книги / Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 1

где Vc – суммарный объем фильтрата.

Рис. 5.4

51

6. Выбирая вязкость воды по табл. 5.2 в соответствии с ее температурой, рассчитывают сопротивление фильтровальной перегородки (м–1) и удельное сопротивление осадка:

Отчет включает в себя цели работы, схему установки, расчеты определяемых величин, график зависимости V = f(V), табл. 5.1

и 5.3, анализ полученных результатов.

52

Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Цели работы:

–ознакомление с устройством и работой двухходового кожухотрубчатого теплообменного аппарата;

–определение опытного значения коэффициента теплопередачи и сравнение его с расчетным значением;

–экспериментальное исследование зависимости интенсивности теплоотдачи от скорости движения жидкости у теплообменной поверхности;

–экспериментальное исследование явления теплоотдачи от теплообменной поверхности к газовой среде в зависимости от скорости движения газовой среды.

Сведения из теории

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур, при которой теплота самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Существуют три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: тепловое излучение, теплопроводность и конвекция.

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Влияние теплового излучения незначительно до температур 500–600 оС.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие непосредственного соприкосновения друг с другом микро-

54

частиц (молекул, атомов) в твердых телах и в тонких ламинарно движущихся слоях жидкостей и газов.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках. Вынужденная конвекция осуществляется при принудительном движении всего объема жидкости (газа). В большинстве случаев распространение тепла происходит одновременно двумя-тремя способами.

Основным законом переноса тепла путем теплопроводности является закон Фурье: количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время d , прямо пропорционально

температурному градиенту nt , поверхности dF и времени d :

где dQ – количество переданного тепла; nt – температурный гра-

диент; dF – элемент поверхности теплообмена; d – время; – коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности в системе СИ имеет следующую размерность:

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

55

Величина коэффициента , характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Наиболее важным часто встречающимся случаем теплообмена является конвективный теплообмен. Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в газе (жидкости) от поверхности твердого тела одновременно конвекцией и теплопроводностью. Этот процесс называют также теплоотдачей. Интенсивность теплоотдачи зависит от гидродинамических условий течения газа.

Характер изменения температуры в движущейся среде при конвективном теплообмене (теплоотдаче) показан на рис. 6.1 (δст – толщина стенки трубы).

Рис. 6.1

При теплоотдаче тепло распространяется от поверхности твердого тела к газу через пограничный слой теплопроводностью и от пограничного слоя в массу (ядро) газовой среды преимущественно конвекцией. Лимитирующей стадией процесса теплоотдачи является перенос тепла теплопроводностью через пограничный слой. В ядре потока происходит выравнивание температур благодаря интенсивному перемешиванию. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и к увеличению количества передаваемого тепла, т.е. к интенсификации процесса теплообмена.

56

Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона: количество тепла dQ, отдаваемое за время d поверхностью стенки dF, имеющей температуру стенки tст, газу с температуройtг, прямо пропорционально элементу поверхности теплообмена dF и разности температур tст – tг:

где tст, tг – температуры соответственно поверхности теплообмена и окружающей среды (газа); – коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи в системе СИ имеет следующую размерность:

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от 1 м2 поверхности стенки к газу в течение 1 с при разности температур между стенкой и газом, равной 1 градусу.

Величина коэффициента теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами: режимом и скоростью движения теплоносителя; вязкостью, плотностью, теплоемкостью и теплопроводностью; размерами и формой поверхности теплообмена. Зависимость коэффициента теплоотдачи от этих факторов весьма сложна, поэтому для ее определения используются методы теории подобия.

Для вынужденного движения жидкостей и газов внутри труб критериальное уравнение при турбулентном режиме (Re 10000) имеет вид:

где Nu – критерий Нуссельта; l – коэффициент, учитывающий отношение длины трубы к ее диаметру; Re – критерий Рейнольдса; Pr, Prст – значения критерия Прандтля при средней температуре теплоносителя и при температуре стенки трубы соответственно.

57

Для газов критериальное уравнение (6.3) может быть упрощено. Например, для воздуха

При переходном режиме (2320 Re 10000) справедливо приближенное уравнение:

При движении воздуха в условиях естественной конвекции в ограниченном и замкнутом пространстве

где Gr – критерий Грасгофа.

Критерии, используемые в этих формулах, рассчитываются следующим образом:

где – коэффициент теплоотдачи; dэ – эквивалентный диаметр трубы; W – скорость теплоносителя; , , , – соответственно коэффициент теплопроводности, динамическая вязкость, плотность, коэффициент объемного расширения теплоносителя при его

58

средней температуре; t – разность между температурой стенки трубы и средней температурой теплоносителя, t = tст – tг.

При расчете теплообменников по значению критерия Нуссельта, найденному из соответствующего критериального уравнения, определяют коэффициент теплоотдачи .

Процесс передачи тепла от более нагретого к более холодному теплоносителю через разделяющую их стенку носит название теплопередачи. При теплопередаче через плоскую стенку температура изменяется так, как показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2

Основное уравнение теплопередачи для элементарной поверхности dF можно записать следующим образом:

где K – коэффициент теплопередачи; t1, t2 – температуры теплоносителей.

В промышленной аппаратуре теплопередача протекает в большинстве случаев при переменных температурах теплоносителей, когда температуры изменяются вдоль разделяющей их стенки.

Движущая сила теплопередачи (разность температур между теплоносителями t) также изменяется вдоль поверхности теплообмена, поэтому она определяется как средняя разность температур. Тогда основное уравнение теплопередачи имеет вид (в интегральной форме):

59

Средняя разность температур tср зависит от взаимного направления движения теплоносителей. Для ее определения составляется схема распределения температур.

В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:

1)параллельный ток, или прямоток (рис. 6.3, а), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

2)противоток (рис. 6.3, б), при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях;

3)перекрестный ток (рис. 6.3, в), при котором теплоносители движутся перпендикулярно друг другу;

4)смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток (рис. 6.3, г) и многократный смешанный ток

(рис. 6.3, д).

Средняя разность температур tср для противотока и прямотока рассчитывается по уравнению:

где tб, tм – соответственно наибольшее и наименьшее значения разностей температур на концах теплообменника.

60