Описание экспериментальной установки
Установка (рис. 3.4) состоит из элемента теплообменника типа «труба в трубе» 1, образованного концентрически расположенными внешней трубой диаметром 57х4 мм и внутренней трубой диаметром 32 х 4 м и работающего по принципу противотока: горячий теплоноситель (вода) перемещается по внутренней трубе, холодный (вода) - по межтрубному пространству кольцевого сечения, с длиной рабочей части элемента теплообменника L = I500 мм, ротаметров 2 и 3 для измерения расходов горячей и холодной воды; вентилей 4 и 5 для регулирования расхода горячей и холодной воды; термометров 6 и 7, 8 и 9 для измерения температур на входе и выходе из теплообменника горячего и холодного теплоносителей соответственно.
Методика проведения работы
Вентилями 4 и 5 установить по ротаметрам 2 и 3 заданные преподавателем расходы горячей и холодной воды и поддерживать их до достижения стационарного режима в теплообменнике (показания термометров 7 и 9 в течение 3-5 минут не изменяются). Снять показания ротаметров 2,3 и термометров 6-9. Результаты измерений внести в табл. 3.1.
Таблица 3.1
|
Номер опыта
|
Показания ротаметра, деления шкалы |
Температура воды, 0С | ||||
|
горячей |
холодной | |||||
|
2 |
3 |
t1 |
t2 |
t1 |
t2 | |
При постоянном расходе горячего теплоносителя опыты провести для трех расходов холодного теплоносителя. Затем при постоянном расходе холодного теплоносителя опыты повторить для трех расходов горячего теплоносителя.
Обработка результатов эксперимента
По градуировочным графикам ротаметров 2 (рис. 3.5) и 3 (рис. 3.6) определить объемные расходы горячей V1 и холодной V2 воды.
Рис. 3.4. Схема экспериментальной установки для исследования процесса теплопередачи в теплообменнике типа "труба в трубе"
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.5. Градуировочный график ротаметра 2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.6. Градуировочный график ротаметра 3
По формулам (3.15) и (3.16) рассчитать средние температуры горячей и холодной воды и по прил. 2 выбрать необходимые теплофизические свойства.
Рассчитать средние скорости движения горячей и холодной воды
;
, (3.17)
где dвн 32-2·4 = 24 мм = 24·10-3 м - внутренний диаметр внутренней трубы; dн = 32 мм = 32·10-3 м - наружный диаметр внутренней трубы; Dвн = 57-2·4 = 49 мм = 49·10-3 м - внутренний диаметр наружной трубы.
Установить режимы движения горячей и холодной воды
,
(3.18)
где ν1, ν 2 - кинематическая вязкость воды соответственно для горячей и холодной воды, м2/с; dэкв = Dвн – dн - эквивалентный диаметр кольцевого канала, м.
Выбрать критериальные уравнения для расчета Nu1 и Nu2 и определить коэффициенты теплоотдачи от горячей воды к стенке α1 и от стенки к холодной воде α2 по следующим формулам:
.
(3.19)
Значение Рr ст выбрать при температуре стенки, равной среднеарифметическому значению средних температур теплоносителей.
Рассчитать коэффициент теплопередачи Красч по формуле (3.1), принимая значение термических сопротивлений cо стороны горячей и холодной воды r1 = r2 = 0,0005 м2·К/Вт, коэффициент теплопроводности конструкционной стали λст = 46,5 Вт/(м. К); (δ = 4·10-3м).
По формуле (3.9) рассчитать тепловую нагрузку аппарата. По формуле (3.10) или (3.11) определить среднюю разность температур между теплоносителями для противоточной схемы движения теплоносителей. Из формулы (3.8) найти опытное значение коэффициента теплопередачи
,
(3.20)
где F - площадь поверхности теплопередачи, F = 0,151 м2 . Результаты расчетов для всех опытов внести в табл. 3.2.
Таблица 3.2
|
Номер опыта |
Горячая вода |
Холодная вода |
К расч
|
Тепловая нагрузка Q , Вт |
Средняя разность температур tср, 0С |
К эксп.
| ||||||||
|
расход V1, м3/с |
скорость 1, м/с |
Re1 |
Nu1 |
1 |
расход V2, м3/с |
скорость 2, м/с |
Re2 |
Nu2 |
2 | |||||
|
Вт/(м2.К) |
Вт/м2.К |
Вт/м2.К |
Вт/(м2.К) | |||||||||||
Сравнить значения опытного коэффициента теплопередачи Коп и рассчитанного по справочным формулам Красч. Сделать соответствующие выводы.
Проанализировать влияние скорости движения теплоносителей на коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи. Сделать соответствующие выводы.