Лабораторная работа № 5

Теплообменник «труба в трубе».

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель лабораторной работы: исследование параметров, влияющих на теплопередачу в теплообменнике типа “труба в трубе”. Возможные задачи исследования:

1. Влияние теплопроводности материала внутренней трубы на коэффициент теплопередачи.

2. Влияние геометрических размеров аппарата на коэффициент теплопередачи.

3. Влияние схемы движения теплоносителей (прямоток, противоток) на теплопередачу.

4. Влияние на теплоотдачу во внутренней трубе и в кольцевом канале скорости движения теплоносителя.

В ходе работы студенты задают геометрические размеры теплообменника «труба в трубе», выбирают материал стенки трубы, определяют теплоносители, между которыми осуществляется теплопередача, задают расходы теплоносителей и их начальные температуры, измеряют значения температуры на выходе из теплообменника. По результатам опытов вычисляют коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи, общее количество переданного тепла. На основании анализа выполненной работы определяются оптимальные размеры аппарата и режимы движения теплоносителей.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются в промышленности. Преимущество таких теплообменников заключается в разнообразии компоновок, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительных секций.

Теплообменник «труба в трубе» (рис. 1) представляет собой трубу 1, концентрически размещенную в трубе 2 большего диаметра с патрубками 3 на концах для подвода теплоносителей от одной секции к другой. Тепло передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку (рис. 2). Тепловой поток, переданный через стенку, прямо пропорционален движущей силе процесса - разности температур между теплоносителями и обратно пропорционален термическому сопротивлению теплопередачи:

, (1)

где Q - тепловой поток, Вт;

средняя разность температур теплоносителей, ⁰С;

R - термическое сопротивление теплопередачи, (м²×К)/Вт;

F - площадь теплопередающей поверхности, м²;

Рис. 1. Теплообменник «труба в трубе»:

1 – внутренняя труба; 2- наружная труба; 3- патрубки.

Термическое сопротивление теплопередачи складывается из термического сопротивления теплоотдачи от теплоносителя во внутренней трубе к стенке трубы, теплопроводности через стенку и теплоотдачи от стенки трубы к теплоносителю в кольцевом канале. В случае цилиндрической стенки плотность теплового потока зависит от радиуса, поэтому при расчете термического сопротивления теплопередачи цилиндрической стенки плотность теплового потока относят к внутренней или наружной поверхности стенки. Термическое сопротивление теплопередачи цилиндрической стенки, отнесенное к единице внутренней поверхности стенки, равно:

,

где a₁ - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя, протекающего во внутренней трубе, к внутренней поверхности трубы, Вт/(м²×К); a₂ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплоносителю, протекающему в кольцевом канале, Вт/(м²×К); l _T - коэффициент теплопроводности материала внутренней трубы, Вт/(м×К); d ₁, D ₁ - внутренний и наружный диаметры внутренней трубы, м.

Коэффициент k, обратный термическому сопротивлению теплопередачи, называется коэффициентом теплопередачи и рассчитывается по зависимости:

. (2)

Рис.2. Теплопередача через цилиндрическую стенку: 1- внутренняя труба; 2- кольцевой канал; 3- профиль температуры.

Средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая:

,

где D t_Б – большая разность температур теплоносителей, °С; D t_М – меньшая разность температур теплоносителей, °С.

Коэффициент теплопередачи a₁ при развитом турбулентном течении в прямой трубе (Re >10000) равен

, (3)

где - критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

e _l - коэффициент, учитывающий влияние на теплообмен начального участка трубы;

w - средняя скорость движения теплоносителя, м/с;

r - плотность теплоносителя, кг/м²;

l - теплопроводность теплоносителя, Вт/(м×К);

c_p - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг;

m - коэффициент динамической вязкости теплоносителя, Па×с;

d - эквивалентный диаметр, для трубы круглого сечения равен внутреннему диаметру трубы d ₁, м.

Определяющая температура - средняя температура теплоносителя. Расчет критерия Pr_W производится при средней температуре стенки трубы. При ламинарном и переходном режимах движения теплоносителя
(Re < 10000) необходимо учитывать влияние свободноконвективного движения теплоносителя на теплоотдачу. Степень влияния свободной конвекции зависит от факторов: разности температур стенки и теплоносителя, коэффициента объемного расширения, скорости потока. Эти факторы учитываются комплексом критериев GrPr. При значении комплекса GrPr > 8×10⁵ коэффициент теплоотдачи в горизонтальной гладкой трубе рассчитывают по формулам

при Re £ 3500:

, (4)

при Re >3500:

, (5)

где - критерий Грасгофа,

b - коэффициент объемного расширения, 1/К;

- разность температуры теплоносителя и стенки, ⁰С;

- средняя температура теплоносителя, ⁰С;

- средняя температура внутренней поверхности трубы, ⁰С;

L - длина теплопередающей поверхности, м;

n = 0,11 при нагревании теплоносителя,

n = 0,25 при охлаждении теплоносителя.

При значении комплекса GrPr £ 8×10⁵ коэффициент теплоотдачи определяется по зависимостям:

при Re £ 2300:

, (6)

при Re > 2300:

. (7)

В формулах (4) - (7) определяющая температура - среднеарифметическая температура стенки и теплоносителя. Коэффициент динамической вязкости m _W находится при температуре стенки. Теплофизические свойства теплоносителей в зависимости от температуры приведены в справочной литературе.

Расчет коэффициента теплоотдачи a₂ в кольцевом канале выполняется по зависимостям:

при Re £ 2300:

, (8)

при Re >2300:

, (9)

где a рассчитывается по формулам (3) - (7) для гладкой трубы при d=d₂ -D₁ - эквивалентном диаметре кольцевого канала, м;

d ₂ – внутренний диаметр наружной трубы, м.

Изменение теплового потока теплоносителя в трубе равно

, (10)

в кольцевом канале

, (11)

где G ₁, G ₂ - массовые расходы теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале соответственно, кг/с;

t ₁₁, t ₁₂ - температура на входе и выходе внутренней трубы, ⁰С;

t ₂₁, t ₂₂ - температура на входе и выходе кольцевого канала, ⁰С.

3. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ

Лабораторная работа выполняется на IBM - совместимом компьютере в среде операционной системы Windows 3.1 и выше. Для выполнения работы необходимо запустить программу " Труба в трубе ".

Установка (рис. 3) состоит из трубы, концентрически размещенной в трубе большего диаметра; регуляторов размера труб; расхода; входной температуры; списков материалов стенки трубы и теплоносителей; переключателей схемы движения теплоносителей и измерительного блока, состоящего из датчиков и приборов для измерения температуры и расхода теплоносителей. Наружная труба аппарата теплоизолирована.

Материал стенки внутренней трубы выбирают из комбинированного списка, для этого нужно установить курсор мыши на кнопку справа от списка и щелкнуть левой клавишей мыши. Из раскрывшегося списка выбрать нужный материал, установив на него курсор мыши и щелкнув левой клавишей мыши. Аналогично выбирают теплоносители во внутренней трубе аппарата и в кольцевом канале. Размеры труб задают при помощи регуляторов (диаметр внутренней трубы, диаметр наружной трубы и длина теплообменной поверхности). Для увеличения размера необходимо поместить курсор мыши на верхнюю кнопку регулятора и щелкнуть левой клавишей мыши, для уменьшения размера - на нижнюю кнопку. Размеры трубы (наружный диаметр и толщина стенки или длина трубы) указываются слева от регуляторов. Схему движения теплоносителей выбирают при помощи переключателей. Для выбора схемы (прямоток или противоток) необходимо щелкнуть левой клавишей по соответствующему переключателю. Расходы теплоносителей по внутренней трубе и кольцевом канале устанавливают соответствующим регулятором.

Температуры теплоносителей на входе во внутреннюю трубу и в кольцевой канал задаются регуляторами.

Массовый расход во внутренней трубе и кольцевом канале измеряют расходомерами. Измерение температуры на входе и выходе теплоносителей – термопарами. На графиках отображаются диаграммы распределения температуры по длине трубы (красного цвета - горячий теплоноситель, синего цвета - холодный теплоноситель).

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы студент должен знать теоретические положения изучаемого физического явления, изучить устройство лабораторной установки, уметь задавать и определять значения физических величин: температуры, расхода, уметь изменять размеры труб, выбирать материал стенки трубы и теплоносители, задавать схему движения потоков.

Студенту необходимы навыки работы на компьютере в операционной среде Windows 3.1. До выполнения работы подготавливается журнал наблюдений для записи измеряемых величин.

По указанию преподавателя выбирается задача исследования, определяются диапазоны изменения параметров изучаемого процесса.

Рис. 3. Вид лабораторной установки на дисплее ПЭВМ

Работу выполняют в следующей последовательности:

1. В папке файлов «Лабораторные работы» выбрать программу «Труба в трубе» и запустить на исполнение (поместить на пиктограмму программы курсор мыши и дважды щелкнуть по левой клавише мыши). На экране компьютера появится окно программы, аналогичное рис. 3.

2. Задать размеры труб регуляторами 5 - 7.

3. Выбрать материал стенки внутренней трубы из списка 8, теплоносители из списков 10 и 11.

4. Выбрать схему движения теплоносителей при помощи переключателей 9.

5. Задать расходы теплоносителей регуляторами 12 и 13, температуру теплоносителей на входе во внутреннюю трубу - регулятором 14, в кольцевой канал - регулятором 15.

6. В журнал наблюдений записать материал и размеры труб, тип теплоносителя, схема движения потоков, снять показания с приборов 16 - 22.

7. Пункты 4 - 8 повторить до выполнения задачи исследования.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитать массовые расходы G ₁ и G ₂, скорости движения теплоносителей w ₁ и w ₂, критерии Re ₁ и Re ₂ для теплоносителей во внутренней трубе и кольцевом канале. Теплофизические свойства теплоносителей и материала стенки трубы найти по справочникам при определяющей температуре.

2. По критериям Re определить режим движения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный) и рассчитать коэффициенты теплоотдачи a₁ во внутренней трубе по формулам (3) – (7) и a₂ в кольцевом канале по формулам (3) – (9).

3. Вычислить расчетный коэффициент теплопередачи k_P по формуле (2).

4. По формуле (1) рассчитать количество тепла Q, переданное через стенку трубы от одного теплоносителя к другому. Вычислить изменения количества тепла Q ₁ во внутренней трубе по формуле (10) и Q ₂ в кольцевом канале по формуле (11).

5. По данным проведенных измерений рассчитать коэффициент теплопередачи k_И через цилиндрическую стенку по формуле

.

6. Найти расхождение между k_И и k_Р

.

7. Полученные данные занести в таблицу, записи в которой должны соответствовать записям в таблицы результатов наблюдений. По результатам расчетов студенты строят графики зависимостей согласно задаче исследования.

6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет оформляется на листах бумаги формата А4 в соответствии со стандартами. Отчет должен содержать:

а) титульный лист установленной формы;

б) краткое изложение теоретических положений;

в) принципиальную схему установки;

г) таблицы «Журнал наблюдений» и «Результаты расчета»;

д) графики изменения параметров;

е) анализ результатов работы.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель работы.

2. Методика выполнения работы.

3. Расчет теплопередачи через цилиндрическую стенку при граничных условиях третьего рода.

4. Основные типы теплообменных аппаратов. Достоинства и недостатки теплообменника «труба в трубе».

5. Движущая сила процесса теплопередачи, термическое сопротивление процессу.

6. Расчет среднего температурного напора между теплоносителями при прямотоке, противотоке, перекрестном и смешанном токе.

7. Как выбирается определяющая температура, что такое определяющий размер? Определите эквивалентный диаметр в кольцевом канале.

8. Проанализируйте тепловой баланс теплообменника, определите факторы, влияющие на сходимость баланса.

9. Как влияет свободная конвекция на теплопередачу?

10. Как влияет изменение теплофизических свойств теплоносителей на теплопередачу?

V. Тестовые вопросы по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»

1.

а) P
б) F
в) S
г) N

2. Экономически наиболее выгодный процесс сжатия газа в компрессорной машине:

а) адиабатный
б) изотермический
в) политропный с подводом тепла
г) политропный с отводом тепла.

3.

а) ламинарного;

б) турбулентного;

в) переходного.

4. Вид энергии, теряемой при движении вязкой жидкости по горизонтальной трубе постоянного диаметра

а) потенциальная
б) кинетическая
в) тепловая
г) внутренняя

5. Гидравлическое сопротивление взвешенного слоя с увеличением скорости потока жидкости

а) уменьшается
б) не меняется
в) увеличивается
г) проходит через минимум

6. «……» - это процесс разделения неоднородной системы с помощью пористой перегородки. Движущей силой процесса является разность давлений.

а) фильтрование

б) осаждение

в) дробление

г) гравитация

7. «…..» - бинарная гетерогенная система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц.

а) суспензия

б) эмульсия

в) фреон

г) хладон

8. Закрытый нутч фильтр работает под воздействием

а) давления сжатого газа
б) центробежной силы
в) Архимедовой силы
г) сил инерции

9. «….» - это гидравлические машины предназначенные для перемещения жидкости.

а) компрессор

б) насос

в) центрифуга

г) осушитель

10. «….» - устройства, которые осуществляют механическое перемешивание жидких систем.

а) мешалка

б) редуктор

в) генератор

г) компрессор

11. Барабанный вакуум-фильтр с наружной поверхностью фильтрования представляет собой

а) вращающийся барабан с фильтрующей перегородкой, внутри которого создано разрежение
б) комплект из вращающихся полых дисков, насаженных на общий полый вал, внутри которого создается разрежение
в) открытый горизонтальный фильтр в форме тарелки с фильтровальной тканью
г) серию тарелок карусельно соединенных на одном валу

12. Фильтрующая центрифуга – это аппарат для разделения жидких неоднородных систем, имеющий

а) дырчатый вращающийся барабан с фильтровальным материалом
б) вращающийся барабан со сплошной стенкой для осаждения частиц
в) мешалку рамного типа для снятия осадка
г) многократно дублированную поверхность для центробежного осаждения частиц

13. Осадительная центрифуга – это аппарат для разделения жидких неоднородных систем, имеющий

а) вращающийся барабан со сплошной стенкой для осаждения частиц
б) дырчатый вращающийся барабан с фильтровальным материалом
в) вакуум-систему для усиления фильтрования
г) насадки типа колец Рашига для лучшего образования пленки

14. Самыми простыми по конструкции мешалками являются

а) лопастные
б) турбинные
в) вибрационные
г) специальные

15. «…» - перемешивания характеризуется мощностью, потребляемой для достижения требуемого технологического эффекта единицы количества перемешиваемой среды

а) качество
б) интенсивность

в) количество

г) цикличность

16. Основное достоинство вихревых насосов по сравнению с другими лопастными насосами

а) большой КПД
б) большая подача
в) большой напор
г) самовсасывающая способность

17. «….» - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

а) фреон
б) эмульсия

в) антифриз

г) рассол

18. «…..» - это машина, служащая для сжатия и перемещения газов.

а) компрессор

б) насос

в) конденсатор

г) ресивер

19. «…..» - называются машины, которые служат для преобразования механической энергии в гидравлическую (напор, давление)

а) водяными

б) гидравлическими

в) пневматическими

г) вихревыми

20. Увеличение числа ступеней центробежных насосов применяется для

а) увеличения подачи
б) увеличения напора
в) уменьшение подачи
г) уменьшение напора

21. Полый скруббер представляет собой аппарат

а) с жидкостной завесой на пути запыленного газа
б) с насадками для образования пленки жидкости, с целью увеличения поверхности контакта
в) с рамной мешалкой
г) с рециркуляцией шлака

22. Для выравнивания подачи на линии «…..» поршневых насосов устанавливаются воздушные колпаки

а) всасывания

б) нагнетания

23.

а) переходного
б) гидродинамического

в) турбулентного

г) аэродинамического

24.

а) давление
б) площадь

в) объем

г) масса

25. Выберите технические параметры, характеризующие работу насоса (несколько вариантов)

а) производительность
б) рентабельность
в) мощность
г) вариативность
д) к.п.д
е) напор
ж) газопроницаемость
з) взаимозаменяемость

26. Схема змеевикового теплообменника

а) в)
б): г)

27. Две наиболее важные характеристики качества работы перемешивающих устройств.

а) гидростойкость
б) эффективность
в) вместимость
г) интенсивность
д) виброустойчивость

28. Гидроциклон представляет собой полый цилиндр, где разделение неоднородной системы осуществляется

а) за счет центробежной силы, возникающей при вращении аппарата
б) за счет Архимедовой силы
в) за счет поверхностных сил при барботаже
г) за счет центробежной силы, возникающей при вращении жидкости внутри неподвижного аппарата

29. При транспортировке жидкостей и газов используются устройства (несколько вариантов ответа)

а) рычаг
б) насос
в) блок
г) компрессор
д) пресс

30. Производительность отстойника конструктивно зависит

а) от поверхности осаждения
б) от высоты корпуса
в) от размера патрубка
г) от наличия скребка

31. «…..» - способ перемешивания является наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах.

а) гидравлический
б) механический

в) воздушный

г) пневматический

32.

а) 1
б) 2
в) 3
г) 4

33.

а) 1
б) 2
в) 3
г) 4

34. Самые распространенные в насосы используемые в пищевой промышленности

а) осевые
б) вихревые
в) центробежные
г) поршневые
д) винтовые

35. Схема выпарного аппарата с принудительной циркуляцией раствора

а) б)

в) г)

36. Схема компрессора с двумя вращающимися поршнями

а) б)
в) г)
д)

37. Схема водокольцевого компрессора

а) б)

в) г)

38. Схема поршневого компрессора

а) б)
в) г)

39. Схема осевого компрессора

а) б)

в) г)

40. Схема диафрагмового насоса

а) б)
в)
г) д)

41. Выпарные аппараты, работающие без циркуляции раствора

а) пленочные выпарные аппараты
б) выпарные аппараты с принудительной циркуляции
в) выпарные аппараты с естественной циркуляцией
г) барботажные выпарные аппараты с погружными горелками

42. Для выпаривания агрессивных сред используются аппараты

а) барботажные
б) пленочные
в) выпарные аппараты с естественной циркуляцией раствора
г) с трубчатой греющей камерой

43. Тарельчатый сепаратор – это аппарат для разделения эмульсий имеющий

а) комплект тарелок для увеличения поверхности осаждения тяжелой фазы
б) тарелки со скребком для снятия плотного осадка
в) реверсивный двигатель для изменения направления вращения, с целью получения двухстороннего осадка на тарелке
г) насос для рециркуляции легкой фазы на место подачи эмульсии

44. Рамный фильтр-пресс представляет собой аппарат, состоящий

а) из нескольких чередующихся плит и рам с фильтрующими перегородками
б) из нескольких патронных фильтров, собранных в одном корпусе
в) из фильтровальных перегородок, осадок на которых осушается методом отжима под прессом
г) из фильтровальных материалов, изготовленных методом прессования

45. Рукавный фильтр служит

а) для сухой очистки газа от пыли
б) для мокрой очистки газа от дыма
в) для очистки газа от электрически заряженных частиц пыли
г) для разделения эмульсий

46. Схема мембранного аппарата с трубчатами элементами

а) б)

в) г)

47. Адсорбционная способность адсорбента с ростом температуры

а) растет
б) падает
в) не изменяется
г) проходит через минимум
д) проходит через максимум

48. Для восстановления первоначальных свойств мембран используют следующие методы (несколько вариантов ответа)

а) механическая очистка
б) термическая очистка
в) гидродинамическая очистка
г) химическая очистка
д) физическая очистка

49. Обратный осмос – это процесс разделения растворов

а) под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ
б) основанный на различной скорости переноса компонентов смеси через полупроницаемую мембрану вследствие различных значений их коэффициентов диффузии
в) под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны разделяющей его мембраны
г) осуществляемый за счет создания градиентов концентрации компонентов

50. Насадку в абсорбционных аппаратах применяют (несколько вариантов ответа).

а) для увеличения теплопроводности жидкой фазы
б) для увеличения поверхности контакта двух фаз
в) для интенсификации процесса абсорбции
г) для увеличения устойчивости аппарата

Ключ к тестовым вопросам.

В таблице 1 представлены ключи к тестовым вопросам по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств».

Таблица 1.

Правильные ответы.