Лабораторная работа № 6 Исследование процесса теплопередачи теплообменного аппарата Цель работы

1. Ознакомление с устройством экспериментальной установки для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении теплоносителя.

2. Определить экспериментальным путем коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата и установить влияние на него различных факторов.

Задание:

1. Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.

2. Выполнить предварительное оформление отчета по работе, зафиксировав название работы, цель, схему установки, протокол испытания.

3. Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента на заданном режиме ее работы, произвести замер контролируемых параметров.

4. Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу.

5. Сделать выводы по работе.

Общие сведения

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от горячих теплоносителей холодным, называются теплообменными аппаратами или теплообменниками.

Теплообменные аппараты широко используются в системах отопления и кондиционирования, в системах охлаждения тепловых двигателей и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяют на три основных типа: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через поверхность разделяющей их теплопроводной стенки, называемой рабочей поверхностью теплообменника. При работе этих теплообменников направление теплового потока через стенку не изменяется, и процесс теплопередачи является чаще всего стационарным.

В регенеративных теплообменных аппаратах одна и та же рабочая поверхность, так называемая насадка, попеременно обтекается горячим и холодным теплоносителем.

В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном контакте теплоносителей.

Основными требованиями к теплообменным аппаратам являются: высокая плотность теплового потока, минимальные масса и габариты, низкий уровень гидравлических потерь, высокая надежность и удобство эксплуатации.

Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют рекуперативные теплообменные аппараты.

Теплопередача – это сложный теплообмен, представляющий собой процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку. При этом переносе теплоты могут одновременно участвовать все виды теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение. Преобладают два первых вида теплообмена: теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке, теплопроводность через стенку, теплоотдача от горячей стенки (со стороны холодного теплоносителя) к холодному теплоносителю.

Тепловой поток Q, передаваемый от горячего теплоносителя холодному теплоносителю, определяется с использованием уравнения теплопередачи

Q = k DT_ср F,

где DТ_ср – средний температурный напор в теплообменном аппарате между потоками, К;

F – площадь рабочей поверхности теплообменного аппарата, м²;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/ (м² × К).

Коэффициентом теплопередачи k называется величина равная количеству теплоты передаваемого в единицу времени, через единичную площадь поверхности при температурном градиенте между теплоносителями равному единице.

Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи R, (м² × К)/Вт

R = 1/k.

Увеличение коэффициента теплопередачи возможно за счет роста коэффициентов характеризующих отдельные виды сложного теплообмена. Так, например, увеличение скорости движения теплоносителя ведет к возрастанию коэффициента теплоотдачи и, следовательно, к увеличению теплового потока. К значительному повышению коэффициента теплоотдачи приводит также турбулизация потока. Поэтому искусственная турбулизация потока теплоносителя путём создания в нём отрывных зон, вихрей и т. п. является одним из эффективных способов интенсификации теплообмена. Необходимо учитывать, что основное тепловое сопротивление создаёт тонкий пристеночный слой теплоносителя. Поэтому достаточно осуществлять турбулизацию только этого слоя, что и достигается созданием в каналах теплообменников выступов, канавок, диафрагм, способствующих образованию небольших отрывных зон и вихрей за ними.

Эффективным средством интенсификации теплообмена является также оребрение рабочей поверхности теплообменника. Ребра обычно выполняют из медных или алюминиевых тонких листов и надёжно припаивают к основной поверхности. Они могут быть гладкими или рифлёными, могут выполняться в виде отдельных пластинок, которые располагаются в канале пластинчатого теплообменника в шахматном или коридорном порядке. Роль рёбер могут выполнять цилиндрические или конические шипы, которые также припаиваются к рабочей поверхности теплообменника.

Следует отметить, что повышение эффективности теплообменника указанными выше путями неизбежно связано с ростом гидравлических потерь в каналах и увеличением затрат энергии на прокачку теплоносителей. Поэтому окончательный выбор геометрии каналов и скорости течения теплоносителей в них проводится с учётом всех характеристик эффективности теплообменного аппарата.

Коэффициент теплопередачи зависит, также, от теплопроводности материала из которого выполнена стенка теплообменного аппарата.