Laboratorn_Roboti

величини, якщо відомий діапазон шкали приладу і його клас точності?

14.Які існують методи визначення коефіцієнта теплопровідності?

15.Перерахуйте призначення приладів, що входять до складу лабораторної установки?

16.Як визначаються середні температури на зовнішній та внутрішній поверхнях досліджуваного матеріалу?

17.Покази яких приладів і вимірювання яких величин впливає на значення максимально можливої відносної похибки визначення коефіцієнта теплопровідності досліджуваного матеріалу?

18.Запишіть рівняння Фур’є для теплового потоку і густини теплового потоку. Поясніть значення величин.

19.Як можна визначити потужність, що споживається електронагрівником?

20.Що собою являє термічний опір для плоскої стінки і для циліндра?

8.7 Індивідуальні завдання

1.У скільки разів зростуть втрати теплоти з труби, якщо коефіцієнт теплопровідності зменшиться в … разів?

2.На скільки зміниться товщина шару досліджуваного матеріалу, якщо коефіцієнт теплопровідності стане рівним … ?

3.Максимально можлива відносна похибка визначення коефіцієнту теплопровідності складає … . Якими методами можна її зменшити на …?

4.Визначте густину теплового потоку при заданих значеннях сили струму і напруги?

5.На скільки треба зменшити потужність електронагрівника, щоб при тій же різниці температур на внутрішній та зовнішній поверхні матеріалу коефіцієнт теплопровідності змінився в … разів?

6.У скільки разів збільшиться лінійний термічний опір шару досліджуваного матеріалу, якщо коефіцієнт теплопровідності стане … ?

7.Що стане з коефіцієнтом теплопровідності матеріалу, якщо б товщина шару зменшилась при тій самій потужності нагрівника?

8.Який матеріал близький за значенням коефіцієнта теплопровідності до досліджуваного?

80

9 Лабораторна робота №10

Теплопередача в теплообміннику типу “труба в трубі”

9.1 Мета і задачі

Метою роботи є вивчення теплопередачі в водоводяному теплообміннику типу “труба в трубі”.

В процесі виконання лабораторної роботи студенти повинні закріпити теоретичні знання основ теплового розрахунку теплообмінних апаратів і практично визначити дослідний коефіцієнт теплопередачі.

9.2 Теоретичні положення

Теплообмінним апаратом називають пристрій, в якому одна рідина - гарячий теплоносій, передає теплоту іншій рідині - холодному теплоносію. В якості теплоносіїв в теплообмінних апаратах використовуються різноманітні крапельні і газоподібні рідини в самому широкому діапазоні тисків і температур (наприклад, вода, водяна пара, нафтопродукти, розчини солей, вуглеводневі гази, повітря і інші).

Теплообмінні апарати можна класифікувати за наступними ознаками:

-принципом роботи - змішувальні (контактні), поверхневі (регенеративні і рекуперативні);

-технологічним призначенням - повітряні підігрівачі, деаератори, парогенератори, пароперегрівачі;

-схемою руху теплоносіїв - прямотічні, протитічні, з перехресним током, комбіновані;

-родом теплоносіїв - водоводяні, пароводяні, водоповітряні, газоповітряні, оливоповітряні;

-родом матеріалу - стальні, чавунні, графітові, скляні, керамічні, свинцеві;

-родом теплообмінних поверхонь - гладкотрубні, ребристі, ошиповані, пластинчасті, спіральні;

-числом ходів теплоносія - одноходові, багатоходові;

-компановкою поверхонь нагріву - труба в трубі, кожухотрубні, без обмежувального корпусу;

-можливістю монтажної зборки - несекційні, секційні;

-періодичністю дії - безперервної дії, періодичної дії.

В регенеративних апаратах гарячий теплоносій віддає свою теплоту акумулюючому пристрою, який в свою чергу

81

періодично віддає теплоту іншій рідині - холодному теплоносію, тобто одна і та ж поверхня нагріву омивається то гарячою, то холодною рідиною.

Взмішувальних апаратах передача теплоти від гарячого до холодного теплоносія проходить при безпосередньому контакті обох теплоносіїв, наприклад, в парціальних конденсаторах.

Особливо широке застосування в усіх галузях техніки отримали рекуперативні апарати, в яких теплота від гарячого до холодного теплоносія передається через розділюючу їх стінку.

Втеплообмінних апаратах рух рідини здійснюється за трьома основними схемами. Якщо напрямок руху гарячого і холодного теплоносіїв співпадають, то такий рух називають прямотоком. Якщо напрямок руху гарячого теплоносія протилежний руху холодного теплоносія, то такий рух називається протитоком. Якщо ж гарячий теплоносій рухається перпендикулярно руху холодного теплоносія то такий рух називається поперечним током.

Тепловий розрахунок теплообмінного апарату може бути конструкторським, метою якого є визначення площі поверхні теплообміну, і повірочним, при якому встановлюється режим роботи апарату і визначаються кінцеві температури теплоносіїв.

Вобох випадках основними розрахунковими рівняннями є:

рівняння теплопередачі:

- коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К); t1-t2 - середнє значення температурного напору по всій поверхні нагріву, 0С; F – поверхня теплообміну з боку меншого коефіцієнта тепловіддачі, м2;

рівняння теплового балансу без врахування втрат теплоти в навколишнє середовище і фазових переходів:

де G1, G2 – масові витрати відповідно гарячого та холодного теплоносіїв, що протікають в теплообміннику, кг/с; Сpm1, Сpm2

– середні масові ізобарні теплоємності при постійному тиску гарячого та холодного теплоносіїв, Дж/(кг·К); t1 , t1 – температура гарячого теплоносія на вході і виході з

82

теплообмінника, ОС; t2 , t2 – температура холодного теплоносія на вході і виході з теплообмінника, ОС;

Оскільки в загальному випадку температури рідин всередині теплообмінника не є постійними, рівняння теплопередачі (9.1) справедливе тільки в диференціальній формі для елемента поверхні теплообміну dF, тобто:

а загальний тепловий потік через поверхню теплообміну визначається інтегралом цього виразу:

0

Це і є розрахункове рівняння теплопередачі. Тут tсер - середнє значення температурного напору по всій поверхні нагріву.

В теплових розрахунках важливе значення має величина, яка називається водяним (або умовним) еквівалентом, W, Дж/(с К), Вт/К:

де G= wf - масова витрата теплоносія, кг/с; - густина теплоносія, кг/м3; w - швидкість теплоносія, м/с; f - площа перерізу канала, м2.

З врахуванням (9.5) рівняння теплового балансу (9.2) можна представити в наступному вигляді:

де W1, W2 - водяні еквіваленти гарячого і холодного теплоносіїв.

Рівняння (9.6) означає, що відношення змін температур робочих рідин обернено пропорційне відношенню їх водяних еквівалентів. Таке відношення справедливо як для всієї поверхні нагріву F, так і для кожного її елемента dF.

Характер зміни температури робочих рідин вздовж поверхні нагріву залежить від схеми їх руху і співвідношення

величин W1 і W2.

В залежності від того, здійснюється прямотік чи протитік теплоносіїв і W1 більше або менше, ніж W2, існують чотири характерних кривих зміни температури вздовж поверхні нагріву, представлені на рис.9.1.

83

температура холодної рідини t2 завжди нижча кінцевої температури гарячої рідини t1 . При протитоці ж кінцева температура холодної рідини t2 може бути вищою за кінцеву температуру гарячої рідини t1 . Відповідно, при одній і тій ж початковій температурі холодної рідини при протитоці її можна нагріти до більш високої температури, ніж при прямотоці.

Температурний напір вздовж поверхні нагріву при прямотоці змінюється сильніше, ніж при протитоці. Разом з тим середнє значення температурного напору при протитоці більше, ніж при прямотоці. За рахунок тільки цього фактору при протитоці теплообмінник виходить компактнішим (9.4). Але якщо температура хоча би однієї із робочих рідин постійна, то середнє значення температурного напору незалежно від схеми руху залишається незмінним. Цей факт має місце при кипінні рідин і при конденсації пари, або коли витрата однієї з робочих рідин настільки велика, що її температура змінюється незначно.

Середній логарифмічний температурний напір в теплообміну визначається за формулою:

Визначення і загальні формули для знаходження критеріїв подібності наведені в теоретичних відомостях до лабораторної роботи №8 (с. 63-64).

84

Рисунок 9.1 - Характер зміни температур робочих рідин при прямотоці (а) і протитоці (б).

9.3 Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис.9.2) - теплообмінний апарат типу “труба в трубі”. Теплоносіями в ньому служать гаряча та холодна вода. Обв’язка теплообмінного апарату трубопроводами дозволяє здійснювати рух теплоносіїв за схемою “прямотік” та “протитік”.

Витрата води регулюється вентилями V, VI. З теплообмінного апарату вода витікає в каналізацію по трубопроводах, на яких встановлено витратоміри-ротаметри 5.

Гаряча вода в досліджуваному теплообміннику протікає по внутрішній трубі, а холодна вода - по кільцевому просторі між внутрішньою та зовнішньою трубою.

Внутрішні та зовнішні труби виготовлені із сталі.

Основні характеристики теплообмінного апарата представлені в табл.9.3.

Температури гарячого та холодного теплоносіїв вимірюються на вході і виході теплообмінного апарата за допомогою термометрів опору 7 і логометра 8.

Витрата води через ротаметри визначається за графіками залежності витрати від показів ротаметрів.

85

1 - внутрішня труба; 2 - зовнішня труба; 3 - вхід гарячої води; 4 - вхід холодної води; 5 - ротаметри; 6 - І, ІІ, ІІІ, ІV, V, VI – вентилі; 7 - термометри опору; 8 - логометр; 9 - перемикач термометрів; 10 - вмикач приладів; 11 - контрольна лампочка.

Рисунок 9.2 - Схема лабораторної установки для вивчення теплопередачі в теплообміннику типу “труба в трубі”

86

9.4 Порядок виконання роботи

Ознайомтесь з установкою. Виясніть як здійснюється “прямотік” та “протитік”.

Відкривши вентилі І, IІІ і закривши вентилі ІІ та ІV, встановіть рух теплоносіїв за схемою “прямотік”.

Витрати води (покази ротаметрів) встановіть за вказівкою викладача вентилями V, VІ. Після того, як в теплообміннику наступить стаціонарний тепловий стан, що характеризується незмінністю температур холодної та гарячої води в часі на вході і виході з теплообмінника (наступає через 15-20 хв після ввімкнення установки), зніміть покази ротаметрів і логометра на вході і виході води з установки і визначіть витрати гарячої та холодної води.

Замір показів і визначення витрати на стаціонарному режимі проводиться тричі через три - п’ять хвилин. Після цього відкриваються вентилі ІІ, ІV та закриваються І, ІІІ і проводяться аналогічні заміри для холодної та гарячої води при “протитоці”. Заміри при “протитоці” проводяться через три - п’ять хвилин після закриття вентилів І, ІІІ.

Дослідні дані заносяться в табл.9.1.

Таблиця 9.1 - Результати замірів

9.5 Обробка результатів досліду

Результати замірів при “прямотоці” і “протитоці” усереднюються.

Площа поверхні теплообміну визначається за формулою:

87

де d1З - зовнішній діаметр внутрішньої труби, м; l - загальна довжина внутрішніх труб від початкового до кінцевого термометрів опору (табл.9.3).

Тепловий потік визначається за формулою:

Будуються графіки t=f(F) для “прямотоку” і “протитоку” без масштабу.

Середній температурний напір, дослідний коефіцієнт теплопередачі визначаються за формулами (9.7), (9.8) - для “прямотоку” і “протитоку”.

Визначають середній дослідний коефіцієнт теплопередачі. Результати середнього дослідного коефіцієнта теплопередачі заносять в табл.9.2, після чого визначають

коефіцієнт теплопередачі розрахунковим шляхом. Швидкість руху гарячої води визначається за формулою:

де f1 - площа перерізу внутрішньої труби, м2; 1 - густина

гарячої води при середній температурі tc1=(t1 +t1 )/2, кг/м3. Швидкість руху холодної води визначається за

формулою:

Критерій Рейнольдса для потоку холодної води:

де 1, 2 - кінематична в’язкість гарячої та холодної води, м2/с; d1В, d1З, d2В - відповідно, внутрішній і зовнішній діаметри

88

внутрішньої труби, внутрішній діаметр зовнішньої труби. Критерій Нуссельта при Re>104 для потоку гарячої води

визначається за формулою:

де Prp - критерій Прандтля.

Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води до внутрішньої поверхні труби:

1 Nu1 1 , (9.16) d

1В

де 1 - коефіцієнт теплопровідності гарячої води, Вт/(м К). Критерій Нуссельта при 2300<Re<104 для потоку

холодної води визначається за формулою:

де 2 - коефіцієнт теплопровідності холодної води, Вт/(м К). Лінійний коефіцієнт теплопередачі:

де dсер=(d1В +d1З )/2.

Необхідні дані для розрахунку наведені в табл.9.3 і 9.4. Результати розрахунків заносяться в табл.9.2.

89