
Текстовый фаил для печати Восьмой Лабораторной работы
.doc
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
1. Задание
-
Определить опытным путем коэффициент теплопередачи k от кипящей воды к воздуху, протекающему внутри трубы.
-
По опытным данным установить зависимость коэффициенты теплопередачи от скорости воздуха в трубе.
-
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;
cp1,
cp2
— их средние удельные теплоёмкости в
интервале температур от
до
,
Дж/(кг·К);
произведение Gcp=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: