Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике

Процессы и аппараты

Методическое руководство

к проведению лабораторной работе

Определение коэффициента теплопередачи
от жидкости к жидкости в теплообменнике
типа «труба в трубе»

Цель работы: определить коэффициент теплопередачи от горячей воды к холодной в теплообменнике типа «труба в трубе»:
а) на основе экспериментально полученных данных (К_эксп)
б) путём расчёта через коэффициенты теплоотдачи, найденные с помощью теории подобия (К_теор).

Необходимое оборудование и материалы:

1. Лабораторный теплообменник типа «труба в трубе» с размерами:
   наружная кожуховая стеклянная трубка ;
   внутренняя теплообменная латунная трубка ;
   длина .

2. Термометры – 4 шт.

3. Колба или цилиндр для измерения объёма воды.

4. Секундомер

5. Холодная и горячая вода.

Схема установки

1 – латунная трубка; 2 – стеклянная трубка; 3-6 – термометры; I – горячая вода; II – холодная вода.


Методика проведения работы:

а) Определение экспериментального значения коэффициента теплопередачи (К_эксп).

1. Ознакомиться с установкой и методикой проведения работы.

2. Включить установку, направив горячую воду в латунную трубку, а холодный поток – в кольцевой канал между стеклянной и латунной трубкой. Когда наступит установившийся режим, т.е. температуры потоков перестанут изменяться, снять и записать следующие данные:

- температуру горячей воды на входе и выходе из теплообменника (Т_н и Т_к),
- температуру холодной воды на входе и выходе из теплообменника (t_н и t_к),
- взаимное направление движения теплоносителей (прямоток и противоток).

Для определения расхода горячей и холодной воды измерить секундомером время заполнения водой определенного объёма мерного цилиндра ( и ; и ). Измерения повторить не менее 3-х раз, для дальнейших расчётов вычислить и записать в отчете средние арифметические значения полученных величин.

Выключить подачу воды и убрать рабочее место

1. Составить температурную схему процесса и найти среднюю движущую силу (Δt_ср) и средние температуры горячей (T_ср) и холодной (t_ср) воды.

2. При средних температурах горячей и холодной воды найти в справочнике плотность (ρ_г и ρ_x), вязкость (μ_г и μ_x), теплоёмкость (c_г и c_x), теплопроводность (λ_г и λ_x).

3. Определить объёмный ( ) и массовый расход (G_x и G_г) холодной и горячей воды.

4. Найти среднюю тепловую нагрузку процесса ( ), определив предварительно количество тепла, отдаваемого горячей водой ( ) и принимаемого холодной ( ).

5. Рассчитать по размерам теплообменника величину поверхности теплообмена (F).

6. Определить экспериментальное значение коэффициента теплопередачи (К_эксп) из основного уравнения теплопередачи.
   
   

б) Расчёт коэффициента теплопередачи через коэффициенты теплоотдачи, с помощью теории подобия

1. Рассчитать скорости движения горячего и холодного потоков ( ).

2. Найти значения критериев Рейнольдса для горячей и холодной воды ( )

3. Определить значения критериев Прандтля для горячей и холодной воды ( )

4. Выбрать критериальные уравнения и рассчитать по ним критерий Нуссельта для горячей и холодной воды ( )

5. Рассчитать коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного потоков ( )

6. Найти в справочнике значения коэффициента теплопроводности материала теплопроводящей стенки ( ).

7. Рассчитать значения коэффициента теплопередачи (К_теор).

в) Оформить отчёт и сформулировать вывод, сравнивая значения коэффициентов теплопередачи К_эксп и К_теор

Расчётные формулы:

а) Определение экспериментального коэффициента теплопередачи К_эксп

1. Объёмный расход горячей и холодной воды
   
   и , м³/с
   
   где – объём воды в цилиндре, м³
   где – время течения воды, с
   
   

2. Массовый расход горячей и холодной воды
   
   и , кг/с,
   
   где ρ_г, ρ_x – плотность воды при средней температуре, кг/м³
   
   

Тепловая нагрузка процесса

, Вт,



где c_x и c_г – теплоёмкость воды при средней температуре, Дж/кг × град
ΔT, Δt – перепад температуры горячей и холодной воды, °C,

1. Поверхность теплообмена
   
   , м²
   
   где d_вн – внутренний диаметр латунной трубки, м,
   – длина теплообменника, м, = 700 мм = 0,7 м
   
   

2. Экспериментальный коэффициент теплопередачи
   
   , Вт/м² × град,
   
   

б) Определение теоретического коэффициента теплопередачи К_теор

1. Скорость движения воды
   
   , , м/c,
   
   где S_г – площадь живого сечения горячего поток, м².
   
   ,
   S_x – площадь сечения холодного потока, м²
   ,
   
   где D_вн – внутренний диаметр стеклянной трубки, м,
   d_нар – наружный диаметр латунной трубки, м
   
   

2. Критерий Рейнольдса для воды
   
   и
   
   где µ_г, µ_х динамическая вязкость воды при средней температуре, Па × с,

d_экв – эквивалентный диаметр, м,

,

1. Критерий Прандтля для воды:
   
   и ,
   
   где – теплопроводность воды при средней температуре, Вт/М × град,
   
   

2. Коэффициент теплоотдачи воды
   
   и , Вт/м² × град,
   
   где Nu_г и Nu_x – критерии Нуссельта, рассчитанные по выбранным критериальным уравнениям.
   
   

3. Теоретическое значение коэффициента теплопередачи
   
   , Вт/м² × град,
   
   где – толщина стенки латунной трубки, м,
   – теплопроводность материала стенки (латуни), Вт/м × град,

Содержание отчёта:

1. Название лабораторной работы.

2. Цель работы.

3. Необходимое оборудование и материалы.

4. Расчётные формулы и расчёт К_эксп и К_теор.

5. Вывод