Библиографический список

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971.

2. Романков П.Г., Рашковская Н.В. Сушка во взвешенном состоянии. – Л.: Химия, 1968.

Работа № 16

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИФЕРА ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА

В химической технике довольно широко применяется нагревание электрическим током. С помощью электрического тока нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Кроме того, электрические нагревательные устройства отличаются простотой, компактностью, удобны для обслуживания. В химической промышленности наиболее часто применяется омический электронагрев (до температур не выше 500⁰C) при помощи пластинчатых, стержневых и трубчатых нагревателей небольшой единичной мощности. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам и передается нагреваемой среде лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью. Нагревательные элементы изготавливают главным образом из проволоки или ленты хроможелезоникелевых сплавов, обладающих большим омическим сопротивлением и высокой жаростойкостью (нихром или фехрали).

Электрический калорифер лабораторной установки выполнен в виде трубы диаметром 100 мм, в которой размещены трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) в количестве трех штук, мощностью каждый – 2000 Вт. ТЭН представляет собой стальную трубку 1 (рис. 1), в которой расположена спираль из нихрома 2.

Пространство между стенкой трубки и спиралью заполнено кристаллической окисью магния 3, обладающей хорошей теплопроводностью и электроизоляционными свойствами.

Рис. 1. Устройство ТЭНа:

1 – стальная трубка диаметром мм; 2 – спираль из нихрома; 3 – окись магния; 4 – фарфоровый изолятор; 5 – клемма; 6,7 – зажимы (гайки) токоподводящего провода.

Подводимая к ТЭНам электрическая энергия превращается в теплоту Q, которая расходуется по трем направлениям:

а) передается воздуху, протекающему по трубе калорифера, Q₁;

б) передается воздуху, окружающему калорифер, Q₂;

в) расходуется на нагрев корпуса калорифера, Q₃.

Таким образом, Q = Q₁ + Q₂ + Q₃. (1)

При стационарном режиме теплообмена, когда температура стенки трубы калорифера неизменна, т.е. когда достигнуто тепловое равновесие, Q₃ = 0.

Количество теплоты Q₁ может быть определено по формуле

Q₁ = G [C_p / t₂ – C_p / t₁], Вт (2)

где G – секундный расход воздуха, кг/с; C_p / и C_p / - средние теплоемкости воздуха, Дж/кг·К; t₁ – температура воздуха на входе в калорифер, К; t₂ – температура воздуха на выходе из калорифера, К.

Количество тепла, выделяемое при прохождении электрического тока по нагревателям, определяется формулой

Q = J V cosφ, Вт, (3)

где J – сила тока в амперах; V – падение напряжения в вольтах.

В данной работе изучается передача тепла в электрическом калорифере при нагревании в нем атмосферного воздуха в условиях вынужденной конвекции, когда, как известно, тепло воздуху передается совместно конвекцией и излучением. Суммарная отдача тепла стенкой ТЭНа путем конвекции Q_к и теплового излучения Q_л определяется уравнением

Q = Q_к + Q_л = α_общ · F (θ – t), Вт, (4)

где α_общ – суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м²· К; F – поверхность теплоотдающей стенки (ТЭНа), м²; θ – температура наружной стенки ТЭНа, К; t – температура нагреваемой фазы (воздуха), К.

Так как температура теплоизлучающей стенки и температура воздуха, движущегося вдоль нее, не остаются постоянными, то в формулу (4) следует подставить среднюю разность температур, определяемую формулой

Δt_ср = Δt₁ – Δt₂ / 2,3 lg Δt₁/Δt₂ (5)

где Δt₁ = θ₁ – t₁ – разность температур стенки (ТЭНа) и воздуха на одном конце калорифера (вход холодного воздуха); Δt₂ = θ₂ – t₂ – то же на другом конце калорифера (выход нагретого воздуха).

Если Δt₁/Δt₂ < 2, то вместо формулы (5) можно использовать более простую зависимость

Δt_ср = Δt₁ + Δt₂/2.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепление теоретических знаний основ теплопередачи.

2. Практическое ознакомление с работой электрического калорифера.

3. Исследование влияния силы тока и скорости движения воздуха на основные параметры процесса нагрева.

4. Приобретение навыков в обработке экспериментального материала методами математической статистики.

Содержание экспериментальной части работы

Экспериментальное определение влияния силы тока Ј и скорости движения воздуха W на основные параметры процесса нагрева в виде зависимостей t₂ = f (J,W); θ₁ = f (J,W); θ₂ = f (J,W); α = f (W).

Получение того или иного вида аналитического выражения определяется заданием преподавателя.