Теплопередача. Среднелогарифмический температурный напор

Задача 13. Определить плотность теплового потока, проходящего Через плоскую стальную стенку толщиной 8- 10 мм с коэффициентом теплопроводности X - 50 Вт/(м -"С), а также коэффициент теплопередачи, если температура газов с одной стороны стенки 1\ = 1127°С, а температура кипящей воды с другой стороны Н - 227 °С, коэффициент теплоотдачи от газов к стенке а\ = 100 Вт/(м²-°С), и от стенки к кипящей воде а₂ = 5000 Вт/(м²-°С).

Решение

Коэффициент теплопередачи для однослойной плоской стенки определяем по формуле

* - Т-Т-Т - I 0,0! г = ^9б"^{2 Вт/(м2}'^с)-

— + —+--- -- + -^— + -----

с*! Я а₂ 100 50 5000 Плотность теплового потока находим по уравнению

д = к(1, - 1_г) = 96,2(1127 - 227; = 86 580 Вт/м².

Ответ: к= 96,2 Вт/(м²-°С); ц = 86,6 кВт/м².

Задача 14. Дана плоская стенка в два слоя: толщина слоев 6\= 0,001и и 6х= 0,01л м, коэффициенты теплопроводности ^1= 50 и Яг= 0,05 Вт/(м -°С). Со стороны тонкого слоя стенки - греющий теплоноситель, со стороны толстого слоя - нагреваемый. Температура греющего теплоносителя 1\= 200+л °С, температура холодного теплоносителя 1т= 50 °С. Определить величину удельного теплового потока д и коэффициент теплопередачи к, если известны коэффициенты теплоотдачи ах= 5000 и аг~ 30 Вт/(м² -"С). Изобразить график изменения температур внутри стенки.

Задача 15. Коэффициент теплопередачи через наружное ограждение помещения к = 0,8 + 0,02л Вт/(м²-°С), коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стене

а\= 6,9+0,2л Вт/(м²-°С). Определить: на сколько градусов изменится температура внутренней поверхности стены („^ если температура наружного воздуха 1% понизилась на 25°С, а температура внутреннего воздуха 1\ понизилась на 5°С.

Задача 16. В теплообменном аппарате холодный теплоноситель нагревается от температуры ('₂-Ю °С до ^⁼ 100 + п °С, при этом горячий теплоноситель охлаждается с

температуры ([= 160 +10л °С до {" =150 °С. Определить среднелогарифмический температурный напор для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей. Нарисовать графики изменения температур вдоль поверхности нагрева. Сделать вывод, какая схема движения теплоносителей выгодней.

3.3. Лабораторные работы

3.3.1. Лабораторная работа №1. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом пластины

Цель работы. Целью данной работы является углубление знаний по теории теплопроводности, изучение методики экспериментального определения коэффициента теплопроводности X, Вт/(м-°С), теплоизоляционных материалов и получение навыков в проведении экспериментальных научно-исследовательских работ. При выполнении работы необходимо найти значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала для трех-четырех различных режимов (по мощности нагревателя) и построить график зависимости коэффициента теплопроводности от температуры материала.

Методика Сущность экспериментов состоит в измерении теплового потока (), Вт, прошедшего через исследуемые образцы известной площади Р, м², и толщины 5, м, измерении разности температур ДГ, °С, на поверхностях образцов и последующем вычислении коэффициента теплопроводности X, Вт/(м-°С), по уравнению Фурье для стационарного теплового режима:

Лабораторная установка. Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 3.3, а ее принципиальная схема - на рис. 3.4. Лабораторная установка представляет собой функциональное единство трех систем: системы регулирования и изменения напряжения, подаваемого на электронагреватель 4 (рис. 3.4), системы измерения температуры на поверхностях образцов и системы отвода теплоты от испытуемых образцов (системы охлаждения).

Система регулирования и измерения напряжения состоит из задающего автотрансформатора 1 (рис. 3.3) и вольтметра 2. Необходимое напряжение электронагревателя устанавливается поворотом автотрансформатора и контролируется вольтметром. Автотрансформатор и вольтметр размещены в блоке мощности 10 (рис. 3.3). Там же расположены два переключателя для выключения нагревателя и сигнальной лампы «нагрев» и «перегрузка».

Система измерения температуры состоит из шести термопар Т1 - Тб (хромель -копель), установленных на поверхностях образцов (рис. 3.4) и термопары Т7, установленной вблизи кожуха, переключателя термопар 9 и измерительного прибора 8. Последние образуют блок температуры 4 (рис. 3.3).

15/

Рис. 3.3. Внешний вид лабораторной установки:

1 - стол; 2 - микрокалькулятор, 3 - кнопка включения микрокалькулятора; 4 - блок температуры;

5 - переключатель термопар; 6 - измеритель температуры (прибор МВУ6-41А); 7 - поплавок;

8 - рабочий элемент; 9 - кожух рабочего элемента; 10 - блок мощности; 11 - рукоятка

автотрансформатора (ЛАТР-2М); 12 - вольтметр (прибор Щ43.18); 13 - сигнальные лампы «нагрев»

и «перегрузка»; 14 - сигнальная лампа «сеть»; 15 - автоматический выключатель «сеть»;

16 - переключатель включения и выключения нагревателя; 17 - обшивка; 18 - кран

Рис. 3.4. Принципиальная схема лабораторной установки:

1 - автотрансформатор;

2 - вольтметр;

3 - рабочий элемент;

4 - электронагреватель;

5 - испытуемые образцы;

6 ~ теплоизоляция;

7 - холодильники;

8 - измерительный прибор температуры;

9 ~ переключатель термопар;

10 - трубы подвода и отвода воды;

11 - кран регулирования расхода воды
через холодильники;

Т1, Т2, ТЗ,..., Т7 - термопары

Термопара представляет собой два проводника из различных, специально подобранных материалов (медь - константан, хромель - копель, платина - платинородий и др.). Концы проводников сварены или спаяны между собой. Если температура одного спая (горячего) выше, чем температура другого (холодного), то в цепи термопары возникает электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от разности температур горячего и холодного спаев. Если измерить ЭДС термопары, то можно определить температуру горячего спая.

Система охлаждения включает в себя холодильники 7, трубопроводы 10 подвода и отвода воды, а также кран регулирования расхода воды 11 (рис. 3.4).

Тепловой поток от нагревателя, проходя через испытуемые образцы, поступает в холодильники и отводится с охлаждающей водой.

Включением выключателя 15 (рис. 3.3) подается напряжение на установку - загорается сигнальная лампа «сеть».

При нажатии переключателя 16 загорается сигнальная лампа «нагрев», срабатывает реле, и нагреватель подключается к автотрансформатору. При напряжении на автотрансформаторе выше допустимого срабатывает другое реле, замыкающий контакт которого включает сигнальную лампу «перегрузка», а размыкающий контакт отключает автотрансформатор от нагревателя.

Подготовка установки к работе.:

1. Проверить исправность заземления.

2. Открыть кран 18 подвода воды (рис. 3.3) и установить расход воды 0,6 ±0,02 м³/ч (0,17 ±0,006 л/с).

3. Подключить установку к общей сети лаборатории напряжением 220 В.

4. Включить выключатель «сеть» - загорается сигнальная лампа «сеть».

5. Включить прибор 12 блока мощности (рис. 3.3).

6. Убедиться в исправности системы нагрева путем кратковременного (в течение 2 - 3 с) нажатия на кнопочный вьшлючатель «нагрев». При этом должна загореться лампа «нагрев».

Порядок работы:

1. Включить нагреватель установки кнопкой «нагрев».

2. Рукояткой автотрансформатора установить напряжение на нагревателе \]_н от 27 до 35 В и по истечении 30 - 40 мин, убедившись в стабильности показаний термопар, приступить к записи их показаний в протоколе испытаний (табл. 3.1). Положению переключателя термопар «1», «2»,..., «7» соответствует подключение термопар Т1, Т2..., Т7.

3. Повторить предыдугций пункт при напряжениях Ь^г_н = 36-45 В и 11_н = 46-^64 В. При этом переход на последующий режим осуществлять без перерывов и без отключения питания. Время установления стационарного режима (30 - 40 мин) контролировать по стабильности показаний термопар.

4. По окончании эксперимента:

• выключить подачу питания кнопочным выключателем;

• выключить прибор блока мощности;

• выключить питание выключателем «сеть»;

• закрыть кран подачи воды.

Протокол испытаний

■

:

Таблица 3.1

№ п/п

С/я

Показания те

рмопар

{/поде

\1пот

А

а

1ср

В

°С

Вт

Вт

Вт/(м-К)

%

°с

Расчеты:

Для каждого режима подсчитывается по формуле

значение коэффициента теплопроводности X, Вт/(м-К)

(Яподв ~0-пот)Ь

Л = -

(3.2)

где ()„₀дв - подведенный тепловой поток, Вт; ()„_от - тепловой поток потерь, Вт; д - толщина образцов, м; ЛГь АГг - разности температур на образцах, °С; ^-площадь образцов, м².

^ = 2— = 0,5л-/)², (3.3)

4,.

где О - диаметр образцов, м.

В данной установке используются образцы толщиной 8 = 5 мм и диаметром /5 —140 мм. Остальные величины, входящие в формулу (3.2), определяются следующим образом:

а) подведенный тепловой поток ()„одв, Вт:

^Кн

где 1)_н - напряжение на нагревателе, В; К_и- сопротивление нагревателя, Ом. В данной установке К_н = 43,3 Ом;

б) тепловой поток потерь <2„_от, Вт:

ч+ч

X

к

в пот = 2лГср^Н

СР Г — Г ' н ' вн

-(₇, (3.5)

\

где г_ср, г_н, г_вн, Н, Х_к - соответственно средний, наружный и внутренний радиусы кожуха, высота кожуха, коэффициент теплопроводности материала кожуха; и, к, Ь - температуры, измеренные с помощью соответствующих термопар.

Для данной установки эти величины, подставляемые в формулу (3.5) равны: г_ср = 168 мм; г_н - 190 мм; г_вн = 146 мм; Н= 11 мм; Х_К - 0,08 Вт/(м-К).

После подстановки вышеперечисленных числовых значений получим:

д_пот= 0,0211 ^-/₇

(3.6)

в) разности температур на образцах А/) и Д^,°С, равны соответственно:

Л,=Г₄-/,, (3.7)

А₂=7₆-/₂. (3.8)

Относительная погрешность измерения а подсчитывается по формуле

(3.9)

_а-^АЯ- ^подв+^пот _у 'Ш_ ₊ ^_л ^Л(^ЛЧ), ^Л(&г)

я я_подв-апо_т <? р ч л₂ '

где через «А» обозначены абсолютные погрешности соответствующих величин. Для данной установки выражение (3.9) принимает вид

' <г = 4± = - ⁶\ +0,017 + ^ + -^-. (3.10)

я ^_подв-^„от &\ &ч

Средняя температура материала исследуемых образцов 1_ср°С, при каждом режиме испытаний подсчитывается по формуле

, *1+'2+'б+'4. (3.11)

ср ^

После окончания расчетов необходимо заполнить протокол испытаний (табл. 3.1) и построить график зависимости X от 1_ср.

Отчет по лабораторной работе должен содержать: название и цель работы, основы теории, принципиальную схему лабораторной установки (рис. 3.4), протокол испытаний, расчеты, график X =А*ср) и вывод по работе.

При подготовке к выполнению лабораторной работы, а также к ее защите рекомендуется использовать подразделы 2.1 и 2.2 данного учебного пособия и контрольные

вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Какова физическая сущность передачи тепла при теплопроводности?

2. Объясните методику определения X в данной лабораторной работе.

3. Назовите основные части лабораторной установки.

4. С помощью каких устройств измеряется температура в лабораторной работе?

5. Объясните порядок проведения лабораторной работы.

6. Как зависит X от температуры в данном случае? Чем это можно объяснить? Бывают ли иные зависимости X от температуры?

3.3.2 Лабораторная работа №2. Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

Цель работы. Целью работы является углубление знаний в области конвективного теплообмена, который возможен только в текучей среде (жидкости, газе). В процессе выполнения лабораторной работы исследуется частный случай конвективного теплообмена, называемый теплоотдачей, когда обмениваются теплом поверхность твердого тела и текучая среда (воздух). Отсюда и название определяемого коэффициента - коэффициент теплоотдачи.

Методика. При решении практических задач конвективного теплообмена используется уравнение Ньютона - Рихмана, которое для стационарного процесса записывается в виде

Я = <Т_П-Т_Ж)Р, (3.12)

где 0 - тепловой поток, передаваемый от поверхности тела (трубы) воздуху, Вт; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К); Т„ - температура поверхности трубы, К; Т_ж- температура жидкости (воздуха), К; Р- площадь поверхности трубы, м². Из уравнения (3.12) следует:

О

а = ------ ^------- (3.13)

Р{Т_П-Т_Ж)

Как видно из формулы (3.13), для определения коэффициента теплоотдачи необходимо гроизвести измерения.

1. Количества тепла, передаваемого в единицу времени (теплового потока) <2, Вт. При
гационарном (установившемся) тепловом режиме 0 равен мощности электронагревателя Ш,

Дата добавления: 2014-01-04