Лабораторная работа №5.3. «Определение зависимости коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) между системой вода-воздух от скорости движения газовой среды»

 

Цель работы: экспериментальное исследование явления теплоотдачи от теплообменной поверхности к газовой среде в зависимости от скорости движения газовой среды.

 

Порядок проведения работы

 

1. Перед проведением работы осуществить пуск установки и вывод ее на стационарный режим.

2. Установить расход воды и расход воздуха. Вентилятор должен быть загружен на 11 %. Расход воды в течение эксперимента оставить постоянным, подача насоса должна осуществляться на 56 % от его максимальной производительности.

3. В начале работы снять показания приборов, замеряющих входные и выходные параметры теплообменника. Результаты записать в табл. 5.8.

4. Задать расход холодного теплоносителя (17 %) измерителем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

5. Через 10 – 15 мин после выхода установки на стационарный режим снять показания приборов и занести в табл. 5.8.

6. Далее аналогично, увеличивая расход воздуха до 23 % от максимальной производительности вентилятора, при помощи измерителя-регулятора ТРМ 201-Щ1, как только установка выйдет на стационарный режим, фиксировать параметры работы теплообменника.

7. Для завершения работы достаточным является три режима.

 

Таблица 5.8 - Опытные результаты

№ опыта	Объемный расход воздуха V0,	Температура воздуха, ^0С	Объемный расход воды L,	Температура воды, ^0С
вход	выход	вход	выход

 

Таблица 5.9 - Расчетные результаты

№ опыта	Воздух	Вода	Dtср	К	Q
	wвозд	Re	Nu	aвозд	wвод	Re	Nu	aвод

 

Отчет о работе должен содержать:

– цель и содержание работы;

– краткое описание эксперимента;

– результаты измерений в виде табл. 5.8;

– расчетные данные, которые занесены в табл. 5.9;

– графики зависимости и от скорости движения воздуха ;

– заключение.

 

Контрольные вопросы к лабораторной работе № 5.3

1. В чем состоят особенности теплоотдачи газов при взаимодействии с теплопередающими поверхностями?

2. Каким критерием, входящим в критериальное уравнение в случае теплоотдачи к газу (или от газа), можно пренебречь.

 

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

(Испытание пластинчатого теплообменника)

Введение

На современных химических и нефтехимических предприятиях наряду с трубчатыми теплообменниками все шире начали применять пластинчатые теплообменные аппараты. Они надежны в эксплуатации, компактны, высокоэффективны и обладают широким спектром применений. Помимо химических и нефтехимических предприятий они широко используются в пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности, холодильной технике, на компрессорных станциях, в энергетике и машиностроении, в жилищно-коммунальном хозяйстве и др.

По этой причине изучение устройства и принципа действия пластинчатых теплообменников представляет большой интерес для студентов химико-технологического и аэрокосмического факультетов.

 

 

1. Методические указания к лабораторным работам

 

1.1 Краткие теоретические сведения о процессе теплообмена

 

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой процесса теплообмена является разность температур, при которой тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями.

Существуют три принципиально различных элементарных способа распространения тепла: тепловое излучение, теплопроводность и конвекция.

Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Влияние теплового излучения незначительно до температур 500 – 600 ^оС.

Теплопроводность представляет собой перенос тепла вследствие непосредственного соприкосновения друг с другом микрочастиц (молекул, атомов) в твердых телах и в тонких ламинарно движущихся слоях жидкостей и газов.

Конвекцией называется перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости, возникающей вследствие разности температур в этих точках. Вынужденная конвекция осуществляется при принудительном движении всего объема жидкости.

В большинстве случаев распространение тепла происходит одновременно двумя-тремя способами.

Основным законом переноса тепла теплопроводностью является закон Фурье:

количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямо пропорционально температурному градиенту , поверхности dF и времени dt.

	,	(1)
где	dQ – количество переданного тепла;
– температурный градиент;
dF – элемент поверхности теплообмена;
l – коэффициент теплопроводности;
dt – время.

 

Размерность коэффициента теплопроводности в системе СИ:

.

Коэффициент теплопроводности l показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина коэффициента l, характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Наиболее важным часто встречающимся случаем теплообмена является конвективный теплообмен. Под конвективным теплообменом в соответствии с рис. 1 понимают процесс распространения тепла в газе (жидкости) от поверхности твердого тела одновременно конвекцией и теплопроводностью.

 

 

Рис. 1. Характер изменения температур в движущейся среде при конвективном теплообмене

 

Этот процесс называют также теплоотдачей. Интенсивность теплоотдачи зависит от гидродинамических условий течения газа. При теплоотдаче тепло распространяется от поверхности твердого тела к газу через пограничный слой теплопроводностью и от пограничного слоя в массу (ядро) газовой среды преимущественно конвекцией. Лимитирующей стадией процесса теплоотдачи является перенос тепла теплопроводностью через пограничный слой. В ядре потока происходит выравнивание температур благодаря интенсивному перемешиванию. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и к увеличению количества передаваемого тепла, т.е. к интенсификации процесса теплообмена. Основным законом теплоотдачи является закон Ньютона:

количество тепла dQ, отдаваемое за время dt поверхностью стенки dF, имеющей температуру стенки t_ст жидкости (газу) с температурой t_г , прямо пропорционально элементу поверхности теплообмена dF и разности температур t_ст – t_г.

(2)

 

где tст, tг – температуры поверхности теплообмена и окружающей среды (газа или жидкости), соответственно;

– коэффициент теплоотдачи.

Размерность коэффициента теплоотдачи в системе СИ:

.

Коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от 1 поверхности стенки к газу(жидкости) в течение 1 с при разности температур между стенкой и газом, равной 1 град.

Величина коэффициентов теплоотдачи определяется гидродинамическими, физическими и геометрическими факторами: режимом и скоростью движения теплоносителя, вязкостью, плотностью, теплоемкостью и теплопроводностью, размерами и формой поверхности теплообмена. Зависимость коэффициентов теплоотдачи от этих факторов весьма сложна, поэтому для их определения используются методы теории подобия.

При движении теплоносителя в каналах, образованных гофрированными пластинами в пластинчатых теплообменниках, коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по критериальным уравнениям

а) при турбулентном режиме движения теплоносителя (Re = 100 – 30000 и Pr = 0,7 – 50):

, (3)

б) в случае ламинарного режима движения теплоносителя (Re не более 100 и Pr не менее 20):

	,	(3а)
где	Nu – критерий Нуссельта;
Re – критерий Рейнольдса;
Pr, Prст – значения критерия Прандтля, соответственно, при средней температуре теплоносителя и температуре теплопередающей стенки.

При расчете теплообменной аппаратуры по значению критерия Нуссельта, найденному из соответствующего критериального уравнения, определяют коэффициент теплоотдачи a.

Процесс передачи тепла от более нагретого к более холодному теплоносителю через разделяющую их стенку носит название теплопередачи. Характер изменения температуры при теплопередаче через плоскую стенку приведен на рис. 2.

Основное уравнение теплопередачи для элементарной поверхности dF можно записать следующим образом:

 

	dQ = К(t1 – t2) dFdt,	(4)
где	К – коэффициент теплопередачи;
t1, t2 – температуры теплоносителей.

В промышленности теплопередача протекает в большинстве случаев при переменных температурах теплоносителей, когда температуры изменяются вдоль разделяющей их стенки.

tст1 tст2 t2 δст t1

Рис. 2. Характер изменения температур при теплопередаче

через плоскую стенку

 

Движущая сила теплопередачи (разность температур между теплоносителями) также изменяется вдоль поверхности теплообмена, поэтому она определяется как средняя разность температур. Тогда основное уравнение теплопередачи имеет вид (в интегральной форме).

Q = К×Dtср× F×t.

(5)

Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей. Для ее определения составляется схема распределения температур. В непрерывных процессах теплообмена возможны следующие варианты направления движения теплоносителей друг относительно друга вдоль разделяющей их стенки:

а б в г д

Рис. 3. Схемы направления движения теплоносителей при теплообмене:

а – прямоток; б - противоток; в – перекрестный ток; г – однократный смешанный ток; д – многократный смешанный ток.

Параллельный ток, или прямоток в соответствии с рис. 1.3а, при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении;

Противоток (рис. 1.3б), при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях;

Перекрестный ток (рис. 1.3в), при котором теплоносители движутся взаимно перпендикулярно друг другу;

Смешанный ток, при котором один из теплоносителей движется в одной направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком к первому. При этом различают простой, или однократный, смешанный ток (рис. 1.3, г) и многократный смешанный ток (рис. 1.3д).

Средняя разность температур Dt_ср для противотока и прямотока находится по уравнению:

	,	(6)
где Dtб, Dtм – соответственно наибольшее и наименьшее значения разностей температур Dt1 и Dt2 .

При отношении < 2 средняя разность температур определяется как среднее арифметическое:

.

(7)

Коэффициент теплопередачи характеризует интенсивность теплопереноса и вычисляется по следующему уравнению:

	,	(8)
где a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи для первого и второго теплоносителей; dст/l ст –термическое сопротивление стенки.

Размерность коэффициента теплопередачи в системе СИ:

.

Коэффициент теплопередачи К показывает, какое количество тепла переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через разделяющую их стенку поверхностью 1 при разности температур между теплоносителями, равной 1 град.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением:

	,	(9)
где	– термические сопротивления теплоносителей.

В практических расчетах коэффициента теплопередачи необходимо учитывать термическое сопротивление загрязнений:

.

(10)

При теплопередаче через чистую металлическую стенку (без загрязнений и тепловой изоляции) термическое сопротивление стенки невелико и им можно пренебречь. Если значения коэффициентов теплоотдачи a₁ и a₂ значительно отличаются друг от друга, например, a₁ >> a₂, то величина К практически определяется меньшим из них, т.е. значением a₂: К @ a₂.

При выполнении работы следует иметь в виду, что для определения коэффициентов теплоотдачи по некоторым критериальным уравнениям необходимо знать температуру стенки. Она определяется методом последовательных приближений: задавшись произвольно этой температурой, находят коэффициент теплоотдачи a, далее вычисляют коэффициент теплопередачи К и по удельной тепловой нагрузке проверяют сходимость предварительно принятой величины t_ст с полученной в результате расчета.