всякое / teplo_2012

Nu				lg Re	w	−	4,6		1,14 −0,28 1− d1′/ d1			9	−(1	− d ′/ d	1	)
	=	1	+							exp				1			.	(4.38)
Nuгл				7,45					1,14					0,58
													(t / d1 )

Вуравнениях (4.36) и (4.37) число Рейнольдса Ref определяется по среднемассовой температуре п о т о к а, а число Rew в уравнении (4.38) – по средней температуре стенки.

Вуравнениях (4.36) и (4.37) Nuгл находится по следующим выражени-

ям:

при нагревании газов:

Nuгл = 0,0207Re0,8·Pr0,43,

(4.39)

где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки; при охлаждении газов:

Nuгл = 0,0192Re0,8 · Pr0,43,

(4.40)

где определяющей является средняя по длине трубы температура стенки, или

Nuгл = 0,0018Re0,8,

(4.41)

здесь определяющей является среднемассовая по длине трубы температура газов.

Уравнения (4.36) – (4.38) справедливы при Re = 104 ÷ 4·105.

Средняя теплоотдача для капельных жидкостей при t/d1 = 0,5 и d1′ / d1 ≥

0,94 (Re > Re″) составляет:

						′ 0,445
Nu					d1			,	(4.42)
		= 100	− 1	−
Nu					d
						1
	гл

131

где

Nuгл = 0,0216Re0,8 · Pr0,445.

(4.43)

Здесь составляющей является среднемассовая температура жидкости по длине трубы.

Значение Re″, при котором рост Nu/Nuгл с увеличением Re прекращается, равно:

3150
Re′′ = (1− d1′/ d1 )1,14 Pr0,51 .	(4.44)

4. В кольцевом канале рост теплоотдачи за счет турбулизации потока кольцевыми канавками определяется выражением:

Nu

d2

′

t

0,64 1

−d2

−0,274

(4.45)

Nuгл

=1+

−exp 17,9

d3

−d2

1

d3

−d

,

2

справедливым для

d2

− d2′

= 0 ÷ 0,316 ;

t

= 0,22 ÷ 2 ; Re > 2·104, где d2 –

d3

d3

− d2

− d2

наружный диаметр внутренней трубы; d2′

– диаметр кольцевой канавки; d3 –

внутренний диаметр наружной трубы.

132

4.2. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 4.7) размещена на специальном столе и состоит из макета теплообменного аппарата 9, блока управления и контрольно-измерительных приборов 5, процессора 6 с клавиатурой 7 и телевизионного монитора 8.

Рис. 4.7. Общий вид экспериментальной установки: 1 – секция предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; 2 – секция расхода горячего теплоносителя; 3 – секция расхода холодного теплоносителя; 4 – секция температуры; 5 – блок управления и контрольно-измерительных приборов; 6

– процессор ПЭВМ; 7 – клавиатура ПЭВМ; 8 – монитор ПЭВМ; 9 – макет теплообменного аппарата

Блок управления и контрольно-измерительных приборов 5 состоит из четырех секций: секции 1 предварительного нагрева (температуры) теплоносителей; секции 2 расхода горячего теплоносителя; секции 3 расхода холодного теплоносителя; секции 4 температуры. Блок управления и контрольноизмерительных приборов показан на рис. 4.8.

Секция 1 включает в себя ручки «гор.» и «хол.» регулирования предварительного нагрева и соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей на входе в аппарат. В секции 2 находится в себя ручка «гор.» ре-

133

гулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат. В секции 3 – ручка «хол.» регулирования расхода (изменением положения регулирующей задвижки) и соответственно температуры холодного теплоносителя на входе в аппарат. Секция 4 в данной работе не используется.

Рис. 4.8. Фотография блока управления и контрольно-измерительных приборов

134

На данной установке применен метод имитационного моделирования. Рабочая программа исследования вводится в память микропроцессора. Программа имеет шифр ТП-014. Одним из основных управляющих органов при проведении исследования является клавиатура 7 с телевизионным монитором 8, с помощью которых ведется диалог с ЭВМ, выбираются схемы течения в теплообменном аппарате типа «труба в трубе», вводятся основные режимные параметры установки. Интерфейс программы на мониторе компьютера показан на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Интерфейс программы имитационного моделирования со схемой теплообменного аппарата с системой регулирования и измерений

Рабочий участок создан по аналогии с реальным. Схема участка отображается на телевизионном мониторе (см. рис. 4.9). Он состоит из внутренней трубы, по которой течет горячий теплоноситель, и концентрично с ней расположенной наружной трубы. В кольцевом зазоре течет холодный теплоноситель. В качестве теплоносителей по обеим сторонам можно выбирать воздух или воду.

135

Расположенный на установке макет теплообменника имеет следующие геометрические размеры: внутренний диаметр теплообменной трубы d1 = 0,014 м, наружный диаметр теплообменной трубы d2 = 0,016 м, внутренний диаметр наружной трубы d3 = 0,034 м, длина l = 1,01 м. При исследовании теплообменного аппарата можно менять его геометрические параметры в следующих пределах: d1 = 0,006 ÷ 0,022 м; d2 = 0,008 ÷ 0,024 м; d3 = 0,01 ÷ 0,04 м; l = 0,3 ÷ 5 м.

При исследовании теплообменника, в котором на трубе размещены кольцевые турбулизаторы, необходимо также задать диаметр кольцевых диафрагм d1′, диаметр кольцевых канавок d2′, шаг размещения диафрагм и канавок t.

Горячий и холодный теплоносители попадают в теплообменник, пройдя регулирующую задвижку и диафрагмы расходомера. Возможна подача горячего и холодного теплоносителей в одном направлении по схеме прямотока и в противоположных направлениях по схеме противотока.

Исходные данные для проведения имитационных испытаний задаются в окне «Параметры» интерфейса программы (см. рис. 4.9). В открывшемся окне «Параметры» с помощью клавиатуры и компьютерной мыши задаются необходимые условия проведения эксперимента (рис. 4.10).

Рис.4.10. Интерфейс окна «Параметры» программы имитационного моделирования

136

Предусматриваются измерения следующих параметров: перепад давлений на диафрагме горячего теплоносителя Pг; перепад давлений на диафрагме холодного теплоносителя Pх; давление перед диафрагмой горячего теплоносителя Pг (для воздуха); давление перед диафрагмой холодного теплоносителя Pх; эдс термопары перед диафрагмой горячего теплоносителя Eг (для воздуха); эдс термопары перед диафрагмой холодного теплоносителя Eх (для воздуха); эдс термопары на входе горячего теплоносителя в теплообменнике Eг′; эдс термопары на выходе горячего теплоносителя из теплооб-

менника Eг′′; эдс термопары на входе холодного теплоносителя E′х ; эдс тер-

мопары на выходе холодного теплоносителя E′х′. Давление и перепады дав-

лений измерены в кгс/м2, эдс термопар – в мВ. Перевод показаний термопар в °С производится по градуировочной таблице хромель-копелевых термопар.

4.3. Порядок проведения опытов

После включения установки в сеть и запуска рабочей программы ТП014 на телевизионном мониторе высвечивается тема лабораторной работы и студент вступает в диалог с микроЭВМ.

В рекомендуемом диапазоне основных режимных параметров по заданию преподавателя в окне «Параметры» (см. рис. 4.10) программы выбирается один из вариантов предстоящего опыта и с помощью клавиатуры вводятся геометрические параметры теплообменника; вид теплоносителя по горячей и холодной сторонам (воздух или вода); схема течения (прямоток, противоток). По окончании набора параметров и контроля их ввода на экране монитора высвечивается схема экспериментальной установки с отображением направления течения теплоносителей и расположением измерительных устройств.

После этого на пульте установки (см. рис. 4.7) включается тумблер питания измерительных приборов и можно приступить к исследованию рабочего процесса. С помощью ручки «гор.» в секции 2 (см. рис. 4.7) устанавливается расход горячего теплоносителя путем изменения положения регу-

137

лирующей задвижки ВН1 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давле-

ние перед диафрагмой Рг и перепад давления на диаграмме Pг, что отображается на интерфейсе программы (см. рис. 4.9). С помощью ручки «хол.» в секции 3 (см. рис. 4.7) устанавливается расход холодного теплоносителя изменением положения регулирующей задвижки ВН2 (см. рис. 4.9) и соответственно изменяется давление перед диафрагмой Рх и перепад давления на диаграмме Pх, что также отображается на интерфейсе программы (см. рис. 4.9). Плавным вращением ручек «гор.» и «хол.» регулятора нагревательного устройства секции 1 (см. рис. 4.7) устанавливается заданное значение термоЭДС термопар, установленных на входе по горячей и холодной стороне ( Ег′

и Ех′ ).

Регистрация измеренных величин производится по индикаторным приборам, показания которых дублируются на телевизионном мониторе. Резуль-

таты экспериментов заносятся в протокол испытаний (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Протокол эксперимента

Геометрические параметры, м

Номер

Схема

Горячий

Холодный

режима

вклю-

теплоно-

теплоно-

d1

d′

d2

d′

d3

t

l

чения

ситель

ситель

1

2

Номер	Параметры давления,					Параметры температуры,
режима		кгс/м2						мВ
	Pг	Pг	Pх	Pх	Ег	Ех	Ег′		Ех′	Ег′′	Ех′′

С помощью регуляторов расхода и нагрева теплообменник переводится на следующий тепловой режим и аналогичным образом снимаются необходимые показания.

По окончании проведения опытов на заданных режимах производится перевод всех регуляторов в исходное положение.

138

4.4. Обработка результатов измерений

Обработка производится в следующей последовательности:

1. Определяется температура перед диафрагмами Tг и Tх на входе в ап-

парат Tг′ и Tх′, на выходе Tг′′ и Tх′′ по таблице эдс термопар «хромель-копель»
(приложение, табл. П. 7) или по приближенной зависимости:
T = 273,15 + E/0,0695,		(4.46)
где E – эдс соответствующей термопары в мВ, [T] = 1 К.
2. Вычисляются расходы горячего и холодного теплоносителей.
При использовании в качестве теплоносителя воды ее расход определя-
ется для горячей и холодной сторон уравнениями:
Gг = 0,0723	Pг ;	(4.47)
Gх = 0,0723	Pх ,	(4.48)

где перепады давлений					Pг и Pх выражены в кгс/м2, [G] = 1 кг/с.
При использовании в качестве теплоносителей воздуха его расходы со-
ответственно будут:
G	г	= 0,472 10−3	ρ	г	P = 0,472 10−3		P	RT	P ;	(4.49)
					г		г	г	г
G = 0,472 10−3			P		RT	P ,				(4.50)
х			х		x	х
где перепады давлений					Pг и Pх выражены в кгс/м2; ρг – плотность воздуха

перед диафрагмой в кг/м3; Pг, Pх – давление воздуха перед диафрагмами в кгс/м2; Tг, Tх – температуры воздуха перед диафрагмами в К; R – газовая по-

стоянная для воздуха (R = 29,3 кг м/(кг·К)).

3.По уравнениям (4.19), (4.23) и (4.24) определяются среднелогарифмические температурные напоры.

4.Вычисляется тепловой поток, передаваемый в аппарате:

Qх = Gхcpх(Tх′′ −Tх′ );	(4.51)
Qг = Gгcpг(Tг′ −Tг′′),	(4.52)

где теплоемкости теплоносителей cpг и cpх определяются по средним тем-

139

пературам T г = 0,5(Tг′+Tг′′) ; T х = 0,5( Tх′ +Tх′′) соответственно. 5. Определяется значение коэффициента теплопередачи:

k =			Qх		,	(4.53)
			лог	F
		T
				х

если холодный теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи (холодный теплоноситель – воздух), или выражением:

k =			Qг		,	(4.54)
			лог	F
		T
				г

если горячий теплоноситель имеет меньший коэффициент теплоотдачи. Здесь Fх = πd2l , Fг = πd1l . Если коэффициенты теплоотдачи соизмеримы

(для теплообменника «вода – вода» или «воздух – воздух»), поверхность теплообмена определяется по среднему диаметру.

6.По уравнениям (4.5) определяются полные теплоемкости массовых расходов теплоносителей Wг и Wх.

7.Подсчитывается коэффициент тепловой эффективности теплообменного аппарата в каждом из режимов как отношение действительно переданного теплового потока к максимально возможному:

	Qх		Qх
η =		=		.	(4.55)
	Qхпред		Wх (Tг′−Tх′)

8. Определяется число единиц переноса теплоты (безразмерный коэффициент теплопередачи):

N =	kFх	.			(4.56)
	Wх
9. В соответствии с конкретным заданием, полученным от преподава-
теля, определяется изменение величин				лог, k, η,	N в зависимости от вида
			T
теплоносителя, схемы течения, величин Gг, Gх, T ′,					T ′, а также геометриче-
				г	х

ских параметров аппарата d1, d2, d3, l. Необходимо построить графики изме-

нения величин T лог, k, η, N в зависимости от изменяющихся в эксперименте величин и проанализировать полученные результаты.

140