Лабораторная работа №3. Исследование работы рекуперативного

Т.

2. Температуры теплоотдающей поверхности тела (трубы) Т„, К, и омывающей среды юздуха) Т_ж> К.

3. Площади теплоотдающей поверхности Р, м².

Экспериментальная установка. Основную часть установки (рис. 3.5) представляет грезок цилиндрической трубы 1 (</ = 16 мм, / = 310 мм), укрепленный с помощью ялоизоляторов 3 на скобе, которая шарнирно соединена со стойкой. Благодаря такой)нструкции на данной установке можно исследовать теплоотдачу при различных углах клона оси трубы к горизонту, т. е. при <р = 0 + 90°. Внутри трубы смонтирован ектрический нагреватель 2, питаемый от сети через автотрансформатор, который служит

для регулирования мощности нагревателя. Для измерения напряжения тока, протекающего через электронагреватель, служит вольтметр 10. Температура поверхности трубы измеряется с помощью десяти термопар Т1 ■*■ Т10, «горячие» спаи которых равномерно заделаны на поверхности трубы и соединены с измерителем температуры 5 и «холодным» спаем 8 посредством переключателя 6. Для определения потерь тепла в местах крепления трубы (через теплоизолятор) предназначены две термопары Т11 и Т12, «горячие» спаи которых установлены на наружной поверхности теплоизоляторов. «Холодные» спаи всех термопар 8 размещены в блоке измерения температур, который представляет собой собственно измеритель температур 5, соединенный с переключателем термопар 6. Температура воздуха, окружающего установку, измеряется термометром 4 (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Схема лабораторной установки:

1 - труба (цилиндр); 2 - электронагреватель; 3 - теплоизолятор; 4 - термометр окружающего воздуха;

5 - измеритель температуры; 6 - переключатель термопар; 7 - вольтметр; 8 - автотрансформатор;

Т1 * Т12 - «горячие» спаи термопар

Порядок проведения опыта

Опыт проводится для трех случаев горизонтальной трубы (<р = 0°), вертикальной трубы (<р = 90°) и наклонной трубы (0 < <р <90°).

В любом случае для получения достоверного результата необходимо установление стационарного режима теплоотдачи, т. к. уравнение (3.12) применимо только для такого режима. Поэтому нагреватель установки включается заранее (за 30 - 40 мин), чтобы к началу снятия показаний приборов был достигнут стационарный тепловой режим (о наступлении его можно судить по неизменности показаний термопар, установленных на поверхности трубы, во времени).

После наступления стационарного режима записывают в протокол (табл.3.2) следующие показания приборов:

1. Напряжение на нагревателе II, В.

2. Показания термопар Т1 * Т10, измеряющих температуру поверхности трубы, °С.

3. Температуру окружающего воздуха (_в, °С. ^й-

4. Показания термопар Т11 и Т12, установленных на теплоизоляторах, °С.

Таблица 3.2 Протокол опытных данных

<р

V

Температура поверхности трубы, °С

Температура поверхности теплоизоляторов,°С

и

град.

В

»ср

(и

°с

После окончания опыта установку выключить. Обработка результатов опыта

1. Определяем мощность нагревателя IV, которая при стационарном тепловом режиме равна тепловому потоку ^, отдаваемому нагретой трубой окружающей среде

(3.14)

где II- напряжение на нагревателе, В;7?„ - сопротивление нагревателя, Ом (/?„= 24,1 Ом). 2. Находим среднюю температуру поверхности трубы Чф, °С

1 ¹⁰

*С_Р =7^1*1

(3.15)

3. Определяем тепловой поток потерь ()_пот, Вт, в местах крепления трубы:

Упот ⁼^Яп^зад ⁼ *~1 7", ~Т,, ^зад' ^дв'^Лв ^{+ д}и^/Аи

(3.16)

где д„_от - удельный тепловой поток потерь, Вт/м; Р^д - поверхность конца трубы в месте
заделки в теплоизолятор, м²; (_и = 0,5 (Гц + 1{2) - средняя температура поверхности
изоляторов, °С; д_в, д_и - соответственно толщина воздушной прослойки и средняя толщина
изолятора в месте заделки трубы, м; Х_в, Х„ - соответственно коэффициенты теплопроводности
воздуха и материалатеплоизоляторов, Вт/(м-К).. _:., _1:

Формула (3.16) для конкретной установки и средних условий эксперимента на ней (Р_зад= 8,47-Ю"⁴ м²; д_и= 0,011 м; &= 0,001 м; к_в= 0,031 Вт/(м-К); К= 0,3 Вт/(м-К)) принимает вид

<2_пот=2А'ЬЪЛЪ-²{1_ср-1_и)

(3.17)

4. Подсчитываем опытное значение коэффициента теплоотдачи а_оп, Вт/^-К):

*оп =

(3.18)

где Р = жЛ - величина теплоотдающей поверхности трубы, м².

Сравнение результатов опыта с расчетными значениями.

Расчетный коэффициент теплоотдачи а_р, Вт/^-К), при сложном теплообмене
определяют как сумму конвективного (а_к) и лучистого (а_л) коэффициентов теплоотдачи, то
есть "^и%* ^>:;< ~ '^ч}.^? "'^;.';¹' '"';^]*^}'

а_р=а_к +а_яУ^^лт' ^:^^хп[ ^! " ~. _т>?.(3.19)'

Величину а_к, Вт/^-К), находят с помощью критериальных уравнений с учетом
расположения трубы в пространстве. р-^фС^^^-'С'"^-

а) Горизонтальная труба (у = 0°). " >' ^у '^1Л!;

В этом случае используется критериальное уравнение

Ш = С{Ог-Рг)^п,

(3.20)

где Ог - критерий Грасгофа; Рг - критерий Прандтля; Ии - критерий Нуссельта; С, п - постоянные.

Значения постоянных Сил выбирают в зависимости от величины произведения ОгРг по табл. 3.3.

.,>_Л-.гу, ТаблицаЗ.З

Значения постоянных критериальных уравнений

ОгРг	С	п
110-^-5-10^	1,180	0,125
510?* 2-ГО'	0,540	0,250
2-10'+МО""	0.135	0.333

Критерий Грасгофа вычисляют по формуле

Ог =

(,^

РАТ:

(3.21)

где § = 9,81 - ускорение свободного падения, м/с; а¹ - определяющий размер (диаметр трубы), м; ЛТ = Тер- Т_в - температурный напор при данном режиме, К; Тер, Т_в - средние абсолютные температуры поверхности трубы и воздуха, К; /? = \1Т_т - коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К; Т_т = 0,5(Г_ср+ Т_в) - расчетная температура пограничного слоя, К; V - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м²/с, находят по табл. 3.4 в зависимости от температуры 1_т- Т_т - 273, °С.

Критерий Прандтля находят следующим образом:

Рг = у/а, (3.22)

где а - коэффициент температуропроводности, м²/с, определяется по табл.3.4.

Решая уравнение (3.20), находят величину критерия Нуссельта, а затем и а_к, Вт/(м²;К), по формуле

(3.23)

а_к=Ш-Х1а¹,

где Я - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м-К), который находят по табл. 3.4.

• ' Таблица 3.4

Физические параметры сухого воздуха при Р_атм⁼ 760 мм. рт. ст.

Коэффициент	Значения температуры (т, °С
								.100
Я-10^2,Вт/(м-К)	2,593	2,675	2,756	2,826	2,896	2,966	3,047	3,128	3,233	3,338	3,489	3,640	3,780
а • 10^6, м^2/с	2,142	2,286	2,430	2,572	2,719	2,856	3,019	3,189	3,364	3,683	4,033	4,389	4,750
V • 10^ъ, м*/с	15,06	16,00	16,96	17,95	18,97	20,02	21,09	22,10	23,13	25,45	27,80	30,09	32,49

б) Вертикальная труба (<р = 90°).

Расчет а*, Вт/(м²-К), ведется аналогично предыдущему случаю, однако при вычислении критерия От в качестве определяющего размера следует взять не диаметр, а длину трубы /, м.

в) Наклонная труба (0° < <р < 90°).

В этом случае критериальное уравнение имеет вид

№ = 0,42(0 -зт^)⁰'²⁵ (1 + 0,023 /#²р)⁰'¹²⁵.

(3.24)

При расчете критерия Сг определяющим размером в этом случае является диаметр трубы с1, м.

Коэффициент лучистой теплоотдачи независимо от <р определяют по формуле

(3.25)

а_л =5,61-8-

{т_српооУ-(т_е/юо)^А

Т -Т

* ср * в

где е - степень черноты поверхности трубы. Для окисленной меди принять е = 0,57.

Определяют расчетное значение коэффициента теплоотдачи а_р, Вт/(м -К), по формуле

(3.19).

Таблица 3.5

Для сравнения данные опыта и расчетов сводят в таблицу 3.5. Сравнение опытных и расчетных данных

№п/п	град	Коэффициент теплоотдачи, ВтДм^К)	Расхождение, %
опытный, аоп	расчетный, ар

Отчет по лабораторной работе должен содержать: титульный лист, название и цель работы, основы теории, принципиальную схему лабораторной установки (рис. 3.5), протокол испытаний (табл. 3.2), расчеты, сравнение опытных и расчетных данных (табл. 3.5), вывод по работе.

При подготовке к выполнению лабораторной работы, а также к ее защите рекомендуется использовать подразделы 2.3 и 2.4 данного учебного пособия и контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Что называется конвективным теплообменом?

2. Как записывается уравнение теплоотдачи (уравнение Ньютона - Рихмана)?

3. Каковы физический смысл и единицы измерения коэффициента теплоотдачи?

4. От каких величин зависит коэффициент теплоотдачи?

5. Что такое критерий подобия?

6. Какими критериями подобия характеризуется конвективный теплообмен, в чем их физический смысл?

7. Какое уравнение называется критериальным?

8. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи?

9. Объясните порядок проведения опыта.

10. Из каких основных частей состоит лабораторная установка?

11. Как Вы могли бы изменить величину коэффициента теплоотдачи в данной установке?,,

12. Что Вы понимаете под сложным теплообменом?

13. Как определяется коэффициент теплоотдачи сложного теплообмена?

14. Почему у вертикальной трубы коэффициент теплоотдачи при прочих равных условиях меньше, чем у горизонтальной?

теплообменного аппарата при прямотоке и противотоке а^еед^од)

Цель работы. Целью работы является углубление знаний по теории теплопередачи, знакомство с конкретным теплообменником и его особенностями, ознакомление с методикой экспериментального определения коэффициента теплопередачи теплообменника поверхностного типа. При выполнении работы необходимо построить графики температурных полей в теплообменнике и определить коэффициенты теплопередачи для двух схем движения теплоносителей: прямоточной и противоточной.. ^

Экспериментальная установка. Установка включает в себя простейший теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 3.6). Горячая вода из бака 2 (подогрев воды производится электронагревателем) проходит по внутренней трубе теплообменного аппарата и стекает на слив. Холодная вода течет из бака 1, проходит, по межтрубному пространству теплообменника, где происходит ее нагрев, и стекает на слив.

Холодная вода течет всегда в одном направлении, расход ее регулируется краном К1
(см. схему установки на рис. 3.6). Прямоточное или противоточное движение
теплоносителей достигается изменением направления греющей воды во внутренней трубе
при помощи кранов, установленных на трубках, подводящих горячую воду к
теплообменнику. ■''■■'■..

При прямотоке краны КЗ и К5 закрыты, а краны К4 и К2 открыты. Расход воды регулируется краном К2. При противотоке закрываются краны К4 и К2, а открываются краны КЗ и К5. Расход воды в этом случае регулируется краном К5. -

Для измерения температуры греющей и холодной воды по длине теплообменника служат термопары в количестве 10 штук. При этом термопары с нечетными номерами (1, 3, 5, 7, 9) служат для измерения температуры греющей воды, а с четными номерами (2, 4, 6, 8, 10) - для измерения температуры холодной воды. Горячие спаи термопар находятся внутри труб, а холодные - соединены с переключателем термопар 12, который соединен с измерителем температуры 13.

Методика проведения эксперимента. Включается электронагреватель для нагрева воды в баке 2 до / = 30*50 °С (по показаниям манометрического термометра). Открываются краны на трубках холодной и горячей воды. Один опыт производится по схеме прямотока, а второй - по схеме противотока. Положение кранов не меняется до окончания измерений при данной схеме движения жидкостей.

Порядок измерений следующий:

1. С помощью мерного стакана и электрического секундомера определяются расходы
греющей и холодной воды О, кг/с:

V • 10~³
(г = — —, (3.26)

т

где V- объем заполнения стакана, см; т- время заполнения, с.

Для каждого теплоносителя делают несколько (3 - 5) измерений и определяют среднее значение. Данные измерений заносят в протокол (см. табл. 3.6).

2. После получения установившегося теплового режима (через 20 - 30 мин после начала работы теплообменника) измеряют температуры жидкостей по длине аппарата. Установившийся режим характеризуется постоянством температур во всех сечениях. Данные по измерению температур также заносят в протокол.

3. Строятся графики изменения температуры теплоносителей по длине теплообменника (поверхность теплообмена - поверхность внутренней трубы -пропорциональна длине). По оси абсцисс откладывается поверхность теплообмена (длина), на которой равномерно размещаются термопары, а по оси ординат - температура (в удобном

для построения масштабе). Вид графиков / = ДР) показан в данном учебном пособии (подраздел 2.8, рис. 2.63). Поскольку первые и последние термопары расположены не у самого входа или выхода теплоносителей, построенные по точкам кривые изменения температур необходимо экстраполировать (продлить) на всю длину теплообменника.

Рис. 3.6. Схема лабораторной установки:

1 - бак с холодной водой; 2 - бак с горячей водой; 3 - электронагреватель; 4 - манометрический

термометр; 5 - кран; 6 - теплообменник; 7 - теплоизоляция; 8 - слив; 9 - мерный сосуд;

10 - электросекундомер; 11 - горячий спай термопары; 12 - переключатель термопар;

13 - измеритель температуры

Расчеты

1. Определяются тепловые потоки по обоим теплоносителям и для каждой схемы
движения с помощью следующих уравнений:

<2_г=0_г.с_г({'_г-О> (3-27)

О_х=6_х-с_х(<_х-!_х), (3.28)

где (5г> <2х - тепловые'потоки, определяемые соответственно по горячей и холодной воде, Вт; О_г, О_х - средние расходы горячей и холодной воды, кг/с; с_г, с_х - теплоемкость воды; {'_г, 1'_х -

температуры горячей и холодной воды на входе в теплообменник, °С; г",г* - температуры

горячей и холодной воды на выходе из теплообменника, °С.

Значения температур г^,г^,г",г* берутся с графиков I -ДР). Значения теплоемкостей

горячей и холодной воды принять с = с_г = с_х - 4187 Дж/(кг-К) = 4,187 кДж/(кг-К).

2. Проверяется тепловой баланс (?_г= Ох, Вт.

В случае отсутствия баланса надо объяснить причину и определить среднюю величину теплового потока Оср, Вт

О^0,5(е_г+&). (3-29)

Таблица 3.6

			Протокол результатов измерений и расчетов.	■■а. -:;,;'	»*л)р.4
Схема	Го	рячая вода	Холодная вода	Горячая вода	Холодная вода	Результаты расчетов
V, см^3	с	о, кг/с	V, см^3	т, с	с, кг/с	№ терм.	°С	терм.	"-; с^1' °с
Прямоток									г^л		0,=
										&=
										&„ =
										Лгсо =
Ог =	<?х =					* =
Противоток											& =
										&»
										0с =
										АХср =
Сг =	0* =					*=

3. Определяются среднелогарифмические температурные напоры АТср для прямотока и противотока по следующий формуле:

ср

Ах.

^ АХ₆-АХ_М

(3.30)

м

АХ

где АХь Ах_м - большая и меньшая разности температур между греющим и нагреваемым теплоносителем со стороны входа и выхода из теплообменника, °С, определяемые по графикам / =АР)-

При противотоке может быть случай, когда АХе = АХ_М. Среднелогарифмический температурный напор при этом определять не следует, т. к. АХср - АХд ~Ах_м.

4. Подсчитываются значения коэффициента теплопередачи к, ВтДм^К), для прямотока и противотока по формуле

к =

ср

а

Р-Ах

Дата добавления: 2014-01-04