7. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1) цель работы;

2) схему установки;

3) заполненный протокол измерений;

4) обработку результатов измерений;

5) выводы по работе;

6) условие и решение контрольной задачи.

8. Контрольные вопросы

1. Назовите виды переноса теплоты.

2. Что является движущей силой в процессе теплоотдачи?

3. Назовите основные числа подобия, входящие в уравнения подобия конвективной теплоотдачи.

4. Объясните физический смысл коэффициента теплоотдачи.

5. Какова зависимость между тепловым потоком через стенку и средней разностью температур между стенкой и средой?

6. Как рассчитать разность температур, входящую в уравнение теплоотдачи?

7. Какая температура принимается за определяющую при выборе физических свойств газа, входящих в критериальные уравнения?

8. Какими частными коэффициентами теплоотдачи определяется общий коэффициент теплоотдачи?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 343 с.

2. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника. – М.: Высшая школа, 1986. – 344 с.

3. Печенегов Ю.Я. Общая энергетика: учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2005. – 149 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Определение коэффициента теплопередачи в пароводяном теплообменнике

Цель работы – опытное определение коэффициента теплопередачи К в пароводяном теплообменнике.

1. Теоретические данные

Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется в аппаратах, называемых теплообменниками. В качестве теплоносителей используются как капельные, так и упругие жидкости (газы и пары). В теплосиловых установках находят широкое применение так называемые рекуперативные теплообменники, или теплообменники непрерывного действия, в которых процесс теплопередачи от одной жидкости к другой происходит через разделительную стенку (поверхность нагрева). Примерами таких теплообменников могут служить паровые котлы, пароперегреватели, пароводяные подогреватели, поверхностные конденсаторы паровых турбин, отопительные приборы, калориферы, воздухоподогреватели и др.

В данной работе изучают передачу теплоты от греющего водяного пара к воде (при прохождении воды по внутренней трубке теплообменника).

Насыщенный греющий пар непрерывно поступает по паропроводу в межтрубное пространство теплообменника и, отдавая теплоту воде, конденсируется на наружной поверхности внутренней трубки. Процесс конденсации протекает при постоянном давлении и, следовательно, при постоянной температуре t, практически одинаковой в любом месте межтрубного пространства. Конденсат греющего пара должен отводиться из теплообменника через конденсатоотводчик (конденсационный горшок), пропускающий конденсат, но задерживающий пар. Вода, проходящая по внутренней трубке, нагревается от начальной температуры t_нач до конечной t_кон (рис. 1).

Выделим в некотором месте внутренней трубки теплообменника бесконечно малый кольцевой участок поверхности dF (рис. 2).

Рис. 1. Изменение температур теплоносителей

вдоль поверхности теплопередачи

Пусть в этом месте температура воды внутри трубки будет t. Тогда для установившегося процесса перехода теплоты от пара к

Рис. 2. Схема процесса теплопередачи:

1 – металлическая стенка; 2 – слой ржавчины; 3 – слой отложений

воде через участок поверхности dF можно написать следующие уравнения.

1. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от конденсирующегося пара к наружной поверхности стенки трубки

. (1)

2. Уравнение теплопроводности – перехода теплоты через стенку трубки, состоящую из нескольких слоев (наружный слой ржавчины, металл, внутренний слой ржавчины, слой так называемого водяного камня или накипи)

. (2)

3. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от внутренней поверхности стенки трубки к воде

. (3)

В этих уравнениях dQ – расход передаваемой теплоты, Вт; t_ст.н. и t_ст.вн. – температуры наружной и внутренней поверхности стенки трубки, ⁰С; r_П – термическое сопротивление при переходе теплоты от конденсирующегося пара к наружной поверхности трубки, м²·К/Вт; – сумма термических сопротивлений слоев, из которых состоит стенка, м²·К/Вт; r_в – термическое сопротивление при переходе теплоты от внутренней поверхности стенки к воде, м²·К/Вт.

Поверхность dF во всех трех уравнениях принята одинаковой, т.е. стенка трубки считается плоской, что допустимо, когда толщина стенки мала по сравнению с диаметром.

Из уравнений (1) – (3) получаем уравнение теплопередачи – перехода теплоты от пара к воде:

, (4)

где – общее термическое сопротивление при переходе теплоты от конденсирующегося пара к воде через стенку трубки.

Уравнения теплоотдачи (1) и (3) могут быть представлены в виде

; (5)

. (6)

Величину, обратную общему термическому сопротивлению R, называют коэффициентом теплопередачи

. (7)

Для всего теплообменника с площадью поверхности теплопередачи F, м², в котором расход передаваемой теплоты составляет Q, Вт, интегрирование уравнения (4) приводит к уравнению теплопередачи следующего вида:

, (8)

где Δt_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи в теплообменнике – средняя разность температур пара и воды, определяемая теоретическим уравнением

, (9)

где Δt_нач = t_П – t_нач; Δt_кон = t_П – t_кон (см. рис. 1).

Эти разности температур представляют собой движущие силы процесса теплопередачи на концах теплообменника – на входе и на выходе воды.

Если Δt_нач/ Δt_кон ≤ 2, то с достаточной точностью (погрешность менее 5%) можно считать

. (10)

Расход теплоты Q в уравнении (8) рассчитывают по формуле

, (11)

где V – расход воды, м³/с; ρ – плотность воды, кг/м³; с – средняя теплоемкость воды, Дж/(кг·К).

Необходимо четко различать понятия «теплоотдача» и «теплопередача».

Передача тепла от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через разделяющую их стенку называется процессом теплопередачи. Теплопередача является одним из видов сложного теплообмена, включающего в себя конвективную теплоотдачу от горячей жидкости (или газа) к стенке, теплопроводность в стенке, конвективную теплоотдачу от стенки к холодной жидкости (или газу).

Количественной характеристикой процесса теплопередачи является коэффициент теплопередачи К. Коэффициент теплопередачи определяет количество тепла, переданного в секунду от одной жидкости (или газа) к другой жидкости (или газу) через единицу поверхности (м²) стенки при разности температур между жидкостями в один градус.