Тепло- и массообменные процессы и аппараты: Лабораторный практикум по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения её плотности при нагревании или охлаждении. При указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скорости и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Рисунок 4 – Кожухотрубные одноходовый (а) и многоходовый (б) теплообменники

В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Теплообменник, изображенный на рисунке 4, а, является одноходовым. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость её движения в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэффициенты теплоотдачи невелики. Скорость теплообмена может быть увеличена за счет перехода от одноходовых к многоходовым теплообменникам. В многоходовом теплообменнике (рисунок 4, б), корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные в них трубы 3 и крышки 4 идентичны изображенным на рисунке 4, а. С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы, по которым последовательно движется жидкость, протекающая в трубном пространстве теплообменника. Вследствие меньшей площади суммарного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рисунок 4, б) служат сегментные перегородки 6. Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикальными и горизонтальными.

Процесс теплообмена между горячей и холодной жидкостями, протекающими противотоком в кожухотрубном теплообменнике, может быть представлен в виде схемы (рисунок 5), на которой приняты следующие обозначения: индекс «1» – для горячей жидкости Ж 1 в трубах; индекс «2» – для холодной жидкости Ж 2 в межтрубном пространстве;, , , ,  и  – соответственно начальные и конечные температуры жидкостей (ºС) и их массовые расходы (кг/с); , ,  – соответственно толщина стенки трубы и слоев загрязнений (м); , , – соответственно термическое сопротивление стенки и загрязнений со стороны горячей и холодной жидкостей (м² К/Вт);  и  – соответственно коэффициенты теплоотдачи от горячей жидкости к стенке трубы и от стенки трубы к холодной жидкости (Вт/м² К);  и  – соответственно внутренний и наружный диаметр трубы, м. Таким образом, процесс передачи тепла осуществляется последовательно протекающими конвекцией, теплопроводностью и снова конвекцией. При выполнении соотношения

 >                                                                            (7)

подобный случай теплопередачи может быть описан уравнением вида

,                                            (8)

где          - расход передаваемой теплоты, Вт;

 - площадь поверхности теплопередачи, м²;

 - сумма термических сопротивлений стенки трубы и слоёв загрязнений, имеющих коэффициенты теплопроводности ,  и , (м² К)/Вт;

 - средняя разность температур.

Рисунок 5 – Схема процесса теплопередачи.

Первый множитель правой части уравнения (8) представляет собой общий коэффициент теплопередачи

.                           (9)

Расход теплоты может быть определен как

,                                                                (10)

где  – удельная теплоемкость жидкости Ж1 при средней температуре , Дж/(кг К).

Средняя температура горячей жидкости Ж1 может быть определена как

.                                                      (11)

Для противотока  определяется как

,                                                       (12)

где  и  – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

Если отношение  ≤ 2, то с достаточной точностью (погрешность менее 5 %) вместо уравнения (12) можно применять уравнение

                                                            (13)

Таким образом, уравнение (7) позволяет при известных величинах , ,  рассчитать значение общего коэффициента теплопередачи.

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение конструкции, принципа работы кожухотрубного теплообменника и процесса теплообмена в нем; экспериментальное определение коэффициента теплопередачи от жидкости к жидкости (вода).

Описание установки

Для изучения теплообмена используется кожухотрубный теплообменник 1 (рисунок 6) с поверхностью теплообмена 1,0 м². Горячая жидкость подается в трубное, а охлаждающаяся вода – в межтрубное пространство. Расход теплоносителей регулируется вентилями 2, 3 и измеряется ротаметрами 4, 5. Начальная и конечная температура теплоносителей контролируется термометрами 6, 7, 8, 9. На лабораторном стенде имеются также калибровочные графики ротаметров, позволяющие определить расход теплоносителей в соответствии с положением поплавка.

Порядок выполнения работы

Вентилями 2, 3 устанавливаются заданные расходы теплоносителей