Osnovy_teploperedachi_i_massoobmena_2015

Контрольные вопросы

1.Механизм теплообмена излучением. Источники излучения. Носители лучистой энергии.

2.Основные понятия: поток излучения, плотность потока излучения, спектральная плотность потока излучения.

3.Понятие о поглощательной, отражательной и пропускательной способности тел. Абсолютно черное тело.

4.Основные законы излучения абсолютно черных и серых тел.

-203 -

5.Излучение серых тел. Степень черноты и коэффициент излучения, их использование в расчетах теплообмена излучением.

6.Калориметрический метод определения степени черноты электрически обогреваемой проволоки. Экспериментальная установка. Измеряемые в опыте величины. Расчетные соотношения.

7.Характер зависимости экспериментальных и расчетных значений степени черноты от температуры.

8.Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей. Методика расчета (см. раздел «Оценка погрешностей эксперимента»).

Литература

1.Галин, Н.М. Тепломассообмен (в ядерной энергетике): учебное пособие для вузов / Н.М. Галин, Л.П. Кириллов. – М.: Энергоиз-

дат, 1987. –376 с.

2.Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок: метод. указания /сост.: В.А. Аляев [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2000. –

64 с.

3.Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник / В.В. Нащокин. – М.: Высш. школа, 2008. – 496 с.

4.Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1981. – 416 с.

5.Практикум по теплопередаче / А.П. Солодов и [др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 296 с.

- 204 -

- 205 -

- 206 -

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ВТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ

СОРЕБРЕННЫМИ СТЕНКАМИ ТРУБ

Цель работы: ознакомиться с назначением и типами теплообменных аппаратов; рассмотреть влияние различных факторов, в том числе оребрения стенок труб, на эффективность их работы; изучить основы теплового расчета теплообменных аппаратов и методику их экспериментального исследования.

Задание

1. Провести испытание теплообменного аппарата с оребренными стенками труб с целью вычисления по данным опыта коэффици-

ператур теплоносителей (воды и воздуха) на входе и выходе из теплообменного аппарата и их расходов при одном тепловом режиме, указанном в варианте задания.

Таблица 1

Варианты заданий для выполнения работы

Обозначения в табл.1: П1 и П2 – показания ротаметров, измеряющих расходы воды и воздуха соответственно; t 1 – температура воды на входе в теплообменный аппарат (устанавливается преподавателем).

2.Рассчитать коэффициент теплопередачи Красч. Сравнить полученные значения Кэксп и Красч.

3.Составить отчет по выполненной работе, который должен

содержать задание, основы теории (кратко); схему экспериментальной установки, таблицу опытных данных; результаты их обработки и расчетов, включая таблицы и графики.

- 207 -

Основы теории

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором теплота от потока горячего теплоносителя передается потоку холодного теплоносителя часто через разделяющую теплоносители стенку. Процесс теплопередачи между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Поэтому теплообменные аппараты широко применяются в теплоэнергетике, химической технологии и других отраслях промышленности.

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на следующие типы:

1)Рекуперативные, в которых процесс теплопередачи протекает через разделяющую теплоносители стенку. Такие аппараты, как правило, работают в стационарных условиях и являются наиболее распространенными в различных отраслях промышленности. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др.;

2)Регенераторы – такие теплообменные аппараты, в которых вначале одна и та же поверхность нагрева соприкасается с горячим теплоносителем, в результате чего она аккумулирует теплоту, затем горячий теплоноситель удаляется и вместо него подается холодный теплоноситель, который отбирает теплоту от нагретой поверхности нагрева, в результате этого он нагревается. Поэтому процесс теплопередачи в регенераторах протекает в нестационарных условиях. Примером таких регенераторов являются воздухоподогреватели мартеновских и стеклоплавильных печей и др.;

3)Смесительные, в которых процесс теплопередачи осуществляется путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей, при этом процесс теплопередачи протекает одновременно с массопередачей. Типичным примером таких аппаратов являются градирни тепловых электрических станций, башенные охладители, в которых нагретая вода охлаждается атмосферным воздухом, и др.;

4)Теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты, в которых применяется только один теплоноситель, отводящий теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и др.

-208 -

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и теплоносителям, основные положения теплового расчета для них остаются общими. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными.

Проектный (конструкторский) тепловой расчет выполняется при проектировании новых аппаратов. Целью расчета является вычисление площади поверхности процесса теплопередачи, а следовательно, определение конечных размеров аппарата.

Поверочный тепловой расчет выполняется для работающего теплообменного аппарата с известной площадью поверхности F (м2) в случае нарушения режима его работы. При этом вычисляются его тепловая производительность Q (Вт) и конечные температуры теплоносителей t 1 и t 2 на выходе из теплообменного аппарата при заданных

значениях температур на входе t1 и t2 . Тепловой расчет теплооб-

менных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и основного уравнения теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

Уравнение теплового баланса записывается на основе закона сохранения энергии – первого закона термодинамики для изобарного процесса. Для двух теплоносителей тепловой поток горячего теплоносителя Q1 (Вт) равен тепловому потоку, воспринимаемому холодным теплоносителем, Q2, (Вт), то есть Q1=Q2=Q Вт, в случае, если нет потерь теплоты в окружающею среду. Тогда для изобарного процесса

удельные энтальпии горячего и холодного теплоносителей на входе ( ) и на выходе ( ) из аппарата. Если в процессе теплопередачи не происходит фазового превращения (кипения или конденсации), уравнение

(1) может быть записано в виде

где t1 и t2 – температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, оС; Сpm1 и Сpm2 – значения изобарных теплоемко-

- 209 -

стей теплоносителей, которые можно считать постоянными в заданном интервале температур.

Запишем основное уравнение теплопередачи:

где Q – величина теплового потока в процессе теплопередачи между теплоносителями; К – коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность процесса теплопередачи, Вт/м2·К; F – поверхность теплопередачи, м2; t л – средняя логарифмическая разность температур теплоносителей.

В процессе теплопередачи через плоскую стенку

где Кl – линейный коэффициент теплопередачи.

Для тонкостенных труб при d2/d1 < 2 расчет коэффициента теплопередачи Красч можно вести по выражению (3), как для плоской стенки. Погрешность расчета при этом не превышает 4 %. В выражениях (3) и (4) 1 (Вт/м2·К) – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к внутренней поверхности труб и 2 (Вт/м2 К) – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к потоку холодного теплоносителя; c – коэффициент теплопроводности материала

стенки, Вт/(м К); c – толщина стенки, м; d1, d2, (м) – внутренний и наружный диаметры трубок теплообменника. Температура теплоносителей в общем случае изменяется вдоль поверхности теплообмена.

Рассмотрим рекуперативные теплообменные аппараты с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей для схем прямоточного и противоточного движения теплоносителей. В первом случае горячий и холодный теплоносители движутся параллельно в одном направлении, во втором – параллельно, но в противоположных направлениях. Характер изменения температур теплоносителей в прямоточных и противоточных теплообменниках представлены на рис. 1.

- 210 -

Рис. 1. Характер изменения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

Чтобы учесть сложный характер изменения температуры теплоносителей, в основное уравнение теплопередачи вводят среднюю логарифмическую разность температур – среднелогарифмический температурный напор

где tб – бóльшая разность температур между теплоносителями (на входе или выходе); tм – меньшая разность температур между теплоносителями (на входе или выходе).

Уравнение (5) применимо как для противоточных, так и для прямоточных теплообменников. Следует отметить, что при прочих равных условиях в случае противотока средняя логарифмическая разность температур больше, чем при прямотоке, поэтому через одну и ту же поверхность нагрева при противотоке передается больший тепловой поток. Следовательно, эта схема с теплотехнической точки зрения является более предпочтительной и часто практически реализуется.

При противотоке конечная температура холодного теплоносителя t2 может быть больше конечной температуры горячего теплоносителя, t1 (рис. 1б). Это означает, что при противотоке холодный теплоноси-

- 211 -

тель можно нагреть до более высокой температуры по сравнению с прямотоком.

Теплопередача в трубных пучках с оребренными стенками

Исследуемый теплообменный аппарат имеет трубный пучок с двумя рядами труб по ходу движения внешнего теплоносителя – в нашем случае нагреваемого воздуха. Внутри гладкостенных труб, соединенных последовательно, протекает «горячий» теплоноситель – вода. Например такие теплообменные аппараты в качестве радиаторов используются в автомашинах для охлаждения ДВС (двигателей внутреннего сгорания). Для увеличения теплосъема с внешней поверхности труб они имеют ребра, за счет которых возрастает тепловой поток при наличии оребрения, это объясняется увеличением площади поверхности оребренных стенок труб.

Коэффициент теплопередачи Красч с учетом оребрения рассчитывается как