Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

лабораторный практикум по теплообмену

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
13.02.2015
Размер:
907.78 Кб
Скачать

Федеральное агентство по образованию

Российский химико-технологическийуниверситет им. Д. И. Менделеева

В. Н. БОБЫЛЁВ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ТЕПЛООБМЕНУ

Учебно-методическоепособие

Москва 2005

1

УДК 66.045(075) ББК 35.112я73 Б72

Рецензент:

Кандидат технических наук, доцент Российского химико-технологическогоуниверситета им. Д. И. Менделеева

В. В. Скудин

Бобылёв В. Н.

Б72 Лабораторный практикум по теплообмену: учеб.-метод.пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2005. 68 с.

В пособии приведены описания наиболее характерных лабораторных установок, даны рекомендации к выполнению работ и обработке экспериментальных данных в части изучения теплообмена — раздела курса «Основные процессы и аппараты химической технологии». Пособие снабжено приложением, в котором описано устройство прибора для измерения расхода, приведены правила обозначения контрольноизмерительных приборов на схемах лабораторных установок, даны сведения об опознавательной окраске трубопроводов. Кроме этого в приложении даны таблицы физических свойств воды, насыщенного водяного пара и воздуха, являющихся основными средами при лабораторных исследованиях.

Пособие предназначено для студентов химико-технологическихспециальностей вузов.

УДК 66.045(075) ББК 35.112я73

©Бобылёв В. Н., 2005

©Российский химико-технологическийуниверситет им. Д. И. Менделеева, 2005

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Значение курса «Процессы и аппараты химической технологии» и его составной части – лабораторного практикума – в общеинженерной подготовке студентов химико-технологическихспециальностей освещено в предисловии кучебно-методическомупособию «Лабораторный практикум по гидравлике», публикация которого предваряет настоящее издание.

Настоящее пособие издаётся как вторая часть единого пособия для выполнения лабораторных работ по курсу. Соответственно, здесь приведены описания наиболее характерных лабораторных установок, а также даны рекомендации к выполнению работ и обработке экспериментальных данных в части изучения теплообмена. Нумерация работ, формул и рисунков предваряется цифрой «2» соответственно второй части единого пособия.

В описании некоторых работ встречаются небольшие повторы, обусловленные тем, что каждый студент выполняет в соответствии с индивидуальным графиком лишь часть представленных в практикуме работ.

Как и публикуемое параллельно с этим пособие «Лабораторный практикум по гидравлике», настоящее издание снабжено приложением, в котором автор счёл целесообразным вторично привести описание устройства прибора для измерения расхода, правил обозначения контрольно-измерительныхприборов на схемах лабораторных установок, дать сведения об опознавательной окраске трубопроводов. Кроме этого в приложении даны таблицы физических свойств воды, насыщенного водяного пара и воздуха, являющихся основными теплоносителями при лабораторных исследованиях.

При написании формул учтён стандарт ISO 31-0:1992 буквенных обозначений физических величин. Исключением является символ величины «тепловой поток»; здесь использовано обозначение, опубликованное в [5].

3

Символы, наименования и единицы измерения основных физических величин

А – площадь [поверхности], м2;ср – удельная теплоёмкость,

Дж/(кг·К);

D – диаметр [аппарата], м;d – диаметр, м;

gускорение свободного падения, м/с2;

h– высота, м;

h – удельная энтальпия, Дж/кг;I – сила тока, А;

КТ – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К);

L – длина, м;

lлинейный размер, м;

m– масса, кг;

т – массовый расход, кг/с;n – частота, с1;

р – давление, Па;

Q– количество теплоты, Дж; Q – тепловой поток, Вт;

R– сопротивление электрическое, Ом;

S – площадь [сечения], м2;t – время, с;

t – температура Цельсия, °С;

Т– температура термодинамическая, К;

U– напряжение, В;

V– объём, м3;

V – объёмный расход, м3/с;v скорость, м/с;

vудельный объём пара, м3/кг;w – массовая доля компонента в смеси (растворе), кг/кг;

α − коэффициент теплоотдачи,

Вт/(м2·К);

βкоэффициент объёмного теплового расширения, К1;

λ − теплопроводность, Вт/(м·К);µ − динамическая вязкость, Па·с;

νкинематическая вязкость среды, м2/с;

ρ − плотность среды, кг/м3;ϑ – температура Цельсия, °С

4

2.1. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

Содержание работы

Если нагретое твёрдое тело находится в контакте с менее нагретым газом, то от поверхности тела к газу передаётся теплота, то есть происходит теплоотдача.

Теплота переносится излучением, а также теплопроводностью; одновременно с этим в гравитационном поле у поверхности тела возникают восходящие конвективные токи частиц нагретого газа, имеющих меньшую плотность, чем среда вдалеке от тела; возникает естественная конвекция газа.

Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и газом может быть охарактеризована величиной локального коэффициента теплоотдачи (αлок), который, согласно уравнению НьютонаРихмана охлаждения твердого тела, или уравнению теплоотдачи, равен:

αлок=

δQ

,

(2.1.1)

(Тст ТG )dAdt

 

 

 

где δQ элементарное количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду заэлементарный интервал времени dt;

Тст температура элемента поверхности тела;TG температура окружающего газа;

dА – элементарная площадь поверхности теплообмена.

Если температуры в разных точках поверхности тела различны, то интенсивность теплообмена характеризуют средней величиной коэффициента теплоотдачи – α (символ осреднения опущен):

Q

 

α = (ТстТG)A ,

(2.1.2)

где Q количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду за единицу времени, или тепловой поток;

А– площадь поверхности теплообмена.

Вформуле (2.1.2) используют среднее значение температуры поверхности:

5

A

Тст dA,

 

Тст= 1

(2.1.3)

A

где Тст локальная температура тела (стенки) на элементе поверхности площадью dA.

Для тел правильной конфигурации, как-то:прямоугольная пластина постоянной толщины, стержень постоянного поперечного сечения, труба постоянного диаметра и тому подобное, средняя по поверхности температура тождественно равна средней температуре вдоль длины, то есть

 

 

 

1

l=L

 

 

 

ст =

Тст dl,

(2.1.4)

Т

L

 

 

 

 

l=0

 

где L длина тела (стенки).

При экспериментальном изучении теплообмена нагревание металлического тела (пластины, или стержня, или трубы) может быть осуществлено пропусканием через него электрического тока. При этом происходит выделение теплоты, эквивалентной работе электрического тока.

В соответствии с законом Джоуля-Ленцаколичество теплоты, выделяющейся за единицу времени за счёт работы электрического тока, равно:

Q =U I=

U 2

,

(2.1.5)

R

 

 

 

где U напряжение, приложенное к концам проводника;I – сила тока в проводнике;

R электрическое сопротивление проводника.

Отметим, что на начальной стадии пропускания тока через проводник только часть выделяющейся теплоты расходуется на нагревание проводника (тела); другая её часть отдаётся окружающей среде. Нагревание тела происходит до тех пор, пока температура его поверхности не достигнет той величины, при которой вся выделяющаяся теплота целиком отдаётся в окружающую среду.

6

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи от поверхности горизонтального цилиндра к окружающему воздуху; сравнение полученного значения со значениями, рассчитанными по эмпирическим формулам.

Схема лабораторной установки и её описание

Схема лабораторной установки изображена на рис. 2.1.

 

П

 

Т

EI

U

TI

13

 

Тр

1…12

R

В2

 

 

 

В1

 

~

Рис. 2.1. Схема лабораторной установки для определения коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции

Основным элементом установки является металлическая цилиндрическая труба Т общей длинойLo = 830 мм и диаметромd = 20 мм.

Для измерения температуры поверхности трубы в неё вмонтировано 12 термопар, сигналы от которых через многопозиционный переключатель П выводятся на измерительный прибор (поз. 1…12).

Электропитание установки осуществляется от сети переменного тока при включённом тумблере В1. Пониженное трансформаторомТр и отрегулированное резисторомR напряжение подаётся на концы металлической трубыТ. Электропитание рабочего элемента установки (трубы) происходит при замкнутом кнопочном выключателеВ2.

7

Напряжение электрического тока на концах рабочего элемента измеряется вольтметром (поз. 13).

Установка оформлена в виде лабораторного стола, над которым расположена теплоотдающая труба; слева от неё установлен блок мощности; справа – блок измерения температур.

На блоке мощности располагаются: тумблер подключения установки к электросети В1; кнопкаВ2 замыкания цепи "источник напряжения – рабочий элемент", обозначенная надписью «нагрев»; ручка регулятора напряжения; электронный комбинированный цифровой прибор, выполняющий, в частности, функцию вольтмет-

ра (поз. 13).

На блоке измерения температур располагаются: переключатель термопар П; зеркальный цифровой милливольтметр, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия (поз. 1…12).

Рекомендации по выполнению работы

1. На приборе комбинированном цифровом включить (нажать) кнопки: «пит» – электропитание прибора; «» – подсветка шкалы

прибора; « » – переменный ток; «V» – измерение напряжения. Из пяти кнопок, определяющих максимальное значение измеряемой величины, включить (нажать) кнопку «5», то есть установить пределы измерения напряжения 0…5 В.

Вывести регулятор напряжения в нулевое положение, повернув ручку реостата против часовой стрелки до упора.

2.Включить подачу электропитания на установку, переведя тумблер из положения «0» в положение «1».

3.Включить подачу электропитания на рабочий элемент установки, нажав кнопку «нагрев».

4.Плавно поворачивая ручку реостата по часовой стрелке, установить заданное напряжение на рабочем элементе.

Примечание : В том случае, когда сила тока превышает максимальное допустимое значение, то есть когда происходит перегрузка, срабатывает автоблокировка и отключается электропитание рабочего элемента. Тогда необходимо вновь установить реостат в «нулевое» положение и повторить процедуры, описанные в пунктах 3 и 4.

8

5.Установить на блоке контроля температур переключатель в одно из положений от «1» до «12» (например, в положение «10») и фиксировать значение температуры в данной точке рабочего элемента. Дождаться постоянства температуры в этой точке, что будет соответствовать стабилизации теплообмена между поверхностью цилиндра и окружающей средой.

6.Измерить температуры во всех 12-титочках поверхности цилиндра.

Через 3…4 минуты повторить измерения температур. При совпадении их значений с предыдущим измерением (в каждой соответствующей точке) считать эксперимент законченным.

7.Выключить установку, выведя ручку регулятора напряжения

внулевое положение, отключив «нагрев» и сетевое электропитание стенда.

8.Определить температуру окружающей среды по одному из термометров, имеющихся в лабораторном помещении.

Результаты измерений занести в таблицу:

Температуры (°С)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п/п Т1Т2Т3Т4Т5Т6Т7Т8Т9Т10

Т11Т12

Тст

ТG

1

2

3

Рекомендации по обработке экспериментальных данных

1. Рассчитать экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи по формуле (2.1.2).

Тепловой поток от поверхности трубы к воздуху определяется по формуле (2.1.5) с учётом того, что электрическое сопротивление теплоотдающего элемента равно 0,097 Ом.

Средняя по длине цилиндра температура поверхности определяется по формуле (2.1.4). Для численного интегрирования может быть использовано соотношение:

 

 

 

1 l=L

 

1 i=11T +T

 

 

 

T =

 

T dl

 

i

i+1

l

i

,

(2.1.6)

L

L

 

2

 

ст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l=0

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

где L = 780 ммрасстояние между крайними точками замера температур;

Т1Т12 температуры в локальных точках цилиндра;

li расстояние между соседними локальными точками измерения температуры; на лабораторной установкеl1 = l11 =

=40 мм; l2 = l3 = l9 = l10 = 50 мм;l4 = l5 = l6 = l7 = l8 = 100 мм.

2.Полученное экспериментально значение коэффициента теплоотдачи сравнивается со значением, рассчитанным по эмпирическим формулам:

2.1: по приближенной формуле Линчевского:

 

αрасч, 1 = 9,74 + 0,07 (Tст TG).

(2.1.7)

2.2: по соотношению, учитывающему, что отдача теплоты от поверхности цилиндра к воздуху осуществляется одновременно конвективным теплопереносом и излучением, то есть:

αрасч, 2= αк+ αл,

(2.1.8)

где αк иαл соответственно конвективная и лучистая составляющие общего (сложного) коэффициента теплоотдачи.

Конвективная составляющая находится с использованием критериального уравнения конвективного теплообмена, а именно:

▫ в условиях свободного движения снаружи горизонтальной трубы диаметром d при 103 < Ra < 109

Nu = 0,50 Ra0,25 (Pr/ Pr

)0,25,

(2.1.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

ст

 

 

 

где Nu =

αd

 

– критерий Нуссельта;

 

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ra =

 

d 3 gρ2 c

p

β

 

T T

 

– критерий Рэлея;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µλ

 

 

 

ст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pr =

c p µ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– критерий Прандтля.

 

 

λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В указанных критериях теплового подобия физические свойства среды (ρ – плотность,µ – динамическая вязкость,ср – удельная теплоёмкость,λ – теплопроводность,β – коэффициент объёмного тем-

10

пературного расширения) определяются при её температуре вдалеке от тела.

Для воздуха при атмосферном давлении β = 1/Т –1].Следует учесть, что для газов (Pr/Prст)0,25 = 1.

Лучистая составляющая рассчитывается по формуле:

 

 

 

 

αл =

Qл

,

(2.1.10)

(TстTG) A

 

 

 

где Qл тепловой поток лучистой энергии, вычисляемый по формуле:

Qл = 5,67 108 ε (Тст4 ТG4 ) А,

(2.1.11)

где Тст иТG абсолютные (термодинамические) температуры соответственно стенки и газа;

ε = 0,7степень черноты поверхности излучающего тела.

Проанализировать полученные значения экспериментального и рассчитанного по эмпирическим формулам коэффициента теплоотдачи; сделать соответствующее заключение.

11

2.2. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

Содержание работы

Теплоотдача, или, другими словами, теплообмен между поверхностью тела и средой при вынужденном движении последней, характеризуется бóльшей интенсивностью, нежели при естественной конвекции.

Это обусловлено тем, что с увеличением скорости движения среды при её турбулентном течении интенсифицируется перенос теплоты частицами жидкости в направлении, поперечном направлению движения, и уменьшается толщина теплового пограничного слоя, термическое сопротивление которого и определяет интенсивность теплообмена.

Количественно рассматриваемый теплообмен характеризуется приведёнными в работе 2.1 понятиями и формулами, а именно:

а) локальным коэффициентом теплоотдачи:

αлок=

δQ

,

(2.2.1)

(Тст ТG )dAdt

 

 

 

где δQ элементарное количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду заэлементарный интервал времени dt;

Тст температура элемента поверхности тела;

TG температура окружающего (движущегося) газа; dА – элементарная площадь поверхности теплообмена,

б) средним значением коэффициента теплоотдачи – α (символ осреднения опущен):

Q

 

α = (ТстТG)A ,

(2.2.2)

где Q количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду за единицу времени, или тепловой поток;

А– площадь поверхности теплообмена.

Вформуле (2.2.2) используют средние значения температуры поверхности и газа:

12

– критерий Рейнольдса;
– критерий Прандтля.

 

 

ст =

1

Тст dA;

 

 

G =

1

ТG dA,

 

Т

Т

(2.2.3)

A

A

 

 

 

 

A

 

 

 

 

A

 

где Тст иТG соответственно локальная температура тела (стенки) и газа на элементе поверхности площадью dA.

Для тел правильной конфигурации, как-то:прямоугольная пластина постоянной толщины, труба постоянного диаметра и тому подобное, средняя по поверхности температура тождественно равна средней вдоль длины температуре, то есть

 

 

ст =

1

l=LТст dl,

(2.2.4)

Т

L

 

 

 

 

l=0

 

где L длина тела (стенки).

При экспериментальном изучении теплообмена нагревание металлического тела (например, трубы) может быть осуществлено пропусканием через неё электрического тока. При этом происходит выделение теплоты, эквивалентной работе электрического тока.

Скорость движения среды, влияющая на интенсивность теплоотдачи, может быть измерена каким-либоустройством, приспособленным для данной цели, например, трубкойПито-Прандтля.

Поскольку при вынужденной конвекции влияние сил тяжести на характер движения исчезающе мало, опытные данные по теплообмену обычно обобщаются критериальной зависимостью вида:

Nu =C Ren Prm (Pr Prст )0,25 ,

(2.2.5)

где Nu = αλl – критерий Нуссельта; Re= vµl ρ

Pr = c pλµ

Кроме известных величин в приведённых выражениях критериев l – характерный линейный размер. В частности, при движении среды внутри трубыl = d, гдеd – внутренний диаметр трубы.

13

При экспериментальном изучении теплообмена между поверхностью твёрдого тела и газом критериальное уравнение (2.2.5) упрощается до вида:

Nu =C Ren ,

(2.2.6)

поскольку для газов критерий Прандтля зависит только от числа атомов в молекуле и не зависит от температуры.

Цель работы: экспериментальное определение среднего коэффициента теплоотдачи от поверхности горизонтальной трубы к потоку воздуха; сравнение полученного значения со значением, рассчитанным по эмпирической формуле.

Схема лабораторной установки и её описание

Схема лабораторной установки изображена на рис. 2.2.

 

 

 

П

Воздух

 

 

 

Т

 

ТПП

 

U

 

 

 

EI

 

PdI

TI

14

Тр

13

1…12

R

В2

В

 

 

В1

~

Рис. 2.2. Схема лабораторной установки для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции

Основным элементом установки является горизонтальная цилиндрическая труба Т общей длинойLo = 750 мм и внутренним диаметромdвн = 8,0 мм.

14

В рабочих условиях через трубу вентилятором В протягивается воздух. Конструкция вентилятора позволяет изменять частоту вращения рабочего колеса и тем самым изменять расход воздуха.

Для измерения расхода воздуха в трубу вмонтированы: трубка Пито, установленная на оси канала, и трубка Прандтля – ТПП. Возникающая в этих трубках разность давлений измеряется дифференциальным манометром (поз. 13), заполненным водой.

Для измерения температуры поверхности трубы в неё вмонтировано 10 термопар. Ещё 2 термопары измеряют температуру воздуха на входе в трубу и на выходе из неё. Сигналы от всех термопар через многопозиционный переключатель П выводятся на измерительный прибор (поз. 1…12). При этом в позиции 1 измеряется начальная температура воздуха, в позициях 2…11 – температуры разных точек поверхности трубы, в позиции 12 измеряется конечная температура воздуха.

Электропитание установки осуществляется от сети переменного тока при включённом тумблере В1. Пониженное трансформаторомТр и отрегулированное резисторомR напряжение подаётся на концы металлической трубыТ. Электропитание рабочего элемента установки (трубы) происходит при замкнутом кнопочном выклю-

чателе В2.

Напряжение электрического тока на концах рабочего элемента измеряется вольтметром (поз. 14).

Установка оформлена в виде лабораторного стола, над которым расположена теплоотдающая труба, заключённая в кожýх; слева от неё установлены блоки контроля мощности и расхода воздуха; справа – блоки контроля давления и измерения температур.

На блоке мощности располагаются: тумблер подключения установки к электросети В1; кнопкаВ2 замыкания цепи "источник напряжения – рабочий элемент", обозначенная надписью «нагрев»; ручка регулятора напряжения; электронный комбинированный цифровой прибор, выполняющий, в частности, функцию вольтмет-

ра (поз. 14).

На блоке измерения температур располагаются: переключатель термопар П; зеркальный цифровой милливольтметр, шкала которого отградуирована в градусах Цельсия (поз. 1…12).

15

Рекомендации по выполнению работы

1. На приборе комбинированном цифровом включить (нажать) кнопки: «пит» – электропитание прибора; «» – подсветка шкалы

прибора; « » – переменный ток; «V» – измерение напряжения. Из пяти кнопок, определяющих максимальное значение измеряемой величины, включить (нажать) кнопку «5», то есть установить пределы измерения напряжения 0…5 В.

Вывести регулятор напряжения в нулевое положение, повернув ручку реостата против часовой стрелки до упора.

2.Включить подачу электропитания на установку, переведя тумблер из положения «0» в положение «1».

3.Включить подачу электропитания на рабочий элемент установки, нажав кнопку «вкл» на блоке контроля расхода и кнопку «нагрев» на блоке контроля мощности.

4.Плавно поворачивая ручку реостата по часовой стрелке, установить заданное напряжение на рабочем элементе.

Примечание : В том случае, когда сила тока превышает максимальное допустимое значение, то есть когда происходит перегрузка, срабатывает автоблокировка и отключается электропитание рабочего элемента. Тогда необходимо вновь установить реостат в «нулевое» положение и повторить процедуры, описанные в пунктах 3 и 4.

5.Включить вентилятор, установить заданный расход воздуха.

6.Установить на блоке контроля температур переключатель в одно из положений от «2» до «11» (например, в положение «7») и фиксировать значение температуры в данной точке рабочего элемента. Дождаться постоянства температуры в этой точке, что будет соответствовать стабилизации теплообмена между поверхностью цилиндра и потоком воздуха.

7.Измерить температуры во всех 10-титочках поверхности цилиндра, а также температуры воздуха на входе и на выходе.

Через 3…4 минуты повторить измерения температур. При совпадении их значений с предыдущим измерением (в каждой соответствующей точке) считать эксперимент законченным.

8.Выключить установку, выведя ручку регулятора напряжения

внулевое положение, отключив «нагрев» и сетевое электропитание стенда, выключить вентилятор.

16

Рекомендации по обработке экспериментальных данных

1. Рассчитать экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи (αэксп) по формуле (2.2.2).

Тепловой поток от поверхности трубы к воздуху определяется по формуле:

Q = c p, GmG(TG, кTG, н) ,

(2.2.7)

где ср, G = 1006 Дж/(кг·К) – удельная теплоёмкость воздуха (практически постоянная в интервале температур 0…90 °С);

mG – массовый расход воздуха.

Для определения расхода воздуха используются показания дифференциального манометра, соединённого с трубкой ПитоПрандтля, измеряющей локальную (на оси канала) скорость потока.

Локальная (осевая, а значит – максимальная) скорость воздуха в трубке определяется по формуле:

vкmax = 2ghм

ρм − ρG

,

(2.2.8)

 

ρ

 

 

 

G

 

 

где hм – разность уровней жидкости в коленах дифманометра;ρм 1000 кг/м3 – плотность манометрической жидкости (воды);ρG – плотность воздуха.

Если число Рейнольдса Reкmax =

 

v maxd

вн

ρ

G

 

 

к

 

 

 

 

< 4500, то средняя

 

 

 

µG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

скорость воздуха в выходном (конечном) сечении канала

vк = 0,5vкmax ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.2.9)

если число Рейнольдса Reкmax =

v maxd

вн

ρ

G

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

> 5000, то

 

 

µG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

38

 

max

38

 

 

dвн

ρG

137

 

 

 

 

 

(2.2.10)

 

 

37

 

 

37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vк =1,64

 

 

(vк

)

 

 

 

µG

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Массовый расход воздуха в канале

 

 

 

 

 

 

 

 

mG= ρG, кvкπdвн2

 

4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.2.11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В формулах (2.2.8)…(2.2.11) физические свойства воздуха определяются при конечной его температуре ТG, к .

Средняя по длине цилиндра температура поверхности определяется по формуле (2.2.4). Для численного интегрирования может быть использовано соотношение:

 

 

 

1 l=L

1 i=10

T +T

 

Tст=

 

Tdl

 

i i+1

li,

(2.2.12)

L

L

2

 

 

 

 

l=0

 

i=2

 

 

 

где L = 685 ммрасстояние между крайними точками замера температур;

Т2Т11 температуры в локальных точках цилиндра;

li расстояние между соседними локальными точками измерения температуры; на лабораторной установкеl2 = 15 мм,

l3 = 40 мм,l4 = 70 мм,l5 = 95 мм,l6 = l7 = l8 = 120 мм,l9 =

85 мм, l10 = 20 мм.

Примечание : отсчёт номеров точек и длин участков начат с цифры «2», так как именно под этим номером значится первый датчик температуры на поверхности трубки.

Средняя температура воздуха в канале с достаточной точностью может быть определена как среднеарифметическая величина, то есть

 

 

 

=

TG, н+TG, к

,

(2.2.13)

T

 

 

 

 

G

2

 

 

 

 

 

 

 

где ТG, н иТG, к – соответственно начальная и конечная температура воздуха в канале.

2. Рассчитать число Рейнольдса, соответствующее установленному расходу воздуха:

Re =

v dвнρG

,

(2.2.14)

 

 

 

µG

 

и экспериментальное число Нуссельта

 

Nu эксп=

αdвн

.

(2.2.15)

 

 

 

λ

 

18

 

В формулах (2.2.14) и (2.2.15) физические свойства воздуха определяются при средней его температуре ТG .

3. Полученное экспериментально значение коэффициента теплоотдачи сравнивается со значением, рассчитанным по эмпирическим формулам. При этом могут быть использованы следующие критериальные уравнения:

▫ если 2300 < Re < 10000, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dвн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nu = 0,019 (Re

 

 

230) 1

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

(2.2.16)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

▫ если Re > 10000, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nu = 0,018 Re0,8 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.2.17)

 

Результаты измерений и вычислений занести в таблицы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температуры поверхности трубы (°С)

 

 

 

 

 

 

п/п

 

Т2

 

Т3

 

 

Т4

 

 

Т5

 

Т6

 

 

 

Т7

 

 

Т8

 

Т9

 

Т10

 

Т11

Т

ст

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h,

 

vmax

 

т ,

 

 

v ,

 

Re

 

TG, н,

 

 

TG, к,

 

 

Q ,

 

αэксп,

Nuэ

 

αрасч,

п/п

мм

 

 

к

 

кг/с

 

м/с

 

 

 

°С

 

 

 

°С

 

 

 

Вт

Вт/(м2·К)

Вт/(м2·К)

 

 

 

 

 

 

м/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все экспериментальные данные обобщаются и аппроксимируются зависимостью вида (2.2.6).

По полученным значениям экспериментальных и рассчитанных по эмпирическим формулам коэффициентов теплоотдачи, а также по виду (числовым величинам коэффициентов С ип) критериального уравнения формы (2.2.6) сделать соответствующее заключение.

19

2.3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ТЕПЛООБМЕННИКЕ «ТРУБА В ТРУБЕ»

Содержание работы

В двухтрубном теплообменном аппарате (или аппарате «труба в трубе») один теплоноситель движется в пространстве внутренней трубы; другой – омывает поверхность этой трубы снаружи, перемещаясь в кольцевом канале между внешней и внутренней трубой.

Перенос теплоты от более горячей жидкости к менее нагретой в этом аппарате осуществляется через стенку внутренней (теплообменной) трубы; внешняя труба выполняет функцию кожуха.

Интенсивность теплообмена между жидкостями определяется величиной коэффициента теплопередачи (KТ), который, согласно основному уравнению теплопередачи, равен:

KT=

Q

,

(2.3.1)

 

 

T A

 

 

 

где Q – количество теплоты, передаваемой в единицу времени от

одного теплоносителя к другому, или тепловой поток; Т – средняя вдоль поверхности теплообмена разность температур теплоносителей;А – площадь поверхности теплообмена, вычисляемая обычно по наружному диаметру теплообменной трубы.

При заданных расходах теплоносителей и известных физических свойствах потоков, величина коэффициента теплопередачи может быть предсказана расчётом по уравнению аддитивности термических сопротивлений. Без учёта термических сопротивлений загрязнений теплообменной поверхности это уравнение имеет вид:

 

 

 

1

 

dн

 

dн

 

1

 

dн

 

1

(2.3.2)

K

T

=

+

ln

+

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

αн

 

2 λст

 

dвн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αвнdвн

 

 

где αн иαвн – коэффициенты теплоотдачи соответственно с наружной и внутренней стороны теплообменной трубы;dн иdвн – соответственно наружный и внутренний диаметры теплопередающей трубы; λст – теплопроводность материала теплопередающей трубы (стенки).

20

Калькулятор

Сервис бесплатной оценки стоимости работы

  1. Заполните заявку. Специалисты рассчитают стоимость вашей работы
  2. Расчет стоимости придет на почту и по СМС

Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и на обработку персональных данных.

Номер вашей заявки

Прямо сейчас на почту придет автоматическое письмо-подтверждение с информацией о заявке.

Оформить еще одну заявку