Методические указания к лабораторным работам Дисциплина: «Процессы и аппараты» Специальность СПО: 240134 Переработка нефти и газа 18.02.06 Химическая технология органических веществ Уровень подготовки: Базовый

Государственное автономное профессиональное  образовательное учреждение Самарской области  «Новокуйбышевский нефтехимический техникум» Методические указания к лабораторным работам        Дисциплина:  «Процессы и аппараты»        Специальность СПО:  240134  Переработка нефти и газа         18.02.06 Химическая технология органических веществ        Уровень подготовки:  Базовый Новокуйбышевск, 2017 г РАССМОТРЕНО предметной (цикловой) комиссией Протокол № ____ от _______________201___ г. __________ Н.В. Кирдишева  УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора по НМР ________________ О.Д. Щелкова     Разработчик: ГАПОУ СО «ННХТ»        преподаватель             Т.П.Кочнева (место работы)                                      (занимаемая должность)                   (И.О.Фамилия) «Определение гидравлического сопротивления трубопроводов» Лабораторная работа №1 Потеря   напора   (удельной   энергии)   по   длине   трубопровода   вызваны силами трения. Они возрастают пропорционально длине трубы постоянного диаметра и определяются по формуле Дарси: где   λ   –   коэффициент   гидравлического   трения   трубы,   длина   которой равна ее диаметру;  l, d – длина и внутренний диаметр трубопровода;  ν  – средняя скорость потока;  g – ускорение силы тяжести. Потери напора могут быть определены также из уравнения Бернулли: Для   горизонтальной   трубы   постоянного   диаметра   при   отсутствии местных сопротивлений: Окончательно имеем: Видим, что потери напора по длине hl определяются опытным путем по разнице   показаний   пьезометров   в  сечении  I­I  на   входе   в   опытный   участок  и в сечении 2­2 на выходе из него   как показано на рис. 1. Основная   сложность   при   расчете  hl  по   формуле   Дарси   состоит   в  зависит от определении коэффициента  двух   безразмерных   параметров:   числа   Рейнольдса   –   Re   и   относительной . В общем случае коэффициент  λ λ шероховатости     где   Δэ   –   эквивалентная   (средняя)   шероховатость внутренних стенок трубы, то есть  Впервые (1933 г) экспериментальная зависимость   от и шероховатости трубопровода   получена   И.   И.   Никурадзе   в   виде   графика   для   труб   с λ λ λ искусственной   равнозернистой   шероховатостью   из   наклеенных   песчинок. Позже вопросу определения   в зависимости от Re и для труб с естественной шероховатостью посвящены работы других ученых. Для определения   существуют различные расчетные формулы в зависимости от зоны сопротивления. Так, например, для I зоны вязкого сопротивления, ,λ которая имеет место при ламинарном течении, шероховатость не влияет на  .При   турбулентном   движении   различают   II,   III   и   IV   зоны т.е.   сопротивления. Вдоль стенки трубопровода всегда имеется слой жидкости с ламинарным   режимом   движения.   Этот   слой   называется   ламинарным, пристеночным слоем, имеющим малую толщину (рис.1). С   увеличением   расхода,   а,   следовательно,   скорости   и   Re,   толщина ламинарного слоя   уменьшится. δ Для   II   зоны   гидравлически   гладких   труб   ,   т.е.   шероховатость трубопровода закрыта ламинарным слоем. В этом случае  В   III   зоне   доквадратичного   сопротивления   ,   т.е.   шероховатость уже не закрыта ламинарным слоем. В этом случае  В   IV   зоне   квадратичного   сопротивления     и   ламинарный   слой практически разрушен. Здесь  Зоны   (области)   гидравлического   сопротивления,   границы   области   и расчетные формулы сведены в таблице I. Коэффициент     можно   определять   также   по   графику   Кольбрука   для λ турбулентного режима движения жидкости, если известны   (рис.2). Описание установки. Напорный бак 1 (рис.3) обеспечивает постоянный напор за счет перелива избытка   воды   через   трубу   2.   Горизонтальная   труба   3   включает   опытный участок заданного диаметра d и длины l и имеет расходомер 4 и вентиль 5 для регулирования расхода. В сечениях 1­1 и 2­2 опытного участка установлены пьезометры.   Мерная   ёмкость   6   служит   для   определения   расхода   воды объемным методом. Цель работы. 1. Уяснить влияние   на коэффициент гидравлического трения λ в зависимости от зоны сопротивления. 2.   Ознакомиться   с   методикой   экспериментального   определения коэффициента гидравлического трения. Порядок проведения работы. 1. При установившемся движении по расходомеру 4 определить объем V и замерить время прохождения этого объема через опытный участок. 2. Снять показания пьезометров   для сечений 1­1 и 2­2. 3. Замерить температуру воды t. Обработка опытных данных. 1. Рассчитать расход воды в трубопроводе Q и среднюю скорость  2. По температуре воды найти её вязкость. 3. Определить потерю напора по длине трубопровода – hl по формуле. 4. Определить значение коэффициента λ1 5. Вычислить значение Re и для заданной относительной шероховатости .υ  определить зону сопротивления, пользуясь граничными значениями области сопротивления. 6. Рассчитать значение коэффициента  λ2  по соответствующей расчетной формуле. 7. Определить % ошибки. Лабораторная работа №2 «Исследование гидродинамики псевдоожиженного слоя» Для   интенсификации   процессов   тепло­   и   массообмена,   процессов смешения   сыпучих   материалов,   агломерации,   гранулирования   и   других процессов   широко   используются   аппараты   с   псевдоожиженным   слоем зернистого материала (взвешенный, кипящий слой). Если через неподвижный слой материала, лежащего на решетке (рис. 1), пропускать снизу вверх поток газа или жидкости (ожижающий агент), то состояние слоя будет зависеть от значения скорости ожижающего агента. При достижении некоторой скорости, называемой   первой   критической,   частицы   начинаются   перемещаться   по обьему   слоя   (псевдоожиженное   состояние).   При   дальнейшем   повышении скорости   ожижающего   агента   объем   слоя   возрастает.   Все   расчеты   по определению   параметров   псевдоожиженного   слоя   построены   на использовании   скорости   ожижающего   агента,   отнесенной   к   полному поперечному сечению аппарата (фиктивная скорость): где: Q – объемный расход сжижающего агента, м3/с; fa – площадь поперечного сечения аппарата, м2. Это   связано   с   тем,   что   измерить   действительную   скорость   воздуха   в промежутках   между   твердыми   частицами   трудно,   причем   значение действительной скорости газа в промежутках между частицами слоя всегда будет больше фиктивной. При скоростях потока ниже первой критической     (скорость начала псевдоожижения) слой остается неподвижным. Ожижающий агент движется через слой в режиме фильтрации. При достижении ожижающим агентом первой критической скорости  слов переходит в псевдоожиженное состояние. При этом твердые частицы начинают перемещаться по слою. Дальнейшее увеличение   скорости   приводит   к   увеличению   высоты   слоя   (слой расширяется). При достижении ожижающим агентом второй критической скорости  (скорость уноса) слой разрушается, а частицы в режиме пневмотранспорта уносятся из аппарата. Расширение ПС характеризуется порозностью  ε , которая определяется как отношение объема пустот  в слое к объему всего слоя  : где   – объем, занимаемый твердыми частицами в слое, м3;   объем слоя ( – высота псевдоожиженного слоя), м3. – Известно,   что   порозность   неподвижного   слоя   твердых   частиц одинакового   диаметра   составляет   приблизительно   0,4.   В   процессе псевдоожижения   объем   твердых   частиц   остается   величиной   постоянной, следовательно,   его   можно   определить   по   параметрам   неподвижного   слоя где Hî  – высота неподвижного слоя частиц. Подставив в формулу для VT,   получим   формулу   для   расчета   порозности   по   в   ε расчета   величины   измеренным значениям высот слоя Из   формулы   видно,   что   с   увеличением   скорости   ожижающего   агента порозность   слоя   растет.   предельной   для псевдоожиженного слоя, можно считать, что    = 1. Таким образом, псевдоожиженный слой может существовать в пределах от   При   скорости   уноса, , следовательно,  ε С некоторым приближением эти пределы можно принять и для частиц неправильной формы. Слой твердых частиц является для ожижающего агента гидравлическим сопротивлением,   следовательно   дифференциальным   манометром   (рис.   1) можно измерить перепад давления, возникающий при движении ожижающего агента через этот слой. На   рис.   2   показаны   графики   типичных   изменений   гидравлического сопротивления слоя ∆P и порозности  .ε В   момент   начала   псевдоожижения   вес   зернистого   материала, приходящийся   на   единицу   площади   поперечного   сечения   аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя  где Gc – вес материала в слое, Н.  С учетом архимедовых сил, получим  Так как сопротивление ПС остается величиной постоянной, то его можно определить по предыдущей формуле для любого значения Если     (например система газ­твердые частицы), то эту формулу можно записать  Из   графика   (рис.   2)   видно,   что   гидравлическое   сопротивление псевдоожиженного   слоя   остается   величиной   постоянной   и   не   зависит   от скорости   ожижающего   агента.   Это   постоянство   обусловлено   тем,  что   для частиц,   находящихся   во   взвешенном   состоянии,   выполняется   следующее соотношение  где     –   сила   тяжести,   Н;     –   сила   сопротивления   твердой   частицы,   Н;   –ξ коэффициент сопротивления твердой частицы (зависит от режима обтекания); F  –   площадь   поперечного   сечения   частицы,м2;  m­масса   частицы,   кг;     – плотность ожидающего агента, кг/м3;     – объем твердой частицы, м3;     –   –   сила   Архимеда,   Н;   плотность   твердых   частиц,   кг/м3; ожижающего агента в промежутках между частицами, м/с.      –   действительная   скорость Таким образом   откуда Поделив   правую   и   левую   части,   уравнения   на  F  и   подставив   в   него значение  , получим  Из   формулы   следует,   что   перепад   давления,   возникающий   при псевдоожижении твердой частицы, равен весу частицы, деленной на площадь поперечного   сечения   частицы.   Следовательно,   когда   все   частицы   слоя перейдут в псевдоожиженное состояние, перепад давления Из   двух   последних   уравнений   видно,   что   перепад   давления   для псевдоожиженного слоя есть величина постоянная, независящая от скорости газа. Это постоянство для слоя объясняется тем, что при повышении расхода ожижающего агента происходит одновременное увеличение порозности слоя, а   следовательно,   действительная   скорость   ожижающего   агента   между частицами остается величиной постоянной. Расчет критических скоростей для псевдоожиженного слоя проводится с использованием зависимости между критериями Лященко Ly и Архимеда Ar (рис. 3), Ly = fAr), где критерий Лященко Критерий Архимеда – динамический коэффициент вязкости, Па∙с; d – диаметр частицы, м. Для расчета критических скоростей можно воспользоваться формулой Тодеса, полученной из анализа экспериментальных данных Для частиц неправильной формы вместо dч используется эквивалентный диаметр   dэ.   Эквивалентный   диаметр   для   частиц   неправильной   формы вычисляют   как   диаметр   условного   шара  dш,  объем   которого   равен   объему реальной частицы, умноженному на фактор формы  : φ Фактор   формы   вычисляется   как   отношение   поверхности   частицы   с диаметром dш к поверхности реальной частицы, причем фактор формы всегда меньше или равен единице. Для полидисперсного слоя, состоящего из частиц разного диаметра где   n   ­число   фракций; ­   средний   ситовый   размер   i­й фракции, м; di­1 ­ размер проходного сита, м; di ­ размер непроходного сита, м;   материала, оставшегося на i­ом сите, кг. ­   массовая   доля   материала   в   i­й   фракции;   Мi   ­   масса Цель работы 1.   Получить   экспериментальные   зависимости     от   скорости ожижающего агента. 2.   Определить   по   экспериментальным   данным   значение   первой критической скорости. 3. Определить диаметр частиц слоя или эквивалентный диаметр и фактор формы для частиц неправильной формы. 4.   Определить   по   зависимости   Ly   =   f   (Ar)   (рис.   3)   значение   второй критической скорости. Сравнить его с расчетом по формуле Тодеса. 5. По формуле Тодеса определить значение первой и второй критической скорости. 6. Сравнить экспериментальные значения первой критической скорости с расчетом по формуле Тодеса. 7. Рассчитать вес материала в слое. Описание экспериментальной установки Установка   (рис.   4)   состоит   из   двух   смонтированных   на   щите   стеклянных цилиндрических колонок 1 и 2. В каждой колонке имеются три металлические сетки, являющиеся газораспределителями. На двух сетках – слои из твердых частиц. Ожижающий  агент (воздух) с помощью вентилятора  3  поступает  в объемный счетчик  4, а затем через вентили  5  и  6  поступает соответственно либо   в   колонку  1,   либо  2.  Расход   воздуха   регулируется   путем   изменения напряжения, подводимого к электродвигателю 7 от регулятора напряжения 8, который   через   выключатель  9  соединяется   с   сетью.   Перепад   давления, возникающий   при   движении   воздуха   через   колонки,   измеряется дифференциальными   манометрами  10  и  11,   которые   с   помощью переключателей  12  и  13  могут   быть   подключены   к   любой   из   точек. Переключате­ли каждой колонки имеют три положения – а, б, в. Методика выполнения работы Перед пуском установки следует ознакомиться с содержанием работы, установкой и получить задание у преподавателя. 1. В соответствии с заданием открыть один из вентилей 5 или 6 (второй должен быть закрыт). 2.   Ручку   регулятора   напряжения   вывести   на   нуль,   а   выключатель   9 поставить в положение "сеть". 3. Установив регулятором напряжения, расход воздуха через колонку, с помощью   соответствующего   переключателя   последовательно   замеряют   по дифманометру   перепады   давления   (формулы   для   дальнейших   расчетов приведены в табл. 1). –   перепад   давления,   возникающий   при   движении   сжижающего – соответственно перепад давления на первом и агента через сетку; втором слоях. В   каждом   опыте   необходимо   замерить   высоты   исследуемых   слоев твердых частиц. Расход   воздуха   измерить   с   помощью   объемного   счетчика.   Результаты измерений занести в отчетную табл. 2. 4. Последовательно   изменяя   расход   воздуха,   провести   измерение указанных выше величин. Измерения должны охватывать диапазон изменения скорости воздуха от нуля до наибольшей, которую обеспечивает вентилятор. Измерения следует организовать   так,   чтобы   обеспечить   определение   первой   критической скорости с максимально возможной точностью. После окончания работы выключатель 9 поставить в положе­ ние "выкл" и ручку регулятора напряжения вывести на ноль. Обработка опытных данных и составление отчета 1. Рассчитать для каждого опыта скорость воздуха  ω , м/с, по формуле 2. Рассчитать гидравлические сопротивления слоев твердых частиц  , переводя при этом показания дифференциального манометра из миллиметров водяного  столба   в Па. Если  сопротивление     то  сопротивлением сетки при расчетах можно пренебречь. 3. Построить график зависимости  , на котором нанести данные для каждого из слоев. Из графика определить значение  . 4. По формуле рассчитать порозность и построить график зависимости  на который нанести данные для каждого из слоев. 5. Расчет значений плотности и динамической вязкости возду­ ха можно проводить по следующим формулам: =   1,293   –   плотность   воздуха   при   0  ОС,   кг/м3;     =   17,3∙10­6  – где   динамический   коэффициент   вязкости   при   0  ОС,   Па∙с;   Т   =   273+t  ОС   – абсолютная температура, К; С – постоянная Сатерленда (для воздуха С = 124). 6. По значению  7.Определить  средний диаметр  частиц  в  слое dэ.  Так  как    рассчитать критерий Лященко.   и .   Затем   по   графику   (рис.   3)   найти   соответствующее принять   значение критерия Архимеда при  ε  = 0,4 и определить диаметр частиц d э. 8. Рассчитать по известному     значение   , исходя из формулы Тодеса. 9.   Рассчитать   вес   твердых   частиц,   находящихся   в   каждом   сдое,   по формуле. Отчет   о   работе   должен   содержать:   задание;   схему   установки   со спецификацией;   отчетную   таблицу;   графики     расчет среднего   диаметра   частиц;   расчет   веса   материала   в   каждом   слое; экспериментальное определение  ; расчет  по формуле Тодеса. Контрольные вопросы 1. Как рассчитываются характерные скорости ожижающего агента для псевдоожиженного слоя? 2.   Как   определяется   по   экспериментальным   данным   скорость   начала псевдоожижения? 3. Как рассчитать средний диаметр частиц, находящихся в слое? 4. Что такое порозность и какой характер имеет зависимость порозности слоя от скорости ожижающего агента? 5. От чего зависят скорость начала псевдоожижения и скорость уноса? 6. Почему   с   увеличением   скорости   ожижающего   агента   гидравлическое сопротивление   неподвижного   слоя   растет,   а   псевдоожиженного   остается постоянным? 7.   Как   рассчитать   эквивалентный   диаметр   для   частиц   непра­   вильной формы? 8. Как пользоваться графиком зависимости Ly = f (Ar)? 9.   Как   рассчитать   гидравлическое   сопротивление   псевдоожиженного слоя, зная вес неподвижного слоя? Расчетные данные Диаметр аппарата D = …м Материал … Плотность твѐрдых частиц  Номер колонны … Порозность неподвижного слоя ε0 = … Температура воздуха t = … ρ  =… кг/м 3 Лабораторная работа №3 «Исследование пластинчатого теплообменника»        Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы пластинчатых теплообменников.      Задачи работы: 1. Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному и анализ факторов, влияющих на оптимизацию этого процесса. 2.   Определение   коэффициентов   теплоотдачи   в   рекуперативных теплообменниках   при   прямоточной   и   противоточной   схемах   движения теплоносителя.      Основные сведения      Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу   действия   теплообменные   аппараты   подразделяются   на   три   вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.  В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.  Интенсивность   работы   теплообменного   аппарата   характеризуется количеством   тепла,   передаваемого   через   единицу   поверхности   нагрева   в единицу   времени.   Эта   величина   зависит   от   физических   свойств теплоносителей   (вязкость,   теплопроводность,   плотность,   теплоемкость),   о режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры, материал,   состояние   поверхности   нагрева),   от   средней   по   поверхности нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.      При   расчете   теплообменных   аппаратов   изменение   температур       теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt. Влияние   остальных   факторов   учитывают   введением   коэффициента теплопередачи   k,   который   по   физическому   смыслу   представляет   собой количество   тепла,   передаваемого   в   единицу   времени   через   единицу поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в один градус.   Формула   для   расчета   количества   тепла,   передаваемого   в теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид: Q = k∙F∙∆t      Значение среднего логарифмического напора ∆t зависит от начальных t1н, t2н и конечных t1к, t2к температур теплоносителей (t1 – горячий теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения теплообменного, т.е. от взаимных направлений движения теплоносителей.       Существует три основные схемы включения: прямоточная, противоточная и   перекрестная,   а   также   множество   смешанных   схем,   получаемых   в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1). рис. 1 – Типичные конструктивные схемы рекуперативных теплообменных аппаратов а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д – кожухотрубный многократный перекрестный ток; е­ трубчатый перекрестный ток; ж – пластинчато­ ребристый перекрестный ток; 1­ горячий поток; 2 – холодный поток          При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе в аппарат   тепло   передается   от   горячего   теплоносителя   к   холодному   при относительно   большой   разности   температур.   На   выходе   из   аппарата   тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей разности температур.           Противоточная   схема   (противоток).   При   этой   схеме   движения теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных направлениях   так,   что   входящий   в   аппарат   горячий   теплоноситель   отдает тепло уже подогретому теплоносителю.          Коэффициент  теплоотдачи k в теплообменных аппаратах  определяют обычно   по   формулам   для   плоской   стенки,   т.к.   трубки   теплообменников имеют   небольшую   толщину   по   сравнению   с   их   диаметром.   Полученные формулы  позволяют   сравнить   среднетемпературные   напоры   при   различных схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их теплообменного аппарата, в   противоточном   теплообменнике   температурный   напор   получается наибольшим.  Благодаря   большой   величине   температурного   напора   рабочая поверхность при противоточной схеме больше. Для   определения   коэффициента   теплопередачи   требуется   знать количество   тепла,   переданного   за   единицу   времени   в   теплообменном аппарате,   среднюю   разность   температур   Δt   между   горячим   и   холодным теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по расходу   теплоносителей,   их   теплоемкости   и   изменению   их   температуры   в теплообменном   аппарате.   В   идеальном   аппарате,   работающем   без теплообмена   с   окружающей   средой,   количество   тепла,   отданное   горячим теплоносителем   Q1,   должно   равняться   количеству   тепла   Q2,   полученному холодным теплоносителем. Описание лабораторной установки           Основными   элементами   лабораторной   установки   (рис.   2)   являются пластинчатый   теплообменник   с   движением   горячего   теплоносителя   по внутреннему контуру и холодного теплоносителя по внешнему.           Для   измерения   температур   теплоносителей   служат   температурные датчики,   установленные   на   входе   и   выходе   теплообменника.   Направление потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается постоянным. В рассматриваемом аппарате он направлен слева направо. Минутный расход горячего теплоносителя для аппарата определяется по изменению показаний счетчика за заданный промежуток времени. Холодный теплоноситель может менять направление поочередным изменением переключателя работы насосов прямой и обратной подачи жидкости. За счет этого легко реализуются схемы прямотока   и   противотока   для   обоих   теплообменников.   Расход   в   системе холодного контура постоянный и равен 0,7 л/мин. 1 –  сливной кран горячего теплоносителя, 2 –  циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя, 3 – водонагреватель со ступенчатым управлением нагревом, 4 – счетчик расхода горячего теплоносителя с импульсным выходом, 5 – датчик температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник Т1, 6 – пластинчатый теплообменник, 7 – датчик температуры горячего теплоносителя, 7 – датчик температуры холодного теплоносителя Т3, 8 – насос подачи холодного теплоносителя противотоком, 9 – насос подачи холодного теплоносителя   прямотоком,   10   –   резервуар   холодного   теплоносителя,   11   –   датчик температуры   горячего   теплоносителя   на   входе   теплообменника   Т2,   12   –   датчик температуры холодного теплоносителя Т4. Порядок выполнения работы 1. Изучить   методические   указания,   заготовить   форму   отчета   о проведенной   работе,   в   которую   внести   название   и   цель   работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки,   готовую   таблицу   1   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера. 3. Вызвать   программу   сбора   и   обработки   данных   лабораторной   работы Пуск  →  MeasLAB  →  «Пластинчатый теплообменник» 4. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите программу кнопкой «Пуск» (рис. 3). 5. Подготовить   установку   к   испытаниям   теплообменников. Удостовериться,   что   уровень   воды   наблюдается   в   заливочном устройстве и ниже его середины, в противном случае долить жидкость в систему. 6. Включить питание стенда кнопкой «Сеть» 7. Включить   насос   ВК2   и   водонагреватель   кнопкой   «ВК1».   Установить режим нагрева до 40­500С. рис. 3 – Лицевая панель компьютерной системы измерения 8. После   выхода   на   постоянный   режим   40­500С   включить   подачу холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на панели управления   стендом   (положение   вверх   режим   прямотока,   положение вниз ­ противотока) Обязательно! Делать перерыв насосам холодного контура после 15 мин работы на 5­7 мин. 9. При установлении стационарного теплового режима занести результаты измерений в табл. 1. 10.  Изменить   направление   подачи   холодного   теплоносителя   (положение тумблера вниз) и повторить эксперимент. 11. Вывести температуру нагревателя на новый уровень, но не более 700С. 12.  Повторить   п.п.   8­10   для   нового   уровня   температуры   горячего теплоносителя. 13.  Определить   средний   логарифмический   температурный   напор   и коэффициент   теплопередачи   для   испытанных   теплообменников   в режимах прямотока и противотока. 14. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 1. Обработка данных 1. Площадь поверхности теплообмена для пластинчатого теплообменника равна 0,12 м2 (см. руководство по теплообменнику).  2. Массовый   расход   горячей   и   холодной   воды   определяется   по следующему соотношению  MZ = GZ∙ρZ∙MZ = GX∙ρX , (кг/с)           где  GZ,  GX  ­   расходы   горячей   и   холодной   воды   (расход   горячего теплоносителя определяется по расходомеру, холодного – методом проливки ≈ ρZ, ρX ­ плотности горячей и холодной воды, вычисляются как функции средних температурных сред  0,7 л/мин);  и выбираются по таблице 3. 3. Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и полученное холодным:      где cX. cZ ­ удельные теплоемкости горячей и холодной воды, определяются по таблице 4, (Дж/(кг∙К));      t1н, t1к ­ начальная и конечная температура горячей воды, 0С      t2н, t2к ­ начальная и конечная температура холодной воды, 0С 4. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по формуле: где ∆tб, ∆tм  ­ значения большего и меньшего температурных напоров в начале   и   конце   поверхности   теплообмена   (определяются   с   учетом   схемы включения), 0С;      Для прямотока       Для противотока       Коэффициент   теплопередачи   для   каждого   режима   определяется   по   формуле:         Таблица   1.   Результаты   измерений   и   вычислений   при   испытаниях   пластинчатого теплообменника Контрольные вопросы 1. Назовите   преимущества   и   недостатки   испытанных   теплообменных аппаратов. 2. Что   называется   коэффициентом   теплопередачи?   Каков   физический смысл единицы его измерения? 3. Какие   факторы   и   параметры   теплообменных   аппаратов   влияют   на величину коэффициента теплопередачи? 4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с прямоточной? 5. Может   ли   температура   горячего   теплоносителя   на   выходе   из теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника? 6. В   каких   случаях   при   расчете   теплообменника   можно   пользоваться средним арифметическим температурным напором? 7. В   каких   технологических   процессах   используются   теплообменные аппараты? «Исследование теплообменника конструкции «труба в трубе» Лабораторная работа №4     Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы теплообменника конструкции типа «труба в трубе».      Задачи работы: 1. Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному и анализ факторов, влияющих на оптимизацию этого процесса. 2.   Определение   коэффициентов   теплоотдачи   в   рекуперативных теплообменниках   при   прямоточной   и   противоточной   схемах   движения теплоносителя.      Основные сведения      Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу   действия   теплообменные   аппараты   подразделяются   на   три   вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.  В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.  Интенсивность   работы   теплообменного   аппарата   характеризуется количеством   тепла,   передаваемого   через   единицу   поверхности   нагрева   в единицу   времени.   Эта   величина   зависит   от   физических   свойств теплоносителей   (вязкость,   теплопроводность,   плотность,   теплоемкость),   о режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры, материал,   состояние   поверхности   нагрева),   от   средней   по   поверхности нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.            При   расчете   теплообменных   аппаратов   изменение   температур теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt. Влияние   остальных   факторов   учитывают   введением   коэффициента теплопередачи   k,   который   по   физическому   смыслу   представляет   собой количество   тепла,   передаваемого   в   единицу   времени   через   единицу поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в один градус.   Формула   для   расчета   количества   тепла,   передаваемого   в теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид: Q = k∙F∙∆t      Значение среднего логарифмического напора ∆t зависит от начальных t1н, t2н и конечных t1к, t2к температур теплоносителей (t1 – горячий теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения теплообменного, т.е. от взаимных направлений движения теплоносителей.       Существует три основные схемы включения: прямоточная, противоточная и   перекрестная,   а   также   множество   смешанных   схем,   получаемых   в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1). рис. 1 – Типичные конструктивные схемы рекуперативных теплообменных аппаратов а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д – кожухотрубный  многократный перекрестный ток; е­ трубчатый перекрестный ток; ж – пластинчато­ ребристый перекрестный ток; 1­ горячий поток; 2 – холодный поток          При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе в аппарат   тепло   передается   от   горячего   теплоносителя   к   холодному   при относительно   большой   разности   температур.   На   выходе   из   аппарата   тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей разности температур.  Противоточная   схема   (противоток).   При   этой   схеме   движения теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных так,   что   входящий   в   аппарат   горячий   теплоноситель   отдает   тепло   уже подогретому теплоносителю.  Коэффициент теплоотдачи  k  в теплообменных аппаратах  определяют обычно   по   формулам   для   плоской   стенки,   т.к.   трубки   теплообменников имеют   небольшую   толщину   по   сравнению   с   их   диаметром.   Полученные формулы  позволяют   сравнить   среднетемпературные   напоры   при   различных схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их теплообменного аппарата, в   противоточном   теплообменнике   температурный   напор   получается наибольшим.  Благодаря   большой   величине   температурного   напора   рабочая поверхность при противоточной схеме больше.          Для   определения   коэффициента   теплопередачи   требуется   знать   количество   тепла,   переданного   за   единицу   времени   в   теплообменном аппарате,   среднюю   разность   температур  Δt  между   горячим   и   холодным теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по расходу   теплоносителей,   их   теплоемкости   и   изменению   их   температуры   в теплообменном   аппарате.   В   идеальном   аппарате,   работающем   без теплообмена   с   окружающей   средой,   количество   тепла,   отданное   горячим теплоносителем  Q1  ,   должно   равняться   количеству   тепла  Q2,   полученному холодным теплоносителем. Описание лабораторной установки           Основными   элементами   лабораторной   установки   (рис.   3)   являются теплообменный   аппарат   типа   «труба   в   трубе»   с   движением   горячего теплоносителя   по   внутренней   трубе   и   холодного   теплоносителя   по кольцевому   пространству   между   внутренней   и   наружной   трубами,   и пластинчатый теплообменник. 1 –  водонагреватель   со ступенчатым  управлением   нагревом,  2 –  кран подачи  горячего теплоносителя,   3   –   термопара   на   входе   в   теплообменник   Т1   горячего   контура   ,   4   – заливочное   устройство,   5   –   счетчик   расхода   горячего   теплоносителя   с   импульсным выходом, 6 – термопара холодного контура T3, 7 – теплообменник «труба в трубе», 8 – термопара на выходе из теплообменника Т2 горячего контура, 9 – термопара холодного контура Т4, 10 – циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя, 11 – сливной кран горячего теплоносителя, 12 – насос подачи холодного теплоносителя противотока, 13 – насос   подачи   холодного   теплоносителя   прямотоком,   14   –   резервуар   холодного теплоносителя      Диаметр внутренней трубы теплообменника «труба в трубе» dвн=1/2 дюйма, диаметр наружной трубы dнар=7/8 дюйма. Длина рабочего участка, на котором происходит теплообмен L=450 мм.            Для   измерения   температур   теплоносителей   служат   температурные датчики,   установленные   на   входе   и   выходе   внутренней   и   наружной   труб. Направление потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается постоянным.   В   рассматриваемом   аппарате   он   направлен   слева   направо. Минутный   расход   горячего   теплоносителя   для   аппарата   определяется   по изменению показаний счетчика за заданный промежуток времени. Холодный теплоноситель   может   менять   направление   поочередным   изменением переключателя работы насосов прямой и обратной подачи жидкости. За счет этого   легко   реализуются   схемы   прямотока   и   противотока   для   обоих теплообменников. Расход в системе холодного контура постоянный и равен 1,2 л/мин. Порядок выполнения работы 1. Изучить   методические   указания,   заготовить   форму   отчета   о проведенной   работе,   в   которую   внести   название   и   цель   работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки,   готовую   таблицу   1   для   записи   результатов   измерений   и вычислений. 2. Подготовить   установку   к   испытаниям   теплообменника. Удостовериться,   что   уровень   воды   наблюдается   в   заливочном устройстве и ниже его середины, в противном случае долить жидкость в систему. В системе не допускаются подтеки. 3. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера и  «Испытание запустить программу Пуск  → →  Программы   MeasLAB  → теплообменников». 4. Включить питание стенда кнопкой «Сеть». 5. Включить   насос   ВК2   и   водонагреватель   кнопкой   ВК1.   При   этом установить режим малого нагрева. 6. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите программу кнопкой «Пуск» (рис. 4). рис. 4 – Лицевая панель компьютерной системы измерения 7. После   выхода   на   постоянный   режим   40­500С   включить   подачу холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на панели управления   стендом   (положение   вверх   режим   прямотока,   положение вниз ­ противотока)  8. При установлении стационарного теплового режима занести результаты измерений в табл. 1.  9. Через   10­15   минут   изменить   направление   подачи   холодного теплоносителя (положение тумблера вниз) и повторить эксперимент.  10. Вывести температуру нагревателя на новый уровень, но не более 700С.  11.  Повторить   п.п.   8­10   для   нового   уровня   температуры   горячего теплоносителя.  12.  Определить   средний   логарифмический   температурный   напор   и коэффициент теплопередачи для теплообменника в режимах прямо­ и противотока.  13. Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1. Обработка данных 1. Площадь поверхности теплообменников «труба в трубе»:       где dН = 0,0222 ­ наружный диаметр внутренней трубы теплообменника, м;               l = 0.45 – длина внутренней трубы, м 2. Массовый   расход   горячей   и   холодной   воды   определяется   по следующему соотношению: MZ = GZ∙ρZ∙MZ = GX∙ρX , (кг/с)           где  GZ,  GX  ­   расходы   горячей   и   холодной   воды   (расход   горячего теплоносителя определяется по расходомеру, холодного – методом проливки ≈ ρZ, ρX ­ плотности горячей и холодной воды, вычисляются как функции средних температурных сред  1,2 л/мин);  и выбираются по таблице 4.  3. Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и полученное холодным:      где cX. cZ ­ удельные теплоемкости горячей и холодной воды, определяются по таблице 5, (Дж/(кг∙К));      t1н, t1к ­ начальная и конечная температура горячей воды, 0С      t2н, t2к ­ начальная и конечная температура холодной воды, 0С 1. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по формуле: где ∆tб, ∆tм  ­ значения большего и меньшего температурных напоров в начале   и   конце   поверхности   теплообмена   (определяются   с   учетом   схемы включения), 0С;      Для прямотока       Для противотока 2. Коэффициент   теплопередачи   для   каждого   режима   определяется   по формуле:         Таблица   1.   Результаты   измерений   и   вычислений   при   испытаниях   пластинчатого теплообменника Контрольные вопросы  1.   Назовите   преимущества   и   недостатки   испытанных   теплообменных аппаратов.  2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков физический смысл единицы его измерения?  3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов влияют на величину коэффициента теплопередачи? 4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с прямоточной? 5. Может   ли   температура   горячего   теплоносителя   на   выходе   из теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника? 6. В   каких   случаях   при   расчете   теплообменника   можно   пользоваться средним арифметическим температурным напором? 7. В   каких   технологических   процессах   используются   теплообменные аппараты?