Лабораторная работа №8

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Данный тип теплообменных аппаратов является наиболее простым из используемых в химической и пищевой промышленностях. Он состоит из внутренней трубы 1 (смотрите рисунок 3), по которой подается теплоноситель или теплоноситель, склонный к образованию отложений на теплопередающей поверхности и наружной трубе 2. В кольцевое пространство между трубами 1 и 2 по патрубку 3 подается горячий теплоноситель и отводится из межтрубного пространства по патрубку 4.

Благодаря небольшому поперечному сечению потоков теплоносителей в теплообменниках типа «труба в трубе» достигаются относительно высокие коэффициенты теплоотдачи.

Вместе с тем: громоздкость, высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене; трудность очистки межтрубного пространства – являются сдерживающими факторами на пути широкого использования этих теплообменных аппаратов в промышленности.

Целью нашей лабораторной работы является:

1. Определение потерь тепла в окружающую среду;

2. Расчет толщины слоя теплоизоляции для снижения тепловых потерь до нормируемого уровня;

3. Определение общего коэффициента теплопередачи.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В теплообменный аппарат ТА, рисунок 3, холодная вода подается во внутреннюю трубу 1. Ее расход регулируется вентилем ВР2, а расход контролируемый по показаниям расходомера РМ типа УВК – 20. Кроме этого, на линии холодного теплоносителя установлены термометры Т1 и Т2, контролирующие температуру воды на входе и выходе из теплообменника.

В качестве горячего теплоносителя используется сухой насыщенный водяной пар, который генерируется в электрическом парогенераторе ПГ. Температуру греющего пара определяем по его давлению, измеряемому манометром Р, а температуру конденсата, покидающего теплообменник ТА минуя систему отвода конденсата (ВЗ1 – 3 и КО), измеряем термометром Т3. Регулирование расхода греющего пара осуществляется вентилем ВР1, а измерение выполняется по объему конденсата, собранному за контрольный промежуток времени τ в мернике конденсата МК.

1 – внутренняя труба (ø 36× 1, 5); 2 – наружная труба (ø 56× 1, 5); 3, 4 – патрубки подачи и отвода горячего теплоносителя; ТА – теплообменный аппарат типа «труба в трубе»; ВР1 и ВР2 – вентили регулирующие; ВЗ1 и ВЗ4 – вентили запорные; КО – конденсатоотводчик; МК – мерник конденсата; ПГ – парогенератор; РМ – расходомер УВК – 20; точки замера: Т1 – 3 температуры, Р – давления, М – расхода, У – уровня.

Рисунок 1 – схема экспериментальной установки

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для достижения поставленных в работе целей следует провести три испытания, варьируя с разными расходами холодной воды.

Перед началом эксперимента установку готовят к испытаниям: включают парогенератор ПГ, по достижении паром в паропроводе избыточного давления 0, 2 атм (контролируется по показаниям манометра Р) открывается вентиль ВР1, и начинается прогрев аппарата ТА. По мере прогрева аппарата (становится теплой наружная труба) открывают линию сброса конденсата (ВЗ1 и ВЗ2) и следят за появлением конденсата в мерном стекле мерника конденсата МК. С момента появления конденсата в мернике открывают вентиль ВР2 и следят за показаниями термометров Т1 и Т2. Когда их показания стабилизируются, приступают к проведению эксперимента.

Для этого необходимо:

1. Снять показания расходомера М₀ и уровнемера У₀ в начальный момент времени, т.е. при τ =0;

2. Снять показания М2 и У2 при τ =20 мин;

3. Записать показания термометров Т1 и Т2, установленных на линии холодного теплоносителя;

4. Записать показания манометра Р и термометра Т3 на линии горячего теплоносителя;

После проведения первого испытания приступают к повторному, установив с помощью вентиля ВР2 новый расход воды. Данные, полученные в ходе его выполнения, заносят в протокол испытаний.

Установку отключают в следующем порядке:

1. Отключают парогенератор ПГ. После снижения давления в паровой линии до 0 атм;

2. Открывают вентиль В;

3. Закрывают вентиль ВР2 и ВР1;

4. Открывают вентиль ВЗ4.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для каждого проведенного испытания определяют количество прошедшей холодной воды М = М₂ – М₁ и количество полученного конденсата D = = D₂ – D₁, по которым устанавливают расход воды кг/с и конденсата кг/с, где и – плотность воды и конденсата, определяемые по их средним температурам с помощью таблиц.

По уравнению (2) определяем количество тепла, отданное греющим паром Q₁ и воспринятое холодной водой Q₂. Разность значений между общим и полезно воспринятым количеством тепла позволяет установить величину тепловых потерь Q_пот.

Полагая, что температура на поверхности слоя теплоизоляции t_c = 40 º C, выбрав один из применяемых теплоизоляторов, рассчитывается толщина слоя теплоизоляции по уравнению (6). При расчете температуру внутренней поверхности стенки рассчитать как среднюю между температурой конденсации греющего пара и температурой стенки . В свою очередь, принимается равной средней температуре между температурой греющего пара и окружающей среды, т.е.

(16)

Общий коэффициент теплопередачи К определяется из основного уравнения теплопередачи (7), где Q – это тепло, воспринятое холодной водой.

Площадь теплопередающей поверхности F определяется из соотношения:

(17)

где – средний диаметр внутренней трубы теплообменника, м;

– длина теплопередающей поверхности, м.

Средний температурный напор рассчитывается по уравнениям (10) или (11), предварив расчет построением графика изменением температур в процессе теплообмена (рисунок 2).

Таблица 1 – протокол испытаний

Показания
Расходомера РМ	Указатель уровня У	Манометра Р, Па	Термометров	Темп. коденсата гр. пара º C
при τ 0=0	при τ =20мин	при τ =0	при τ =20мин	Т1, º C	Т2, º C	Т3, º C
Мо	М1	Do	D1	P1				Θ

Расчетные величины
Cекундный расход, кг/с	Тепловой поток, Вт	Толщ. слоя теплоиз., м δ	Площ. тепл. пов., м2 F	Сред. темп. напор, º C	Коэф. тепло-перед. Вт/(м2·К) К
воды,   G2	пара,   D	от пара Q1	поглащ. водой Q2	теря-емый Qп

Вывод: