Исследование работы теплообменника «трубав трубе»
Теоретические основы работы
1.1. Экспериментальный метод определения коэффициента теплопередачи.
В данной работе изучается теплообменный аппарат, в котором теплоносители находятся в однофазном состоянии и не контактируют друг с другом непосредственно. Такие аппараты называют поверхностными теплообменниками или рекуперативными. Установка позволяет осуществить две простых схемы движения теплоносителей: прямоточная (теплоносители движутся в одном направлении) и противоточная (теплоносители движутся в противоположных направлениях). Целью данной работы является экспериментальное определение коэффициента теплопередачи от «горячего» теплоносителя к «холодному» и расчет гидравлических характеристик теплообменника.
Тепловой поток, отдаваемый горячим теплоносителем рассчитывается по формуле, Вт
(1)
Воспринимаемый тепловой поток холодным теплоносителем рассчитается ана-логично, Вт
, (2)
где t1 и t2 – температуры горячего и холодного теплоносителей соответственно. Индексы «штрих» и «два штриха» - соответствуют условиям на входе и выходе. Cp1 и Cp2 – изобарные теплоемкости теплоносителей (в данном случае величины можно принять равными 4180 Дж/(кг*К), поскольку теплоносителем является вода, а в рабочем интервале температур её теплоемкости слабо отличается от вышеприведенной величины).
G1 и G2 – массовые расходы теплоносителей (кг/с)
, (3)
где V – объемный расход (м3/c); плотность воды (принять 994 (кг/м3).
Отношение (4) - КПД теплообменника.
(4)
Тепловой поток в окружающую среду (потери тепла) определяется разностью
. (5)
Для повышения точности дальнейшего расчета воспользуемся средней между ними величиной
(6)
Уравнение теплопередачи для цилиндрического теплообменника выглядит следующим образом
, (7)
где l – рабочая длина поверхности теплопередачи, l = 0,9 м; kl - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м*К); T - среднелогарифмический температурный напор.
Среднелогарифмический температурный напор равен
, (8)
где TБ и TМ – большая и меньшая разница температур в концевых сечениях теплообменника независимо от схемы движения теплоносителей (рис.1), то есть T1 = t1 – t3; T2 = t2 – t4 , если T1 > T2 значит TБ = T1 ;TМ = T2.
t3
= t2
/
- при прямотоке -
t4
=
t2//
t4
= t2//
- при
противотоке - t4
= t2/
Рис.1
Тогда из уравнения (7) линейный коэффициент теплопередачи будет равен, Вт/(м*К):
. (9)
Формула (9) используется для экспериментального определения коэффициента теплопередачи.
Число Рейнольдса
, (10)
где w – скорость теплоносителя, м/с (её можно оценить как w=V/F, где F –площадь сечения канала); кинематическая вязкость, м2/c (её значение берется из таблиц при средней температуре теплоносителя); l0 – характерный размер поверхности теплообмена. Для внутреннего контура l0 =0,013 м – это внутренней диаметр внутренней трубы. Для кольцевого канала внешнего контура l0 – это разность между внутренним диаметром внешней трубы и внешним диаметром внутренней трубы l0 = 0,025-0,015=0,01 м. Для труб турбулентное течение соответствует Re > 4000.
Тогда для внутренней цилиндрической трубки и кольцевого канала внешнего контура можно рассчитать коэффициенты гидравлического трения (безразмерная величина) по одной из следующих формул:
Пуазейля для ламинарного движения при Re < 2300 ….....……...…….. ;
Формула Блазиуса при 2300 < Re < 104………………….…..….. ;
Формула Альдшуля при Re > 104…………………..…..… ;
Формула Никурадзе при Re > 105…………………...... .
Удельное линейное падение давления в трубопроводе (уравнение Дарси), Па/м
, (11)
где – коэффициент гидравлического трения; w – скорость движения среды, м/с; – плотность среды, кг/м3; lo – характерный линейный размер канала, м;