LABORATORNYE_RABOTY_TEPLOTEKhNIKA

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПАРОВОДЯНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

В рекуперативных теплообменных аппаратах, к которым относится пароводяной теплообменник, передача теплоты от непрерывно движущегося горячего теплоносителя к холодному происходит через разделяющую их поверхность (стенку).

Для определения требуемой площади поверхности теплообме-

на используется уравнение теплопередачи: Q = k F t,

где Q – тепловой поток, [Вт],

k – коэффициент теплопередачи, [Вт/м2К] F – поверхность теплообмена, [м2]

t – средний температурный напор, [0С], который можно определить как средний логарифмический напор

где tб и tм – наибольшая и наименьшая разность температур между теплоносителями на входе и выходе теплообменника;

t1 и t2 – средние температуры теплоносителей. Коэффициент теплопередачи k через плоскую (или цилиндри-

k 1 1δ 1

α1 λ α2

где 1 , 2 – коэффициенты теплоотдачи, [Вт/м2К];

– теплопроводность материала стенки, [Вт/мК];0.5(dнар – dвн) – толщина стенки, [м]

Ср Атмосферное (барометрическое) давление воздуха Р = [ кПа];

Пересчет mB в 0C: t 0C = t mB * 24.5 +tc1

Обработка результатов экспериментов

При обработке результатов эксперимента необходимо: исследовать состояния воздуха в различных сечениях воздушного тракта установки (на входе, за калорифером, за сушильной камерой и на выходе); определить количества испаренной влаги на 1 кг сухого воздуха, расход тепла на испарение кг влаги и количества тепла, потерянного отдельными частями установки.

Для этого:

1. По h-d-диаграмме (см. ксерокс диаграммы) определить параметры воздуха (d, h, Pп) в четырех поперечных сечениях воздушного тракта установки, построив процессы нагрева и сушки по

точкам: (т.1) (т.2) (т.4) (т.3).

Для факультета ТГВ:

Полученные опытные данные обработать и занести в таблицу 2.

f(lg(GrPr)).

Получить зависимость в виде Nu=C(GrPr)n, определив значения постоянных С и n:

- показатель степени n находят как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс: для любых двух точек прямой:

lgNu1 lgNu2

tg = n lg(GrPr)1 lg(GrPr)2 ;

-коэффициент С (после определения n) определяют для лю-

Nu

бой точки прямой: C (GrPr)n , (расчет провести для трех точек графика, определить среднее арифметическое значение).

Конспект лабораторной работы должен содержать:

- краткие теоретические сведения (должны быть отражены понятия: конвективный теплообмен, свободная и вынужденная конвекция, закон Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи,

влияющие на него факторы, порядок значений к при свободной конвекции в воздухе; излучение, лучистый тепловой поток между телами; характер свободного движения около горячих горизонтальных труб; критерии подобия при свободной конвекции, зависимость между ними);

-схему экспериментальной установки и ее описание;

-методику обработки экспериментальных данных;

-таблицу результатов эксперимента;

-расчет опытного коэффициента теплоотдачи ;

-расчет теоретического коэффициентатеплоотдачи.

Обработка результатов экспериментов

Определение опытного коэффициента теплоотдачи к(опытн)

1.Полный тепловой поток от поверхности трубы: Q = I . U, [Вт] где U – напряжение на нагревателе, измеренное вольтметром, [В]; I – ток, протекающий через нагреватель, измеренный ампер-

метром, [А].

2.Тепловой поток излучением с поверхности трубы Qл, [Вт]:

где Со = 5.67 [Вт/м2К4] – коэффициент излучения абсолютно черного тела,

– степень черноты материала трубы, = 0.2

F = dl – боковая поверхность трубы, [м2],

d = 0.01 – диаметр трубки, [м]; l = 0,5 – длина трубки, [м]; Тс =tc + 273 – средняя температура стенки трубы, [К],

tc = 1/6 tci,

tci– температура стенки трубы, измеренная термопарами, [0С]

ж=tж + 273 – температура окружающего воздуха, [К]

3.Тепловой поток, передаваемый конвекцией: Qк = Q - Qл.

4.Средний коэффициент теплоотдачи конвекцией к(опытн):Т

αк (tc Qtжк ) dl .

Определение коэффициента теплоотдачи с использованием теории подобия к(теоретич)

Рассчитать средний коэффициент теплоотдачи к(теоретич), используя формулы (2), (3), (4). Физические свойства воздуха ( ж,ж, Prж) см. Приложение 1. За определяющую температуру принять температуру воздуха вдали от стенок tж, за определяющий размер горизонтальной трубы – диаметр трубы d.

Сравнить полученные значения к(теоретич) с к(опытн).

Определить % расхождения: к(теор) к(опытн) 100%.

к(опытн)

Для нахождения на h-d-диаграмме точки 1 используют показания психрометра (температуры сухого и мокрого термометров tс1, tм1). Точку 2 находят по условию нагрева d = const и температуре за калорифером t2 , затем точку 4 – по показаниям сухой и мокрой термопар tс4, tм4 в выходном трубопроводе, а точку 3 – по условию d3 = d4 и температуре за сушилкой t3.

Определить по h-d-диаграмме параметры в точках:

2. Рассчитать тепловой баланс установки:

(на входе) Gbh1 Q Qkn Qcn QnT Gbh4 (на выходе)

Составляющие теплового баланса:

 поток энтальпии на входе в установку – Gbh1 , [Вт]

где Gb – массовый расход сухого воздуха, [кг/с]; Gb V1ρb1,

V1 – объемный расход воздуха на входе в установку, [м3/с]b1 – плотность сухого воздуха, [кг/ м3]

где Р – атмосферное (барометрическое) давление, [Па] Pb – парциальное давление сухого воздуха, [Па] Pп1 – парциальное давление пара, [Па]

Rb= 287 Дж/кгК – газовая постоянная сухого воздуха tс1 – температура воздуха на входе в установку, [0C]

 Теплота, отдаваемая нагревателем – Q = UI , [Вт], где

U – напряжение на нагревателе, [В]; I – ток через нагреватель, [А]  Потери теплоты в калорифере могут быть определены как разность между количеством тепла, отданным нагревателем в калорифере Q, и количеством тепла, реально полученным воздухом в

калорифере: Qkn Q Gb(h2 h1), [Вт]

 Потери теплоты в сушилке определяются, исходя из того, что при отсутствии тепловых потерь в сушильной камере процесс сушки ткани протекал бы при постоянной энтальпии, тогда

Qcn Gb(h2 h3), [Вт]

3. Определить технические показатели эффективности установки В h-d-диаграмме построить процессы 1-2а-4 и 1-2t-4t (см. рис.2.2) Для точек 4, 4t, 4o определить параметры:

Рассчитать (ф-лы (6), (7), (8)) количества теплоты, затраченные в различных процессах, сравнить их.

Эффективность установки оценивают количеством теплоты, за-

где Q/Gb – теплота нагревателя, подводимая к 1 кг сухого воздуха

Порядок проведение лабораторной работы

1.Ознакомиться со схемой установки, изучить описание ра-

боты.

2.Латтером 5 установить режим нагрева трубки.

3.При достижении установившегося режима (стабильности показаний приборов) занести показания приборов в таблицу 1 результатовэксперимента.

Записываются следующие показания: амперметра 3 – сила тока

I, А; вольтметра 4 – напряжение U, В; милливольтметра 8 – по-

следовательным переключением положений переключателя 7 – температура стенки tc в шести точках трубы, mV, с пересчетом показаний в 0С. Температура окружающего воздуха tж измеряется с помощью ртутного термометра, установленного на стенде.

Пересчет mB в 0C: t 0C = t mB * 24.5 +tж, tж – температура воздуха в помещении.

4. Повторить опыт, установив латтером 5 новый режим нагрева трубки (3 - 4 опыта).

Таблица результатов экспериментов

Перевод значений термоЭДС из mВ воС: tc = mВ . 24.5 + tж

Схема экспериментальной установки

Установка (рис.3) состоит из горизонтальной металлической трубы 1, внутри которой размещен электрический нагреватель 2.

Для определения мощности нагревателя сила тока I измеряется амперметром 3, напряжение U – вольтметром 4. Электрический ток, подводимый к зажимам нагревателя, регулируется лабораторным трансформатором 5.

Температура поверхности трубы измеряется с помощью шести термопар 6, которые равномерно размещены по длине трубы со сдвигом на 600 относительно друг друга, что необходимо для учета изменения температуры по периметру трубы. Термопары через переключатель 7 подключены к милливольтметру 8. Температура окружающего воздуха измеряется ртутным термометром, установленным на стенде. Холодные спаи термопар помещены в термостатированный сосуд 9.

[Дж/кг с.в.]; d4 – d1 – количество влаги, уносимой 1 кг сухого воздуха, [кг влаги/кг с.в.]

При уменьшении тепловых потерь величина qвл становится меньше. Для данного режима работы минимум qвл соответствует процессу 1-2а-4, проходящему без потерь теплоты:

Еще меньше величина qвл для процесса 1-2t-4t, когда воздух уходит из установки с той же температурой, что и на входе (t4t=t1):

Можно увлажнять воздух вообще без затрат теплоты: для процесса 1 – 4о величина qвл равна нулю. При этом на испарение затрачивается физическая теплота воздуха, температура которого снижается до температуры мокрого термометра tм1.

4. Для факультета ТГВ:

где dм – влагосодержание, определяемое по формуле (4) при условии Рп = Рн (см. формулу (3) при t =tм).

Конспект лабораторной работы должен содержать:

-схему и описание установки; методику расчета;

-таблицы результатов опытов;

-изображение процессов в h-d-диаграмме;

-расчет теплового баланса установки;

-расчет технических показателей эффективности установки.

Врасчетах указывается: название рассчитываемой величины, расчетная формула, подставленные числовые значения, размерность полученной величины.

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ

ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

Конвекция – процесс переноса тепла за счет перемещения макроскопических частиц жидкости (газа, капельной жидкости, расплава металла). Различают: вынужденную конвекцию (под действием внешних побудителей – насоса, вентилятора) и свободную (естественную) (под действием подъемной силы в неравномерно нагретой среде с различной плотностью в различных точках рассматриваемого пространства).

Конвективная теплоотдача – процесс переноса тепла между жидкостью и поверхностью твердого тела. Основной закон конвективной теплоотдачи – закон Ньютона-Рихмана, согласно которому количество теплоты, передаваемое конвекцией от поверхности тела (в данном опыте – горизонтальной трубки) к жидкости (окружающему воздуху), определяется по формуле:

Qк = к F (tc – tж),

где к – коэффициент теплоотдачи, [Вт/м2К]

F= dl – боковая поверхность трубки, [м2]

tс и tж – температуры стенки трубки и воздуха, [0С]

По определяемой из опыта величине Qк рассчитывается:

Кроме того, коэффициент теплоотдачи можно определить с использованием критериев (чисел) подобия:

Для свободной конвекции около горизонтальных труб

Nuж=0.5(GrжPrж)0.25 (3)

Число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи):

Nuж λкd

Число Грасгофа (характеризует соотношение подъемной силы и

– температурный коэффициент объемного расширения, для

газов 1 , [1/К]; Тж – температура газа, [К]

Tж

Программа работы

1.Определить (формула (1)) значения опытного коэффициента

теплоотдачи к(опытн) от горизонтальной трубы к окружающему воздуху при различных температурных режимах.

2.Определить (формула (2)) значения расчетного коэффициен-

та теплоотдачи к(теоретич).

Сравнить с опытными значениями по п.1.

3. для студентов факультета ТГВ: установить зависимость

Nu=C(GrPr)n, определив значения постоянных С и n с использованием графика в lg-координатах lgNu = f (lg(GrPr)).