Опрацювання результатів роботи

1. Скласти матеріальний баланс теплообмінника і визначити коефіцієнт втрат тепла в навколишнє середовище за формулами (7.1) і (7.2).

2. Визначити середню логарифмічну різницю температур між теплоносіями Δt_c за формулою (7.14).

3. Визначити режим руху рідини або газу з рівняння (7.10).

4. Визначити теоретично коефіцієнт тепловіддачі від пари до стінки з формулою (7.7). Для цього задатися температурою стінки, яка приблизно на кілька градусів нижча від температури пари.

Теплоту конденсації r знаходять за таблицею насиченої водяної пари залежно від температури пари. Значення коефіцієнтів в’язкості, тепловіддачі і густини беруть з таблиці фізичних параметрів води (на лінії насичення).

5. Визначити коефіцієнт теплопередачі за формулою (7.4), а з співвідношення (7.6) – коефіцієнт тепловіддачі .

6. Для визначення залежності Δр – ω зробити кілька замірів при різних витратах холодного теплоносія та записати їх у табл. 7.2.

Таблиця 7.2

Номер досліду	Тривалість, τ, хв	Витрата рідини або газу, кг/с	Витрати рідини або газу, м3/с	Швидкість рідини або газу , м/с	Гідравліч-ний опір Р, Н/м2

За знайденими даними побудувати графік Δр – ω.

Звіт складається з опису дослідної установки та її схеми, таблиць, вимірювань, опрацювання та аналізу знайдених даних, визначення коефіцієнта теплових втрат, коефіцієнтів теплопередачі і тепловіддачі, графіка залежності Δр – ω.

Аналіз даних полягає в порівнюванні результатів, добутих при різних режимах.

Контрольні питання

1. З чого складається тепловий баланс теплообмінника?

2. Які рівняння застосовуються для визначення коефіцієнтів тепловіддачі?

3. Як переноситься тепло в даному теплообміннику?

4. Від яких фізичних властивостей теплоносіїв залежить тепловіддача?

Лабораторна робота 8. ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМІННИКА

Мета та основні завдання роботи

1. Вивчити забудову та принцип роботи пластинчатого теплообмінника.

2. У ході експерименту дослідити вплив швидкості руху теплоносіїв на інтенсивність теплообміну.

3. Розрахувати коефіцієнт теплопередачі.

4. Розрахувати гідравлічний опір теплообмінника як функцію швидкості руху теплоносія.

5. Визначити коефіцієнт корисної дії теплообмінного апарата.

Основні теоретичні відомості

Основними розрахунковими рівняннями при розрахунку теплообмінника будь-якого типу є рівняння теплового балансу та основне рівняння теплопередачі.

Якщо знехтувати втратами тепла у навколишнє середовище, а питомі теплоємності теплоносіїв прийняти як такі, що не залежать від температури, то рівняння теплового балансу набуде такого вигляду:

, (8.1)

де m₁ та m₂ - масові витрати відповідно гарячого та холодного теплоносіїв, кг/с; Q – теплове навантаження апарата, Вт; С₁ та С₂ – питомі теплоємності теплоносіїв, ; t_1п, t_1к, t_2п, t_2к – температури теплоносіїв на вході та виході з теплообмінника, ⁰С.

Іноді при виконанні теплових розрахунків доцільно користуватися не питомими, а повними теплоносіями теплоносіїв, які називаються водяними еквівалентами. Якщо ввести нові позначення (8.1) матиме наступний вигляд:

, (8.2)

де W₁ та W₂ – водяні еквіваленти гарячого та холодного теплоносіїв.

Рівняння (8.1) або (8.2) використовують зазвичай для визначення одного з параметрів (m₁, m₂, t_1к, t_2к) при визначених у ході дослідження значеннях інших величин.

Для сталих процесів зв’язок тепловим навантаженням та поверхнею теплообміну встановлює основне рівняння теплопередачі:

, (8.3)

де - середній температурний напір, ⁰С; К – коефіцієнт теплопередачі Вт/м²·К; F – поверхня теплопередачі, м².

Залежно від співвідношення для розрахунку використовують такі рівняння:

для (8.4)

та для >2. (8.5)

Величини та (рис 8.1) – більша та менша різниця температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника, ⁰С.

Для визначення та будують температурні графіки (рис. 8.1)

Значення коефіцієнта теплопередачі через плоску тверду перегонку, що розділяє два теплоносії визначають за рівнянням:

, (6)

де та - коефіцієнти тепловіддачі від гарячого теплоносія до перегородки та від нагрітої перегородки до холодного теплоносія, Вт/м^2·К; _і - товщина перегородки, м (у нашому випадку товщина пластини разом з забрудненнями на ній); _і – коефіцієнт теплопровідності матеріалу пластин та забруднень на ній, .

Орієнтовно величину термічних опорів забруднень, що відклались на поверхні пластини R_забр.= при використанні у якості носія води вибирають з діапазону .

Завдяки тому, що пластини теплообмінника мають гофровану форму, яка забезпечує звивисту конфігурацію каналу між двома сусідніми пластинами, перехід до турбулентного режиму відбувається вже при Re = 100. При цьому режимі коефіцієнти та для даного типу пластинчастого теплообмінника рекомендується розраховувати з рівняння:

_, (8.7)

де - критерій Нуссельта; - критерій Реймольдса; P_r, P_ст – критерій Прандтля (вибираються з таблиць за t_сер та t_ст, t_ст – температура пристінного шару теплоносія); W – швидкість переміщення теплоносія в каналах між пластинами, м/с; d_e – еквівалентний діаметр каналу, м; - коефіцієнт динамічної в’язкості теплоносія, Па·С; - густина теплоносія, ; - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/м·К; - визначаюча температура для відповідного теплоносія.

Середню температуру пристінного шару розраховують за рівнянням:

, (8.8) де t¹_сер та t²_сер – відповідно, середні температури гарячого та холодного теплоносія, ⁰С.

Рис. 8.1. Графіки зміни температури теплоносіїв на поверхні теплообмінника при різних співвідношеннях шкідливих еквівалентів: а1, а2, а3 - прямоток; б1, б2, б3, - протиток

З рівняння нерозривності потоку визначають швидкість руху теплоносія в каналі між пластинами.

, (8.9)

де V - витрата теплоносія, м³/с; n – кількість каналів у пакеті; f – площа поперечного потоку одного каналу, м²; h – відстань між пластинами у каналі, м; в – ширина проточної частини канала, м.

Еквівалентний діаметр каналу визначають за рівнянням:

(8.10)

де П – змочений периметр стінок у поперечному перетині потоку в каналі.

Визначаючи коефіцієнт корисної дії (ККД) можна характеризувати ефективність роботи апарата. ККД теплообмінника є відношення фактично переданого тепла до максимально можливого за умови, що поверхня теплопередачі має нескінченно велику поверхню.

, (8.11)

де W_min – менша з величин W₁ або W₂

Під час роботи теплообмінника розрізняють два види гідравлічних опорів: опір тертя по довжині каналів та місцеві опори. Під час розрахунку пластинчатих теплообмінників обидва види гідравлічних опорів враховуються узагальненим коефіцієнтом одиниці відносної довжини каналу .

Для досліджуваного типу пластин величину коефіцієнта розраховують за рівнянням:

, (8.12)

Загальний гідравлічний опір апарата визначають з рівняння:

, (8.13)

де - гідравлічний опір теплообмінника, Па; L_п – приведена довжина каналу між пластинами, м; - густина теплоносія, кг/м³; m – кількість пакетів у апараті.

Параметр визначає витрати на привід насоса, що перекачує теплоносій через теплообмінник. Оскільки гідравлічний опір є функцією швидкості рідини в апараті, вибір оптимальної швидкості проводять з врахуванням техніко-економічних показників роботи теплообмінного апарата.