2.4. Содержание отчета

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Принципиальная схема экспериментальной установки.

4. Таблица измерений с результатами замеров опытных данных.

5. Таблица расчетов с обработкой опытных данных.

6. График зависимости Nu = f(Re).

7. Сопоставление с критериальным уравнением теплообмена для вынужденной конвекции при числах Рейнольдса, заданных преподавателем.

8. Выводы по работе.

2.5. Контрольные вопросы и задания

1. Объясните принцип действия лабораторной установки, на которой выполнялась работа.

2. Поясните принцип измерения расхода воздуха. Укажите, какая аппаратура при этом используется.

3. Как измеряется температура поверхности теплоотдачи? Перечислите применяемую аппаратуру.

4. Как определяется тепловой поток, отводимый воздухом при вынужденной конвекции?

5. При какой температуре определяются теплофизические параметры воздуха и как находится эта температура?

6. Укажите определяющий размер для канала в установке, на которой вы вели исследование. Что принимают за определяющий размер в каналах некруглого сечения?

7. Как меняется интенсивность теплоотдачи с увеличением скорости потока? Какими числами подобия оценивается интенсивность теплоотдачи?

8. Будет ли справедливо полученное вами уравнение подобия для каналов, имеющих длину больше, чем у экспериментального канала?

Лабораторная работа № 3 иСследовАниЕ тЕплообменного аппарата

Цель работы – экспериментальное определение влияния скорости теплоносителей и схем их движения на интенсивность теплообмена в рекуперативном теплообменнике.

3.1. Общие положения

Теплообменные аппараты служат для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. Существует большое разнообразие теплообменных аппаратов по принципу действия, технологическому назначению и конструктивному оформлению. Несмотря на перечисленные различия, законы передачи тепла в теплообменниках описываются общими уравнениями.

Рис. 4. Теплообменник «труба в трубе»

Простейшую конструктивную форму имеет теплообменник типа «труба в трубе», состоящий из двух концентричных труб разных диаметров (рис. 4), в котором один из теплоносителей протекает по внутренней трубе, а другой – в межтрубном пространстве. В процессе теплопередачи от горячего теплоносителя отводится тепловой поток

, (3.1)

а холодный теплоноситель воспринимает тепловой поток

. (3.2)

При стационарном режиме работы теплообменника и отсутствии внешних потерь уравнение теплового баланса теплоносителей имеет вид

. (3.3)

В уравнениях (3.1) – (3.3) М, С_р, t – соответственно массовый расход, теплоемкость и температура теплоносителя; индекс «г» относится к горячему теплоносителю, «х» – к холодному; индекс 1 относится к температуре теплоносителя на входе в теплообменник, 2 – на выходе.

Для определения поверхности теплообмена используется уравнение теплопередачи

, (3.4)

где K – коэффициент теплопередачи теплообменника, – средняя разность температур между теплоносителями, F – поверхность теплообмена.

Коэффициент теплопередачи K характеризует интенсивность передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку и численно равен тепловому потоку, который передается через единицу поверхности стенки при разности температур между теплоносителями в один градус.

В тепловых расчетах важное значение имеет понятие водяного эквивалента теплоносителя . С использованием этого понятия уравнение (3.3) принимает вид

(3.5)

или

. (3.6)

Следовательно, отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы их движения и соотношения значений и .

Если в теплообменном аппарате горячий и холодный теплоносители протекают параллельно и в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис. 5, а); если теплоносители протекают параллельно, но в противоположном направлении – противотоком (рис. 5, б), наконец, если теплоносители протекают в перекрестном направлении – перекрестным током (рис. 5, в). Кроме таких простых схем движения на практике осуществляются и сложные: одновременно прямоток и противоток (рис. 5, г), многократно-перекрестный ток (рис. 5, д) и т.д.

а

б

в

г

д

Рис. 5. Схемы движения теплоносителей в теплообменнике

На рис. 6 показаны характерные кривые изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямо- и противотоке при различных соотношениях между W_г и W_х. В соответствии с уравнением (3.6) большее изменение температур на графиках получается у теплоносителя, водяной эквивалент которого меньше.

а

в

б

г

Рис. 6. Характер изменения температуры теплоносителей при прямо- и противотоке в зависимости от соотношения W_г и W_х

Из рассмотрения графиков (рис. 6) следует, что при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя t_х2 всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя t_г2, а при противотоке конечная температура холодного теплоносителя t_х2 может быть выше конечной температуры горячего t_г2. Следовательно, при одной и той же начальной температуре холодного теплоносителя его можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке.

Температурный напор вдоль поверхности теплообмена при прямотоке изменяется быстрее, и среднее его значение меньше, чем при противотоке. Поэтому в соответствии с уравнением (3.4) при одном и том же отводимом тепловом потоке и коэффициенте теплопередачи противоточный теплообменник получается компактнее за счет уменьшения поверхности теплообмена.

Средняя разность температур теплоносителей как при прямотоке, так и при противотоке может быть определена в общем случае из уравнения

, (3.7)

где – средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями; – большая и меньшая разности температур между теплоносителями на концах теплообменника (рис. 6, а, в).

В тех случаях, когда температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно, среднюю разность температур можно вычислять как среднюю арифметическую из крайних напоров

. (3.8)

Среднеарифметическая разность температур всегда больше, чем среднелогарифмическая (рис. 6, а), но при t_б/t_м < 2 они отличаются друг от друга не более чем на 3 %.

В трубчатых теплообменниках обычно применяются трубки, толщина стенок которых мала по сравнению с диаметром. В этом случае при расчетах можно пользоваться упрощенным уравнением теплопередачи для цилиндрической стенки

, (3.9)

где F_вн, d_вн, l – соответственно внутренняя поверхность, внутренний диаметр и длина цилиндрической стенки.

В уравнении (3.9) коэффициент теплопередачи определяется так же, как для плоской стенки

, (3.10)

где  – коэффициент теплоотдачи; 1/α_г, 1/α_х, – термические сопротивления теплоотдачи; – термическое сопротивление теплопроводности стенки; ,  – толщина и коэффициент теплопроводности материала стенки.

При малой толщине стенки  и большом коэффициенте теплопроводности ее материала  термическим сопротивлением стенки можно пренебречь и уравнение (3.10) примет вид

. (3.11)

Так как размеры теплообменника, а следовательно, и величина поверхности теплообмена зависят от коэффициента теплопередачи, уменьшение поверхности теплообмена при одинаковых Q и t может быть достигнуто увеличением K за счет уменьшения термических сопротивлений теплоотдачи 1/α_г и 1/α_х.

Анализ уравнения (3.11) показывает, что значение коэффициента теплопередачи K не может быть больше наименьшего из α_г и α_х. Поэтому при ( ) для увеличения K нужно увеличивать меньший коэффициент теплоотдачи, т. е. уменьшать большее из термических сопротивлений теплоотдачи. Если возрастание K возможно за счет увеличения любого из них.