Описание экспериментальной установки

Рабочий элемент установки — теплообменный аппарат (ТА) типа «труба в трубе» - состоит из внутренней трубы (5), по которой движется греющий теплоноситель (вода), и концентрично расположенной с ней наружной трубы (10), по которой движется обогревающий теплоноситель (воздух). Внутренняя труба имеет внутренний диаметр — 16 мм и толщину стенки 1 мм, внутренний диаметр наружной трубы — 30 мм. Длина внутренней трубы — 990 мм.

Горячая вода, подаваемая насосом термостата (1), пройдя вентиль (2), служащий для регулирования расхода, и диафрагму (3), предназначенную для измерения расхода воды, поступает к четырёхходовому крану — распределителю (4). Отсюда поток воды может быть направлен по внутренней трубе (5) по схеме прямотока и противотока.

Пройдя ТА, охладившаяся вода направляется в термостат (1), где вновь подогревается до установленной температуры, чем обеспечивается неизменность теплового режима ТА.

Воздух поступает в пространство между внутренней и наружной трубами ТА, где воспринимает от воды тепло передаваемое через стенку внутренней трубы. Расход воздуха регулируют ЛАТРом, изменяя частоту вращения вентилятора.

Для измерения расходов воды и воздуха установлены диафрагмы (3) и (9), перепад давления в которых, регистрируется для воды пьезометрическими трубками (6), а для воздуха — микроманометром (13).

Температура воды и воздуха на входе и выходе ТА измеряется хромелькопелевыми термопарами Т1, Т2, Т3, Т4. Термопары поочередно подключаются переключателем (12) к вольтметру В7-21 (11).

Расчёты:

Прямоток.

Режим 1.

∆P_ВОДА= 20 мм. в. ст.,

∆P_ВОЗДУХ= 50 мм. в. ст., k = 0.2

Прямоток	Т1 вход	Т2 выход	Т3 вход	Т4 выход
	28,666	33,741	44,471	43,166
	29,101	34,466	46,211	44,906
Тср	28,88	33,96	45,34	44,04

∆T_М = Т₄ — Т₂ = 44,04 — 33,96 = 10,08

∆T_Б = Т₃ — Т₁ = 45,34 — 28,88 = 16,46

2.Вычислим значения среднего температурного напора ∆t_ср для теплоносителей при

∆T_Б/∆T_М >1,4 – средне логарифмическое

∆t_ср = (∆T_Б - ∆T_М)/ ln(∆T_Б/∆T_М)

∆t_ср = (16,46 — 10,08) / 0,49 = 13,02

3. Рассчитаем расход воздуха

для воды: G = k(2ρ_воды∆p)^1/2 кг/с

k = 7,9 * 10^-5 – коэффициент расхода данной диафрагмы

∆p = ρ_водыg∆h = 0,993*10³ * 9,8 * 20* 10^-3 = 194,63 Па

G₁ = 7,9 * 10^-5 (2*0,993* 10³ * 194)^1/2 = 49,11 * 10^-3 кг/с

для воздуха: G = k(2ρ_вод∆p)^1/2 кг/с

k = 7,8 * 10^-4 – коэффициент расхода

∆p = ρ_возg∆h = 0,997*10³ * 9,8 * 0,2* 50 * 10^-3 = 97,8 Па

G₂ = 3*5 * 10^-4 (2*1,18*97,8)^1/2 = 0,05 кг/с

4. Вычислим количество тепла, отданное водой Q₁ = G₁ C_p1 (t₁' – t₁'')

Q₁ = 49,11*10^-3 * 4109 (45,34 – 44,04) = 262,33 Вт

и количество тепла, полученное воздухом Q₂ = G₂ C_p2 (t₂'' – t₂')

Q₂ = 0,05 *1006 * (33,96 – 28,88) = 255,52 Вт

Подсчитаем потери тепла в окружающую среду:

∆Q = Q₁ – Q₂ = 262,33 — 255,52 = 6,81 Вт

5. Вычислим значение коэффициента теплопередачи

K = Q₂ / F ∆t_ср

F = πL (d_в + d_н)/2, м²

F = 3,14*990*10^-3*(16 + 30)*10^-3 / 2 = 71,6*10^-3 м²

K = 255,52/ 71,6*10^-3*13,02 = 274,1 Вт/м²К

6. Подсчитаем значение величин w₁ и w₂

w₁ = G₁ C_p1 = 49,11*10^-3*4109 = 201,79 Вт/К

w₂ = G₂ C_p2 = 0,05*1006 = 50,3 Вт/К

7. Подсчитаем коэффициент тепловой эффективности ТА, как отношение действительно потерянной энергии к предельному её количеству:

E = ∆Q/ w_min(t₁' – t₂')

E = 6,82/ 201,79(45,34 – 28,88) = 2,05*10³

8. Подсчитаем число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи)

N = kE/w_min

N = 274,1 * 2,05*10^-3/ 201,79 = 2,78*10^-3

Прямоток.

Режим 2.

∆P_ВОДА= 20 мм. в. ст.,

∆P_ВОЗДУХ= 100 мм. в. ст., k = 0.2

Прямоток	Т1 вход	Т2 выход	Т3 вход	Т4 выход
	29,246	34,611	46,936	45,341
	29,246	34,466	47,226	45,631
Тср	29,246	34,538	47,081	45,486

∆T_М = Т₄ — Т₂ = 45,486 — 34,948 = 10,948

∆T_Б = Т₃ — Т₁ = 47,081 — 29,246 = 17,835

2.Вычислим значения среднего температурного напора ∆t_ср для теплоносителей при

∆T_Б/∆T_М >1,4 – средне логарифмическое

∆t_ср = (∆T_Б - ∆T_М)/ ln(∆T_Б/∆T_М)

∆t_ср = (17,835 — 10,948) / 0,48 = 14,11

3. Рассчитаем расход воздуха

для воды: G = k(2ρ_воды∆p)^1/2 кг/с

k = 7,9 * 10^-5 – коэффициент расхода данной диафрагмы

∆p = ρ_водыg∆h = 0,993*10³ * 9,8 * 20* 10^-3 =194,63 Па

G₁ = 7,9 * 10^-5 (2*0,993* 10³ *194,63)^1/2 = 49,11 * 10^-3 кг/с

для воздуха: G = k(2ρ_вод∆p)^1/2 кг/с

k = 7,8 * 10^-4 – коэффициент расхода

∆p = ρ_возg∆h = 0,997*10³ * 9,8 * 0,2* 100 * 10^-3 = 195,6 Па

G₂ = 35 * 10^-4 (2*1,18*195,6)^1/2 = 75*10^-3 кг/с

4. Вычислим количество тепла, отданное водой Q₁ = G₁ C_p1 (t₁' – t₁'')

Q₁ = 49,11*10^-3 * 4109 (47,081 – 45,486) = 321,86 Вт

и количество тепла, полученное воздухом Q₂ = G₂ C_p2 (t₂'' – t₂')

Q₂ = 0,075 *1006 * (34,538 – 29,246) = 309,28 Вт

Подсчитаем потери тепла в окружающую среду:

∆Q = Q₁ – Q₂ = 321,86 — 309,28 = 12,58 Вт

5. Вычислим значение коэффициента теплопередачи

K = Q₂ / F ∆t_ср

F = πL (d_в + d_н)/2, м²

F = 3,14*990*10^-3*(16 + 30)*10^-3 / 2 = 71,5*10^-3 м²

K = 12,58/ 71,5*10^-3*14,11 = 12,45 Вт/м²К

6. Подсчитаем значение величин w₁ и w₂

w₁ = G₁ C_p1 = 49,11*10^-3*4109 = 201,79 Вт/К

w₂ = G₂ C_p2 = 0,075*1006 = 75,45 Вт/К

7. Подсчитаем коэффициент тепловой эффективности ТА, как отношение действительно потерянной энергии к предельному её количеству:

E = ∆Q/ w_min(t₁' – t₂')

E = 12,58/ 201,79(47,081 — 29,246) = 3,49*10^-3

8. Подсчитаем число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи)

N = kE/w_min

N = 12,45*10³ * 3,49/ 201,79 = 2,15*10^-4

Противоток.

Режим 1.

∆P_ВОДА= 20 мм. в. ст.,

∆P_ВОЗДУХ= 50 мм. в. ст., k = 0.2

Противоток	Т1 вход	Т2 выход	Т3 вход	Т4 выход
	27,796	32,581	41,716	43,456
	28,231	33,451	42,586	44,471
Тср	28,01	33,01	42,15	43,96

∆T_М = Т₄ — Т₂ = 43,96 — 33,02 = 10,94

∆T_Б = Т₃ — Т₁ = 42,15 — 28,01 = 14,14

2.Вычислим значения среднего температурного напора ∆t_ср для теплоносителей при

∆T_Б/∆T_М >1,4 – средне логарифмическое

∆t_ср = (∆T_Б - ∆T_М)/ ln(∆T_Б/∆T_М)

∆t_ср = (14,14 — 10,94) / 0,256 = 12,5

3. Рассчитаем расход воздуха

для воды: G = k(2ρ_воды∆p)^1/2 кг/с

k = 7,9 * 10^-5 – коэффициент расхода данной диафрагмы

∆p = ρ_водыg∆h = 0,993*10³ * 9,8 * 20* 10^-3 = 194,63 Па

G₁ = 7,9 * 10^-5 (2*0,993* 10³ * 194,63)^1/2 = 49,11 * 10^-3 кг/с

для воздуха: G = k(2ρ_вод∆p)^1/2 кг/с

k = 7,8 * 10^-4 – коэффициент расхода

∆p = ρ_возg∆h = 0,997*10³ * 9,8 * 0,2* 50 * 10^-3 = 97,8 Па

G₂ = 35 * 10^-4 (2*1,18*97,8)^1/2 = 0,05 кг/с

4. Вычислим количество тепла, отданное водой Q₁ = G₁ C_p1 (t₁' – t₁'')

Q₁ = 49,11*10^-3 * 4109 (43,96 – 42,15) = 366,2 Вт

и количество тепла, полученное воздухом Q₂ = G₂ C_p2 (t₂'' – t₂')

Q₂ = 0,05 *1006 * (33,02 – 28,01) = 252,01 Вт

Подсчитаем потери тепла в окружающую среду:

∆Q = Q₁ – Q₂ = 366,24 — 252,01 = 114,23 Вт

5. Вычислим значение коэффициента теплопередачи

K = Q₂ / F ∆t_ср

F = πL (d_в + d_н)/2, м²

F = 3,14*990*10^-3*(16 + 30)*10^-3 / 2 = 71,5*10^-3 м²

K = 252,01/ 71,5*10^-3*12,5 =282,57 Вт/м²К

6. Подсчитаем значение величин w₁ и w₂

w₁ = G₁ C_p1 = 49,11*10^-3*4109 = 201,79 Вт/К

w₂ = G₂ C_p2 = 0,05*1006 = 50,3 Вт/К

7. Подсчитаем коэффициент тепловой эффективности ТА, как отношение действительно потерянной энергии к предельному её количеству:

E = ∆Q/ w_min(t₁' – t₂')

E = 114,23/ 201,79(42,150 — 28,01) = 0,04

8. Подсчитаем число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи)

N = kE/w_min

N = 281,57 * 0,04/ 201,79 = 0,055

Прямоток.

Режим 2.

∆P_ВОДА= 20 мм. в. ст.,

∆P_ВОЗДУХ= 100 мм. в. ст., k = 0.2

Противоток	Т1 вход	Т2 выход	Т3 вход	Т4 выход
	28,086	33,306	42,876	44,906
	28,376	33,451	43,311	45,341
Тср	28,231	33,378	43,094	45,123

∆T_М = Т₄ — Т₂ = 45,123 — 33,378 = 11,75

∆T_Б = Т₃ — Т₁ = 43,094 — 28,231 = 14,86

2.Вычислим значения среднего температурного напора ∆t_ср для теплоносителей при

∆T_Б/∆T_М >1,4 – средне логарифмическое

∆t_ср = (∆T_Б - ∆T_М)/ ln(∆T_Б/∆T_М)

∆t_ср = (14,86 — 11,75) / 0,234 = 13,29

3. Рассчитаем расход воздуха

для воды: G = k(2ρ_воды∆p)^1/2 кг/с

k = 7,9 * 10^-5 – коэффициент расхода данной диафрагмы

∆p = ρ_водыg∆h = 0,993*10³ * 9,8 * 20* 10^-3 = 134,63 Па

G₁ = 7,9 * 10^-5 (2*0,993* 10³ * 194,63)^1/2 = 49,11 * 10^-3 кг/с

для воздуха: G = k(2ρ_вод∆p)^1/2 кг/с

k = 7,8 * 10^-4 – коэффициент расхода

∆p = ρ_возg∆h = 0,997*10³ * 9,8 * 0,2* 100 * 10^-3 = 195,6 Па

G₂ = 35 * 10^-4 (2*1,18*195,6)^1/2 = 0,075 кг/с

4. Вычислим количество тепла, отданное водой Q₁ = G₁ C_p1 (t₁' – t₁'')

Q₁ = 49,11*10^-3 * 4109 (45,123 – 43,094) = 409,44 Вт

и количество тепла, полученное воздухом Q₂ = G₂ C_p2 (t₂'' – t₂')

Q₂ = 0,075 *1006 * (33,378 – 28,231) = 388,34Вт

Подсчитаем потери тепла в окружающую среду:

∆Q = Q₁ – Q₂ = 409,44 — 388,34 = 21,1 Вт

5. Вычислим значение коэффициента теплопередачи

K = Q₂ / F ∆t_ср

F = πL (d_в + d_н)/2, м²

F = 3,14*990*10^-3*(16 + 30)*10^-3 / 2 = 71,5*10^-3 м²

K = 21,1/ 71,5*10^-3*13,29 = 22,17 Вт/м²К

6. Подсчитаем значение величин w₁ и w₂

w₁ = G₁ C_p1 = 49,11*10^-3*4109 = 201,79 Вт/К

w₂ = G₂ C_p2 = 0,075*1006 = 75,45 Вт/К

7. Подсчитаем коэффициент тепловой эффективности ТА, как отношение действительно потерянной энергии к предельному её количеству:

E = ∆Q/ w_min(t₁' – t₂')

E = 21,1/ 201,79(43,094 — 28,231) = 7,03*10^-3

8. Подсчитаем число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи)

N = kE/w_min

N = 22,17*10³ * 7,03/ 201,79 = 7,72

ИАТЭ НИЯУ МИФИ

Кафедра теплофизики

Лабораторная работа № 6

Исследование работы теплообменного аппарата

Выполнила: Бурдукова И.

Группа: ЭиА-С11

Проверил: Авдеев Е.Ф.

г. Обнинск, 2014 г.

Дата добавления: 2015-10-24