температур
горячего и холодного
теплопередачи, ºС.
теплоносителей,
движущая
сила
процесса
2. Вычисление расчетного значения коэффициента теплопередачи
1) Определяют среднюю
теплоносителей по формуле:
гор
гор
температуру
горячего
и
холодного
гор
t ср =0,5⋅(t н +t к ) = 0,5(65+52) = 58,5°С;
хол
хол
хол
t ср =0,5⋅(t н +t к ) = 0,5(9+21) = 15 °С.
2) Определяют свойства горячего и холодного теплоносителя при его
средней температуре. Данные заносят в таблицу:
Таблица 1. Свойства теплоносителей при средних температурах
58,5°С
гор
0,655
Вт/м·К
хол
ρср
хол
μср
Pr ср t ср
2,9
15°С
999
кг/м3
хол
1,12
мПа·с
критерий Прандтля
0,48
мПа·с
гор
λ ср
коэффициент
теплопроводности
при средней
температуре
984к
г/м3
гор
динамический
коэффициент
вязкости при средней
температуре
μср
плотность при
средней температуре
гор
средняя температура
динамический
коэффициент
вязкости при средней
температуре
ρср
Холодный теплоноситель
критерий Прандтля
плотность при
средней температуре
гор
t ср
коэффициент
теплопроводности
при средней
температуре
средняя температура
Горячий теплоноситель
хол
Pr ср
λ ср
0,59
Вт/м·К
хол
8
3) Вычисляют площадь живого сечения пространства, по которому
S
движется горячий теплоноситель гор .
Так как горячий теплоноситель движется в трубном пространстве, то
площадь живого сечения определяется как:
Sгор =
π ∙ d 2вн ∙ nx 3,14 ∙ 0,012 ∙ 61
=
=0,0048
4
4

9.

где nх – количество труб в теплообменном аппарате;
dвн – внутренний диаметр трубки, м;
4) Вычисляют скорость движения горячего теплоносителя при его
средней температуре:
W гор=
Gгор
ρ
гор
ср
∙ S гор
=
0,26
=0,055 м /с
984 ∙ 0,0048
5) Определяют эквивалентный диаметр пространства, по которому
движется горячий теплоноситель:
Так как горячий теплоноситель движется по трубному пространству, то
эквивалентный диаметр равен внутреннему диаметру труб:
гор
d экв = dвн = 0,01 м.
6) Вычисляют значения критерия Рейнольдса Re для горячего
теплоносителя при его средней температуре:
гор
Reгор =
гор
W гор⋅d экв⋅ρср
гор
μср
=1127,5.
хол
гор
t
t
ср
7) В интервале средних значений температур теплоносителей (
; ср
) задаются температурой стенки со стороны горячего теплоносителя
гор
t ст =36 ° С
гор
t ст
8) При температуре стенки со стороны горячего теплоносителя
определяют динамический коэффициент вязкости горячего теплоносителя
гор
μгор
ст и критерий Прантля Pr ст .
9) Вычисляют значение критерия Нуссельта:
Так как горячий теплоноситель движется в трубах и
значение критерия Нуссельта рассчитывается как:
(
d гор
гор экв
Nu гор =1 ,55⋅ Reгор⋅Pr ср ⋅
L
) ( )
1/ 3
где L – длина труб теплообменного аппарата, м.
⋅
μгор
ср
μгор
ст
Reгор < 10000,
0, 14
= 6,01

10.

10) Определяют коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя
к стенке:
гор
α гор=
Nuгор⋅λ ср
гор
d экв
= 393,66 Вт/(м2·К);
α
гор – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,
где
Вт/(м2·К);
гор
λ ср – коэффициент теплопроводности горячего теплоносителя при его
средней температуре, Вт/(м·К).
11) Вычисляют величину удельного теплового потока от горячего
теплоносителя к стенке:
гор
гор
q гор=α гор⋅(t ср −t ст )
qгор= 393,66*(58,5-36) = 8857,4 Вт/м ;
2
q
гор
где
– удельный тепловой поток от горячего теплоносителя к
стенке, Вт/м2.
12) Вычисляют
теплоносителя:
температуру
стенки
со
стороны
холодного
δ ст
гор
t хол
=t
−q
⋅
ст
ст
гор
λ ст
хол
t ст =36−8857,4 ∙
где
0,002
=35,0℃
17,5
λ ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·К);
δ ст – толщина стенки, δ ст=(d нар −d вн )/2 , м.
δ ст =
( 0 , 014−0,01 )
=0,002 м
2
13) Вычисляют площадь живого сечения пространства, по которому
движется холодный теплоноситель
S хол .

11.

Так как холодный теплоноситель движется в
пространстве, то площадь живого сечения определяется как:
2
межтрубном
2
π⋅Dап π⋅d нар⋅nх
S хол=
−
4
4
;
2
π ∙ D2 π ∙ d ∙ n x 3,14 ∙ 0,22 3,14 ∙ 0,014 2 ∙ 61
Sгор =
−
=
−
=0,0022 м 2
4
4
4
4
где nх – количество труб в теплообменном аппарате;
dнар – наружный диаметр трубки, м;
Dап – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м.
14) Вычисляют скорость движения холодного теплоносителя при его
средней температуре:
W хол=
W хол=
G хол
хол
ρср
⋅S хол
0,27
=0,056 м/с
999 ∙0,0048
15) Определяют эквивалентный диаметр пространства, по которому
движется холодный теплоноситель:
Так как холодный теплоноситель движется по межтрубному
пространству, то эквивалентный диаметр равен наружному диаметру труб:
хол
d экв
= dнар. = 0,014 м
16) Вычисляют значения критерия Рейнольдса Re для холодного
теплоносителя при его средней температуре:
Re хол=
R e хол=
хол
W хол⋅d хол
экв⋅ρ ср
μ хол
ср
0 , 056 ∙ 0,014 ∙ 999
=693,3
0,00112
хол
t
17) При температуре стенки со стороны холодного теплоносителя ст
по приложению А
определяют динамический коэффициент вязкости
хол
холодного теплоносителя μст =0,72 мПа·с и критерий Прантля

12.

хол
Pr ст
= 4,8.
18) Вычисляют
теплоносителя:
значение
критерия
Нуссельта
для
холодного
Если теплоноситель движется в межтрубном пространстве
Reхол < 1000, значение критерия Нуссельта рассчитывается как:
( )
хол 0 , 36
Nu хол=0 ,56⋅Re0,5
⋅
хол⋅(Pr ср )
хол
Pr ср
и
0, 25
хол
Pr ст
= 35,41
19) Определяют коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному
теплоносителю:
α хол =
a хол=
хол
Nu хол⋅λср
d хол
экв
35,41∙ 0,589
=1490 Вт /( м 2 · К )
0,014
α
хол – коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю,
где
2
Вт/(м ·К);
хол
λ ср – коэффициент теплопроводности холодного теплоносителя при
его средней температуре, Вт/(м·К).
20) Вычисляют величину удельного теплового потока от стенки к
холодному теплоносителю:
qхол=17881 Вт/м2;
q
хол
где
– удельный
теплоносителю, Вт/м2.
тепловой
поток
от
стенки
к
холодному
21) Сравнивают удельный тепловой поток со стороны горячего
теплоносителя и удельный тепловой поток со стороны холодного
теплоносителя. Если
гор
q гор≠q хол , то температура стенки со стороны горячего
теплоносителя t ст принята неверно (раздел 8.3.2, пункт 7), необходимо
задаться новой температурой стенки со стороны горячего теплоносителя и

13.

еще один раз повторить расчет начиная с пункта 8 раздела 8.3.2.
гор
21.1) t ст =30 °С .
гор
гор
μ
=0
,
0008
Pr
ст
21.2)
и критерий Прантля ст =5,3
21.3)
21.4)
) ( )
(
1/3
0, 14
d гор
μгор
ср
гор экв
Nu гор =1 ,55⋅ Reгор⋅Pr ср ⋅
⋅ гор
L
μст
= 4,6
гор
α гор=
Nuгор⋅λ ср
гор
d экв
= 301,3 Вт/(м2·К);
21.5) q гор =301,3 ∙ ( 58,5−30 )=8587 Вт / м2
δ ст
гор
t хол
=t
−q
⋅
ст
ст
гор
λ ст = 29°С;
21.6)
t хол
ст
21.7) При температуре стенки со стороны холодного теплоносителя
по приложению А определяют динамический коэффициент вязкости
хол
холодного теплоносителя μст =0,0008 мПа·с и критерий Прантля
хол
Pr ст
= 5,45.
21.8) Вычисляют значение критерия Нуссельта для холодного
теплоносителя:
Если теплоноситель движется в межтрубном пространстве
Reхол < 1000, значение критерия Нуссельта рассчитывается как:
( )
хол 0 , 36
Nu хол=0 ,56⋅Re0,5
⋅
хол⋅(Pr ср )
21.9)
хол
Nu хол⋅λср
α хол =
d хол
экв
хол
Pr ср
хол
Pr ст
0, 25
= 34,3
= 1446 Вт/(м2·К);
21.10) q хол=1446∙ ( 29−15 )=20243 Вт/ м 2
22) На основании проведенных расчетов строятся зависимости :
q гор=f (t гор
ст ) и
q хол =f (t гор
ст )
и

14.

25000
q теплоносителя
20000
15000
10000
5000
0
30
36
t, градусы Цельсия
Ордината точки пересечения этих кривых дает расчетное значение величины
q
удельного теплового потока расч .
23) Вычисляют расчетное значение коэффициента теплопередачи
используя соотношение:
К расч =
q расч
Δt ср =10500/43,5=241,4 Вт/(м2·К)
24) Проводят сравнение опытного и расчетного значений
коэффициентов теплопередачи , вычисляя относительную погрешность:
= ((242,96-241,4)/241,4)*100%= 0,64%.
Вывод: овладели методикой расчета коэффициентов теплоотдачи и
теплопередачи, определили опытное значения коэффициента теплопередачи
(Коп.=242,96 Вт/(м2·К)) и сопоставили его значения с расчетным ( Крас=241,4
Вт/(м2·К)). Относительная погрешность составила 0,64%.