Лабораторна робота № 4 Дослідження теплопередачі та термічних напружень в рекуперативному теплообміннику

Мета роботи

Визначення дослідним шляхом термічних напружень та коефіцієнта теплопередачі через стінку рекуперативного тепло-обмінника.

Теоретичні положення

Одержання в робочому просторі металургійної або термічної печі температури, достатньої з технологічної точки зору, потребує попереднього нагріву газоподібного палива і повітря. Звичайно підігрів газу і повітря для цієї мети здійснюється в регенераторах або рекуператорах.

В регенеративному підігрівачі продукти становлення пропускаються через регенеративну насадку і нагрівають її (димовий період). Потім припиняється подача через насадку продуктів спалювання і проводиться подача повітря (повітряний період). Насадка нагріває пропускаючи через неї повітря за рахунок акумулюючого тепла.

В рекуперативному підігрівачу продукти спалювання і повітря подаються одноразово через суміжно розташовані канали.

Тепло до повітря в цьому випадку передається через стінку рекуператора шляхом стаціонарної теплопередачі.

Тепловий потік, який проходить через теплообмінник може бути найденим із основного рівняння теплопередачі

(4.1)

де К – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м² К);

∆ t_сер – середній температурний напір, між теплообмінювальними середовищами, ^оС;

F – поверхня нагріву (теплообмінника), м².

Із рівняння (4.1) при відомому тепловому потоці Q, поверхні нагріву F і температурному напорі ∆ t може бути визначений шуканий коефіцієнт теплопередачі

(4.2)

Таким чином, коефіцієнт теплопередачі показує собою питомий тепловий потік, який передається через стінку від одного газового або рідкого середовища до другого при відмінності температур між середовищами 1^оС.

Опис експериментальної установки

Для експериментального визначення коефіцієнта теплопередачі в даній лабораторній роботі використовується наступна установка, яка імітуює найпростіший рекуперативний підігрівач (рис. 4.1).

Установка складається із електричної муфельної печі 1, в яку вставлена металева трубка 2 рекуперативного підігрівача. Об’ємна витрата повітря V (м³/с), який надходить від компресора 8 і проходить через повітряпідігрівач 2 визначається з допомогою газового годинника 3. Температура повітря на вході в підігрівач t'_В вимірюється термометром 10, температуру печі t_n – термопарою 9, з’єднаних через перемикач термопар 6 з мілівольтметром 5. U – зразковий манометр 7 слугує для визначення надлишкового тиску повітря, який проходить через підігрівник.

Порядок проведення досліду

Вмикають піч 1 і доводять температуру печі до t_n = 300 ^оC, після чого вмикають компресор 8 і починають пропускати через підігрівач 2 повітря протягом 10 хвилин.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Повітря від

компресора

в атмо-

сферу

t_n

t_В'

t_В''

Рис. 4.1. Схема експериментальної установки

Робляться заміри наступних величин:

V₁ – показник газового лічильника 3 до вмикання компресора, м³;

τ – час подачі повітря від початку до кінця досліду (порядку 10 хв.), с;

V₂ – показання газового годинника після зупинки компресора, м³;

t'_В – температура повітря на вході в рекуператор, ^оС;

t''_В – теж на виході із підігрівника, ^оС;

t_n – середня температура печі під час досліду, ^оС;

Далі, доводять температуру печі до t_n = 400 ^оС і повторюють дослід. Аналогічно проводять досліди при температурі в печі 500 ^оС, 600 ^оС і 700 ^оС .

Результати спостережень заносять в таблицю 4.1.

Таблиця 4.1. – Дані дослідження.

№ п/п	Темп-ра в печі, tn, ^оС	Час досліду, τ, сек	Показання газового годинника		Температура на вході, t'В, ^оС	Температура на виході, t''В, ^оС	Покази мано-метра Н мм. вод. ст.
			Початок досліду V1, м^3	Кінець V2, м^3
1 2 3 4 5	300 400 500 600 700

Розрахункова частина

1) Поверхня нагріву підігрівача визначається по формулі:

(4.3)

де d_вн – внутрішній діаметр трубки (d_вн = 0,01 м);

ℓ = 1,1 м – довжина трубки.

2) Проводиться розрахунок кількості тепла, освоєного під час досліду.

Дж, (4.4)

де ∆V = V₂ – V₁, м³ – об’ємна кількість поданого під час досліду повітря; V₁ V₂ – показання газового лічильника на початку і в кінці досліду; - середня об’ємна теплоємність в інтервалі температур від 0 до t.

Об’ємна теплоємкість повітря при сталому тиску, Дж/(м³ ∙ К); визначається по даним Додатку Б.

3) Середній температурний напір по формулі:

(4.4)

або по формулі:

якщо

4) Визначають термічні напруження на поверхні , Па, та в центрі , Па, труби рекуператора

Для проведення розрахунку попередньо рекомендується прийняти внутрішню температуру стінки як середню температуру повітря в трубі на 15÷20 ^оС вище температури повітря, тобто: , ^оС (де ), а температуру зовнішньої поверхні на 20 ^оС нижче температури печі .

Результати обробки дослідних даних заносяться в таблицю 4.2.

Таблиця 4.2 – Обробка даних досліду.

№ п/п	Витрата Vн, м^3/с	Теплоємкість, Дж /(м^3 К)		Температурний напір ∆tсер ^оС	Коефіцієнт теплопередачі, К, Вт/(м^2 К)
1 2 3 4 5

Оформлення роботи

Кожен студент подає звіт по виконаній роботі індивідуально.

Звіт повинен вміщувати:

• назву і мету роботи;

• короткий опис теоретичних основ;

• схему і опис експериментальної установки;

• таблицю находження і обробки даних;

• аналіз одержаних результатів.

Контрольні питання

1. Поняття «середній температурний натиск».

2. Які є способи визначення середнього температурного натиску?

3. Що таке теплоємкість (істина і середня)?

4. Як визначити середню швидкість газу при даній

температурі, знаючи витрату газу?

5. Що називається коефіцієнтом теплопередачі?