Часть 2 Основы теплопередачи

Приложение 2

График зависимости t1 = f( Uэл) для вольфрама

- 191 -

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ВТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ

СОРЕБРЕННЫМИ СТЕНКАМИ ТРУБ

Цель работы: ознакомиться с назначением и типами теплообменных аппаратов; рассмотреть влияние различных факторов, в том числе оребрения стенок труб, на эффективность их работы; изучить основы теплового расчета теплообменных аппаратов и методику их экспериментального исследования.

Задание

1. Провести испытание теплообменного аппарата с оребренными стенками труб с целью вычисления по данным опыта коэффици-

ператур теплоносителей (воды и воздуха) на входе и выходе из теплообменного аппарата и их расходов при одном тепловом режиме, указанном в варианте задания.

Таблица 1

Варианты заданий для выполнения работы

Обозначения в табл.1: П1 и П2 – показания ротаметров, измеряющих расходы воды и воздуха соответственно; t 1 – температура воды на входе в теплообменный аппарат (устанавливается преподавателем).

2. Рассчитать коэффициент теплопередачи расч. Сравнить по-

лученные значения эксп и расч.

3. Составить отчет по выполненной работе, который должен содержать задание, основы теории (кратко); схему экспериментальной установки, таблицу опытных данных; результаты их обработки и расчетов, включая таблицы и графики.

- 192 -

положения теплового расчета для них остаются общими. Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными.

Проектный (конструкторский) тепловой расчет выполняется при проектировании новых аппаратов. Целью расчета является вычисление площади поверхности процесса теплопередачи, а следовательно, определение конечных размеров аппарата.

Поверочный тепловой расчет выполняется для работающего теплообменного аппарата с известной площадью поверхности F (м2) в случае нарушения режима его работы. При этом вычисляются его тепловая производительность Q (Вт) и конечные температуры теплоноси-

ных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и основного уравнения теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

Уравнение теплового баланса записывается на основе закона сохранения энергии – первого закона термодинамики для изобарного процесса. Для двух теплоносителей тепловой поток горячего теплоно-

сителя Q1 (Вт) равен тепловому потоку, воспринимаемому холодным теплоносителем, Q2, (Вт), то есть Q1=Q2=Q Вт, в случае, если нет потерь теплоты в окружающею среду. Тогда для изобарного процесса

удельные энтальпии горячего и холодного теплоносителей на входе () и на выходе ( ) из аппарата. Если в процессе теплопередачи не происходит фазового превращения (кипения или конденсации), уравнение

(1) может быть записано в виде

где t1 и t2 – температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата, оС; Сpm1 и Сpm2 – значения изобарных теплоемкостей теплоносителей, которые можно считать постоянными в заданном интервале температур.

- 194 -

где Q – величина теплового потока в процессе теплопередачи между теплоносителями; К – коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность процесса теплопередачи, Вт/м2·К; F – поверхность теп-

где l – линейный коэффициент теплопередачи.

Для тонкостенных труб при d2/d1 < 2 расчет коэффициента теплопередачи расч можно вести по выражению (3), как для плоской стенки. Погрешность расчета при этом не превышает 4 %. В выражениях (3) и (4) 1 (Вт/м2·К) – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к внутренней поверхности труб и 2 (Вт/м2 К) – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности труб к потоку холодного теплоносителя; c – коэффициент теплопроводности материала

стенки, Вт/(м К); c – толщина стенки, м; d1, d2, (м) – внутренний и наружный диаметры трубок теплообменника. Температура теплоносителей в общем случае изменяется вдоль поверхности теплообмена.

Рассмотрим рекуперативные теплообменные аппараты с непрерывно изменяющейся температурой теплоносителей для схем прямоточного и противоточного движения теплоносителей. В первом случае горячий и холодный теплоносители движутся параллельно в одном направлении, во втором – параллельно, но в противоположных направлениях. Характер изменения температур теплоносителей в прямоточных и противоточных теплообменниках представлены на рис. 1.

- 195 -

Рис. 1. Характер изменения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

Чтобы учесть сложный характер изменения температуры теплоносителей, в основное уравнение теплопередачи вводят среднюю логарифмическую разность температур – среднелогарифмический температурный напор

где tб – бóльшая разность температур между теплоносителями (на входе или выходе); tм – меньшая разность температур между теплоносителями (на входе или выходе).

Уравнение (5) применимо как для противоточных, так и для прямоточных теплообменников. Следует отметить, что при прочих равных условиях в случае противотока средняя логарифмическая разность температур больше, чем при прямотоке, поэтому через одну и ту же поверхность нагрева при противотоке передается больший тепловой поток. Следовательно, эта схема с теплотехнической точки зрения является более предпочтительной и часто практически реализуется.

При противотоке конечная температура холодного теплоносителя t

2

может быть больше конечной температуры горячего теплоносителя,

t (рис. 1б). Это означает, что при противотоке холодный теплоноси-

1

тель можно нагреть до более высокой температуры по сравнению с прямотоком.

- 196 -

Теплопередача в трубных пучках с оребренными стенками

Исследуемый теплообменный аппарат имеет трубный пучок с двумя рядами труб по ходу движения внешнего теплоносителя – в нашем случае нагреваемого воздуха. Внутри гладкостенных труб, соединенных последовательно, протекает «горячий» теплоноситель – вода. Например такие теплообменные аппараты в качестве радиаторов используются в автомашинах для охлаждения ДВС (двигателей внутреннего сгорания). Для увеличения теплосъема с внешней поверхности труб они имеют ребра, за счет которых возрастает тепловой поток при наличии оребрения, это объясняется увеличением площади поверхности оребренных стенок труб.

Коэффициент теплопередачи Красч с учетом оребрения рассчитывается как

где 1 – средний коэффициент теплоотдачи от потока воды к внутренним стенкам труб, Вт/(м2 К); 2 – средний коэффициент теплоотдачи от наружной оребренной поверхности труб к потоку воздуха, Вт/(м2 К).

Коэффициент оребрения определяется как

где Fореб – суммарная внешняя поверхность оребренных труб, м2; Fгладк – внешняя поверхность труб без оребрения, м2.

При толщине стенки c = 0,001м и коэффициенте теплопроводности материала стенки – медной трубки медн = 383 Вт/(м К) величиной c/ c можно пренебречь. Тогда

Коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 рассчитываются из уравнений подобия.

- 197 -

Таблица 2

6. По наступлении стационарного режима занести показания всех приборов в табл. 2. По градуировочным графикам определить значения всех искомых величин и заполнить табл. 2.

4 4

8

а

- 199 -