Общие теоретические сведения

§

 

Цель работы

1. Изучение устройства змеевикового погружного теплообменника.

2. Определение коэффициента теплоотдачи теплоносителя применяемого на ректификационной установке «Тарельчатые ректификационные колонны».

Общие теоретические сведения

Одним из простейших теплообменных устройств в аппаратах являются змеевики, представляющие собой прямые трубы, соединенные коленами, или спирально согнутую трубу с расположением витков по винтовой линии. Коэффициент теплоотдачи змеевиков несколько выше, чем прямых труб. Однако эти теплообменники обладают значительным гидравлическим сопротивлением и скорость теплоносителей в них принимают обычно меньше чем в прямых трубах (до 1м/сек). В химической промышленности применяют змеевики из стальных труб, а также из труб, изготовленных из цветных металлов, керамики, стекла, пластических масс и других химически стойких материалов.

Конструктивный расчет змеевиковых теплообменников включает определение общей длины L, числа витков n и высоты Н змеевика.

Для выполнения расчета должна быть задана площадь поверхности теплообменника F.

Если средний диаметр трубки, из которой навивается змеевик, диаметр витка змеевика и расстояние между осями соседних витков h (обычно его принимают равным 1,5-2 диаметром трубы змеевика).

Общая длина змеевика:

= (1)

Длина одного витка змеевика как винтовой линии:

l = (2)

Число витков змеевика:

n = (3)

 

Общая высота:

H = n h (4)

Внутренний диаметр корпуса теплообменника, в который погружен змеевик, рекомендуется принимать в следующих пределах:

(5)

Где - наружный диаметр трубы змеевика

Рис. 1. Змеевиковый теплообменник

Из чертежа (Рис. 1.): = 8мм, = 70мм, h = 17мм, n = 13. =1мм.

При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Вещества участвующие в процессе перехода тепла (теплообмене), называются теплоносителями.

При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком и выражается в дж/сек, или вт. т.е. в единицах мощности.

При нагревании холодного теплоносителя количество тепла потребляемого им в единицу времени выразится следующей формулой:

Δ (6)

- удельная теплоемкость холодного теплоносителя, Дж/кг˚С

- температуры теплоносителя на входе в аппарат и на выходе из него.

G –количество теплоносителя.

- водяной эквивалент (произведения количества теплоносителя на его удельную теплоемкость)

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором.

При непрерывном процессе теплоносители всегда находятся во взаимном движении, направления которого могут быть различны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.

При прямотоке и противотоке средний температурный напор определяется как средне логарифмическое из значений максимального (∆t_mах) и минимального (∆t_min) температурных напоров.

∆t_ср = (7)

Если отношение ∆t_mах < 2 то с достаточной точностью (ошибка менее 4%) можно пользоваться средне арифметическим значением:

∆t_ср = (8)

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причем количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному пропорциональна поверхности теплообмена, температурному напору и времени:

(9)

Здесь К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре равном единице. К имеет размерность = .

При непрерывных процессах под тепловой нагрузкой понимают количество тепла, передаваемое за единицу времени, тогда это уравнение запишется в следующем виде:

(10)

Основными факторами, определяющими величину коэффициента теплоотдачи, являются следующие:

- характер движения теплоносителя (ламинарный или турбулентный) и его скорость. С увеличением скорости теплоносителя толщина ламинарного пограничного слоя уменьшается, вследствие чего его тепловое сопротивление понижается, а коэффициент теплоотдачи возрастает;

- физические свойства теплоносителя (вязкость, теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость). Как правило, коэффициент теплоотдачи увеличивается с понижением вязкости и повышением теплопроводности, плотности и удельной теплоемкости. Так как физические свойства изменяются с температурой, то коэффициент теплоотдачи зависит от температуры теплоносителя;

- размеры и форма поверхности теплообмена.

Таким образом, величина коэффициента теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами. Зависимость коэффициента теплоотдачи от этих факторов весьма сложна и, как правило, не может быть установлена теоретическим путем. Поэтому для определения коэффициентов теплоотдачи прибегают к экспериментам, а опытные данные обрабатывают при помощи теория подобия, в результате чего получают критериальные уравнения, выражающие зависимость между критериями подобия.

Приложение теории подобия к передаче тепла конвенцией показало, что этот процесс определяется рядом критериев.

1) Нуссельта характеризует процесс теплообмена между теплоносителем и стенкой.

2) Рейнольдса характеризует гидродинамический режим движения теплоносителя.

3) Прандтля характеризует физические свойства теплоносителя.

4) Грасгофа характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции, где

- коэффициент теплоотдачи, вт/м град.

- теплопроводность теплоносителя, вт/м град.

- вязкость теплоносителя, н сек/м .

с - удельная теплоемкость теплоносителя, дж/кг град.

- плотность теплоносителя, кг/м .

– коэффициент объемного расширения теплоносителя 1/град;

W – массовая скорость теплоносителя, кг/м сек;

L(d) – определяющий геометрический размер, м;

g – ускорение силы тяжести, м/сек (g = 9,81 м/сек );

– частный температурный напор, град.

При вынужденной конвекции теплоноситель движется вдоль поверхности теплообмена с определенной скоростью под действием внешней силы, например силы давления развиваемого насосом. В этом случае для определения пользуются следующими уравнениями:

Устойчивое турбулентное движение (Re > 10000)

(11)

Переходное движение (Re = от 2300 до 10000)

(12)

Ламинарное движение (Re < 2300)

(13)

Множитель а имеет следующие значения:

- для горизонтальных труб ……0,74;

- для вертикальных труб при движении холодного теплоносителя вверх или горячего вниз……0,63;

- для вертикальных труб при движении холодного теплоносителя вниз или горячего вверх …..0,85.

В формулах 11-13 определяющим геометрическим размером служит внутренний диаметр трубы .

При передаче тепла через стенку коэффициент теплопередачи вычисляется по след формуле:

(14)

Таблица для записи результатов измерений

Производительность по ротаметру	Температура воды	Температура теплоносителя
19,6 л/ч	25,7°С	80°С
40 л/ч	19,9°С	80°С
58,5 л/ч	18,6°С	80°С
61,1 л/ч	22,1°С	130°С
41,7 л/ч	27,2°С	130°С
19,9 л/ч	41,7°С	130°С

 

Вязкость ……………………….. μ = 0,835 х10^-3 н сек/м²

Теплопроводность ……………. = 0,613 вт/м град.

Удельная теплоемкость……….. с = 4190 дж/кг град.

Коэффициент объемного расширения… β = 39х10 1/град.

Плотность ……………………… ρ = 1000 кг/м

Коэффициент теплопроводности для н/стали ….. λ = 17вт/м град.

t_{хол воды вход} =9,8 ^°С