Текстовый фаил для печати Восьмой Лабораторной работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

1. Задание

1. Определить опытным путем коэффициент теплопередачи k от кипящей воды к воздуху, протекающему внутри трубы.

2. По опытным данным установить зависимость коэффициенты теплопередачи от скорости воздуха в трубе.

3. Сравнить полученные данные с теоретическим расчетом.

2. Методика эксперимента

Основными расчётными уравнениями при проектиро­вании нового и проверке работы существующего теплообменного аппарата являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса:

— уравнение теплопередачи

(4.6)

— уравнение теплового баланса

(4.7)

или

Здесь Q — тепловой поток, передаваемый от одного теплоносителя к другому, Вт;

F — площадь поверхности теплообмена, м²;

k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

— средняя разность температур или средний температурный напор между теплоносите­лями по всей поверхности теплообмена;

G₁, G₂ — массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

c_p1, c_p2 — их средние удельные теплоёмкости в ин­тервале температур от до , Дж/(кг·К);

произведение G_cp=C, Вт/К, — полная теплоемкость мас­сового расхода теплоно­сителя, называемая также водяным эквивалентом;

— температуры и энтальпии, Дж/кг, горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата;

—температуры и энтальпии холод­ного теплоносителя на входе и выходе из аппарата;

— потеря теплоты в окружающую среду; при хорошей изоляции теплообменника можно принять .

Величину среднего температурного напора , как показывает теория, для прямотока и противотока нуж­но определять по формуле

(4.8)

такое значение называется среднелогарифмическим температурным напором; обозначает наибольший, а — наименьший температур­ные напоры между теплоносителями на концах теплообменного аппарата (см. рис. 1.2, а,б).

Рис. 4.2. Схемы движения теплоносителей в теплообмен­никах; характер изменения температуры теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

В случаях, когда температурный напор вдоль поверх­ности теплообмена изменяется незначительно и отноше­ние , для упрощения расчётов среднелогарифмический температурный напор с погрешностью <З% можно заменить среднеарифметическим из край­них напоров:

(4.9)

При перекрёстном токе и сложных схемах движения теплоносителей средний температурный напор вычисляется по формуле:

(4.10)

где — средний температурный напор, подсчитан­ный, как для противотока;

— поправочный множитель, всегда меньший единицы и определяемый по графикам, составленным для конкретных схем [1,2] в виде зависимости ; Р и R - безразмерные параметры:

;

Из уравнения теплового баланса (4.7) видно, что из­менение температур теплоносителей обратно пропорционально их теплоёмкостям массовых расходов (их водя­ным эквивалентам). Изменение температур теплоноси­телей в пределах теплообменника и величина среднего температурного напора между ними зависит также от схемы их движения. На рис. 4.2 показан характер изме­нения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б).

В теплотехническом отношении противоток выгоднее прямотока и любой другой схемы. Во-первых, при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе средний температурный напор между ними при противотоке получается больше, чем при прямотоке и других схемах ( всегда). За счёт этого при противотоке теплообменный аппарат получается ком­пактнее, что видно из уравнения теплопередачи (4.6). Остальные схемы в этом отношении хуже противотока, но лучше прямотока. Во-вторых, из графиков рис. 4.2 видно, что при прямотоке конечная температура холод­ного теплоносителя никогда не может быть больше, чем конечная температура горячего теплоносителя ; при противотоке это возможно. Поэтому противоток по­зволяет отобрать у горячего теплоносителя и использо­вать больше теплоты, чем прямоток. Коэффициент теплопередачи k в уравнении (4.6) ха­рактеризует интенсивность процесса теплопередачи в теплообменнике, измеряется в Вт/(м²·К) и численно равен тепловому потоку, проходящему через единицу поверхности стенки при разности температур между теплоносителями в один кельвин. Процессом теплопередачи называется перенос теплоты от од­ного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку (см. лаб. работу № 7).

Величина k при расчёте теплообменных аппаратов обычно определяется по формуле:

(4.11)

где α₁ и α₂ — коэффициенты тёплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей;

—термическое сопротивление стенки c учё­том загрязнений;

S — толщина стенки и слоев загрязнений;

λ - коэффициент теплопроводности стенки и слоев загрязнений.

Формула (4.11) строго справедлива только для пло­ских стенок (см. «Основы теории» в работе № 7), но её можно применять с допустимой погрешностью (<4%) и для тонкостенных труб (d₂/d₁<2). В теплообменниках трубы обычно тонкостенные. Коэффициен­ты теплоотдачи α₁ и α₂, входящие в формулу (4.11), зависят в общем случае от физических свойств тепло­носителей, их агрегатного состояния, температуры, дав­ления и скорости движения, а также от температуры, формы и компоновки поверхности теплообмена. Они вычисляются по эмпирическим уравнениям подобия, составленным по опытным данным.

Задачей опытного исследования теплообменных ап­паратов является изучение условий их работы, т. е. определение изменения температур теплоносителей, ве­личины передаваемого теплового потока, коэффициента теплопередачи, потери теплоты в окружающую среду и гидравлического сопротивления. Для этого необходимо при опытах измерять расход теплоносителей G1 и G2, их температуру на входе и и выходе и и перепад давления при различных режимах работы аппарата.

При опытном исследовании теплооб­менника коэффициент теплопередачи определяется из уравнения теплопередачи (4.6)

(4.12)

При этом тепловой поток между теплоносителями Q, Вт, находится из уравнения теплового баланса (4.7), средний температурный напор &t между ними — по формуле (4.9); F — площадь поверхности теплообмена, м².

3. Схема установки

Рис. 4.3. Схема установки для исследования теплообменника.

1 - регулятивный тепло обменщик;

2 - медная труба;

3 - латунная труба;

4 - насос;

5 - сборный бак;

6 - кран;

7 - электронагреватели;

8 - автотрансформатора;

9 - уравнительный бачок;

10, 11 - ротаметры;

12 - термометры;

13 - дифференциальный манометр;

ТАБЛИЦА 1.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРЕМЕНТА

№ Опыта	№ Измерения	Температура горячей воды, С		Температура холодной воды, С		Расход горячей воды G1, кс/с	Расход горячей воды G2, кс/с
1	1	49	40	16	34	0,033	0,0163
	2	49	40	16	34	0,033	0,0163
	3	49	40	16	34	0,033	0,0163
	Средние	49	40	16	34	0,033	0,0163
2	1	48	36	16	32	0,0215	0,0163
	2	48	36	16	32	0,0215	0,0163
	3	48	36	16	32	0,0215	0,0163
	Средние	48	36	16	32	0,0215	0,0163
3	1	49	34	17	30	0,0164	0,0163
	2	49	34	17	30	0,0164	0,0163
	3	49	34	17	30	0,0164	0,0163
	Средние	49	34	17	30	0,0164	0,0163

5. Обработка результатов

– Общая расчетная часть экспериментов: