МУ к установке по теплотехнике

Зная, К и tср из уравнения (5) можно определить площадь поверхности теплообмена аппарата F, необходимую для осуществления процесса теплопередачи заданной тепловой нагрузки Q:

,

(18)

От величины F зависят и общие габариты теплообменного аппарата, определяемые конструктивным расчетом.

2 Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рисунке 3. Установка состоит из двух теплообменников А1, А2 и парогенератора А3 - основные ее рабочие элементы.

Теплообменник А1 типа “труба в трубе”, предназначен для теплообмена между системами пар-жидкость.

Его внутренняя медная труба имеет наружный диаметр d_н= 8 мм, внутренний диаметр d_в= 6,8 мм, толщина стенки = 0,6 мм. Длина внутренней трубы по которой рассчитывается поверхность теплообмена L₁ = 1220 мм (что соответствует площади теплообмена F₁ = 0,023 м²). Наружная труба из нержавеющей стали - Ø 34×2 мм. Теплообменник А1 покрыт слоем теплоизоляции толщиной 13 мм.

Теплообменник А2 кожухотрубный одноходовой предназначен для теплообмена между системами жидкость - газ. Теплообменник А2 состоит из внутренних трубок, изготовленных из нержавеющей стали в количестве n=37, с наружным диаметром d_н= 15 мм., внутренним диаметром d_вн=14 мм. и толщиной стенки = 0,5 мм. Внутренний диаметр корпуса теплообменника D_вн =150 мм. Длина трубок теплообменника по которой рассчитывается площадь теплообмена L₂ =1550 мм., (что соответствует площади теплообмена F₂ = 2,5 м². Теплообменник А2 не содержит по конструкции внутренних поперечных перегородок в межтрубном пространстве и покрыт слоем теплоизоляции толщиной 20 мм. Общая поверхность теплоизоляции теплообменника А2 составляет F=0,975 м².

Установка снабжена локальным парогенератором А3 объемом 12 л и мощностью 6 кВт. Наружная поверхность парогенератора линии подвода пара и отвода конденсата также теплоизолированы. Суммарная наружная поверхность теплоизоляции парогенератора и его линий составляет F_из = 1,16 м², теплообменника А1- F= 0,244 м², что составляет 20 % от общей поверхности теплоизоляции тракта парогенератор А3 – теплообменник А1.

Расход холодной воды из водопроводной сети измеряется двумя приборами: ультразвуковым счетчиком ULTRAFLOV (Дания) с импульсным выходом

Рисунок 3 –

Схема экспериментальной установки

(300 имп./литр) и ротаметром Р₁. Ультразвуковой счетчик совместно со счетчиком импульсов СИ8(РВ) обеспечивает цифровой замер расхода воды. Ротаметр Р₁ позволяет визуально контролировать текущий расход воды и корректировать его вентилем ВР1.

Холодная вода поступает на вход теплообменника А1 во внутреннюю трубу, где она обменивается теплом с насыщенным водяным паром, поступающим из парогенератора А3 в кольцевое пространство между внутренней и наружной трубами теплообменника А1. Конденсат пара стекает обратно по отводящей линии в парогенератор А3.

Теплообменник А1 снабжен продувочным краном К32 для удаления из него воздуха при пуске установки.

Нагретая вода из теплообменника А1 поступает в трубное пространство теплообменника А2, где она нагревает поток воздуха, подаваемого в межтрубное пространство теплообменника А2 под действием разрежения, создаваемого вентилятором Н1.

Поток воздуха с помощью электромагнитных клапанов К14 может переключаться в прямоточном или противоточном направлении движения относительно потока воды. Расход воздуха замеряется диафрагмой ДКС-50, перепад давления на которой измеряется датчиком ЗОНД 10-ДД с токовым выходом 4-20 mA и вторичным прибором ТРМ-200. Регулирование расхода воздуха осуществляется с помощью частотного преобразователя типа «Веспер» и внешнего ступенчатого переключателя «расход воздуха» на передней панели щита КИП.

Температура пара регулируется ПИД - регулятором ТРМ-101-ИР. Входные и выходные температуры теплообменников А1 и А2 измеряются термометрами сопротивления типа ТСМ50, которые устанавливаются в медных гильзах, расположенных в их подводящих и отводящих патрубках.

Вторичными приборами для замера параметров теплообменников А1, А2, являются 5 двухканальных измерителей температуры типа ТРМ-200.

Измерители постоянно отображают входные и выходные данные температуры сред теплообменников, по точкам контроля температур в следующей последовательности:

1 - греющий пар А1;

2 - вода на входе А1;

3 - вода на выходе А1 и входе А2;

4 - вода на выходе А2;

5 - прямоток: воздух на входе А2;

- противоток: воздух на выходе А2;

6 - прямоток: воздух на выходе А2;

- противоток: воздух на входе А2;

7,8 - внешняя поверхность А2;

9,10 - внешняя поверхность изоляции А2.

Потребляемая мощность парогенератором из электрической сети определяется с помощью электронного счетчика «Меркурий – 234» (СЭ) с импульсным выходом и счетчика импульсов СИ8 (РЭ).

3 Пуск установки

Включение установки и вывод её на назначенный режим осуществляется учебно-вспомогательным персоналом в следующей последовательности:

1 Ключ “Включение установки” поставить в положение “Вкл”.

2 Проконтролировать по сигнализатору САУ-7Е уровень воды в парогенераторе А3 (должны светиться светодиоды нижнего и среднего уровней, светодиод “авария” - погашен).

3 Открыть продувочный кран К32 на теплообменнике А1.

4 Включить воду на установку и регулировочным вентилем ВР1 установить расход воды по прибору 30 литров/час.

5 Нажать кнопку “Пуск парогенератора”, при этом сработает электрическая схема блокировок и сигнализации и включается управление нагревом парогенератора.

6 При достижении температуры 100С на приборе «Температура парогенератора» и появлении пара из продувочного крана 32, закрыть этот кран и дождаться выхода установки на стационарный режим.

4 Лабораторная работа № 1

Исследование работы теплообменных аппаратов при теплообмене между системами пар-жидкость и жидкость-газ.

4.1 Цель работы:

Целью данной работы является испытание рекуперативного теплообменного аппарата при стационарном режиме теплообмена и получение основных характеристик его работы.

4.2 Порядок проведения работы

4.2.1 По заданию преподавателя устанавливают расход воды вентилем ВР1 по прибору (рекомендуемый расход 50 л/час).

4.2.2 Переключатель «противоток – выкл. – прямоток» устанавливают в положении «противоток».

4.2.3 По заданию преподавателя с помощью переключателя «Расход воздуха» устанавливают расход воздуха с помощью вентиля ВР2 (рекомендуется положение «3»).

4.2.4 Через 15-20 мин. приступают к снятию показаний прибора, замеряющего входные и выходные параметры теплообменников А1, А2 и записывают их в таблицы по формам 4.1, 4.2 (для увеличения точности эксперимента показания снимают  35 раз - с интервалом 0,51 мин, а затем усредняют).

4.2.5 Записывают показание прибора замеряющего потребляемую мощность парогенератором.

Таблица 4.1 - Теплообменник А1

Мощность, потребляемая парогенератором N, Вт	Объемный расход воды л/час	Массовый расход воды GВ, кг/с	Температура, С
			конденсации пара	воды
			вход/выход t1	вход t2	выход t3

Таблица 4.2 - Теплообменник А2

Схема включения	Перепад давления на диафрагме, Па	Массовый расход воздуха Gвозд, кг/с	Температура, С
			воды		воздуха
			вход t3	выход t4	t5	t6
противоток
прямоток

Продолжение таблицы 4.2 - Теплообменник А 2

Схема включения	Поверхность теплообменника		Поверхность теплоизоляции
	t7	t8	t9	t10
противоток
прямоток

4.3 Обработка результатов измерений

4.3.1 Вычислить количество теплоты Q , (дж/с), полученное водой в теплообменнике А1:

,

где с_в = 4186 дж/(кг К) - теплоемкость воды.

4.3.2 Используя замеренную мощность потребляемую парогенератором из электрической сети, определить общие потери тепла в окружающую среду Qпотерь (дж/с) через поверхность теплоизоляции контура парогенератор - теплообменник А1:

,

4.3.3 Считая, что потери тепла через теплоизоляцию теплообменника А1 Q составляют 20% (по площади теплоизоляции) от общих потерь тепла, определяют:

,

4.3.4 Используя характер изменения температур теплоносителей в случае конденсации горячего теплоносителя (см. рис.2, стр.5), определить среднюю разность температур t (С):

,

4.3.5 Вычислить значение коэффициента теплопередачи К₁ [вт/(м²·К )] для теплообменника А1:

,

где F₁ = 0,03 м² - расчетная поверхность теплообменника.

4.3.6 Для теплообменника А2 вычислить:

а) количество тепла Q(Дж/с), переданное водой:

,

б) количество тепла Q_возд. (дж/с), полученное воздухом при противотоке:

,

и прямотоке:

,

где с_возд. = 1005 Дж/(кг·К) - теплоемкость воздуха.

4.3.7 С учетом схем движения теплоносителей (противоток - прямоток) построить графики изменения температур теплоносителей по длине теплообменника А2 (см. рис. 1 и 2, стр.4 и 5). Ориентируясь по схемам, подсчитать значения больших и меньших разностей температур между теплоносителями и вычислить значения средних разностей температур t и t, в зависимости от отношения как среднеарифметические (7) или среднелогарифмические (6):

а) противоток - t_б(м) = t₃ – t₅, ;

б) прямоток - t_б = t₃ – t₅, .

4.3.8 Вычислить значения коэффициентов теплопередачи К₂ [Вт/(м²·К)] для теплообменника А2:

а) противоток - ;

б) прямоток – ,

где F₂ = 02,5 м² - расчетная поверхность теплообмена.

4.3.10 Оценить соотношения величин термических сопротивлений при теплопередаче между системами пар - жидкость, жидкость - газ через отношение коэффициентов .

4.3.11 Для одной из выбранных схем движения теплоносителей определить потери тепла в окружающую среду через поверхность теплоизоляции теплообменника А2 Q, Дж/с:

,

4.3.12 Для выбранной схемы движения теплоносителей определить среднюю температуру поверхности теплообменника А2 t и среднюю температуру поверхности теплоизоляции теплообменника А2 t:

,

4.3.13 По потерям тепла Q, используя закон теплопроводности для стационарного процесса, определить коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции , Вт/(м·К):

где = 0,013 - толщина слоя теплоизоляции, F - площадь внешней поверхности теплоизоляции.

4.3.14 Результаты вычислений занести в таблицу 4.3

Таблица 4.3 – Результаты вычислений

№ п/п	Наименование	Обозначение	Теплообменник
			А1	А2
1	Система		пар-жидкость	жидкость-пар
2	Поверхность теплообменника, м2	F
3	Тепловая нагрузка (с учетом тепловых потерь), Вт	Q
4	Средняя разность температур, 0С а) противоток А2; б) прямоток А2	t; t; t
5	Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К)	К
6	Отношение термических сопротивлений	К1/К2
7	Коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/м К)

4.4 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

– цель и содержание работы;

– схему установки, краткое ее описание;

– основные расчетные зависимости;

– таблицы экспериментальных и расчетных величин;

– выводы о величинах термических сопротивлений при теплообмене между различными средами;

– выводы о качестве теплоизоляции аппаратов.

4.5 Вопросы для самоконтроля.

1 Какие способы передачи тепла Вы знаете?

2 Как разделяются по принципу действия теплообменные аппараты?

3 Понятия теплопередача и теплоотдача, в чем их различие?

4 С помощью каких уравнений определяется тепловая нагрузка теплообменного аппарата и затраты энергии на проведение процесса?

5 Что понимается под скоростью теплового процесса?

6 Что является расчетной геометрической характеристикой теплообменного аппарата и с помощью какого управления она определяется?

7 Что является движущей силой теплового процесса и как определяется средняя движущая сила?

8 Что такое термическое сопротивление процесса теплопередачи, из каких составляющих оно складывается, коэффициент теплопередачи, их физический смысл?

9 В каком случае при теплообмене между различными системами: пар - жидкость, пар - газ, жидкость - газ, термическое сопротивление является минимальным, а в каком максимальным при равных условиях теплообмена, чем это обусловлено?

10 Чем объясняется столь большая разница в площадях теплообмена испытанных теплообменников?

11 Каковы особенности следует учитывать при использовании насыщенного водяного пара в качестве теплоносителя с физической точки зрения и конструкции аппарата?

5 Лабораторная работа № 2

Исследование зависимости коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) между системами пар - жидкость от скорости движения жидкой среды

5.1 Цель работы:

Целью данной работы является экспериментальное исследование зависимости интенсивности теплоотдачи от скорости движения жидкости у теплообменной поверхности, представление полученных данных по теплоотдаче в критериальной форме и сравнение их с общепринятыми литературными.

5.2 Порядок проведения работы

5.2.1 Перед проведением работы учебно-воспитательный персонал осуществляет пуск установки и вывод ее на стационарный режим при расходе воды 30 л/час.

5.2.2 При начале работы снять показания прибора, замеряющего входные и выходные параметры теплообменников А1 и А2 (в данной работе записываются только параметры относящиеся к А1) и записать их в таблицу 5.1.

5.2.3 Установить расход воды соответствующий следующему значению (рекомендуется 40 л/час).

5.2.4 Через 10 - 15 мин., после выхода установки на стационарный режим снимают показания прибора, относящиеся к теплообменнику А1 и записывают их в таблицу 5.1.

5.2.5 Далее аналогично, увеличивая расход воды на 10 л/час по выходу процесса на стационарный режим фиксируют параметры теплообменника А1 и заполняют таблицу 5.1.

Для завершения работы достаточным является 5 - 6 режимов.

Таблица 5.1.

№ п/п	Объемный расход воды л/час	Массовый расход воды Gв, кг/с	Температура, 0С
			конденсации пара	воды
			t1	вход t2	выход t3

5.3 Обработка результатов измерений

5.3.1 Для каждого из режимов:

а) определить тепловую нагрузку теплообменника А2 Q, Дж/с:

,

где с_в = 4186 дж/(м·к) – теплоемкость воды;

б) рассчитать удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) q, Дж/(c·м²):

,

в) используя схему измерения температур вдоль поверхности теплообмена (см. рис. 3, стр. 13) определить большую _tб, меньшую _tм и среднюю разность температур теплоносителей t_cр, С:

_tб = t₁ – t₂, _tм = t₁ – t₃, ;

г) используя основное уравнение теплопередачи рассчитать коэффициент теплопередачи К1, Вт/(м²·К):

,

5.3.2 Результаты вычислений занести в таблицу 5.2.2.

5.3.3 Пользуясь уравнением (16) вычислить коэффициент теплоотдачи при конденсации пара [Вт/(м²·К)] для всех режимов, ,

причем физические константы: коэффициент теплопроводности конденсата , Вт/(м·К); плотность конденсата , кг/м³; вязкость конденсата , (Н·с)/м², с достаточной для инженерной практики точностью, можно взять при температуре конденсации пара t₁ по справочным данным, равно как и удельную теплоту парообразования r, Дж/кг.

5.3.4 Из выражения коэффициента теплопередачи К через коэффициенты теплоотдачи (8) определяются для всех режимов коэффициенты теплоотдачи от стенки к жидкости , Вт/(м²·К) (загрязнения стенки отсутствуют):

,