Цель работы
Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи в аппарате воздушного охлаждения для воздуха при различных его расходах и получение обобщенной расчетной зависимости между критериями Nu и Re для воздушного потока.
Описание установки
Экспериментальная установка состоит из кожухотрубчатого 2-ходового теплообменника 1, аппарата воздушного охлаждения 2, паропровода 3, водопровода 4-5, линии отвода конденсата 6, контрольно-измерительных приборов (ротаметр 7, манометр 8 и термометры T1, T2, t1, t2).
Теплообменник 1 в данной работе служит для приготовления горячей воды, которая по трубопроводу горячей воды 5 поступает на охлаждение в теплообменную поверхность аппарата воздушного охлаждения (АВО). Техническая характеристика теплообменника 1 приведена в работе № 7 «Исследование процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике».
Аппарат воздушного охлаждения представляет собой ребристую батарею общей поверхностью 150 м2, изготовленную из медных труб диаметром 15х2,5 мм с насаженными на них ребрами из дюралюминия. Теплообменная поверхность специальным коллектором разделена на две части (два хода). Число трубок в одном ходе N = 3 шт. Длина всех трубок L = 206 м. Общая поверхность трубок по наружному диаметру Fн = 9,7 м2. Коэффициент увеличения поверхности Ψ = Fп / Fн = 150/9,7 = 15,4. Площадь свободного сечения трубного пучка F = 0,6 м2.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки:
1 – теплообменник; 2 – аппарат воздушного
охлаждения; 3 – паропровод; 4 – водопровод
холодной воды; 5 – водопровод горячей
воды; 6 – линия для отвода конденсата;
7 – ротаметр; 8 – манометр; 9 – заслонка;
10 – вентиляторы.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Ознакомившись с установкой и с инструкцией и получив задание от преподавателя, при пуске установки в работу устанавливают примерный расход воды (10-15 делений по шкале ротаметра), вентиль В4 при этом должен быть открыт. Открыв вентиль ВП на паропроводе, продувают паром межтрубное пространство теплообменника 1 и конденсатоотводник на линии конденсата 6, открывая слегка В2, вентиль В3 для этой операции должен быть открыт полностью. При продувке необходимо следить, чтобы давление пара в межтрубном пространстве теплообменника не превышало 1,5 атм по манометру 8. После продувки устанавливают необходимый расход воды.
По манометру 8 устанавливают заданное преподавателем давление греющего пара в межтрубном пространстве теплообменника. В дальнейшем в течение всей работы установки это давление необходимо тщательно поддерживать постоянным непрерывно регулируя его с помощью вентиля В2.
По истечении ~ 10 минут включают вентиляторы аппарата воздушного охлаждения и устанавливают с помощью заслонки 9 максимальный расход воздуха. Выждав 3-5 минут, записывают показания термометров T1, T2, t1, t2, а также расход воды, воздуха. Данные заносят в таблицу 1. Устанавливают с помощью заслонки следующий (меньший) расход воздуха. Работая с новым расходом воздуха, снова записывают температуры воздуха, воды. Таким путем получают данные для 5 расходов воздуха. После этой серии опытов переходят к другой, оставляя для нее расход воздуха постоянным, а меняя расход воды (данные получают для пяти значений расходов воды). Очень важно в этой работе показания термометров снимать только при достижении установившегося теплового режима.
Таблица 1
|
№ п.п. |
Расход воздуха, м3/ч |
Расход воды, м3/ч |
Температура воздуха воды |
Давление греющего пара P, н/м2 |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
|
|
|
|
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
Для обработки опытных данных составляют таблицу (табл. 2).
После определения логарифмов критерия Нуссельта и критерия Рейнольдса строят на миллиметровой бумаге график зависимости lg Nu от lg Re. Через экспериментальные точки проводят прямую линию, уравнение которой в соответствии с (18):
Lg Nu = n lg Re + lg C.
Далее определяют по этому графику величину n – угловой коэффициент прямой, после чего, взяв любую точку на прямой, находят для нее
lg C = lg Nu – n lg Re и затем – значение С.
Отчет о выполненной работе должен включать:
а) схему установки;
б) таблицу обработки опытных данных;
в) график зависимости lg Nu от lg Re с определением значения n и C.
Примечание. Все расчеты с использованием тех или иных формул должны быть выполнены в отчете.
Таблица 2
Обработка опытных данных
|
№ п.п. |
Наименование и размерность величин |
Номера опытов |
|
1 2 3 4 5 6 |
||
|
1 |
Расход воздуха V, м3/ч |
|
|
2 |
Температура воздуха до теплообменника t1, 0C |
|
|
3 |
Температура воздуха после теплообменника t2, 0С |
|
|
4 |
Плотность воздуха при tср = t1 + t2/2 ρ, кг/м3 |
|
|
5 |
Теплоемкость воздуха Cp, Дж/кг·0С |
|
|
6 |
Вязкость воздуха μ, н·сек/м2 |
|
|
7 |
Теплопроводность воздуха λ, Вт/м·град |
|
|
8 |
Массовый расход воздуха Gв = Vρ/3600, кг/сек |
|
|
9 |
Скорость воздуха в свободном сечении ω = V/3600F, м/сек |
|
|
10 |
Критерий Рейнольдса Re = ω·dн·ρ/μ |
|
|
11 |
Расход тепла на нагрев воздуха Qв = Gв·Св (t2 – t1), Вт |
|
|
12 |
Средняя разность температур в теплообменнике по формуле (9) или (6) |
|
|
13 |
Коэффициент теплопередачи K =Qв/Fп·θср, Вт/м2·град |
|
|
14 |
Расход продукта (воды) W, м3/ч |
|
|
15 |
Температура воды до теплообменника Т1, 0С |
|
|
16 |
Температура воды после теплообменника Т2, 0С |
|
|
17 |
Средняя температура воды Тср = Т + Т/2, 0C |
|
|
18 |
Плотность воды при Тср, ρ, кг/м3 |
|
|
19 |
Теплоемкость воды при Тср, Cp, Дж/кг·0С |
|
|
20 |
Теплоемкость воды при средней температуре стенки Тст, Cp, Дж/кг·0С |
|
|
21 |
Теплопроводность воды при Тср, λn, Вт/м2·град |
|
|
22 |
Теплопроводность воды при Тст, λ΄n, Вт/м2·град |
|
|
23 |
Вязкость воды при Тср, μn, н·сек/м3 |
|
|
24 |
Вязкость воды при Тср, μn, н·сек/м3 |
|
|
25 |
Массовый расход воды Gn = W·ρn/3600, кг/сек |
|
|
26 |
Скорость воды в трубке теплообменника ω = W/3600·0,785·d2в·Ν, м/сек |
|
|
27 |
Количество теплоты, отдаваемое водой Qпр = G·Cp· (T1 – T2), Вт |
|
|
28 |
Коэффициент теплопередачи K = Qпр/Fn·θср, Вт/м2·град |
|
|
29 |
Критерий Рейнольдса Ref = ωn·dв/ν |
|
|
30 |
Критерий Прандтля Prf = νn·Cp·ρ/λn |
|
|
31 |
Критерий Прандтля, при температуре стенки, Prw = ν΄n·Cp·ρ/λ΄n |
|
|
32 |
Критерий Грасгофа Grf = β·gd3вΔt/νn2 |
|
|
33 |
Средняя разность температур продукта и стенки Δt = Tср – Тст (11,14) |
|
|
34 |
Коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды) αв (определяется по уравнениям 15, 16, 17 в зависимости от режима движения) |
|
|
35 |
По уравнению (5) определяется величина коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха αнn |
|
|
36 |
Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха αн = Qв/Fn (tст.н - t1), Вт/м2·град |
|
|
37 |
Критерий Нуссельта Nu = αн·dн/λ |
|
|
38 |
lg Nu |
|
|
39 |
lg Re |
|