Теплофизические свойства горячей воды при температуре 77,8 0С
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Р.Е. Алексеева
ДЗЕРЖИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ФИЛИАЛ)
Кафедра «Технология и оборудование Химических и Пищевых Производств»
Лабораторная работа
ИСПЫТАНИЕ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Выполнил: студент гр. ТОХП 14
Асафов А. С.
Проверил: :Жаринов И.В.
Дзержинск 2016
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с принципом работы кожухотрубчатого теплообменника, методикой составления уравнений теплового баланса, а также экспериментальное определение коэффициента теплопередачи и сравнение его с расчетным значением.
2 КРАТКИЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Ее удельный вес на предприятиях химической промышленности составляет в среднем 15-18 %, а нефтехимической и нефтеперерабатывающей – до 50 % . В общем выпуске теплообменных аппаратов около 80 % занимают кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники достаточно про- сты в изготовлении, надежны в эксплуатации и универсальны, т. к. могут использоваться для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и широком диапазоне давлений и температур. По назначению кожухотрубчатые аппараты делятся на теплообмен- ники (Т), холодильники (X), конденсаторы (К) и испарители (И). По конструкции теплообменные аппараты бывают с неподвижными трубными решетками (Н), с температурным компенсатором на кожухе (К), с плавающей головкой (П) и с U-образными трубками (У) (рис.1).
Многоходовость в трубном пространстве – это один из методов интенсификации процесса теплоотдачи в трубном пространстве. Для интенсификации теплоотдачи в межтрубном пространстве теплообменника используют сегментные перегородки.
Рис. 1. Конструкции кожухотрубчатых теплообменников:
а - с неподвижной трубной решеткой; б - с температурным компенсатором на кожухе; в - с плавающей головкой; г - с U-образными трубками; I, II – теплоносители
На рис. 2 в качестве примера приведена конструкция горизонтально- го двухходового теплообменника с неподвижными решетками (ТНГ). Теплообменник состоит из цилиндрического сварного кожуха 5, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки 4, распределительная камера 11 и кожух 8 соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств.
Рис. 2. Двухходовый теплообменник с неподвижными решетками:
1, 2,10,12- штуцера; 3- трубные решетки; 4- крышки; 5- стяжка; 6- сегментные перегородки; 7- трубки; 8- кожух; 9- отбойник; 11- распределительная камера; 13- перегородка
Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка, уложенная в паз решетки 3. Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, то в межтрубном пространстве теплообменника установлены поперечные сегментные перегородки 6, которые фиксируются стяжками 5. Перегородки обеспечивают зигзагообразное, по длине аппарата, движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплоносителя в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.
3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Схема лабораторной установки для испытания кожухотрубчатого теплообменника приведена на рис. 5. Установка состоит из двухходового вертикального кожухотрубчатого теплообменника 1, нагревателя воды 2, циркуляционного насоса 3, контрольно–измерительных приборов: ротаметров горячей 4 и холодной 5 воды, прибора регистрации температуры 6, термопар 7, вентилей регулирования расхода горячей 8 и холодной 9 воды
Рис. 4. Схема установки для испытания кожухотрубчатого теплообменника:
1 - теплообменник; 2 – нагреватель; 3 - насос; 4, 5 - ротаметры; 6 – прибор регистрации температуры; 7 – термопары; 8, 9 – вентили
Таблица 1. Экспериментальные данные и расчетные величины
| Экспериментальные данные | Расчетные данные | ||||||||||||||||||
| Температура горячего теплоносителя | Температура холодного теплоносителя | Расход горячего теплоносителя | Расход холодного теплоносителя | Тепловая нагрузка | Тепло к холодной воде | Потеря тепла | Коэффициент теплопередачи | Критерий Рейнольдса | Критерий Нуссельта | Коэффициент теплоотдачи | Относительная погрешность | ||||||||
| 
| 
| 
| Vг м 3/ч | G г кг/ч | Vх м3/ч | Gх кг/ч | Qг Вт | Qх Вт | Qп Вт | К0 Вт/м2 к | Кр Вт/м2 к | Re г | Re х | Nu г | Nu х | ɑ1 | ɑ2 |  %
|
| 42,4 | 35,4 | 13,3 | 22,2 | 1,25 | 0,337 | 0,88 | 0,242 | 9888,9 | 8989,9 | 899 | 1037,2 | 1037,2 | 13685,76 | 3451,53 | 60,82 | 56,044 | 3385,6 | 2501,9 | 23,9 |
5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ
1 определение опытного коэффициента теплопередачи
- Горячая вода
tср1 = 
0С
- Холодная вода
tср2 = 
= 35,5 0С
Теплофизические свойства горячей воды при температуре 77,8 0С
- плотность : ρ1= 972 кг/ м 3
- Динамическая вязкость : µ1 = 0,000375 Па* с
- теплопроводность : 
= 0,668 Вт / м* к
Теплофизические свойства холодной воды при температуре 35,5 0С
- плотность : ρ2= 993 кг/м3
- Динамическая вязкость : µ2 = 0,000725 Па* с
- теплопроводность : 2= 0,625 Вт/ м* к
Массовый расход теплоносителей составляет :
-горячая вода
Gг = 
Gг = 
= 0,337 кг/ с
-холодная вода
Gх = 
Gx = 
= 0,242 кг/ с
Количества тепла, передаваемое горячей воды (тепловая нагрузка теплообменника) равна
Qг = Gг Св(tн г – tкг)
Qг = 0,337 * 4192 ( 42,4 – 35,4 ) = 9888,9 Вт
Где Св = 4192 Дж/кг * к – теплоемкость горячей воды при средней температуре 77,8 0С
Количества тепла, принимаемое холодной водой составляет
Qх = Gх Св(tкх – tнх)
Qx = 0,242 * 4174 ( 22,2 – 13,3)= 8989,9 Вт
Где Св = 4174 Дж/кг * к - теплоемкость горячей воды при средней температуре 35,5 0С
Из уравнения теплового баланса потери тепла в окружающую среду составляет
Qп = Qг – Qx
Qп = 9888,9 – 8989,9 = 899 Вт
Концевые движущие силы определим по температурной схеме движения теплоносителей при противотоке
∆t м = 20,2 ∆tб = 22,1
При полученных значениях концевых движущих сил средняя движущая сила составляет
∆tср = 
= 21,15 0С
Параметры R и P для реальной схемы движения теплоносителей в теплообменнике составляет
R = 
R = 
P = 
P= 
По справочным данным определим поправочный множитель к средней движущей силе которое составляет
ε∆t = 0,98
С учетом поправки средняя движущая сила в опыте составляет
∆tср = 21,15 * 0,98 = 20,727 0C
Опытный коэффициент теплопередачи определим из уравнения теплопередачи по формуле
К0 = 
К0 = 
Вт / м2 к
2 Определение расчетного коэффициента теплопередачи скорости теплоносителей в теплообменнике.
- горячего в трубном пространстве
W1 = 
W1 = 
= 0,44 м/ с
W2 = 
W2 -= 
= 0,18 м/ с
Критерий Рейнольдса для теплоносителей
- горячего
Re = 
Re1 = 
= 13685,76
- холодного
Re2 = 
Re2 = 
= 3451,53
Критерий Прандтля для теплоносителей
- горячего
Pr1 = 
Pr1 = 
= 2,35
- холодного
Pr2 = 
Pr2 = 
Критерий уравнения теплоотдачи
- для горячего теплоносителя при 2300< Re < 104
Nu1 = 0,008 Re0.9 Pr0.43
Nu1 = 0,008 * 13685,760,9 * 2,350,43 = 60,82
- для холодного без учета температуры стенки
Nu2 = 0,24Re0,6 Pr0,36
Nu2 = 0,24 * 3451,530,6 * 4,84 0,36 = 56,044
Расчетные коэффициенты теплоотдачи составляют
- со стороны горячего теплоносителя
ɑ1 = 
ɑ1= 
= 3385,6 Вт / м2 к
- со стороны холодного теплоносителя
ɑ2 = 
ɑ2= 
= 2501,9 Вт / м2 к
Коэффициент теплопередачи по уравнению аддитивности термических сопротивлений
К = 
К = 
= 916,5 Вт/ м2 к
Где S- 0,001 м толщина стенки трубки
λст = 17,5 Вт / м к теплопроводность нержавеющей стали
∑ rзагр = 0,00034 (м2 к )/Вт – суммарное термическое сопротивления загрязнений
Температура стенок определим по формулам
- со стороны продукта
t cт1 = tср1 + 
tст1 = 77,8 - 
= 72,2 0С
- Со стороны греющего пара
t cт2 = tср2 + 
tст2 = 35,5 + 
= 43,1 0С
По справочным данным для горячей воды при температуре стенки число Прандля равно
Pr cт1 = 2,5
Уточненный коэффициент теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя с учетом поправки на температуру стенки составляет
ɑ1* = ɑ1 ( 
0,25
ɑ1* = 3385,6 ( 
0,25= 3331,44 Вт/ (м2* к)
По справочным данным для холодной воды при температуре стенки число Прандля равно
Pr cт2 = 4,1
ɑ2* = ɑ2 ( 
0,25
ɑ1* = 2501,9 ( 
0,25 = 2606,97 Вт / м2 к
Тогда уточненное значение расчетного коэффициента теплопередачи равна
К = 
= 925,92
Сравнение опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи проведем по формуле
∆ = 
* 100 %
= 
* 100% = 23,9 %
Вывод
По результатам работы:
- ознакомились с работой кожухотрубного теплообменника
-составлен тепловой баланс теплообменника
- определенна движущая сила процесса
-определенны коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи
-проведено сравнение опытного и расчетного коэффициентов теплопередачи. Отклонения между коэффициентами составляет 23.9%