МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

Кафедра химической технологии и промышленной экологии

Изучение процесса теплообмена в

теплообменнике

«труба в трубе»

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Самара 2013 Составитель: В.В. ФИЛИППОВ УДК 66.02 Изучение процесса теплообмена в теплообменнике «труба в трубе». Метод. указ. к лабораторной работе по курсу «Процессы и аппараты химических производств». / Самар. гос. тех. ун-т;

Сост. В.В. Филиппов. Самара, 2013. 23 с.

Методические указания предназначены для студентов химикотехнологического, нефтетехнологического, инженернотехнологического факультетов, факультета пищевых производств и заочного факультета.

Печатается по решению методического совета нефтетехнологического факультета Введение Теплообменный аппарат или попросту теплообменник – одно из немногих технических устройств, хорошо известных даже весьма далким от техники людям. В самом деле, в каждой квартире под подоконником установлены радиаторы отопления – массивные, ощетинившиеся рбрами чугунные трубы, или более современные, более изящные их аналоги. Это теплообменные аппараты, в которых теплоноситель – горячая вода – отдат через металлическую стенку теплоту воздуху наших квартир.

Радиаторы отопления – самые распространнные и самые известные, но, пожалуй, не самые ответственные теплообменники. В конце концов, если они по какой-то причине и откажут, день-другой вполне можно перебиться: включить электрические обогреватели или, в крайнем случае, потеплее одеться. А в промышленности редкое производство может обойтись без наджно работающих теплообменников.

Только в химической индустрии теплообменные устройства составляют свыше трети массы и стоимости всего оборудования. Химические реакции идут при определнной температуре; от температуры зависит скорость процессов, активность катализаторов, полнота превращений, чистота продуктов. В одном случае потоки необходимо нагревать, в другом – охлаждать, в третьем – утилизировать неиспользованное тепло. И везде требуются теплообменники – разных размеров, разных конструкций. Они требуются не только в нефтехимии и нефтепереработке, но и в тепловой и атомной энергетике, в металлургии, пищевой промышленности. И хотя в теплообменниках не происходят превращения веществ, эти аппараты относят к основным – к тем, что составляют фундамент аппаратурного оформления технологии.

Есть ещ одна область техники, где теплообмен имеет решающее значение. Это транспорт. Любое транспортное средство – автомобиль, трактор, морское судно, самолт, космический корабль – немыслимо без теплообменной аппаратуры (радиаторов). Громоздкий теплообменный аппарат – это лишний вес и объем, перерасход дефицитных материалов.

Плохо организованный теплообмен приводит к перегреву двигателей, а порою и к серьзным авариям. Если в химии от теплообменников зависят скорость и полнота протекания процессов, то на транспорте – наджность, долговечность, экономичность двигателей.

Великое множество придуманных за сто лет теплообменных аппаратов можно свести к двум основным конструкциям:

теплообменники, в которых теплопередающая поверхность образована трубами (трубчатые);

теплообменники, в которых теплопередающая поверхность образована листовой поверхностью (пластинчатые, спиральные и др.).

Среди теплообменников с трубчатой поверхностью очень часто, особенно в нефтепереработке, применяются двухтрубчатые теплообменники или, как их называют более часто, теплообменники «труба в трубе». Упрощнная схема такого аппарата показана на рис. 1.

Есть поток горячего вещества (горячий теплоноситель), от которого требуется отвести теплоту, и есть поток холодного вещества (холодный теплоноситель), к которому необходимо теплоту подвести. Между ними организуется процесс теплообмена (теплопередачи).

Количество теплоты, переходящее в единицу времени от одного теплоносителя к другому называют тепловым потоком Q, Дж/с или Вт.

Величиной теплового потока Q мы управлять практически не можем, е значение определяется требованиями технологии.

Рис. 1. Теплообменник типа «труба в трубе»

1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3 соединительные колена («калачи»); 4 – соединительные патрубки с фланцами.

Переход теплоты от одного теплоносителя к другому возможен только при наличии разности температур tср между ними. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи. На е значение мы можем влиять, если есть выбор температуры второго потока, который или забирает теплоту от горячего потока, или подводит е к холодному.

Однако в большинстве случаев все четыре температуры (по две на каждый поток) заданы технологией. Поэтому на величину движущей силы проектировщик может влиять мало.

Основным параметром теплообменного аппарата, в котором будет протекать процесс, является площадь поверхности теплопередачи F, м2. Е значение определяет массу аппарата, а значит – его стоимость.

Связь между названными величинами устанавливает основное уравнение теплопередачи В этом уравнении появилась новая величина K. Это коэффициент теплопередачи. Его размерность 2.

Коэффициент теплопередачи К является кинетической характеристикой процесса. Он показывает, насколько эффективно или, наоборот, неэффективно, организован процесс теплообмена. Можно сказать, что коэффициент теплопередачи является важнейшей характеристикой процесса организации передачи теплоты. И усилия учных, конструкторов и инженеров направлены на то, чтобы сделать величину коэффициента теплопередачи как можно бльше. В отличие от значений Q и tср, на коэффициент теплопередачи К мы можем влиять в довольно широких пределах. Давно известно, что турбулизация потока повышает интенсивность теплообмена.

Поэтому конструкторы поток стараются закрутить, создать внутри него турбулентные вихри. Тут полет конструкторской фантазии не знает предела. Трубы заворачивают змейкой, встраивают в них шнеки или спирали, выдавливают снаружи и внутри ребра, покрывают трубы резьбой, делают их поверхности шероховатыми. Все перечисленные (и не перечисленные) ухищрения преследуют цель завихрить поток текущего по трубам или снаружи труб теплоносителя, турбулизировать его и тем самым интенсифицировать теплообмен1. Иногда это получается лучше, иногда хуже, но всегда — ценой значительного роста гидравлического сопротивления: в 10 – Смело можно утверждать, что в процессах теплопередачи турбулентное движение – наш «друг», а ламинарное – «враг». В других же процессах, например, искусственного кровообращения, ситуация меняется на противоположную – турбулентное движение становится «врагом».

раз – всего при двух- трх-, редко пятикратном увеличении теплоотдачи. Поэтому перед проектировщиком встат довольно сложная задача: не просто выбрать типовой теплообменник, но найти такое решение, при котором будут минимизированы капитальные и эксплуатационные затраты.

Приведнное выше основное уравнение теплопередачи позволяет определить основной параметр теплообменного аппарата – величину площади поверхности теплопередачи F Тепловую нагрузку на теплообменник Q можно найти по разности энтальпий теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Без учта потерь теплоты в окружающую среду можно утверждать, что тепловой поток, отданный горячим теплоносителем Q1, равен тепловому потоку, полученному холодным теплоносителем Q2. Для случая, когда оба теплоносителя не меняют агрегатного состояния, значения Q1 и Q2 легко определить по классическим уравнениям, известным из курса физики где G1 и G2 – массовые расходы горячего (1) и холодного (2) потоков, ; с1 и с2 – удельные тепломкости горячего конечная температуры горячего потока; t2н и t2к – начальная и конечная температуры холодного потока.

Следующей величиной, необходимой для определения поверхности теплопередачи F, является средняя разность температур между потоками tср. Нахождение этой величины зависит от способа организации теплообмена: потоки можно направить или в одном направлении (прямоток), или навстречу друг другу (противоток)2.

Рис. 2. Нахождение разностей температур при Для расчта tср необходимо знать разности на концах аппарата. Нахождение этих разностей показано на рис. 2. Одна из найденных разностей будет больше другой. Поэтому одну называют большей, а другую – меньшей. Для прямотока большей будет разность на входе в аппарат, для противотока это заранее неизвестно. Но и для прямотока, и для противотока расчт средней разности температур находится по формуле где tб – бльшая разность температур, tм – мньшая разность температур.

Кроме прямотока и противотока существуют другие способы организации теплообмена, которые здесь не рассматриваются.

Третья величина, необходимая для определения поверхности теплообмен F – коэффициент теплопередачи К.

Теплопередача – это переход теплоты от одного потока к другому через разделяющую их стенку. Этот процесс складывается из трх стадий.

Первая стадия – это переход теплоты от горячего потока к стенке теплообменника. Эту стадию называют теплоотдачей.

Его интенсивность характеризует коэффициент теплоотдачи 1.

Коэффициент теплоотдачи измеряется в тех же единицах, что и коэффициент теплопередачи – 2.

Вторая стадия – это переход теплоты через стенку, разделяющую потоки. Интенсивность этой стадии зависит от толщины этой стенки ст, коэффициента теплопроводности материала, из которого эта стенка изготовлена ст,,и– самое главное – от загрязнений, которые рано или поздно появляются на стенке.

Третья стадия аналогична первой – это переход теплоты от стенки в ядро второго потока. Это тоже теплоотдача, е интенсивность определяется коэффициентом теплоотдачи 2.

Между коэффициентами теплопередачи и теплоотдачи существует связь, которая описывается соотношением В процессе эксплуатации на теплопередающей поверхности возможно отложение различного рода загрязнений (ржавчина, парафиновые соединения и т.д.), которые ухудшат работу теплообменника. Поэтому в практике проектирования принято в формулу (6) вводить соответствующие слагаемые, учитывающие уменьшение со временем интенсивности передачи теплоты где rзагр1 и rзагр2 – термические сопротивления со стороны первого (горячего) и второго (холодного) потоков, их значения берутся из справочной литературы, например, [1, с.531; 2, с.21; 3, с.19].

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа переменных – плотности, вязкости, тепломкости, теплопроводности, скорости, геометрии потока, режима его движения. Это плохо, так как затрудняет определение численного значения. Однако, в инженерных расчтах довольно часто приходиться находить величину, зависящую от большого числа переменных. В таких случаях применяется теория подобия, с помощью которой множество влияющих на процесс параметров можно заменить некими безразмерными комплексами (критериями), составленными из этих параметров. В результате число переменных резко сокращается.

В нашем случае множество названных переменных заменяется всего тремя критериями.

Первый из них - знакомым нам по гидродинамике критерий Рейнольдса Re, численное значение которого определяет гидродинамическую обстановку в потоке теплоносителя Второй критерий учитывает теплофизические свойства вещества, получающего или отдающего теплоту. Его называют критерием Прандтля Pr коэффициент теплоотдачи. Это критерий Нуссельта Nu В названных критериях w – линейная средняя скорость потока, м/с; – плотность; - динамический коэффициент вязкости, Пас; – коэффициент теплопроводности жидкости, с – удельная тепломкость жидкости, dэ – эквивалентный диаметр потока, определяющий его геометрию.

В результате обобщения результатов опытов на моделях между названными критериями устанавливается связь конкретный вид которой (т.е. в пригодный для инженерных расчтов) приводится в литературе по теплопередаче, например, [1, с. 152-168; 2, с. 18-20].

В нашей лабораторной работе один поток движется по трубе, а второй – по кольцевому каналу. При движении жидкости внутри труб хорошие результаты дают формулы:

для турбулентного движения, когда Re>