teplo_2012
.pdfNu |
|
|
|
lg Re |
w |
− |
4,6 |
1,14 −0,28 1− d1′/ d1 |
|
|
9 |
−(1 |
− d ′/ d |
1 |
) |
|
||
|
= |
1 |
+ |
|
|
|
|
|
exp |
|
|
1 |
|
. |
(4.38) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Nuгл |
|
|
|
7,45 |
|
|
1,14 |
|
|
|
|
0,58 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(t / d1 ) |
|
|
|
Вуравнениях (4.36) и (4.37) число Рейнольдса Ref определяется по среднемассовой температуре п о т о к а, а число Rew в уравнении (4.38) – по средней температуре стенки.
Вуравнениях (4.36) и (4.37) Nuгл находится по следующим выражени-
ям:
при нагревании газов:
Nuгл = 0,0207Re0,8·Pr0,43, |
(4.39) |
где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки; при охлаждении газов:
Nuгл = 0,0192Re0,8 · Pr0,43, |
(4.40) |
где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки, или
Nuгл = 0,0018Re0,8, |
(4.41) |
здесь определяющей является среднемассовая по длине трубы температура газов.
Уравнения (4.36) – (4.38) справедливы при Re = 104 ÷ 4·105.
Средняя теплоотдача для капельных жидкостей при t/d1 = 0,5 и d1′ / d1 ≥
0,94 (Re > Re″) составляет:
|
|
|
|
|
|
′ 0,445 |
|
|
|
Nu |
|
|
|
d1 |
|
, |
(4.42) |
||
|
|
= 100 |
− 1 |
− |
|
|
|
||
Nu |
|
d |
|
||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||
|
гл |
|
|
|
|
|
131
где
Nuгл = 0,0216Re0,8 · Pr0,445. |
(4.43) |
Здесь составляющей является среднемассовая температура жидкости по длине трубы.
Значение Re″, при котором рост Nu/Nuгл с увеличением Re прекращается, равно:
3150 |
|
Re′′ = (1− d1′/ d1 )1,14 Pr0,51 . |
(4.44) |
4. В кольцевом канале рост теплоотдачи за счет турбулизации потока кольцевыми канавками определяется выражением:
|
Nu |
|
|
|
|
|
|
d2 |
|
′ |
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
0,64 1 |
|
|
−d2 |
|
−0,274 |
|
|
|
(4.45) |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Nuгл |
=1+ |
−exp 17,9 |
d3 |
−d2 |
1 |
d3 |
−d |
|
, |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
справедливым для |
|
d2 |
− d2′ |
= 0 ÷ 0,316 ; |
|
t |
= 0,22 ÷ 2 ; Re > 2·104, где d2 – |
||||||||||
|
d3 |
|
d3 |
− d2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
− d2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
наружный диаметр внутренней трубы; d2′ |
– диаметр кольцевой канавки; d3 – |
||||||||||||||||
внутренний диаметр наружной трубы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
132
4.2. Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рис. 4.7) размещена на специальном столе и состоит из макета теплообменного аппарата 9, блока управления и контрольно-измерительных приборов 5, процессора 6 с клавиатурой 7 и телевизионного монитора 8.
Рис. 4.7. Общий вид экспериментальной установки: 1 – секция предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; 2 – секция расхода горячего теплоносителя; 3 – секция расхода холодного теплоносителя; 4 – секция температуры; 5 – блок управления и контрольно-измерительных приборов; 6
– процессор ПЭВМ; 7 – клавиатура ПЭВМ; 8 – монитор ПЭВМ; 9 – макет теплообменного аппарата
Блок управления и контрольно-измерительных приборов 5 состоит из четырех секций: секции 1 предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; секции 2 расхода горячего теплоносителя; секции 3 расхода холодного теплоносителя; секции 4 температуры. Блок управления и контрольноизмерительных приборов показан на рис. 4.8.
Секция 1 включает в себя ручки «гор.» и «хол.» регулирования предварительного нагрева и соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей на входе в аппарат. В секции 2 находится в себя ручка «гор.» ре-
133
гулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат. В секции 3 – ручка «хол.» регулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры холодного теплоносителя на входе в аппарат. Секция 4 в данной работе не используется.
Рис. 4.8. Фотография блока управления и контрольно-измерительных приборов
134
На данной установке применен метод имитационного моделирования. Рабочая программа исследования вводится в память микропроцессора. Программа имеет шифр ТП-014. Одним из основных управляющих органов при проведении исследования является клавиатура 7 с телевизионным монитором 8, с помощью которых ведется диалог с ЭВМ, выбираются схемы течения в теплообменном аппарате типа «труба в трубе», вводятся основные режимные параметры установки. Интерфейс программы на мониторе компьютера показан на рис. 4.9.
Рис. 4.9. Интерфейс программы имитационного моделирования со схемой теплообменного аппарата с системой регулирования и измерений
Рабочий участок создан по аналогии с реальным. Схема участка отображается на телевизионном мониторе (см. рис. 4.9). Он состоит из внутренней трубы, по которой течет горячий теплоноситель, и концентрично с ней расположенной наружной трубы. В кольцевом зазоре течет холодный теплоноситель. В качестве теплоносителей по обеим сторонам можно выбирать воздух или воду.
135
Расположенный на установке макет теплообменника имеет следующие геометрические размеры: внутренний диаметр теплообменной трубы d1 = 0,014 м, наружный диаметр теплообменной трубы d2 = 0,016 м, внутренний диаметр наружной трубы d3 = 0,034 м, длина l = 1,01 м. При исследовании теплообменного аппарата можно менять его геометрические параметры в следующих пределах: d1 = 0,006 ÷ 0,022 м; d2 = 0,008 ÷ 0,024 м; d3 = 0,01 ÷ 0,04 м; l = 0,3 ÷ 5 м.
При исследовании теплообменника, в котором на трубе размещены кольцевые турбулизаторы, необходимо также задать диаметр кольцевых диафрагм d1′, диаметр кольцевых канавок d2′, шаг размещения диафрагм и канавок t.
Горячий и холодный теплоносители попадают в теплообменник, пройдя регулирующую задвижку и диафрагмы расходомера. Возможна подача горячего и холодного теплоносителей в одном направлении по схеме прямотока и в противоположных направлениях по схеме противотока.
Исходные данные для проведения имитационных испытаний задаются в окне «Параметры» интерфейса программы (см. рис. 4.9). В открывшемся окне «Параметры» с помощью клавиатуры и компьютерной мыши задаются необходимые условия проведения эксперимента (рис. 4.10).
Рис.4.10. Интерфейс окна «Параметры» программы имитационного моделирования
136
Предусматриваются измерения следующих параметров: перепад давлений на диафрагме горячего теплоносителя Pг; перепад давлений на диафрагме холодного теплоносителя Pх; давление перед диафрагмой горячего теплоносителя Pг (для воздуха); давление перед диафрагмой холодного теплоносителя Pх; эдс термопары перед диафрагмой горячего теплоносителя Eг (для воздуха); эдс термопары перед диафрагмой холодного теплоносителя Eх (для воздуха); эдс термопары на входе горячего теплоносителя в теплообменнике Eг′; эдс термопары на выходе горячего теплоносителя из теплооб-
менника Eг′′; эдс термопары на входе холодного теплоносителя E′х ; эдс тер-
мопары на выходе холодного теплоносителя E′х′. Давление и перепады дав-
лений измерены в кгс/м2, эдс термопар – в мВ. Перевод показаний термопар в °С производится по градуировочной таблице хромель-копелевых термопар.
4.3. Порядок проведения опытов
После включения установки в сеть и запуска рабочей программы ТП014 на телевизионном мониторе высвечивается тема лабораторной работы и студент вступает в диалог с микроЭВМ.
В рекомендуемом диапазоне основных режимных параметров по заданию преподавателя в окне «Параметры» (см. рис. 4.10) программы выбирается один из вариантов предстоящего опыта и с помощью клавиатуры вводятся геометрические параметры теплообменника; вид теплоносителя по горячей и холодной сторонам (воздух или вода); схема течения (прямоток, противоток). По окончании набора параметров и контроля их ввода на экране монитора высвечивается схема экспериментальной установки с отображением направления течения теплоносителей и расположением измерительных устройств.
После этого на пульте установки (см. рис. 4.7) включается тумблер питания измерительных приборов и можно приступить к исследованию рабочего процесса. С помощью ручки «гор.» в секции 2 (см. рис. 4.7) устанавливается расход горячего теплоносителя путем изменения положения регу-
137
лирующей задвижки ВН1 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давле-
ние перед диафрагмой Рг и перепад давления на диаграмме Pг, что отображается на интерфейсе программы (см. рис. 4.9). С помощью ручки «хол.» в секции 3 (см. рис. 4.7) устанавливается расход холодного теплоносителя изменением положения регулирующей задвижки ВН2 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давление перед диафрагмой Рх и перепад давления на диаграмме Pх, что также отображается на интерфейсе программы (см. рис. 4.9). Плавным вращением ручек «гор.» и «хол.» регулятора нагревательного устройства секции 1 (см. рис. 4.7) устанавливается заданное значение термоЭДС термопар, установленных на входе по горячей и холодной стороне ( Ег′
и Ех′ ).
Регистрация измеренных величин производится по индикаторным приборам, показания которых дублируются на телевизионном мониторе. Резуль-
таты экспериментов заносятся в протокол испытаний (табл. 4.1). |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.1 |
|||
|
|
|
Протокол эксперимента |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Геометрические параметры, м |
|
|||||||
Номер |
Схема |
Горячий |
|
Холодный |
|
|
||||||||
режима |
вклю- |
теплоно- |
|
теплоно- |
d1 |
|
d′ |
d2 |
d′ |
|
d3 |
t |
|
l |
|
чения |
ситель |
|
ситель |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
Параметры давления, |
|
Параметры температуры, |
|
|||||||
режима |
|
кгс/м2 |
|
|
|
|
мВ |
|
|
||
|
Pг |
Pг |
Pх |
Pх |
Ег |
Ех |
Ег′ |
|
Ех′ |
Ег′′ |
Ех′′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С помощью регуляторов расхода и нагрева теплообменник переводится на следующий тепловой режим и аналогичным образом снимаются необходимые показания.
По окончании проведения опытов на заданных режимах производится перевод всех регуляторов в исходное положение.
138
4.4. Обработка результатов измерений
Обработка производится в следующей последовательности:
1. Определяется температура перед диафрагмами Tг и Tх на входе в ап-
парат Tг′ и Tх′, на выходе Tг′′ и Tх′′ по таблице эдс термопар «хромель-копель» |
||
(приложение, табл. П. 7) или по приближенной зависимости: |
|
|
T = 273,15 + E/0,0695, |
(4.46) |
|
где E – эдс соответствующей термопары в мВ, [T] = 1 К. |
|
|
2. Вычисляются расходы горячего и холодного теплоносителей. |
|
|
При использовании в качестве теплоносителя воды ее расход определя- |
||
ется для горячей и холодной сторон уравнениями: |
|
|
Gг = 0,0723 |
Pг ; |
(4.47) |
Gх = 0,0723 |
Pх , |
(4.48) |
где перепады давлений |
|
Pг и Pх выражены в кгс/м2, [G] = 1 кг/с. |
|
|||||||
При использовании в качестве теплоносителей воздуха его расходы со- |
||||||||||
ответственно будут: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
G |
г |
= 0,472 10−3 |
ρ |
г |
P = 0,472 10−3 |
P |
RT |
P ; |
(4.49) |
|
|
|
|
г |
|
г |
г |
г |
|
||
G = 0,472 10−3 |
P |
|
RT |
P , |
|
|
|
(4.50) |
||
х |
|
х |
x |
х |
|
|
|
|
||
где перепады давлений |
|
Pг и Pх выражены в кгс/м2; ρг – плотность воздуха |
перед диафрагмой в кг/м3; Pг, Pх – давление воздуха перед диафрагмами в кгс/м2; Tг, Tх – температуры воздуха перед диафрагмами в К; R – газовая по-
стоянная для воздуха (R = 29,3 кг м/(кг·К)).
3.По уравнениям (4.19), (4.23) и (4.24) определяются среднелогарифмические температурные напоры.
4.Вычисляется тепловой поток, передаваемый в аппарате:
Qх = Gхcpх(Tх′′ −Tх′ ); |
(4.51) |
Qг = Gгcpг(Tг′ −Tг′′), |
(4.52) |
где теплоемкости теплоносителей cpг и cpх определяются по средним тем-
139
пературам T г = 0,5(Tг′+Tг′′) ; T х = 0,5( Tх′ +Tх′′) соответственно. 5. Определяется значение коэффициента теплопередачи:
k = |
|
|
Qх |
|
, |
(4.53) |
|
|
лог |
F |
|||
T |
||||||
|
|
|
|
х |
|
если холодный теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи (холодный теплоноситель – воздух), или выражением:
k = |
|
|
Qг |
|
, |
(4.54) |
|
|
лог |
F |
|||
T |
||||||
|
|
|
|
г |
|
|
если горячий теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи. Здесь Fх = πd2l , Fг = πd1l . Если коэффициенты теплоотдачи соизмеримы
(для теплообменника «вода – вода» или «воздух – воздух»), поверхность теплообмена определяется по среднему диаметру.
6.По уравнениям (4.5) определяются полные теплоемкости массовых расходов теплоносителей Wг и Wх.
7.Подсчитывается коэффициент тепловой эффективности теплообменного аппарата в каждом из режимов как отношение действительно переданного теплового потока к максимально возможному:
|
Qх |
|
Qх |
|
|
η = |
|
= |
|
. |
(4.55) |
Qхпред |
Wх (Tг′−Tх′) |
8. Определяется число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи):
N = |
kFх |
. |
|
|
(4.56) |
|
|||||
|
Wх |
|
|||
9. В соответствии с конкретным заданием, полученным от преподава- |
|||||
теля, определяется изменение величин |
|
лог, k, η, |
N в зависимости от вида |
||
T |
|||||
теплоносителя, схемы течения, величин Gг, Gх, T ′, |
T ′, а также геометриче- |
||||
|
|
|
|
г |
х |
ских параметров аппарата d1, d2, d3, l. Необходимо построить графики изме-
нения величин T лог, k, η, N в зависимости от изменяющихся в эксперименте величин и проанализировать полученные результаты.
140