Материал: 1693
При расчете теплообменных аппаратов встречаются два случая: 1.Конструкторский расчет, целью которого является определе-
ние поверхности теплообмена при известной тепловой нагрузке.
|
2.Поверочный расчет, при котором определяется тепловая |
||
мощность аппарата и конечные температуры теплоносителей при из- |
|||
С |
|
|
|
вестной поверхности нагрева и конструкции аппарата. |
|
||
|
В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются: |
||
|
Уравнен е теплового баланса |
|
|
|
|
Q1 = Q2 + ∆Q, |
(1) |
изобарная |
|
||
где |
Q1–кол чество тепла, отданного горячим теплоносителем; Q2– ко- |
||
личество тепла, воспр нятого холодным теплоносителем; ∆Q – поте- |
|||
ри тепла в окружающую среду. |
|
||
|
|
Q1 = G1сp1(t"1 - t'1), |
(2) |
где G1 – массовый расход горячего теплоносителя, кг/c.; сp1 – массо- |
|||
вая |
теплоемкость горячего теплоносителя, |
дж/кг.град; t"1, |
|
t'1 – начальная конечная температура горячего теплоносителя. |
|||
|
|
Q2 = G2сp2(t"2 - t'2), |
(3) |
где G2 – массовый расход холодного теплоносителя,кг/с; сp2 - массовая изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, дж/кг. град; t"2, t'2 – начальная и конечная температура холодного теплоносителя.
При отсутствии потерь ∆Q количество тепла, отбираемое в единицу времени от горячего теплоносителя, равно количеству теплоты,
Д |
|
которое поступает к холодному теплоносителю, т. е. Q1=Q2=Q. |
|
УравнениебАтеплопередачи |
|
Q kF tср . |
(4) |
Это уравнение утверждает, что количество теплоты передается через разделяющую теплоносители стенку в процессе теплопередачи и определяется произведением коэффициента теплопередачи k, который характеризует интенсивность теплообмена, на некоторый средний температурный напор ∆tср и на поверхность теплообмена F.
tср |
|
tб tм |
, |
(5) |
||
|
||||||
|
|
ln |
tб |
|
|
И |
|
tм |
|||||
|
|
|
||||
где ∆tб – наибольшая разность температур теплоносителей; ∆tм ̶ наименьшая разность температур теплоносителей.
Для прямоточной схемы теплоносителей температурные напоры определяются из формул:
t |
б |
t' |
t' |
, |
(6) |
|
2 |
1 |
|
|
31
|
|
|
|
|
t |
м |
t" |
t". |
(7) |
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
||
Для противоточной схемы теплоносителей температурные напо- |
|||||||||||
ры определяются: |
|
|
|
|
|
|
t'2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
tб |
t1, |
(8) |
||||
|
|
|
|
|
t |
м |
t" |
t". |
(9) |
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
||
Если изменение температур в теплоносителях небольшое, а |
|||||||||||
именно отношен е |
tб |
2, то можно пользоваться среднеарифмети- |
|||||||||
tм |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ческим температурным напором: |
|
|
|
||||||||
С |
|
|
tср.ар. |
tб tм |
(10) |
||||||
|
|
|
|
|
. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
реднеар фмет ческое значение температурного напора все- |
|||||||||||
гда несколько больше среднелогарифмического. |
|
||||||||||
Спец альный |
|
|
|
показывает, что противоточная |
схема |
||||||
анализ |
ольшинстве случаев оказывается более |
||||||||||
движен |
я теплонос телей |
|
|||||||||
эффект |
вной ей следует по возможности отдавать предпочтение. |
||||||||||
Следует иметь |
|
виду, что при поверочном расчете рекупера- |
|||||||||
тивных |
|
|
|
|
поверхность теплообмена задана, известны |
||||||
|
теплообменников |
|
|||||||||
также начальные температуры и конечные температуры теплоносите- |
|||||||||||
лей, их массовые расходы и теплоемкости. Искомыми являются – те- |
|||||||||||
пловой поток и коэффициент теплопередачи. |
|
||||||||||
|
|
|
А |
|
|||||||
|
|
|
|
2. Описание установки |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|
||
Установка (рис. 3) состоит из труб, концентрически размещенных одна в другой; регуляторов размера труб и расходаИ; списков материалов стенки трубы и теплоносителей; переключателей схемы движения теплоносителей и измерительного блока, состоящего из датчиков и приборов для измерения температуры и расхода теплоносителей. Наружная труба аппарата тщательно теплоизолирована.
Материал стенки внутренней трубы выбирают из комбинированного списка, для этого нужно установить курсор мыши на кнопку справа от списка и щелкнуть левой клавишей мыши. з раскрывшегося списка выбрать нужный материал, установив на него курсор мыши и щелкнув левой клавишей мыши. Аналогично выбирают теплоноситель во внутренней трубе аппарата и теплоноситель в кольцевом канале. Размеры труб задают при помощи регуляторов: диаметра внутренней трубы, диаметра наружной трубы и длины теплообмен-
32
ной поверхности. Для увеличения размера необходимо поместить курсор мыши на верхнюю кнопку регулятора и щелкнуть левой клавишей мыши, для уменьшения размера ̶ на нижнюю кнопку. Размеры трубы (наружный диаметр и толщина стенки или длина трубы) указываются слева от регуляторов.
Си
бАРис. 3. Установка для исследования процесса теплообмена
димо щелкнуть левой клавишейДпо соответствующему переключателю. Расход теплоносителя во внутренней трубе и в кольцевом канале устанавливают соответствующим регулятором.
Схему движения теплоносителей выбирают при помощи переключателей. Для выбора схемы (прямоток или противоток) необхо-
Массовый расход во внутренней трубе и в кольцевом канале измеряют расходомером. Цена деления расходомеров показывается на
' И
табло. На приборе Т11 показывается температура теплоносителя на входе во внутреннюю трубуt1, на приборе Т12 ̶ на выходе из внут-
ренней трубы t1", на приборе Т21 ̶ температура теплоносителя на входе в кольцевой канал t2' , на приборе Т22 ̶ на выходе из негоt2''.
33
Порядок выполнения работы
Перед выполнением работы студент должен знать теоретические положения изучаемого физического явления, изучить устройство лабораторной установки, уметь задавать и определять значения физических величин: температуры, расхода, уметь изменять размеры труб, выбирать материал стенки трубы и теплоносители, задавать схему движения потоков. Студенту необходимы навыки работы на компьютере в операц онной среде Windows. До выполнения работы подготавливается журнал наблюдений для записи измеряемых величин по образцу табл.1.
По указан ю преподавателя выбирается задача исследования, определяются д апазоны изменения параметров изучаемого процесса.
Работу выполняют в следующей последовательности:
1. Выбрать программу “Тру а в трубе” и запустить на исполнение (помест ть на п ктограмму программы курсор мыши и дважды щелкнуть по левой клавише мыши). На экране компьютера появится
окно программы, аналогичное рис. 3. |
|
2. |
Задать размеры труб. |
3. |
Выбрать материал стенки внутренней трубы и теплоносители. |
4. |
Выбрать схему движения теплоносителей при помощи пере- |
ключателей. |
|
5. |
Задать расходы теплоносителей регуляторами. |
6. |
Результаты проведенных измерений занести в табл. 1. |
3. Обработка результатов
По данным проведенных измерений рассчитать:
– массовые расходы холодного и горячего теплоносителей G1 и G2, кг/с, для этого надо умножить показания расходомера на цену деления;
– количество теплоты, полученной холодным горячим теплоно-
сителями Q1 и Q2, дж/с (1), (2); |
|
СибАДИ– средний температурный напор ∆tср для прямоточной проти- |
|
воточной схем движения теплоносителей по формулам (5) ̶ (9); |
|
– поверхность теплообмена, м2; |
|
F=π·d·l, |
(11) |
где d – диаметр внутренней трубы, м, l – длина трубы, м; |
|
– коэффициент теплопередачи k через цилиндрическую стенку можно найти из основного уравнения теплопередачи (4)
34
|
|
k |
Q |
. |
|
(12) |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
F tср |
|
||
В формулу (12) можно подставить среднее значение тепловой |
|||||||
нагрузки |
|
Q1 Q2 |
|
|
|||
|
|
Q |
. |
(13) |
|||
|
|
|
|||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Полученные результаты занести в табл. 1. По результатам рас- |
|||||||
четов постро ть граф ки зависимости коэффициента теплопередачи k |
|||||||
от расхода теплонос теля. |
|
|
|
|
|
||
и |
|
|
|
|
|
||
СКонтрольные вопросы и задания |
|
||||||
1. |
Цель ра оты, схема установки, порядок выполнения работы. |
||||||
2. |
б |
|
|||||
Что называется теплоо менным аппаратом? |
|
||||||
3. |
На как е группы делятся теплообменные аппараты? |
|
|||||
4. |
По как м основным схемам осуществляется движение тепло- |
||||||
нос телей? |
А |
|
|||||
5. |
|
|
|||||
Основное уравнение теплопередачи и теплового баланса. |
|
||||||
6. |
Как изменяется температура теплоносителей в теплообмен- |
||||||
ных аппаратах? |
|
|
|
|
|
|
|
7. |
График изменения температур теплоносителей в аппаратах с |
||||||
прямотоком и противотоком. |
Д |
|
|||||
8. |
|
|
|
||||
Написать уравнения среднелогарифмического температурно- |
|||||||
го напора для аппаратов с прямотоком и противотоком. |
|
||||||
9. |
Как определяются конечные температуры теплоносителей в |
||||||
аппаратах с прямотоком, противотоком и перекрестным током? |
|||||||
|
|
|
|
|
|
И |
|
10. Что понимается под коэффициентом теплопередачи теплообменника?
35