Министерство образования РФ

Вятский государственный университет

Кафедра теплотехники и гидравлики

И.В. Шестаков, а.А. Пятин Исследование работы водоводяного теплообменного аппарата

Лабораторная работа № 1

Дисциплина «Техническая термодинамика.

Теоретические основы теплотехники»

Специальности СП; МД; ИЗОС; ЭССу; ЭППу; ЭСу

Киров 2008

УДК 658.26.075

Ш 51

Р е ц е н з е н т: доцент кафедры ЭПА А.А. Закалата

Шестаков И.В., Пятин А.А. Исследование работы водяного теплообменного аппарата: Лабораторная работа № 1. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2008. – 23 с.

Редактор Е.Г. Козвонина

Компьютерная верстка

Подписано в печать Усл.печ.л. 1,4

Бумага офсетная. Печать матричная.

Заказ № 26 Тираж 100 Бесплатно.

Текст напечатан с оригинал-макета, представленного авторами.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

610601, г. Киров, ул. Московская, 36.

Ó Вятский государственный университет, 2008

Ó И.В. Шестаков, 2008

Ó А.А. Пятин, 2008

Цель работы

Целью работы является углубление знаний студентов по теории теплообмена, теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубах в зависимости от режима движения, ознакомление с методикой опытного исследования теплообменных аппаратов и получение навыков в проведении экспериментальных работ.

Задание

1. Определить расчетным путем из критериальных уравнений коэффициенты теплоотдачи и в зависимости от режима и схемы движения теплоносителей.

2. Определить расчетным путем коэффициент теплопередачи в зависимости от режима и схемы движения теплоносителей.

3. Определить опытным путем значение коэффициента теплопередачи в зависимости от массового расхода теплоносителей (водяных эквивалентов) для прямотока и противотока.

4. Определить опытным путем значения коэффициентов теплоотдачи и .

5. Определить коэффициент полезного действия теплообменного аппарата и коэффициент удержания тепла в зависимости от водяного эквивалента и схемы движения теплоносителей (для прямотока и противотока).

Основные положения и расчетные формулы

Основными расчетными формулами рекуперативных теплообменных аппаратов являются:

Уравнение теплопередачи

, Вт, (1)

где - средний по поверхности коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

- поверхность теплообмена, м²;

- среднелогарифмический температурный напор, ^оС.

Уравнение теплового баланса

, Вт, (2)

где - количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, Вт;

- количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем, Вт;

- тепловые потери в окружающую среду, Вт;

и - массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

и - средние массовые изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кгК);

и - начальная и конечная температуры горячего охлаждаемого теплоносителя, ^оС;

и - начальная и конечные температуры холодного нагреваемого теплоносителя, ^оС.

В этих уравнениях и в дальнейшем индексом «1» обозначаются величины, относящиеся к горячей воде (первичный теплоноситель), а индексом «2» – к холодной воде (вторичный теплоноситель). Температура на входе обозначается одним штрихом, а на выходе двумя.

В теплообменных аппаратах важное значение имеет понятие так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, который определяет собой полную теплоемкость массового расхода теплоносителя, т.е.

, Вт/К, (3)

где - скорость теплоносителя, м/с;

- плотность теплоносителя, кг/м³;

- площадь сечения канала, м².

Если принять, что тепловые потери отсутствуют, т.е. , то с учетом водяного эквивалента, уравнение теплового баланса примет вид

, (4)

Откуда . (5)

Это означает, что отношение водяных эквивалентов теплоносителей будет обратно пропорционально температурным перепадам, т.е. изменению температур этих теплоносителей.

При теплообмене в теплообменном аппарате, как правило, изменяются температуры обоих теплоносителей, а следовательно, и температурный напор между ними . Поэтому в уравнение теплопередачи необходимо подставлять среднее значение температурного напора. При его вычислении необходимо учитывать характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. В теплообменных аппаратах характер изменения температур теплоносителей отличается от линейного и определяется полными теплоемкостями массовых расходов теплоносителей и (водяными эквивалентами) и направлением их движения (прямоток или противоток) (рис. 1).

Из графиков видно, что изменение температуры теплоносителей вдоль стенки неодинаково. В соответствии с уравнением (5) большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшим водяным эквивалентом. Если теплоносители одинаковы (например вода), то характер изменения температур теплоносителей будет определяться их расходами. Причем при меньшем расходе изменение температур будет большим. При прямотоке температурный напор изменяется в большей степени, чем при противотоке. Однако среднее его значение всегда меньше. За счет только этого фактора при противотоке теплообменник получается компактнее. Если температура хотя бы одного теплоносителя постоянна, то среднее значение температурного напора независимо от схемы движения оказывается одним и тем же. Так получается при кипении жидкостей (испарении) и при конденсации паров, либо когда расход одного теплоносителя настолько велик, что его температура изменяется очень мало.

Кроме того, конечная температура нагреваемой среды при прямотоке всегда меньше температуры греющей среды на выходе из теплообменника, а при противотоке конечная температура может быть выше температуры на выходе из теплообменника. Следовательно, при одной и той же начальной температуре холодной жидкости при противотоке ее можно нагреть до более высокой температуры, чем при прямотоке.

Таким образом, при равных условиях при противотоке будет передано большее количество теплоты, поэтому предпочтение следует отдавать аппаратам с противотоком.

В результате аналитических исследований теплообменных аппаратов установлено, что температурный напор вдоль поверхности нагрева изменяется по экспоненциальному закону, поэтому средний температурный напор вычисляется по формуле

, ^оС, (6)

где - больший температурный напор, ^оС;

- меньший температурный напор, ^оС.

При прямотоке и .

При противотоке, когда и ,

когда ,

а при и .

Средняя разность температур, вычисленная по формуле (6), называется среднелогарифмическим температурным напором.

В тех случаях, когда температурный напор по длине теплообменника изменяется незначительно, т.е. выполняется условие , среднюю разность температур можно вычислять как среднеарифметическую

, ^оС. (7)

Массовый расход теплоносителей подсчитывается при их средних температурах по формуле

, кг/с, (8)

где - плотности теплоносителей при их температурах перед водяными счетчиками, кг/м³ (табл. 2).

После проведения экспериментов и расчета количества переданного тепла определяют средний коэффициент теплопередачи (экспериментальный):

, Вт/(м²К), (9)

где - средняя площадь теплообмена одной секции, м²;

- длина активной части трубки, м;

- средний диаметр трубки, м;

- число трубок (5), шт.

Значения коэффициентов теплоотдачи из эксперимента определяются по формулам

от горячего теплоносителя к стенке:

, Вт/(м²К), (10)

от стенки к холодной воде:

, Вт/(м²К), (11)

где - разность температур между средней температурой горячей воды и средней температурой стенки, ^оС;

- разность температур между средней температурой стенки и средней температурой холодной воды, ^оС;

где – средняя температура стенки ^оС;

– средняя температура теплоносителя ^оС;

и - площади поверхностей трубок одной секции, подсчитанные соответственно по внутреннему и наружному диаметру, м²:

, м²; , м².

Коэффициент полезного действия аппарата учитывает потери теплоты в окружающую среду и характеризует долю теплоты горячей жидкости, , использованную для подогрева холодной жидкости:

, (12)

где - количество тепла, отданное горячей водой, Вт:

; (13)

- располагаемое тепло горячей воды; (14)

- количество тепла, воспринятое холодной водой, Вт;

- потери теплоты в окружающую среду, Вт.

Коэффициент удержания тепла, представляет собой отношение количества тепла , воспринятой холодной жидкостью к количеству располагаемой теплоты :

, (15)