Изучение процесса теплопередачи на трубчатом теплообменнике

Цель: познакомиться с конструкцией трубчатого теплообменника; научиться определять рабочие характеристики теплообменников.

Общие сведения

Существуют две конструкции теплообменных аппаратов:

• — трубчатые;
• — пластинчатые.

Трубчатые теплообменники представлены различными вариациями, в которых одна труба (или пучок труб) малого диаметра находится в другой — большего диаметра. Такие теплообменники называются кожухотрубныыми. Вариантом исполнения кожухотрубного теплообменника является двухтрубчатый теплообменник «труба в трубе», представленный на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Трубчатый теплообменник «труба в трубе»:

• 1 — наружная труба (кожух); 2 — внутренняя труба;
• 3 — соединительные колена («калачи»); 4 — патрубки с фланцами

В настоящее время в системе приготовления горячей воды, в системах отопления, рекуперации широко применяются пластинчатые теплообменники. Пластинчатый теплообменник меньше кожухотрубного в 3—4 раза при одинаковой теплоотдаче. Также необходимо отметить, что пластинчатые теплообменники легко чистятся, увеличивают теплоотдачу (добавляя дополнительно пластины).

Рассмотрим работу теплообменного аппарата.

Теплопередача (перенос тепла) всегда происходит от более нагретого тела к менее нагретому.

Поверхность, по которой происходит перенос (или поглощение) тепла является искомым параметром при расчете теплообменных аппаратов. Взаимосвязь теплового потока (2, Дж/с или Вт, разницы температур Аг_ср, град, площади поверхности теплопередачи Е, м² описывается основным уравнением теплопередачи

где К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м-К).

Меняя гидравлический режим течения жидкостей в теле теплообменного аппарата, мы можем менять коэффициент теплопередачи К.

Зная тепловую нагрузку, которую необходимо чтобы выдал теплообменный аппарат (к примеру, компенсировал тепловые потери здания), можно рассчитать его площадь Е, м².

В идеально теплоизолированном тепловом аппарате (т. е. без тепловых потерь в окружающую среду) тепловой поток, переданный горячим теплоносителем <2₁₅ будет равен тепловому потоку, который получил ХОЛОДНЫЙ теплоноситель 0.2- Значения <2_Т и (2₂ можно рассчитать по уравнениям 12.3 и 12.4

где б! и С₂ — массовые расходы горячего (1) и холодного (2) теплоносителей, кг/с; с₂ и с₂ — удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг-К); с_1н и с_1к — начальная и конечная температуры горячего теплоносителя; Г_2н и Г_2к — начальная и конечная температуры холодного теплоносителя.

Описание лабораторной установки

На лабораторном стенде (фото 12.1) изучается процесс теплопередачи на примере кожухотрубного теплообменника «труба в трубе». В теплообменник 13 (рис. 12.2) горячая вода (теплоноситель) с помощью циркуляционного насоса 12 поступает из емкостного подогревателя (теплогенератора) 10. Объем горячей воды учитывается водосчетчиком 11. Теплоноситель, пройдя трубное пространство кожухотрубного теплообменника, остывает, и по трубопроводу 15 возвращается на подогрев в теплогенератор 10.

Фото 12.1. Фото лабораторной установки

По трубопроводу подачи проточной холодной воды 2 подается из водопровода. Объем холодной воды учитывается водосчетчиком 3. Холодная вода подается в межтрубное пространство теплообменника 13. Пройдя межтрубное пространство, холодная вода нагревается и сбрасывается в канализацию по трубопроводу 8. Клапаны запорные 4, 5, 6, 7 позволяют организовать как попутное движение теплоносителей (горячей и холодных вод), так и противоточное. Так, при отрытых клапанах запорных 5 и 7 образуется попутное движение теплоносителей (клапаны 1 и 9 в период проведения экспериментов всегда находятся в открытом или частично открытом положении). Если клапаны запорные 5 и 7 перекрыть, а открыть 4 и 6 режим движения теплоносителей в кожухотрубном теплообменнике будет противоточным. При изменении степени открывания запорных клапанов меняется живое сечение, что в свою очередь позволяет регулировать расходы теплоносителей.

Рис. 12.2. Схема лабораторной установки:

• 1, 4, 5, 6, 7, 9 — клапан запорный; 2 — трубопровод подачи проточной холодной воды; 3,11 — водосчетчик; 8 — трубопровод сброса в канализацию нагретой холодной воды; 10 — емкостной подогреватель; 12 — циркуляционный насос с регулятором скоростей;
• 13 — кожухотрубный теплообменник «труба в трубе»; 14 — место съема температур пирометром; 15 — трубопровод конденсата

Для определения температур теплоносителей на входе в кожухотрубный теплообменник (г_1н И 1_2н) ^{и на} выходе из него (Г_1к и Г_2к), а также для отслеживания динамики изменения температур по его длине в характерных точках 14 производится съем значений температуры.

Вопросы съема значений температуры описаны в [13]. В лабораториях, а также на производствах наибольшей популярностью пользуются два метода — измерение температуры термопарой (технически более сложный способ, позволяющий отслеживать динамику изменения температур) и пирометром (экспресс-метод, обладающий высокой достоверностью получаемых результатов).

Порядок выполнения работы

• 1. Емкостной нагреватель 10 заполнить водой. Включить нагреватель (включится сигнальная лампа) и нагреть воду. Терморегулятор должен отключить тэн емкостного нагревателя — погаснет сигнальная лампочка.
• 2. Открыть запорные клапана 1 и 9. Холодную воду подать на проток.
• 3. Открыть запорные клапана 5 и 7 (клапана 4 и 6 закрыты).
• 4. Включить циркуляционный насос горячей воды 2.
• 5. В течение 3—5 мин ждать стабилизации показаний температур.
• 6. Зафиксировать значения температур в местах съема 14 с помощью пирометра. С помощью секундомера засечь продолжительность опыта и объемы теплоносителей, походящих через водосчетчики 3 и 11. Результаты занести в табл. 12.1.
• 7. Переключить запорные клапаны 4, 5, 6, 7 в положение, соответствующее противотоку.
• 8. Повторить пункты 3—6.
• 9. Отключить стенд.

Таблица 12.1

Окончание табл. 12.1

Обработка результатов эксперимента

Результаты измерений и расчеты выполнить в табличном виде (табл. 12.1).

В связи с тем, что проводится реальный эксперимент, точного совпадения значений тепловых потоков теплоносителей не будет.

Определить среднее значение тепловых потоков теплоносителей (горячей и холодной воды):

Замерив геометрические характеристики кожухотрубного теплообменника, рассчитать площадь поверхности теплоотдачи Г, м².

Воспользовавшись формулой 12.1, определить значение коэффициента теплопередачи.

Контрольные вопросы

• 1. Что такое теплообмен? Из чего он складывается?
• 2. Что такое теплопередача? Дайте определение.
• 3. Поясните смысл коэффициента теплопередачи в основном уравнении теплопередачи.
• 4. От чего зависит коэффициент теплопередачи?
• 5. Конструкции теплообменных аппаратов.
• 6. Перечислите известные вам области применения теплообмена и теплообменников.