(Троицкая) Лабораторные Теплотехника 2013

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 теплообмена используется уравнение теплопередачи:

Q = k F t ,

где Q — тепловой поток, Вт;

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

t — средний температурный напор, °С, который можно определить как средний логарифмический напор

или при Δtб 1,4 определяется как средний арифметический напор

Δtм

tарср 0,5( tб tм ) t1 t2 ,

где tб и tм — наибольшая и наименьшая разность температуры между теплоносителями на входе и выходе теплообменника;

t1 и t2 — средняя температура теплоносителей.

Коэффициент теплопередачи k через плоскую (или цилиндриче-

где α1, α2 — коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2·К);

— теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К);0,5(dнар – dвн) — толщина стенки, м.

22

ткани (модель сушильной установки) или в увлажнении воздуха (модель системы кондиционирования).

В калорифере 1 (рис.2.1) находится металлическая труба 2, внутри которой располагается нагреватель 3 — нихромовая проволока, намотанная на стержень 4. Данная конструкция позволяет снизить потери теплоты в калорифере за счет рационального движения воздуха: по кольцевому зазору между корпусом 1 и трубой 2 сверху вниз движется холодный воздух, который затем поднимается вверх внутри трубы 2, получая теплоту непосредственно от нагревателя 3.

20

Через трубопровод 5 воздух поступает в сушильную камеру 6, наружная поверхность которой покрыта тепловой изоляцией 7.

11

В центре камеры помещена влажная хлопчатобумажная ткань 8, подвергаемая сушке. Вода в нее поступает по принципу фитиля из сосудов 9. Из сушильной камеры по трубопроводу 10 воздух идет к вентилятору 11, обеспечивающему движение воздуха через установку.

Для определения мощности нагревателя Q напряжение U измеряется вольтметром 12, сила тока I — амперметром 13. Электрический ток, подводимый к зажимам нагревателя, регулируется лабораторным трансформатором 14. Измерение объемного расхода воздуха на входе в установку V производится газовым счетчиком 15.

Состояние воздуха в лаборатории определяется по психрометру, температура воздуха после прохождения калорифера измеряется термопарой 16, после сушилки — термопарой 17, а состояние уходящего воздуха определяется по показаниям «сухой» и «мокрой» термопар 18 и 19. Термопары подключены к милливольтметру 20 через переключатель 21. Холодные спаи термопар помещены в термостатированный сосуд 22. Для измерений атмосферного давления используется барометр.

Порядок проведение лабораторной работы

1.Перед началом опыта необходимо убедиться в наличие воды

всосудах 9 и насыщении влагой ткани 8.

2.Включить вентилятор 11, затем — электронагреватель 14. Мощность нагревателя устанавливается так, чтобы температура воздуха после выхода из калорифера составляла примерно 70 °C.

3.Проводят измерения после выхода на стационарный режим.

Таблица результатов эксперимента

12

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»:

Полученные опытные данные обработать и занести в таблицу 2.

Построить в координатах lgNu/lg(GrPr) график lgNu = 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:

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

графика, определить среднее арифметическое значение).

Конспект лабораторной работы должен содержать:

‒краткие теоретические сведения (должны быть отражены поня-

тия: конвективный теплообмен, свободная и вынужденная конвекция, закон Ньютона-Рихмана; коэффициент теплоотдачи, определе-

ние, формула, влияющие на него факторы, порядок значений αк 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;

‒таблицу результатов эксперимента;

‒методику обработки экспериментальных данных;

‒расчет опытного коэффициента теплоотдачи;

‒расчет теоретического коэффициента теплоотдачи.

21

Обработка результатов экспериментов

1Определение опытного коэффициента теплоотдачи αк(оп.)

1.Полный тепловой поток от поверхности трубы Q, Вт:

Q = U I,

где U — напряжение на нагревателе, измеренное вольтметром, В;

I — ток, протекающий через нагреватель, измеренный амперметром, А.

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

где Со = 5,67 Вт/(м2·К4) — 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, °С; Тж = tж + 273 — температура окружающего воздуха, К.

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

4. Средний коэффициент теплоотдачи конвекцией αк(оп.), Вт/(м2·К):

2 Определение коэффициента теплоотдачи с использованием теории подобия αк(теор.)

Рассчитать средний коэффициент теплоотдачи αк(теор.), 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 αк(теор.) с αк(оп.).

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

к(оп.)

20

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 теплоты, потерянной отдельными частями установки.

Для этого:

1.По h-d-диаграмме (см. ксерокс диаграммы) определить парамет-

ры воздуха (d, h, Pп) в четырех поперечных сечениях воздушного тракта установки, построив процессы нагревания и сушки по точкам:

(т.1) (т.2) (т.4) (т.3).

Для нахождения точки 1 на h-d-диаграмме используют показания психрометра (температуры сухого и мокрого термометров tс1, tм1). Точку 2 находят по условию нагревания при 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:

13

2. Рассчитать тепловой баланс установки:

(на входе) Gвh1 Q Qkn Qcn QnT Gвh4 (на выходе).

Составляющие теплового баланса:

 Поток энтальпии на входе в установку: Gвh1, Вт,

где Gв — массовый расход сухого воздуха, кг/с: Gв V1ρв1, V1 — объемный расход воздуха на входе в установку, м3/с;в1 — плотность сухого воздуха, кг/ м3:

где Р — атмосферное (барометрическое) давление, Па; Pв — парциальное давление сухого воздуха, Па;

Pп1 — парциальное давление пара, Па;

Rв= 287 Дж/(кг·К) — газовая постоянная сухого воздуха; tс1 — температура воздуха на входе в установку, °C.

 Теплота, отдаваемая нагревателем: Q = U·I, Вт, где

U — напряжение на нагревателе, В; I — ток через нагреватель, А.

 Потери теплоты в калорифере могут быть определены как разность между количеством теплоты, отданной нагревателем в калорифере Q, и количеством теплоты, реально полученной воздухом в

калорифере: Qkn Q Gв (h2 h1 ) , Вт.

Потери теплоты в сушилке: Qnc Gв (h2 h3 ) , Вт.

Потери теплоты в трубопроводе: QnT Gв (h3 h4 ) , Вт.

Поток энтальпии на выходе из установки: Gвh4, Вт.

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

14

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 60° 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.

Порядок проведение лабораторной работы

1.Ознакомиться со схемой установки, изучить описание работы.

2.Автотрансформатором 5 установить режим нагревания трубки.

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

4.Повторить опыт, установив автотрансформатором 5 новый режим нагревания трубки (3—4 опыта).

Таблица результатов экспериментов

Перевод значений термоЭДС из mВ в °С: tc = mВ . 24,5 + tж.

19

Программа работы

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

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

2.Определить (формула (2)) значения расчетного коэффициента

теплоотдачи αк(теор.).

Сравнить с опытными значениями по п.1.

3.для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Теп-

логазоснабжение и вентиляция»: установить зависимость Nu = = C(GrPr)n, определив значения постоянных С и n с использованием графика в lg-координатах lgNu = f (lg(GrPr)).

Схема экспериментальной установки

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

1

A

Рис. 3

18

где Q/Gв — теплота нагревателя, подводимая к 1 кг сухого воздуха, Дж/кг с.в;

d4 – d1 — количество влаги, уносимой 1 кг сухого воздуха, кг/кг с.в. При уменьшении тепловых потерь величина qвл становится мень-

ше. 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.

15

4. Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Теплогазоснабжение и вентиляция»:

Рассчитать параметры (h, d, Рп) в точках 1, 2, 3, 4, используя формулы (3), (4), (5). Сравнить с данными h-d-диаграммы (п.1).

Для этого: по показаниям психрометра определяется влагосодер-

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;

‒таблицы результатов опытов;

‒методику расчета теплового баланса и показателей эффективности;

‒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 теплоты 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 теплоты между жидкостью и поверхностью твердого тела. Основной закон конвективной теплоотдачи — закон Ньютона-Рихмана, согласно которому количество теплоты, передаваемое конвекцией от поверхности тела

16

(в данном опыте — горизонтальной трубки) к жидкости (окружающему воздуху), определяется по формуле (закон Ньютона-Рихмана):

Qк = к F (tc – tж),

где к — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); F = dl — боковая поверхность трубки, м2;

tс и tж — температура стенки трубки и воздуха, соответственно, °С.

По определяемой из опыта величине Qк рассчитывается: «опытный коэффициент теплоотдачи к(оп.)»

Кроме того, коэффициент теплоотдачи можно определить с ис-

Число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи):

Nuж d .

λ ж

Число Грасгофа (характеризует соотношение подъемной силы и си-

лы трения): Grж g td3 . (4)

2

Число Прандтля (теплофизический параметр) Prж a , (справочная

величина),

где d — диаметр трубки, м;

— кинематическая вязкость, м2/с; а — температуропроводность, м2/с;

ж — теплопроводность жидкости, Вт/(м·К);t = tс – tж — температурный напор, °С;

g = 9,8 — ускорение свободного падения, м/с2;

— температурный коэффициент объемного расширения, для га-

зов 1 , 1/К; Тж — температура газа, К.

Tж

17