Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгодонский инженерно-технический институт-филиал НИЯУ МИФИ

Техникум

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению лабораторных работ “Изучение процессов теплообмена между системами пар-жидкость, жидкость-газ в трубчатых рекуперативных теплообменниках”, по дисциплине «Теплотехника»

2012 г.

Содержание

№/№	Наименование	стр.
	Основные теоретические положения
	Описание экспериментальной установки
	Пуск установки
	Лабораторная работа № 1
4.1	Цель работы
4.2	Порядок проведения работы
4.3	Обработка результатов измерений
4.4	Содержание отчета
4.6	Вопросы для самоконтроля
	Лабораторная работа № 2
5.1	Цель работы
5.2	Порядок проведения работы
5.3	Обработка результатов измерений
5.4	Содержание отчета
5.5	Вопросы для самоконтроля
	Лабораторная работа № 3
6.1	Цель работы
6.2	Порядок проведения работы
6.3	Обработка результатов измерений
6.4	Содержание отчета
6.5	Вопросы для самоконтроля
6.6	Список литературы
	Приложение

1 Основные теоретические положения

Теплообмен - необратимый самопроизвольный перенос тепла от более нагретых тел к менее нагретым. Движущей силой этого процесса является разность температур тел. Перенос теплоты осуществляется тремя различными по физике способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность - представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный неоднородностью температурного поля.

Под конвекцией понимают процессы переноса теплоты при перемещении макроскопических объемов газа или жидкости в пространстве между областями с различной температурой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, и этот совместный процесс называют конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей.

Процессы теплопроводности и конвективного теплообмена могут сопровождаться излучением. Тепловое излучение - процесс переноса теплоты с помощью электромагнитных волн различной длины.

На практике процессы переноса тепла от одной среды к другой осуществляются в теплообменных аппаратах. По принципу действия они могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В смесительных теплообменниках тепло передается при непосредственном смешивании теплоносителей.

В регенеративных теплообменниках тепло передается посредством объёмной массы аккумулирующего твердого тела, поверхность которого через определённые промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителями. Они редко применяются в промышленности.

В наиболее распространенных рекуперативных теплообменниках перенос тепла осуществляется через поверхность теплообмена - глухую стенку, исключающую смешение теплоносителей. Процесс передачи тепла между различными средами через разделительную твердую стенку называют теплопередачей.

Общий поток тепла Q, передаваемого в теплообменном аппарате (теплообменнике), для конкретного технологического процесса определяется с помощью теплового баланса, составляемого при расчете этого процесса по заданной производительности:

,

(1)

где - тепло, отдаваемое горячим теплоносителем;

- тепло, воспринимаемое холодным теплоносителем;

- потери тепла в окружающую среду.

Тепло, отдаваемое горячим теплоносителем равно:

,

(2)

если теплоноситель при теплообмене не изменяет агрегатного состояния, или:

,

(3)

если изменяет (например, при использовании в качестве теплоносителя насыщенного водяного пара).

Тепло, воспринимаемое холодным теплоносителем равно:

,

(4)

В этих зависимостях:

- массовый расход горячего и холодного теплоносителей, соответственно, кг/с;

с_т, с_x - теплоемкость горячего и холодного теплоносителя, соответственно, Дж/(кг×К);

t , t , t , t , - температура горячего и холодного теплоносителей, соответственно до и после теплообмена;

Н_Т, Н_К - энтальпия (теплосодержание), соответственно парового теплоносителя и его конденсата, Дж/кг;

r = Н_Т - Н_к - удельная теплота парообразования (конденсации) теплоносителя, Дж/кг.

Н_Т, Н_К, r определяются по таблице свойств насыщенных паров теплоносителя в зависимости от температуры и давления. Определенный по тепловому балансу (1) общий тепловой поток Q передается через поверхность теплообмена теплообменника технологической схемы процесса.

Необходимая поверхность теплообмена теплообменника определяется из уравнения теплопередачи для установившегося состояния процесса:

,

(5)

выражающего зависимость между потоком тепла Q [Вт] горячего теплоносителя к холодному в единицу времени, коэффициентом теплопередачи К [Вт/(м²×К], поверхностью теплообмена F [м²] и средней разностью температур горячего и холодного теплоносителя Δt_ср [К].

Коэффициент скорости теплового процесса - коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от горячего к холодному теплоносителю через поверхность теплообмена F=1м² при средней разности температур Δt_ср = 1 градус.

Средняя движущая сила Δt_ср определяется с учетом принятой схемы организации движения потоков теплоносителей в теплообменнике как среднелогарифмическая величина

,

(6)

где Δt_б и Δt_м - соответственно большая и меньшая разность температур между горячим и холодным теплоносителями в процессе теплообмена, а если отношение £ 2, то с достаточной для практики точностью, Δt_ср можно определить как среднеарифметическую величину, т.е. принять

,

(7)

Величины Δt_б и Δt_м зависят от принятой схемы организации движения потоков теплоносителей в конструкции теплообменника.

Зависимостями (6) и (7) пользуются при простых вариантах направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки - параллельном токе (прямотоке) и противотоке (см. рис. 1). При более сложных схемах организации движения потоков теплоносителей (перекрестный, однократный или многократный смешанный токи) Δt_ср наиболее часто находят исходя из среднелогарифмической разности температур при противотоке (Δt_ср)_прот., используя соотношение , где - поправочный множитель меньше единицы.

а) б)

Рисунок 1 - Изменение температуры теплоносителей при:

а) прямотоке; б) противотоке, и определение большей и меньшей

разности температур - Dt_б, Dt_м

Если теплоноситель при теплообмене изменяет агрегатное состояние (например, конденсация насыщенного пара) его температура остается постоянной вдоль поверхности теплообмена, то направление движения теплоносителей не оказывает влияния на расчет средней разности температур Dt_ср (см. рис. 2).

Рисунок 2 - Изменение температуры теплоносителей в случае конденсации горячего теплоносителя

Использование основного уравнения теплопередачи (5) при определении площади теплообмена для заданной тепловой производительности возможно при наличии данных о термических сопротивлениях со стороны горячего и холодного теплоносителей, разделяющей их твердой стенки, из которых и складывается общее термическое сопротивление теплообмена, определяющее величину коэффициента скорости - коэффициента теплопередачи К:

,

(8)

где и - термическое сопротивление горячего и холодного теплоносителей соответственно;

- термическое сопротивление разделяющей стенки, с учетом возможных загрязнений её поверхности (накипь, твердые солевые отложения и т.д.);

и - коэффициенты теплоотдачи, характеризующие интенсивность теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно.

Для расчета потока тепла передаваемого теплоотдачей между теплоносителем и стенкой обычно используют закон теплоотдачи Ньютона:

,

(9)

где t_T, t_X - температуры горячего и холодного теплоносителей в ядрах потока соответственно;

t , t - температура стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей соответственно.

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией, зависящей от большого числа факторов (теплофизических свойств теплоносителя, его агрегатного состояния, геометрии стенки, её температуры, а также от гидродинамических условий движения теплоносителя - режима и скорости).

Для инженерной практики важно иметь представление о порядке величин в некоторых распространенных процессах теплоотдачи. Ниже приводятся ориентировочные пределы значений коэффициентов теплоотдачи в промышленных теплообменных устройствах, Вт/м²·К:

свободная конвекция в газах………………………………5 ¸ 30

свободная конвекция воды……………………………..100 ¸ 10³

вынужденная конвекция газов………………………….10 ¸ 500

вынужденная конвекция воды………………………..500 ¸ 2·10⁴

кипение воды…………………………………………2·10³ ¸ 4·10⁴

пленочная конденсация водяных паров……… …4·10³ ¸ 1,5·10⁴

Следует отметить, что сравнительно высокие значения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции, достигаются большими энергетическими затратами, и их целесообразность следует подтверждать экономическими расчетами.

Определение численных значений коэффициентов теплоотдачи при расчете конкретного процесса является наиболее сложной инженерной задачей. Наиболее желательным для инженерной практики является аналитическое решение математической модели процесса для получения этого результата. Однако во многих случаях математическое описание процессов теплообмена оказывается столь сложным, что решить задачу аналитически не представляется возможным. В таком случае задача может быть решена либо численным методом, либо экспериментально. При большом числе аргументов в этом случае оказывается чрезвычайно большим объем вычислений или экспериментов, возникают трудности и при обобщении численных решений и экспериментов. Поэтому в инженерной практике для упрощения процедуры расчета коэффициентов теплоотдачи пользуются так называемыми обобщенными переменными - критериями подобия, представляющие собой безразмерные комплексы физических величин, которые отражают совместное влияние их совокупности на явление.

Степень этого влияния определяется функциональной связью между критериями подобия системы - критериальным уравнением.

В общем виде при установившемся процессе конвективного теплообмена критериальное уравнение имеет вид:

Nu = f(Re, Pr, Gr, Г1, Г2,…., Гn),

(10)

где Nu = - критерий Нуссельта характеризует отношение между потоком теплоты от жидкости к поверхности тела (теплоотдачей) и потоком теплоты теплопроводностью в жидкости у стенки;

Re = - критерий Рейнольдса, характеризует гидродинамический режим потока, являясь мерой отношения сил инерции и молекулярного трения;

Gr = - критерий Грасгофа, характеризует отношение сил молекулярного трения к подъемной силе, обусловленной разностью плотностей в различных точках неизотермического потока при свободной конвекции;

Pr = - критерий Прандтля, характеризует подобие физических свойств теплоносителей и является мерой подобия полей температур и скоростей в потоке;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

- скорость среды, м/с;

- коэффициент динамической вязкости, Н·с/м²;

- плотность среды, кг/м³;

с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

l - характерный линейный размер, м; (если движение теплоносителя происходит в трубе круглого сечения, то в качестве характерного линейного размера принимают внутренний диаметр трубы; если теплоноситель движется в канале сложной формы, то за характерный линейный размер принимают эквивалентный диаметр d_экв= , причем S - площадь поперечного сечения потока, м²; П - смоченный периметр, м);

g - ускорение свободного падения, м/с²;

- коэффициент объёмного расширения, 1/К;

Г_1, Г_2, …, Г_n - параметрические критерии, составленные из одноименных величин (так например, при движении теплоносителя в трубе диаметром d и длиной l - Г = .

Критерии Re, Pr, Gr являются определяющими критериями, критерий Nu - определяемый, зависящий от определяющих критериев. Конкретный вид расчетных критериальных уравнений типа (10) для некоторых распространенных на практике случаев получен обобщением экспериментальных данных.

Так для теплоотдачи без изменения агрегатного состояния для установившегося турбулентного течения внутри прямой трубы предложена зависимость;

Nu = ,

(11)

Зависимость (11) справедлива при Re ³ 10⁴, Pr > 0,5, ³ 50.

В переходном режиме (2300 < Re < 10⁴) теплоотдача может быть рассчитана по зависимости:

Nu = f (Re)Pr^0,43,

(12)

где f (Re) - функция зависящая от Re:

Re											>10^4
f(Re)	3,6	4,9	7,5		12,2	16,5					0,021Re^0,8

Для ламинарного течения (Re<2300) при горизонтальном расположении труб можно воспользоваться уравнением:

Nu = ,

(13)

где Pe = = - критерий Пекле, является мерой соотношения тепла переносимого путем конвекции и теплопроводностью при конвективном теплообмене;

_ст - вязкость среды при температуре стенки, Па·с;

L - длина тубы, м.

Зависимость (13) справедлива при значениях

20 £ () £ 120; 10⁶ £ (Gr, Pr) £ 1.3·10⁷; 2 £ Pr £ 10

При () £ 10 значение Nu определяют по уравнению:

Nu =0,5(),

(13а)

физические параметры в критериях Nu, Re, Pr, Gr, Pe определяются при средней температуре среды.

Теплоотдача при продольном обтекании пучка труб - распространенный случай переноса тепла в межтрубном пространстве трубчатых теплообменников. В этом случае коэффициенты теплоотдачи рассчитываются по уравнению:

Nu = ,

(14)

где с = 1,16 или 1,72 соответственно при отсутствии или наличии поперечных перегородок в межтрубном пространстве.

Определяющим геометрическим параметром в уравнении (14) является эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

dэкв = ,

(15)

где n – число труб в пучке;

D_В – внутренний диаметр наружной трубы (кожуха), м;

d_н – наружный диаметр внутренних труб, м.

Определяющей температурой является температура теплоносителя.

Для частого на практике случая теплоотдачи при изменении агрегатного состояния, например, при конденсации пара на наружной поверхности горизонтальной трубы, коэффициент можно найти по уравнению:

,

(16)

где - коэффициент теплоотдачи при конденсации пара, Вт/(м²·К);

- коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м·К);

- плотность конденсата, кг/м³;

- вязкость конденсата, Н·с/м²;

d_тр - наружный диаметр трубы, м;

r - удельная теплота парообразования при температуре насыщения, Дж/кг;

q - удельная тепловая нагрузка, Дж/(с·м²).

В уравнении (16) физические параметры , , определяются при средней температуре пленки конденсата, однако для инженерной практики допустимо их определение при температуре насыщения t_нас.

Следует иметь в виду, что при наличие в паре даже небольших примесей воздуха или других неконденсирующихся газов, величина для конденсирующегося пара резко снижается. На практике, это требует обязательной установки на теплообменной аппаратуре, в которой используется в качестве теплоносителя насыщенный водяной пар, продувочных клапанов для удаления воздуха при пуске.

Для инженерной практики важным является также и то обстоятельство, что насыщенный водяной пар имеет очень высокие удельную теплоту парообразования (конденсации) r» 2200 кДж/кг и коэффициент теплоотдачи при конденсации (на один два порядка больше коэффициентов теплоотдачи при вынужденной конвекции, см. стр.6), а это значит, что в теплообменниках газ (жидкость) - конденсирующийся пар, основное термическое сопротивление будет сосредоточено со стороны газа (жидкости) и обеспечение его уменьшения будет являться основной задачей при проектировании.

При расчете теплообменника, определив значение критерия Нуссельта по соответствующему критериальному уравнению, вычисляют для каждого теплоносителя

,

(17)

а по уравнению (8) величину коэффициента теплопередачи К. Величина К всегда меньше наименьшего из коэффициентов теплоотдачи, если частные термические сопротивления различны по величине, то для интенсификации теплопередачи следует уменьшить наибольшее из них. Как видно, из параметров входящих в критерии подобия теплообменных процессов, практической возможностью для этого является только увеличение скорости движения теплоносителя, что сопряжено с усложнением конструкции (увеличение затрат на изготовление) и увеличением энергозатрат при эксплуатации (из-за увеличения гидравлического сопротивления аппарата), и только экономический расчет обозначит их предельную целесообразность. Важным обстоятельством является и поддержание чистоты поверхности теплообмена в процессе реальной эксплуатации теплообменника, конструктивной доступности для ее периодической очистки.

Зная, К и Dtср из уравнения (5) можно определить площадь поверхности теплообмена аппарата F, необходимую для осуществления процесса теплопередачи заданной тепловой нагрузки Q:

,

(18)

От величины F зависят и общие габариты теплообменного аппарата, определяемые конструктивным расчетом.

2 Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рисунке 3. Установка состоит из двух теплообменников А1, А2 и парогенератора А3 - основные ее рабочие элементы.

Теплообменник А1 типа “труба в трубе”, предназначен для теплообмена между системами пар-жидкость.

Его внутренняя медная труба имеет наружный диаметр d_н= 8 мм, внутренний диаметр d_в= 6,8 мм, толщина стенки = 0,6 мм. Длина внутренней трубы по которой рассчитывается поверхность теплообмена L₁ = 1220 мм (что соответствует площади теплообмена F₁ = 0,023 м²). Наружная труба из нержавеющей стали - Ø 34×2 мм. Теплообменник А1 покрыт слоем теплоизоляции толщиной 13 мм.

Теплообменник А2 кожухотрубный одноходовой предназначен для теплообмена между системами жидкость - газ. Теплообменник А2 состоит из внутренних трубок, изготовленных из нержавеющей стали в количестве n=37, с наружным диаметром d_н= 15 мм., внутренним диаметром d_вн=14 мм. и толщиной стенки = 0,5 мм. Внутренний диаметр корпуса теплообменника D_вн =150 мм. Длина трубок теплообменника по которой рассчитывается площадь теплообмена L₂ =1550 мм., (что соответствует площади теплообмена F₂ = 2,5 м². Теплообменник А2 не содержит по конструкции внутренних поперечных перегородок в межтрубном пространстве и покрыт слоем теплоизоляции толщиной 20 мм. Общая поверхность теплоизоляции теплообменника А2 составляет F =0,975 м².

Установка снабжена локальным парогенератором А3 объемом 12 л и мощностью 6 кВт. Наружная поверхность парогенератора линии подвода пара и отвода конденсата также теплоизолированы. Суммарная наружная поверхность теплоизоляции парогенератора и его линий составляет F_из = 1,16 м², теплообменника А1- F = 0,244 м², что составляет 20 % от общей поверхности теплоизоляции тракта парогенератор А3 – теплообменник А1.

Расход холодной воды из водопроводной сети измеряется двумя приборами: ультразвуковым счетчиком ULTRAFLOV (Дания) с импульсным выходом

Рисунок 3 –

Схема экспериментальной установки

(300 имп./литр) и ротаметром Р₁. Ультразвуковой счетчик совместно со счетчиком импульсов СИ8(РВ) обеспечивает цифровой замер расхода воды. Ротаметр Р₁ позволяет визуально контролировать текущий расход воды и корректировать его вентилем ВР1.

Холодная вода поступает на вход теплообменника А1 во внутреннюю трубу, где она обменивается теплом с насыщенным водяным паром, поступающим из парогенератора А3 в кольцевое пространство между внутренней и наружной трубами теплообменника А1. Конденсат пара стекает обратно по отводящей линии в парогенератор А3.

Теплообменник А1 снабжен продувочным краном К32 для удаления из него воздуха при пуске установки.

Нагретая вода из теплообменника А1 поступает в трубное пространство теплообменника А2, где она нагревает поток воздуха, подаваемого в межтрубное пространство теплообменника А2 под действием разрежения, создаваемого вентилятором Н1.

Поток воздуха с помощью электромагнитных клапанов К1¸4 может переключаться в прямоточном или противоточном направлении движения относительно потока воды. Расход воздуха замеряется диафрагмой ДКС-50, перепад давления на которой измеряется датчиком ЗОНД 10-ДД с токовым выходом 4-20 mA и вторичным прибором ТРМ-200. Регулирование расхода воздуха осуществляется с помощью частотного преобразователя типа «Веспер» и внешнего ступенчатого переключателя «расход воздуха» на передней панели щита КИП.

Температура пара регулируется ПИД - регулятором ТРМ-101-ИР. Входные и выходные температуры теплообменников А1 и А2 измеряются термометрами сопротивления типа ТСМ50, которые устанавливаются в медных гильзах, расположенных в их подводящих и отводящих патрубках.

Вторичными приборами для замера параметров теплообменников А1, А2, являются 5 двухканальных измерителей температуры типа ТРМ-200.

Измерители постоянно отображают входные и выходные данные температуры сред теплообменников, по точкам контроля температур в следующей последовательности:

1 - греющий пар А1;

2 - вода на входе А1;

3 - вода на выходе А1 и входе А2;

4 - вода на выходе А2;

5 - прямоток: воздух на входе А2;

- противоток: воздух на выходе А2;

6 - прямоток: воздух на выходе А2;

- противоток: воздух на входе А2;

7,8 - внешняя поверхность А2;

9,10 - внешняя поверхность изоляции А2.

Потребляемая мощность парогенератором из электрической сети определяется с помощью электронного счетчика «Меркурий – 234» (СЭ) с импульсным выходом и счетчика импульсов СИ8 (РЭ).

3 Пуск установки

Включение установки и вывод её на назначенный режим осуществляется учебно-вспомогательным персоналом в следующей последовательности:

1 Ключ “Включение установки” поставить в положение “Вкл”.

2 Проконтролировать по сигнализатору САУ-7Е уровень воды в парогенераторе А3 (должны светиться светодиоды нижнего и среднего уровней, светодиод “авария” - погашен).

3 Открыть продувочный кран К32 на теплообменнике А1.

4 Включить воду на установку и регулировочным вентилем ВР1 установить расход воды по прибору 30 литров/час.

5 Нажать кнопку “Пуск парогенератора”, при этом сработает электрическая схема блокировок и сигнализации и включается управление нагревом парогенератора.

6 При достижении температуры 100°С на приборе «Температура парогенератора» и появлении пара из продувочного крана 32, закрыть этот кран и дождаться выхода установки на стационарный режим.

4 Лабораторная работа № 1

Исследование работы теплообменных аппаратов при теплообмене между системами пар-жидкость и жидкость-газ.

4.1 Цель работы:

Целью данной работы является испытание рекуперативного теплообменного аппарата при стационарном режиме теплообмена и получение основных характеристик его работы.

4.2 Порядок проведения работы

4.2.1 По заданию преподавателя устанавливают расход воды вентилем ВР1 по прибору (рекомендуемый расход 50 л/час).

4.2.2 Переключатель «противоток – выкл. – прямоток» устанавливают в положении «противоток».

4.2.3 По заданию преподавателя с помощью переключателя «Расход воздуха» устанавливают расход воздуха с помощью вентиля ВР2 (рекомендуется положение «3»).

4.2.4 Через 15-20 мин. приступают к снятию показаний прибора, замеряющего входные и выходные параметры теплообменников А1, А2 и записывают их в таблицы по формам 4.1, 4.2 (для увеличения точности эксперимента показания снимают» 3¸5 раз - с интервалом 0,5¸1 мин, а затем усредняют).

4.2.5 Записывают показание прибора замеряющего потребляемую мощность парогенератором.

Таблица 4.1 - Теплообменник А1

Мощность, потребляемая парогенератором N, Вт	Объемный расход воды л/час	Массовый расход воды GВ, кг/с	Температура, °С
конденсации пара	воды
вход/выход t1	вход t2	выход t3

Таблица 4.2 - Теплообменник А2

Схема включения	Перепад давления на диафрагме, Па	Массовый расход воздуха Gвозд, кг/с	Температура, °С
воды	воздуха
вход t3	выход t4	t5	t6
противоток
прямоток

Продолжение таблицы 4.2 - Теплообменник А 2

Схема включения	Поверхность теплообменника	Поверхность теплоизоляции
t7	t8	t9	t10
противоток
прямоток

4.3 Обработка результатов измерений

4.3.1 Вычислить количество теплоты Q , (дж/с), полученное водой в теплообменнике А1:

,

где с_в = 4186 дж/(кг К) - теплоемкость воды.

4.3.2 Используя замеренную мощность потребляемую парогенератором из электрической сети, определить общие потери тепла в окружающую среду Qпотерь (дж/с) через поверхность теплоизоляции контура парогенератор - теплообменник А1:

,

4.3.3 Считая, что потери тепла через теплоизоляцию теплообменника А1 Q составляют 20% (по площади теплоизоляции) от общих потерь тепла, определяют:

,

4.3.4 Используя характер изменения температур теплоносителей в случае конденсации горячего теплоносителя (см. рис.2, стр.5), определить среднюю разность температур Dt (°С):

,

4.3.5 Вычислить значение коэффициента теплопередачи К₁ [вт/(м²·К)] для теплообменника А1:

,

где F₁ = 0,03 м² - расчетная поверхность теплообменника.

4.3.6 Для теплообменника А2 вычислить:

а) количество тепла Q (Дж/с), переданное водой:

,

б) количество тепла Q_возд. (дж/с), полученное воздухом при противотоке:

,

и прямотоке:

,

где с_возд. = 1005 Дж/(кг·К) - теплоемкость воздуха.

4.3.7 С учетом схем движения теплоносителей (противоток - прямоток) построить графики изменения температур теплоносителей по длине теплообменника А2 (см. рис. 1 и 2, стр.4 и 5). Ориентируясь по схемам, подсчитать значения больших и меньших разностей температур между теплоносителями и вычислить значения средних разностей температур Dt и Dt , в зависимости от отношения как среднеарифметические (7) или среднелогарифмические (6):

а) противоток - Dt_б(м) = t₃ – t₅, ;

б) прямоток - Dt_б = t₃ – t₅, .

4.3.8 Вычислить значения коэффициентов теплопередачи К₂ [Вт/(м²·К)] для теплообменника А2:

а) противоток - ;

б) прямоток – ,

где F₂ = 02,5 м² - расчетная поверхность теплообмена.

4.3.10 Оценить соотношения величин термических сопротивлений при теплопередаче между системами пар - жидкость, жидкость - газ через отношение коэффициентов .

4.3.11 Для одной из выбранных схем движения теплоносителей определить потери тепла в окружающую среду через поверхность теплоизоляции теплообменника А2 Q , Дж/с:

,

4.3.12 Для выбранной схемы движения теплоносителей определить среднюю температуру поверхности теплообменника А2 t и среднюю температуру поверхности теплоизоляции теплообменника А2 t :

,

4.3.13 По потерям тепла Q , используя закон теплопроводности для стационарного процесса, определить коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции , Вт/(м·К):

где = 0,013 - толщина слоя теплоизоляции, F - площадь внешней поверхности теплоизоляции.

4.3.14 Результаты вычислений занести в таблицу 4.3

Таблица 4.3 – Результаты вычислений

№ п/п	Наименование	Обозначение	Теплообменник
А1	А2
	Система	пар-жидкость	жидкость-пар
	Поверхность теплообменника, м^2	F
	Тепловая нагрузка (с учетом тепловых потерь), Вт	Q
	Средняя разность температур, ^0С а) противоток А2; б) прямоток А2	Dt ; Dt ; Dt
	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м^2 К)	К
	Отношение термических сопротивлений	К1/К2
	Коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/м К)

4.4 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

– цель и содержание работы;

– схему установки, краткое ее описание;

– основные расчетные зависимости;

– таблицы экспериментальных и расчетных величин;

– выводы о величинах термических сопротивлений при теплообмене между различными средами;

– выводы о качестве теплоизоляции аппаратов.

4.5 Вопросы для самоконтроля.

1 Какие способы передачи тепла Вы знаете?

2 Как разделяются по принципу действия теплообменные аппараты?

3 Понятия теплопередача и теплоотдача, в чем их различие?

4 С помощью каких уравнений определяется тепловая нагрузка теплообменного аппарата и затраты энергии на проведение процесса?

5 Что понимается под скоростью теплового процесса?

6 Что является расчетной геометрической характеристикой теплообменного аппарата и с помощью какого управления она определяется?

7 Что является движущей силой теплового процесса и как определяется средняя движущая сила?

8 Что такое термическое сопротивление процесса теплопередачи, из каких составляющих оно складывается, коэффициент теплопередачи, их физический смысл?

9 В каком случае при теплообмене между различными системами: пар - жидкость, пар - газ, жидкость - газ, термическое сопротивление является минимальным, а в каком максимальным при равных условиях теплообмена, чем это обусловлено?

10 Чем объясняется столь большая разница в площадях теплообмена испытанных теплообменников?

11 Каковы особенности следует учитывать при использовании насыщенного водяного пара в качестве теплоносителя с физической точки зрения и конструкции аппарата?

5 Лабораторная работа № 2

Исследование зависимости коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) между системами пар - жидкость от скорости движения жидкой среды

5.1 Цель работы:

Целью данной работы является экспериментальное исследование зависимости интенсивности теплоотдачи от скорости движения жидкости у теплообменной поверхности, представление полученных данных по теплоотдаче в критериальной форме и сравнение их с общепринятыми литературными.

5.2 Порядок проведения работы

5.2.1 Перед проведением работы учебно-воспитательный персонал осуществляет пуск установки и вывод ее на стационарный режим при расходе воды 30 л/час.

5.2.2 При начале работы снять показания прибора, замеряющего входные и выходные параметры теплообменников А1 и А2 (в данной работе записываются только параметры относящиеся к А1) и записать их в таблицу 5.1.

5.2.3 Установить расход воды соответствующий следующему значению (рекомендуется 40 л/час).

5.2.4 Через 10 - 15 мин., после выхода установки на стационарный режим снимают показания прибора, относящиеся к теплообменнику А1 и записывают их в таблицу 5.1.

5.2.5 Далее аналогично, увеличивая расход воды на 10 л/час по выходу процесса на стационарный режим фиксируют параметры теплообменника А1 и заполняют таблицу 5.1.

Для завершения работы достаточным является 5 - 6 режимов.

Таблица 5.1.

№ п/п	Объемный расход воды л/час	Массовый расход воды Gв, кг/с	Температура, ^0С
конденсации пара	воды
t1	вход t2	выход t3

5.3 Обработка результатов измерений

5.3.1 Для каждого из режимов:

а) определить тепловую нагрузку теплообменника А2 Q , Дж/с:

,

где с_в = 4186 дж/(м·к) – теплоемкость воды;

б) рассчитать удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) q, Дж/(c·м²):

,

в) используя схему измерения температур вдоль поверхности теплообмена (см. рис. 3, стр. 13) определить большую D_tб, меньшую D_tм и среднюю разность температур теплоносителей Dt_cр, °С:

D_tб = t₁ – t₂, D_tм = t₁ – t₃, ;

г) используя основное уравнение теплопередачи рассчитать коэффициент теплопередачи К1, Вт/(м²·К):

,

5.3.2 Результаты вычислений занести в таблицу 5.2.2.

5.3.3 Пользуясь уравнением (16) вычислить коэффициент теплоотдачи при конденсации пара [Вт/(м²·К)] для всех режимов, ,

причем физические константы: коэффициент теплопроводности конденсата , Вт/(м·К); плотность конденсата , кг/м³; вязкость конденсата , (Н·с)/м², с достаточной для инженерной практики точностью, можно взять при температуре конденсации пара t₁ по справочным данным, равно как и удельную теплоту парообразования r, Дж/кг.

5.3.4 Из выражения коэффициента теплопередачи К через коэффициенты теплоотдачи (8) определяются для всех режимов коэффициенты теплоотдачи от стенки к жидкости , Вт/(м²·К) (загрязнения стенки отсутствуют):

,

где _ст = 384 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности материала стенки (медь); = 0,0006 м - толщина стенки трубы.

5.3.5 При средней температуре воды t_ж = по справочным данным определить теплофизические величины воды и занести их в таблицу 5.2.2.

Таблица 5.2.2

№ п/п	Тепловая нагрузка теплообменника А1 Qв, Дж/с	Удельная тепловая нагрузка, q, Дж;/(c м^2)	Средняя разность температур, tср, ^0С	Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м^2 К)	Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара , Вт/м^2 К)	Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде , Вт/(м^2 К)

Продолжение таблицы 5.2.2.

№ п/п	Средняя температура жидкости tж, ^0С	Плотность воды ж, кг/м^3	Средняя скорость воды , м/с	Вязкость воды , Па с	Коэффициент теплопроводности , Вт/(м К)	Теплоемкость воды сж, Дж/(кг К0

Таблица 5.2.3

№ п/п	Nuж	Reж	Prж		lg	lgReж

5.3.6 По величине расхода воды для всех режимов вычислить среднюю скорость воды в трубе теплообменника , м/с:

,

5.3.7 Для каждого из режимов вычислить величины критериев:

, ,

занести их в таблицу 5.2.3 и по величине Re_Ж определить режим течения среды.

5.3.8 По режиму течения выбрать соответствующую ему критериальную зависимость (11), (12) или (13).

5.3.9 Построить график этой зависимости в координатах - Re_ж, на который нанести полученные экспериментальные значения для исследованных режимов.

5.4 Содержание отчета

Отчет о работе должен содержать:

– цель и содержание работы;

– краткое описание эксперимента;

– результаты измерений в виде таблицы 5.2.1;

– результаты по рассчитанным и определенным по справочным данным величинам в виде таблицы 5.2.2 и 5.2.3;

- график зависимости = f (Re_ж) с нанесенными на него для сравнения экспериментальными значениями величин, полученными при выполнении данной работы.

5.5 Вопросы для самоконтроля

5.5.1 От каких факторов зависит интенсивность переноса тепла от теплообменной поверхности к потоку жидкости (газа) и наоборот?

5.5.2 В чем состоит закон теплоотдачи Ньютона?

5.5.3 Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи?

5.5.4 Как определяется средняя движущая сила процесса теплообмена для исследованного случая изменения агрегатного состояния горячего теплоносителя.

5.5.5 При каких значениях критерия Рейнольдса режимы течения среды в трубе являются ламинарным, переходным, турбулентным?

5.5.6 Как определяется скорость течения жидкости в трубе?

5.5.7 Каков вид критериальной зависимости для расчета процессов теплоотдачи? Какие безразмерные комплексы называются определяющими критериями подобия?

5.5.8 За счет чего реально на практике разработчик может обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи и, как следствие, уменьшения габаритных размеров теплообменного аппарата, и какие обстоятельства при этом следует учитывать?

6 Лабораторная работа № 3

Исследование зависимости коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) между системами жидкость – газ от скорости движения газовой среды.

6.1 Цель работы:

Целью данной работы является экспериментальное исследование явления теплоотдачи от теплообменной поверхности к газовой среде, выявление ее особенностей и зависимости коэффициента теплоотдачи от скорости движения газовой среды, представление полученных данных по теплоотдаче в критериальной форме и сравнение их с использующимися в расчетной практике.

6.2 Порядок проведения работы

6.2.1 Перед проведением работы учебно-вспомогательный персонал осуществляет пуск установки и вывод ее на стационарный режим при расходе воды 30 л/час и остающийся неизменным при проведении работы.

6.2.2 Ключ «воздух» переводится в положение «противоток» или «прямоток» по заданию преподавателя.

6.2.3 Установить начальный расход воздуха в теплообменнике А2.

6.2.4 Через 10 – 15 мин., после выхода процесса на стационарный режим снимают показания прибора, замеряющего входные и выходные параметры теплообменников А1, А2 (в данной работе снимаются параметры относящиеся только к А2) и записывают их в таблицу 6.1. (для t₅ и t₆ определить вход/выход в зависимости от заданной схемы движения теплоносителей в А2).

6.2.5 Далее аналогично, увеличивая расход воздуха (при неизменном Расходе воды по выходу процесса на стационарный режим фиксируют параметры теплообменника А2 и записывают в таблицу 6.1.

6.2.6 Для завершения работы достаточным является 5 – 6 режимов.

Таблица 6.1 – Результаты измерений

№ п/п	Объемный расход воды, л/час	Массовый расход воды Gв, кг/с	Расход воздуха по ротаметру m, ед.	Массовый расход воздуха Gвозд., кг/с	Температура, ^0С
вода	воздух
вход t3	выход t4	t5	t6

6.3 Обработка результатов измерений

6.3.1 Для каждого из режимов:

а) определить тепловую нагрузку теплообменника А2 Q , Дж/с (без учета тепловых потерь):

,

где с_возд = 1005 Дж/(кг·К) – теплоемкость воздуха;

б) рассчитать удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) q, Дж/(с·м²);

,

в) используя схему изменения температур вдоль поверхности теплообмена (рис. 1 или рис. 2, стр.5) определить большую Dt_б, меньшую Dt_м и среднюю разность температур теплоносителей Dt_ср, °C:

,

г) используя основное уравнение теплопередачи рассчитать коэффициент теплопередачи К2, Вт/(м²·К):

,

6.3.2 Результаты вычислений занести в таблицу 6.2.

6.3.3 По величине расхода воды вычислить среднюю скорость воды в трубе теплообменника А2 , м/с:

,

где n - число труб в трубном пучке теплообменника А2.

6.3.4 Вычислить критерий и установить режим течения воды в трубе.

6.3.5 Пользуясь соответствующим режиму течения критериальным уравнением вычислить коэффициент теплоотдачи от воды к стенке [Вт/(м²·К)], считая его неизменным для всех режимов данного исследования, причем физические параметры в критериях Nuж, Peж, Reж, Prж определить при средней температуре горячей воды.

6.3.6 Из выражения коэффициента теплопередачи К (8) определяются для всех режимов коэффициенты теплоотдачи от стенки к воздуху , Вт/(м²·К):

,

Таблица 6.2 – Результаты измерений

№ п/п

Тепловая нагрузка теплообменника А2 Q^А2, Дж/с

Удельная тепловая нагрузка g, Дж/(с м^2)

Дата добавления: 2015-08-28