Обработка опытных данных

1. По тарировочному графику для ротаметра (помещён непосредственно на установке) определить расход воды V, м³/с.

2. По уравнению расхода определить среднюю скорость движения воды в трубе:

W = V / πd²/4, м/с.

3. По справочной литературе определить плотность (ρ, кг/м³) и вязкость (μ, н.с/м²) воды при фиксированных в эксперименте температурах.

4. Определить значения чисел Рейнольдса для каждой скорости потока:

Re = W d ρ / μ.

5. Установить значение критического числа Рейнольдса по результатам эксперимента – Re_кр.оп.

6. Сравнить полученное значение Re_кр.оп. с известным по литературе Re_кр = 2300.

7. Результаты представить в виде таблицы:

№ опыта	Расход воды n,V, дел. м3/с ротаметра	W, м/с	t, 0C	μ, н.с/м2	Re, расчетное значение (опытное)	Характер потока схеламатимичес на- кий

Составление отчета

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчёте должны быть представлены:

• описание цели работы,

• схема лабораторной установки,

• описание работы установки,

• методика проведения работы,

• полученные экспериментальные данные,

• результаты обработки опытных данных,

• выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

• проверить наличие (отсутствие) воды в баке 1;

• убедиться в наличии индикаторной жидкости в бачке 19.

2. Во время работы:

• строго руководствоваться данными указаниями;

• следить за уровнем воды в баке 1;

• не оставлять работающую установку без наблюдения.

3. По окончании работы:

• закрыть вентиль 3 на линии подачи воды в бак 1;

• закрыть вентиль 20 подачи индикаторной жидкости;

• открыть вентили 6 и 10 на линиях слива воды из бака 1 и рабочей ёмкости 7 до полного опорожнения последних;

• сдать установку дежурному рабочему мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей лабораторной работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении данной работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. От чего и как зависят вязкости жидкостей и газов?

2. В чём различие между динамической и кинематической вязкостями? Какова размерность динамической вязкости в системе СИ и как перевести вязкость в сантипаузах в единицы системы СИ?

3. Кем и когда (хотя бы примерно) было проведено впервые систематическое изучение гидродинамических режимов движения жидкостей?

4. Какие гидродинамические режимы движения жидкостей внутри каналов принято различать? Каковы их качественные характеристики?

5. Каким критерием принято характеризовать гидродинамический режим движения жидкости и каков его физический смысл?

6. Каковы величины критических значений Re для потока жидкости в прямых гладких трубах?

7. Как изменяются значения критических чисел для потока жидкости в изогнутых каналах (змеевика)?

8. Как влияет гидродинамический режим течения жидкости (газа) на характер распределения локальных скоростей в поперечном сечении потока?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. – М.: Химия, 1995.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973.

Работа № 18

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТЕ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

В данной работе изучается передача тепла от охлаждаемого продукта (воды), движущегося по трубкам аппарата воздушного охлаждения к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи. К установившемуся процессу перехода теплоты от одной среды к другой применимо общее уравнение теплопередачи:

Q = K·F·Θ_ср, (1)

где Q – количество теплоты, переданное через поверхность теплообмена, Вт; K – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·с; Θ_ср – средний температурный напор, ⁰C; F – поверхность теплообмена, м².

Количество теплоты Q определяется из уравнений теплового баланса:

Q = Q_пр = Q_в, Вт, (2)

Q_пр = G_пр·С_пр (Т₁ – Т₂), Вт, (3)

Q_в = G_в· С_в (t₂ – t₁), Вт, (4)

где Q_пр – количество теплоты, отдаваемое охлаждаемым продуктом (водой), Вт; Q_в – количество теплоты, получаемое охлажденным воздухом, Вт; G_пр – расход охлаждаемого продукта (воды), кг/сек; G_в – расход воздуха, кг/сек; Т₁ – начальная температура охлаждаемого продукта (воды), ⁰C; Т₂ – конечная температура охлаждаемого продукта (воды), ⁰C; t₁ – начальная температура охлаждающего воздуха, ⁰C; t₂ – конечная температура охлаждающего воздуха, ⁰C; С_пр, С_в – соответственно средние теплоемкости охлаждающего продукта и воздуха, Дж/кг·⁰С.

Коэффициент теплопередачи

В условиях переноса тепла от продукта (воды), движущегося в трубках аппарата воздушного охлаждения, к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи, процесс теплообмена определяется совместным действием конвекции (от продукта к стенкам трубы и от стенок трубы к воздуху) и теплопроводности (через стенку трубы и слой загрязнений). Лучеиспусканием в условиях сравнительно низких температур воздуха можно пренебречь.

В аппаратах воздушного охлаждения поверхность труб, обдуваемая воздухом, выполняется оребренной. Делается это с целью интенсификации теплоотдачи с той стороны, где коэффициент теплоотдачи мал (α_возд = 10…50 Вт/м² град для гладких труб) по сравнению с коэффициентом теплоотдачи с другой стороны (продукта). Выравнивание теплоотдачи с обеих сторон трубы достигается увеличением с помощью ребер наружной поверхности теплообмена.

Коэффициент теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения может быть отнесен к различной поверхности теплообмена. Если расчет вести на единицу полной поверхности оребренной трубы, то расчетное уравнение для коэффициента теплопередачи имеет следующий вид:

K = 1 / 1/α_в·F_п/F_в + r_м·F_п/F_ср + 1/α_нп + r_зв·F_п/F_в + r_зн,

где α_в – коэффициент теплоотдачи со стороны продукта, Вт/м²·⁰С; α_нп – коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, отнесенный к полной поверхности трубы, Вт/м²·⁰С; F_п – полная поверхность оребренной трубы, м²; F_в – поверхность трубы внутренняя, м²; F_ср – поверхность трубы по среднему диаметру, м²; r_м – тепловое сопротивление материала стенок трубы, м²·⁰С/Вт; r_зв – тепловое сопротивление загрязнений со стороны продукта, м²·⁰С/Вт; r_зн – тепловое сопротивление загрязнений со стороны воздуха, м²·⁰С/Вт.

В обычных эксплуатационных условиях загрязнения со стороны воздуха отсутствуют, т.е. r_зн = 0. С достаточной степенью точности коэффициент теплопередачи, отнесенной к полной поверхности оребренной трубы, можно рассчитывать по формуле

K = 1 / 1/α_в·Ψ + 1/α_нп + r_зв·Ψ, (5)

где Ψ = F_п/F_в – коэффициент увеличения поверхности.

Средний температурный напор

При расчете аппаратов воздушного охлаждения средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителей по всей поверхности теплообмена, зависит от схемы движения теплоносителей. Наиболее общим случаем для аппаратов воздушного охлаждения является перекрестный ток теплоносителей, а также смешанный при соблюдении общего противоточного направления потоков.

Наличие поперечного оребрения на трубах препятствует перемешиванию потока в межтрубном пространстве. Это приводит к увеличению температурного напора. Вычисление среднего температурного напора при перекрестном (смешанном) токе приводит к сложным математическим формулам, поэтому для наиболее часто встречающихся случаев по этим формулам составлены расчетные графики.

Определение среднего температурного напора производится следующим образом: вычисляется среднелогарифмический температурный напор для противоточного аппарата:

θ΄_ср = θ₁ – θ₂ /2,3 lg θ₁/θ₂, (6)

затем вычисляются вспомогательные величины:

R = T₁ – T₂/t₂ – t₁, (7)

P = t₂ – t₁/T₁ – t₁. (8)

По этим данным находят поправочные коэффициенты ε_Δt, умножая которые на значение среднелогарифмического температурного напора (при противотоке), получаем средний температурный напор:

θ_ср = ε_Δt·θ΄_ср. (9)

Расчетные графики для определения R по P и при однократном перекрестном токе (один ход продукта) без перемешивания теплоносителей имеются в справочной литературе [1].

При числе ходов от 2-х до 4-х поправочный коэффициент находят по формуле:

ε_Δtn = ε_{Δt n=1} + 1 - ε_Δt/4 (n – 1). (10)

Здесь n = 2…4 – число ходов продукта. При большем числе ходов рекомендуется принимать ε_Δt = 1, т.е. аппарат рассчитывается как чисто противоточный.

Средние температуры потоков и поверхности стенок труб

Существенное значение для расчетов коэффициентов теплоотдачи имеет выбор определяющих температур потоков охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, к которым относят физические константы продуктов. Примем за определяющую температуру средние температуры потоков.

Средняя температура охлаждаемого продукта (воды)

T_ср = T₁ + T₂ /2. (11)

Средняя температура воздуха

t_ср = t₁ + t₂/2. (12)

Температура наружной поверхности стенки трубы

t_ст.н. = t_ср + K_п·θ_ср/α_нп. (13)

Температура внутренней поверхности стенки трубы

Т_ст.в. = Т_ср - К_п·θ_ср/α_в ·Ψ (14)

где Ψ = F_п/F_в – коэффициент увеличения поверхности; F_п – полная поверхность оребренной трубы, м²; F_в – внутренняя поверхность трубы, м².

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды)

Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта (внутри труб) определяется по известным формулам, применяемым для расчета других видов теплообменных аппаратов:

а) при турбулентном режиме движения продукта (воды) внутри трубы коэффициент теплоотдачи

α_в = 0,021 λ/a_в·Re_f·P_rf (P_rf / P_rw); (15)

б) при развитом турбулентном режиме коэффициент теплоотдачи определяется более простой формулой

α_в = 0,023 λ/a_в·Re_f^0,8·P_rf^0,4; (16)

в) для переходного режима движения (2200 ≤ Re ≤ 10000) при определении коэффициента теплоотдачи в вышеуказанные формулы необходимо вводить поправочный коэффициент φ_Re, который определяется по графику [1];

г) при ламинарном режиме (Re < 2200) коэффициент теплоотдачи

α_в = 0,17 λ/a_в ·Re_f^0,33·P_rf^0,43·G_rf^0,1 (P_rf / P_rw)^0,25·(17)

Здесь Re = w d_в/ ν – критерий Рейнольдса;

Pr = ν c_p ρ/λ – критерий Прандтля;

Gr = β g a_в³ Δt / ν² – критерий Грасгофа;

β – коэффициент объемного расширения, 1/⁰С; Δt – разность температур продукта и стенки, ⁰С.

Индексы: f – показывает, что физические параметры берутся при средней температуре продукта; w – показывает, что физические параметры берутся при температуре стенки.

В данной работе экспериментально определяют коэффициент теплопередачи K, используя зависимость (1). Определив по одной из зависимостей (15-17) коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды) и используя уравнение (5), определяем коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, который зависит от многих переменных величин: геометрических, гидродинамических и теплофизических. При вынужденном турбулентном движении газа (воздуха) обобщенная критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид

Nu = C · Reⁿ, (18)

где Nu = α_н·d_н/λ – критерий Нуссельта;

Re = ω d_н ρ/μ – критерий Рейнольдса.

Здесь α_н – коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/м²·⁰С; d_н – наружный диаметр трубы, м; λ – теплопроводность воздуха, Вт/м ⁰С; ω – скорость воздуха в узком сечении межтрубного пространства, м/сек; ρ – плотность воздуха, кг/м³; μ – вязкость воздуха, н · сек/м².

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха определяют по уравнению

Q = Q_пр = Q_в = α_н · F (t_ст.н. – t₁). (19)