Оценка погрешности

Относительную погрешность измерений находят по формуле:

,

где: ∆I, ∆U, ∆T, ∆F – абсолютные погрешности при измерении силы тока, напряжения, температуры и площади поверхности.

Контрольные вопросы

1. Какие виды теплообмена имеют место в данной работе? Их сущность.

2. Что называется свободной и вынужденной конвекцией?

3. Как определить теплоту, переданную конвекцией и излучением? Как интенсифицировать теплообмен конвекцией?

4. Что называется коэффициентом теплоотдачи? Его размерность и физический смысл.

5. Как определить коэффициент теплоотдачи расчетным и опытным путем.

6. Что характеризуют критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа,?

7. Для чего результаты опыта необходимо представить в критериальной зависимости?

8. Изменится ли коэффициент теплоотдачи α, если металлический цилиндр заменить на керамический при той же температуре поверхности, и почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12

Исследование теплопередачи в водяном теплообменнике

Цель работы – изучение классификации и основ теплового расчета теплообменных аппаратов, экспериментальное определение коэффициента теплопередачи при различных схемах движения теплоносителя с использованием критериальных уравнений и экспериментально.

Краткие теоретические сведения

Теплообменные аппараты широко используются в раличных отраслях промышленности, ЖКХ и т.д.. К ним относятся паровые котлы, сетевые подогреватели, конденсаторы, водяные и топливные подогреватели и др.

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость – горячий теплоноситель – передает теплоту другой жидкости – холодному теплоносителю. В качестве теплоносителей используются разнообразные капельные и газообразные жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном смешении обоих теплоносителей.

В рекуперативных аппаратах теплота передается от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку.

Процесс передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку называется теплопередачей. Конструкции разделительной стенки могут быть самыми разнообразными.

Движение жидкости в теплообменных аппаратах осуществляется по трем основным схемам. Если направления горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком. Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, такое движение называется противотоком. Если горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется поперечным током. Часто движение теплоносителя в теплообменном аппарате не может быть однозначно определено как один из перечисленных видов. Тогда имеет место, так называемый, смешанный ток.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими. Тепловой расчет теплообменника сводится к совместному решению основного уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Основное уравнение теплопередачи имеет вид

Ø = k∙F∙△t_ср, (33)

где: Ø – тепловой поток от горячей среды к холодной, Вт;

k – коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку, Вт/м² К;

F – площадь теплообменной поверхности, м²;

△t_ср – средняя разность температур между холодным и горячим теплоносителями, ⁰С.

При стационарном тепловом режиме в теплообменнике справедливо уравнение теплового баланса Q =Q ,

или G с_pm1 = G с_pm2 , (34)

где: Q , Q – количество теплоты, отданное горячим теплоносителем и принятое холодным, Вт;

G₁, G₂ – расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

с_pm1, с_{pm2 –} средние удельные массовые изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей. кДж/кг К;

– температура горячего теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника, ⁰С;

– температура холодного теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника, ⁰С.

В тепловых расчетах теплообменников произведение расхода теплоносителя на теплоемкость называется водяным эквивалентом, Вт/град.

С учетом этого уравнение теплового баланса можно представить в виде:

;

.

При стационарном режиме и при малом изменении температур отношение изменений температур теплоносителя обратно пропорционально их водяным эквивалентам.

Характер изменения температуры рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева теплоносителя зависит от соотношения W и W , теплоемкости, а также от схемы движения теплоносителей.

В работе ставится задача исследовать процесс теплообмена при различных схемах движения теплоносителей и соотношениях водяных эквивалентов W >W , W <W в случае, когда оба теплоносителя – вода.

Теплопередача – сложный вид теплообмена от одного теплоносителя к другому через разделяющую их твердую стенку. При стационарном режиме передача теплоты происходит последовательно следующими видами теплообмена:

теплоотдача - от горячего теплоносителя теплота передается внутренней поверхности цилиндрической стенки путем конвективного теплообмена. Термическое сопротивление теплоотдачи от горячего теплоносителя к внутренней поверхности стенки трубки определяется из соотношения:

, (35)

где: α₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к внутренней поверхности трубки Вт/м²∙К ;

теплопроводность – перенос теплоты внутри цилиндрической стенки от ее внутренней граничной поверхности к внешней происходит за счет кондукции. Термическое сопротивление теплопроводности цилиндрической стенки определяется соотношением:

, (36)

где: λ – коэффициент теплопроводности материала трубки, Вт/м К.

теплоотдача – от внешней граничной поверхности цилиндрической стенки теплота передается холодному теплоносителю путем конвективного теплообмена. Термическое сопротивление теплоотдачи от внешней поверхности трубки холодному теплоносителю

, (37)

где: α₂ – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности трубки холодному теплоносителю, Вт/м² К.

Суммируя все виды термических сопротивлений, найдем термическое сопротивление теплопередачи:

. (38)

Величина, обратная термическому сопротивлению теплопередачи, называется коэффициентом теплопередачи:

. (39)

Коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂ при вынужденном движении жидкости в трубках определяются с использованием критерия Нуссельта Nu:

. (40), (41) .

где: λ₁ и λ₂ – коэффициенты теплопроводности горячего и холодного теплоносителей при средней температуре t_ср1 и t_ср2, Вт/м К;

;

Nu₁ и Nu₂ – безразмерные критерии Нуссельта, характеризующие интенсивность конвективного теплообмена на границах стенка-жидкость, жидкость-стенка и определяемые по следующим критериальным уравнениям:

Nu₁ = 0,021∙Re₁^0,8∙Pr_ж1^0,43∙(Рr_ж1/Рr_ст1)^0,25 , (60)

Nu₂ = 0,021∙Re₂^0,8∙Pr_ж2^0,43∙(Рr_ж2/Рr_ст2)^0, (61)