ЛР / Сборник лаб.работ по курсу ТА ТЭК

где – плотность жидкости, кг/м3; f – площадь проходного сечения для потока, м2.

При ламинарном течении жидкости в трубах ( Re 2300 ) возможны два

режима движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный.

Вязкостный режим наблюдается при Gr Pr 8 105 . Средний коэффи-

циент теплоотдачи в этом случае определяется из критериального уравнения

где – длина трубы, м; «с» и «ж» – индексы, соответствующие свойствам воды при температуре твердого тела (стенки) и потока жидкости.

Критерий Прандтля характеризует физические свойства жидкости и их влияние на конвективный теплообмен

где a – коэффициент температуропроводности жидкости, м2/с.

Критерий Грасгофа характеризует соотношение подъемной силы, воз-

никшей вследствие разности плотностей неравномерно нагретых объемов жидкости, и силы молекулярного трения и является параметром интенсивно-

сти свободного движения жидкости

За определяющую температуру в формуле (21) принимается расчётная

12

нии); tл – средний логарифмический температурный напор между поверх-

ностью твердого тела и жидкостью.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи при вязкостно-

гравитационном режиме ( Gr Pr 8 105 ) определяется из формулы

Значения среднего коэффициента теплоотдачи при переходном режиме течения ( 2300 Re 10000) можно найти из формулы

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении ( Re 10000 ) используется формула

щий линейный размер принят внутренний диаметр трубы; за определяющую температуру – средняя температура потока tж.

Теплофизические свойства теплоносителей при различных температу-

рах можно определить по таблицам приложения.

Если течение жидкости происходит по каналам некруглого сечения, то в качестве линейного размера принимается эквивалентный диаметр

экв u

где f – площадь поперечного сечения канала (живое сечение); u – полный смоченный периметр канала.

14

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ

Агрегатное состояние жидкости, омывающей поверхность твердого те-

ла, изменяется в тех случаях, когда температура поверхности тела tc стано-

вится выше или ниже температуры фазового превращения жидкости ts при данном давлении. В первом случае ( tc ts ) теплоотдача сопровождается ки-

пением жидкости, а во втором ( tc ts ) ‒ конденсацией пара.

Теплоотдача при конденсации пара. При соприкосновении пара со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения ts , пар конден-

сируется. В зависимости от состояния поверхности стенки; конденсат может принимать форму капель или пленки. В соответствии с этим конденсация па-

ра называется капельной или пленочной. Капельная конденсация происходит в условиях естественного движения, когда конденсат не смачивает поверхно-

сти стенки. Это обычно наблюдается на поверхности стенок, покрытых тон-

ким слоем масла, керосина или жирных кислот. При капельной конденсации теплоотдача в 5 ÷ 10 раз выше, чем при пленочной. Однако пленочная кон-

денсация имеет наибольший практический интерес, поскольку она встречает-

ся преимущественно в промышленных теплообменных аппаратах.

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при конденса-

ции чистого пара и ламинарном движении пленки рекомендованы следую-

щие формулы:

на вертикальной стенке или трубе высотой h

В формулах (31) и (32) теплофизические свойства конденсата выбира-

ются при температуре насыщения, за определяющий линейный размер ( )

для вертикальных стенок и труб принимается их высота, а для горизонталь-

ных труб ‒ диаметр.

Теплоотдача при кипении жидкости. При контакте жидкости со стенкой, температура, которой выше температуры насыщения ts , начинается процесс кипения. В зависимости от состояния поверхности твердого тела и свойств жидкости возможно пузырьковое или пленочное кипение.

При небольших значениях температурного перепада t tc ts обычно наблюдается пузырьковое кипение, которое с увеличением центров парооб-

разования стремится к максимальному значению коэффициента теплоотда-

чи. Дальнейший рост перепада температур приводит к образованию сплош-

ной паровой пленки на поверхности твердого тела, что соответствует пле-

ночному режиму кипения и уменьшению значения коэффициента теплоотда-

чи.

Пленочное кипение является нежелательным, так как оно приводит к перегреву поверхности труб и является причиной недопустимых температур-

ных деформаций.

При пузырьковом кипении на горизонтальной трубе или пучке труб в теплообменных аппаратах [1] среднее значение коэффициента теплоотдачи рекомендуется определять из критериального уравнения

Линейный размер, пропорциональный отрывному диаметру пузырька

поверхностного натяжения жидкости, Н/м.

Безразмерный комплекс, характеризующий гидравлику кипения

Теплофизические свойства пара (п) и жидкости в (33) выбираются при температуре насыщения.

Примерные значения коэффициента теплоотдачи для различных усло-

вий теплообмена лежат в пределах:

-нагревание и охлаждение воздуха 1 ÷ 150 Вт/(м2.К);

-нагревание и охлаждение воды 200 ÷ 12000 Вт/(м2.К);

-кипение жидкостей 50 ÷ 60000 Вт/(м2.К);

-конденсация пара 4500 ÷ 120000 Вт/(м2.К).

РАСЧЕТ КОНЕЧНЫХ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

Для конкретного теплообменного аппарата при заданных расходах, из-

вестных начальных температурах теплоносителей и коэффициенте теплопе-

редачи по уравнению теплопередачи при переменных температурах второго рода [1, 3, 4] можно вычислить тепловой поток и конечные температуры теп-

лоносителей на выходе из аппарата

17

где Wm – приведенный водяной эквивалент, определяемый в зависимости от водяных эквивалентов горячего W1 , холодного W2 теплоносителей и схемы движения потоков, Вт/К.

Для схем движения:

Для теплообменников с фазовым переходом приведенный водяной эк-

вивалент численно равен водяному эквиваленту однофазного теплоносителя.

При правильной оценке термических сопротивлений загрязнений раз-

личие между опытными и расчетными значениями конечных температур теплоносителей на выходе из теплообменника должно быть в пределах по-

грешности эксперимента.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

К лабораторным работам допускаются студенты, предварительно изу-

чившие методические указания и имеющие соответствующий конспект.

Включение, вывод на рабочий режим и выключение лабораторной установки производится лаборантом.

18

Перед проведением лабораторной работы со студентами проводится инструктаж по технике безопасности при работе на виртуальной установке,

результаты которого фиксируются в кафедральном журнале по технике без-

опасности. Затем производится ознакомление с установкой, принципами ра-

боты измеряющих приборов и записываются основные характеристики стен-

да.

Для установления стационарного теплового режима следует в течение

1 - 2 минут регистрировать показания приборов, регистрирующих давление,

перепад давления и температуры горячего и холодного теплоносителей.

Режим считается стационарным, если при неизменных перепадах дав-

лений показания милливольтметров не отличаются в последнем знаке после запятой.

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Теплопередача в однофазном теплообменнике типа «труба в трубе»

Лабораторная работа выполняется на виртуальном теплообменном ап-

парате жесткой конструкции типа «труба в трубе».

Цель работы – провести испытания теплообменного аппарата.

Порядок подготовки установки к работе и проведение опыта

Для запуска лабораторной работы надо открыть файл TP_014. Затем последовательно кликнуть на «Disable This Warning And Continue» и «ОК».

На вкладке «Параметры» (рисунок 3) выбрать размеры теплообменни-

ка, теплоносители и схему движения. Выбор теплоносителей производится по заданию преподавателя.

Рисунок 3 – Выбор параметров исследуемого теплообменника: теплоносители: вода – вода; схема движения – прямоток.

Параметры теплообменного аппарата заносятся в таблицу 1.

На схеме виртуального теплообменника (рисунок 4) мышкой кликнуть на ключи S1 и S2 для включения привода насосов или компрессоров горячего и холодного теплоносителей. Ключ S3 включает систему нагрева теплоносите-

лей.

Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе 1. Расход его регулируется реостатом R3 и замеряется с помощью перепада давлений на кольцевой диафрагме 2.

20

Рисунок 4 – Схема виртуальной установки: схема движения – прямоток.

Холодный теплоноситель течет по межтрубному пространству - коль-

цевому каналу между трубой и кожухом 3. Расход холодного теплоносителя регулируется реостатом R2 и замеряется с помощью перепада давлений на кольцевой диафрагме 4.

При реализации схемы движения противоток меняем направление хо-

лодного теплоносителя на противоположное и отмечаем соответствующую позицию во вкладке «Параметры».

Таблица 1 – Параметры теплообменного аппарата

Теплоносители: вода - вода