Лабораторная работа №3 Исследование работы калорифера

Цель работы: При выполнении работы необходимо определит коэффициент теплопередачи для нескольких режимов работы калорифера и на основании экспериментальных опытов построить функциональную зависимость.

Теоретическая часть

Калориферы – специальные теплообменные аппараты. Служат для нагрева воздуха в приточных системах вентиляции, системах кондиционирования воздуха и в системах воздушного отопления.

Они классифицируются по нескольким видам:

1.По виду теплоносителя: водяные, паровые, газовые, электрические.

2.По поверхности теплообмена: гладкотрубные, ребристые.

3.По характеру движения теплоносителя: одноходовые, многоходовые.

4.По количеству рядов труб: средней серии, с тремя рядами труб(серия С);

большой серии, с четырьмя рядами труб (серия Б).

В отопительно-вентиляционной технике наиболее широкое распространение получили водяные и паровые калориферы с пластинчатыми и спиралнонавивными ребрами.

При работе калорифера теплоноситель - пар или горячая вода протекает по трубкам, а нагретый воздух проходит перпендикулярно трубкам через просветы между трубками и ребрами.

Степень теплотехнического совершенства калорифера характеризуется интенсивностью передачи тепла от теплоносителя к нагреваемому воздуху.

Тепловая производительность Q , ккал/ч, калорифера определяется следующей зависимостью:

Q=K·Δt_ср·F (1)

где K – коэффициент теплопередачи, ккал/(ч·м²·˚С);

Δt_ср– разность средних температур теплоносителя и воздуха, ˚С;

F – поверхность нагрева, м².

В ребристых калориферах наружная поверхность труб имеет оребрение, благодаря чему площадь теплоотдающей поверхности увеличивается, и они являются более совершенными в теплотехническом отношении по сравнению с гладкотрубными.

Коэффициент теплопередачи калорифера зависит как от конструктивных особенностей самого калорифера, так и от вида теплоносителя, массовой скорости движения воздуха ρW_в(кг/м²·с), скорости движения теплоносителя в трубках W_т(м/с), режимов движения теплоносителя.

Разность средних температур теплоносителя Δt_ср определяется по выражению:

Δt_ср= (t_г – t_о)/2 – (t_к – t_н)/2 (2)

где t_г, t_о – начальная и конечная температура воды, ˚С;

t_к, t_н –конечная и начальная температуры нагреваемого воздуха,˚С;

Описание опытной установки

Принципиальная схема экспериментальной учебно-исследовательской установки приведена на рис.1

Рис.1.Схема опытной установки

Рис 2.Схема движения теплоносителей в калорифере.

Технические характеристики калорифера:

1.Медные трубки d₁/d₂=10/12 мм с оребрением;

2.Коллектор для подвода горячей воды;

3.Коллектор для отвода охлажденной воды;

4.Корпус калорифера 240х360 мм.

Калорифер по движению воды – 3х-заходный 14-ти ходовой.

Поверхность нагрева F = 0,538 м².

Живое сечение трубок для прихода воды f_тр=0,000236 м².

Живое сечение межтрубного пространства для прохода воздуха f_в=0,0654 м².

Диаметр сопла на входе воздуха d_с=36,2 мм.

Сечение в плоскости сопла F_тв=0,00103 м².

На установке предлагается проводить опыты по двум программам:

1)Расход воздуха постоянный, расход воды переменный;

2)Расход воздуха переменный, расход воды постоянный.

Программа назначается преподавателем. Для определения опытного значения коэффициента

теплопередачи необходимо провести серию из 3-4 опытов, меняя либо расход воздуха, либо расход воды.

Расход горячей воды G_т, кг/ч определяется с помощью мерной мензурки и секундомера, и вычисляется по формуле,

G_т= 3600·(V·ρ_о)/z (3)

где V – объем мензурки, м³;

ρ_о – плотность воды при ее температуре на выходе ,кг/ м³;

z – время заполнения мензурки, с.

Скорость движения воды в трубках калорифера, м/с,

W_т= G_т/(ρ_т··fтр·3600) (4)

где ρ_т·- плотность воды при ее средней температуре в калорифере, кг/ м³;

f_тр- площадь живого сечения трубок калорифера для прохода воды, м²( f_тр=0,000236 м²).

Количество воздуха, проходящего через калорифер , определяется по формуле ,

G_в= 3600·F_тв·W_в·ρ_в· (5)

где F_тв- площадь сечения трубы в точке измерения скорости, в которой протекает воздух,

(F_тв= 0,00103 м²).

ρ_в·- плотность воздуха на выходе, кг/ м³;( ρ_в= 353/(273+ t_в )

Температура воды на выходе калорифера определяется с помощью термометра, причем здесь t_в=t_к .

(Начальное значение температуры воздуха t_н определяется с помощью термометра установленного в помещении лаборатории).

Средняя скорость движения воздуха в трубе в точке ее измерения, м/с,

(6)

Для измерения динамического давления h_g (кг/ м²) в трубе установлена измерительная игла (пневмометрическая трубка). По показаниям уровня спиртового столбика Δh (мм) микроманометра определяется h_g= kΔh (здесь k – приведенный коэффициент угла наклона измерительной трубки микроманометра).

Количество тепла, воспринятое воздухом, определяется по формуле,

Q= G_в с_в·(t_к- t_н) (7)

где с_в – массовая теплоемкость воздуха, ккал/(кг·˚С), при средней температуре воздуха

(с_в =0,24 ккал/(кг·˚С) ;

t_к, t_н- конечная и начальная температуры воздуха, ˚С.

Коэффициент теплопередачи калорифера определяется из условия баланса количества тепла, воспринятого воздухом и переданного от теплоносителя к проходящему воздуху,

К = (8)

где F – поверхность нагрева калорифера, м² (F =0,538 м²).

Определение зависимости К = f(ρ_вW_в,W_т)

На основании целого ряда уже известных исследований определен общий вид уравнения для коэффициента теплопередачи.

Для теплоносителя (горячей воды),

К =А(ρ_вW_в)ⁿW_т^m (9)

На основании опытных данных можно получить уравнение для определения К, т.е. найти коэффициенты А,n,m. Постановка такой задачи потребует большой серии опытов, что затруднительно сделать в рамках одного занятия.

В работе задача упрощена. Проводится 3-4 опыта на различных расходах воды при неизменных расходе воздуха.( W_в=const)

Тогда уравнение (9) представится выражением

К =АW_т^m (10)

Измерив 3-4 раза W_т и определив А и К , строим зависимость lg(K)= f(lgW_Т)

Выбрав на отрезке прямой две точки 1 и 2 , найдем соответствующие им значения lgK₁, lgK₂, lg(W_Т)₁, lg(W_Т)₂.

Далее определим тангенс угла наклона прямой к оси абцисс , который равен степени m:

m = =

Постоянная А определяется из уравнения

А=

Подставив полученные значения А и m в уравнение (10) получим эмпирическое уравнение для определения К..

Измерять температуру воды и воздуха на выходе из калорифера следует только после установления стационарного режима. Режим считается установившемся если температуры не меняются в течении 10-15 минут. Только после установления стационарного режима можно снять показания термометров и записать данные.

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу.