teplo_2012
.pdf
мулирующие элементы 6, проницаемые для воздуха, которые могут быть выполнены из металлической сетки, стальных или керамических пластин и т.д.
Во время работы ГТД регенератор вращается с частотой 15…25 об/мин. При этом в газовом тракте элементы нагреваются, охлаждая проходящие выхлопные газы, а в воздушном тракте элементы отдают тепло проходящему через них воздуху.
Дисковый вращающийся регенератор с внутренними керамическими насадками показан на рис. 5.16.
Рис. 5.15. Вращающийся дисковый регенератор
Другие теплообменные аппараты различного назначения, показаны на рис. 5.17-5.24.
Рис.5.16. Дисковый вращающийся регенератор с внутренними керамическими насадками
161
Рис.5.17. Авиационный топливомасляный теплообменник (тип 4700 Т)
Рис. 5.19. Трубчатый масловодяной теплообменник с пластмассовой матрицей для сельскохозяйственных машин (фирма «Катерпиллер»)
Рис. 5.18. Авиационный воздуховоздушный теплообменник системы кондиционирования воздуха
Рис.5.20. Теплообменник «воздух – продукты сгорания» для регенарации энергии продуктов сгорания
Рис.5.21. Теплообменник-отопитель автомобиля «ВАЗ» Рис. 5.22. Изооктано-азотный радиа-
тор
162
Рис. 5.24 Водо-воздушный радиатор
Рис. 5.23. Авиационный топливовоздушный теплообменник
Трубчатые элементы пластмассовых теплообменников показаны на рис. 5.25.
Рис. 5.25. Трубчатые элементы пластмассовых теплообменников
На рисунках5.7 – 5.25 представлены различные типы теплообменных аппаратов, как по назначению и по конструктивному исполнению, так и использованию различных материалов
5.4.Описание экспериментального стенда
Вкачестве исследуемого ТА используется водо-воздушный радиатор системы охлаждения двигателя ВАЗ-1111 (рис. 5.26): двухходовый по воде при поперечном обтекании воздухом оребренных трубок. Сердцевина радиатора имеет размеры 300х326х20 мм.
Рис.5.26. Радиатор системы охлаждения двигателя ВАЗ-1111
163
Фотография и схема экспериментальной установки показаны на рис. 5.27. Установка включает в себя аэродинамическую трубу, исследуемый радиатор, вентилятор с электродвигателем, систему подачи воды и измерительную систему. Аэродинамическая труба, работающая по принципу всасывания, представляет собой канал квадратного сечения (136х136 мм). Стенки канала изготовлены из органического стекла. Входное устройство, спрофилированное по формуле Витошинского, обеспечивает равномерный прямоугольный профиль скоростей в трубе, что позволяет определить скорость и расход воздушного потока по величине измеряемого трубкой Пито динамического напора Pд2. Скорость воздушного потока регулируется с помощью шибера.
а
б
Рис. 5.27. Фотография (а) и схема (б) экспериментального стенда: АТ – аэродинамическая труба; Б – бак; В – вентилятор; ВУ – входное устройство; МДД
– малогабаритный датчик давления; Н – насос, СВ – водяной счетчик; ТА – теплообменный аппарат; УП – устройство переключения; Ш –шибер; ЭНэлектронагреватель; МВ – манометр воздушный
164
Вода поступает из бака и посредством насоса нагнетается в радиатор через водяной счетчик. Вода после радиатора сливается обратно в бак. Для получения увеличения температуры воды в баке размещен электронагреватель ЭН. Температура воды в баке поддерживается постоянной благодаря автоматическому регулированию мощности нагревателя. Бак покрыт термоизоляцей.
Система измерения температур состоит из четырех термопар типа ТХК, показания которых выводятся на потенциометр. Измеряются температуры воды и воздуха на входе (соответственно t1′ и t2′ ) и выходе (соответственно t1′′ и t2′′) радиатора.
Перепад давления воды P1 при прохождении через радиатор измеряется малогабаритным датчиком давления МДД, изменение сопротивления которого определяется посредством омметра R1.
Вакуумметрическое давление воздуха на входе ( Pв′2 ) и выходе ( Pв′′2 ) ра-
диатора, а также динамический напор в аэродинамической трубе Pд2 измеряются с помощью манометра воздушного МВ типа Прома-ИДМ и устройства переключения.
Расход воды определяется по регистрируемому секундомером времени
τ прохождения 0,001 м3 по показаниям водяного счетчика типа СГВ-15.
5.5. Методика проведения испытания
Испытания проводятся в следующей последовательности:
1)воздушная магистраль установлением определенного положения шибера выводится на заданный режим по расходу;
2)жидкостная магистраль выводится на заданный режим по показаниям температур;
3)после установления стационарного режима проводится регистрация значений t1′, t2′ , t1′′, t2′′, R1 ( P1), Pв′2 , Pв′′2 , Pд2, τ.
165
Результаты измерений записываются в табл. 5.1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
|
Атмосферное давление Pa=… |
мм рт. ст.=… |
Па |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
воздух |
|
|
|
|
|
Вода |
|
|
|
|
|
||
№ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1′, |
t1′′, |
|
R1 ( P1) , |
τ, |
t2′ , |
t2′′, |
Pв′2 , |
Pв′′2 , |
Pд2, |
|
|
мВ |
мВ |
|
Ом |
сек |
мВ |
мВ |
кПа |
кПа |
кПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.6.Обработка результатов экспериментов
1.С помощью табл. П.7 (см. Приложение) осуществляется перевод показаний температур t1′, t2′ , t1′′, t2′′ в °С.
2.Рассчитывается средний температурный напор для случая многократного перекрестного тока:
при R0 ≠ 1
|
|
t = |
|
|
− PR(t1′ − t2′) |
|
|
|
|
, |
(5.10) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m ln |
|
+ R ln |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
1 − PR 1 / m |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
R − |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 − P |
|
|
|
|
|
||
при R0 = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
t = |
|
|
− P(t1′ − t2′) |
|
|
. |
(5.11) |
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|||||
|
|
|
m ln 1 |
+ ln 1 |
− |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
m(1 − P)+ P |
|
||||||
Здесь:
166
R = |
t1′ −t1′′ |
, P = |
t2′′ − t2′ |
, m = 2 – число ходов. |
|
t2′′ −t2′ |
t1′ − t2′ |
||||
|
|
|
3. Определяется расход воды:
G |
= |
V0ρ1 |
, кг/с, |
(5.12) |
|
||||
1 |
|
τ |
|
|
|
|
|
||
где ρ1 – |
плотность воды при температуре t1′ |
(см. приложение, табл. П.6), |
||
V0=0,001 м3 – контрольный объем воды, проходящий за время τ.
4. По уравнению идеального газа рассчитывается плотность воздуха на входе в радиатор:
|
P2′ |
|
Pa − Pв′2 |
3 |
|
ρ′2 = |
|
= |
|
, кг/м . |
(5.13) |
R 2T2′ |
R(t2′ + 273) |
Здесь параметры давления в Па, R = 287 Дж/(кг К) – газовая постоянная воздуха.
5. На основе показаний динамического напора, измеряемого трубкой Пито, определяется скорость воздушного потока на входе в радиатор:
W2′ = |
2(Pд2 − Pв′2 ) |
, м/с. |
(5.14) |
|
|||
|
ρ′2 |
|
|
Параметры давления в Па.
6. Массовый расход воздуха определяется из уравнения неразрывности:
G1=ρ1W1Fат, кг/с, |
(5.15) |
где Fат=0,018 м2 – площадь поперечного сечения аэродинамической трубы.
167
7. Вычисляется тепловой поток, передаваемый в аппарате:
Q1 = G1cp1( t1′ − t1′′) ; |
|
||
Q2 = G2 |
c |
p 2 ( t2′′ − t2′ ) , |
(5.16) |
где теплоемкости теплоносителей cpг и cpх |
определяются по средним темпе- |
||
ратурам |
|
|
1 =( t1′ +t1′′) / 2 ; |
|
2 =( t2′ + t2′′ ) / 2, представленным в табл. П.5 и П.6 |
||
t |
t |
||||||
(см. Приложение). |
|
|
|||||
8. Определяется значение среднего коэффициента теплоотдачи: |
|||||||
k = |
|
|
|
Q2 |
, |
(5.17) |
|
|
|
|
t F |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
где F2=1,34 м2 – поверхность теплообмена со стороны холодного теплоносителя (воздуха в межтрубном пространстве с учетом эффективности оребрения).
9. Подсчитывается коэффициент тепловой эффективности теплообменного аппарата в каждом из режимов как отношение действительно переданного теплового потока к максимально возможному:
η= |
Q2 |
= |
Q2 |
|
|
|
|
. |
(5.18) |
||
Q2пред |
G2cp2 ( t1′ − t2′ ) |
||||
10. Определяется число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи):
NTU = |
kF2 |
. |
(5.19) |
|
|||
|
G2cp 2 |
|
|
168
11. Вычисляется мощность на прокачку горячего теплоносителя (во-
ды):
N |
1 |
= |
G1 |
P1 |
, Вт, |
(5.20) |
|
ρ η |
|||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
где перепад давления воды |
P1=(70 – 0,0575 R1) R01, Па, |
||||||
здесь R01=1218 Ом – сопротивление малогабаритного датчика давления при отсутствии перепада давления, кпд насоса η1=0,9. Плотность воды ρ1 опреде-
ляется по средней температуре |
|
|
1 =( t1′ +t1′′) / 2 |
(см. Приложение, табл. П.6). |
|||||||||
t |
|||||||||||||
Рассчитывается мощность на прокачку холодного теплоносителя (воз- |
|||||||||||||
духа): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
2 |
= |
G2 |
P2 |
= |
G2 ( P2′ − P2′′) |
, Вт, |
(5.21) |
|||||
ρ′ |
|
|
|||||||||||
|
|
η |
2 |
|
ρ′ |
η |
2 |
|
|
|
|
||
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
кпд вентилятора η2=0,8.
Задача для самостоятельного решения
В маслоотделителе температура масла изменяется от t1′ до t1′′, а воды – от t2′ до t2′′. Определить среднелогарифмический температурный напор при прямотоке и противотоке и соотношение между ними: tср прямоток / tср противоток. Исходные данные приведены в табл. 5.2.
169
Таблица 5.2
№ п/п |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1′ |
59 |
73 |
60 |
72 |
61 |
71 |
62 |
70 |
63 |
69 |
64 |
68 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1′′ |
50 |
64 |
51 |
63 |
52 |
63 |
53 |
61 |
54 |
60 |
55 |
59 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2′ |
9 |
23 |
10 |
22 |
11 |
21 |
12 |
20 |
13 |
19 |
14 |
18 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2′′ |
18 |
32 |
19 |
31 |
20 |
30 |
21 |
29 |
22 |
28 |
23 |
27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, на основе табличных данных определяется |
среднелогариф- |
|||||||||||
мический температурный напор при прямотоке (см. рис. 4.19) и противотоке
(см. рис. 4.23) и соотношение между ними: tср прямоток / tср противоток.
Контрольные вопросы
1. Какие технические устройства называются теплообменными аппара-
тами?
2.Поясните принципиальную разницу между поверхностными и контактными теплообменниками.
3.Какие средства интенсификации теплообмена применимы в изученных теплообменниках?
4.Какое назначение в изученных теплообменниках имеют клапаны перепуска?
5.Какой режим течения жидкостей имеет место в опытном теплообменнике?
6.Как измеряется на установке расход воздуха?
7.Как измеряется на установке расход жидкости?
8.Какая схема движения (прямоток, перекрестный ток, противоток) обеспечивает наибольший температурный напор?
170