Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
ТЕПЛОМАССООБМЕН
Методические указания
к выполнению лабораторных работ 5, 6, 7
для студентов направлений 100500, 100700, 100800, 101600
Электронное издание локального распространения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного
технического университета
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
Составители: Антропов Георгий Васильевич,
Андреев Дмитрий Алексеевич
Под редакцией Г.В. Антропова
Рецензент Ю.Е. Николаев
410054, Саратов, ул. Политехническая, 77
Научно-техническая библиотека СГТУ
тел. 52-63-81, 52-56-01
http://lib.sstu.ru
Регистрационный номер 060261Э
© Саратовский государственный
технический университет, 2006
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМА
Цель работы: углубить знания по теории теплопередачи, изучить методику экспериментального определения коэффициента температуропроводности и получить навыки в проведении экспериментальных работ.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Охлаждение, (нагревание) однородного, изотропного и равномерно нагретого тела в среде с постоянной температурой проходит в три стадии.
В первой стадии охлаждения (нагревания) распределение температуры в теле в основном определяется его начальным состоянием. Эту стадию охлаждения принято называть неупорядоченным режимом.
Во второй стадии охлаждения (нагревания) распределение температуры определяется лишь физическими свойствами, геометрической формой и размерами исследуемого тела, а также условиями теплообмена на его границе с окружающей средой. Эта стадия охлаждения называется регулярным режимом.
Третья стадия охлаждения (нагревания) соответствует стационарному режиму, когда температура во всех точках тела равна температуре окружающей среды, то есть имеет место тепловое равновесие.
Теория регулярного режима разработана Г.М.Кондратьевым. Им была установлена связь между темпом охлаждения тела m, его физическими и геометрическими свойствами, а также внешними условиями охлаждения; эта связь формулируется в виде следующих двух теорем.
П е р в а я т е о р е м а. Если коэффициент теплоотдачи не равен бесконечности, то величина m, характеризующая скорость охлаждения тела, прямо пропорциональна , поверхности тела F и обратно пропорциональна его полной теплоемкости С
, (1)
где - безразмерный коэффициент, характеризующий неравномерность распределения температуры в теле.
Уравнение (1) выражает закон сохранения энергии для системы, состоящей из охлаждающегося тела и окружающей его среды. Эта среда предполагается настолько теплоемкой, что теплота, полученная ею от тела, вызывает пренебрежимо малое повышение ее температуры, то есть процесс охлаждения протекает при температуре среды tж = const.
В т о р а я т е о р е м а. Если коэффициент теплоотдачи стремится к бесконечности, то величина m прямо пропорциональна коэффициенту температуропроводности a, м2/с, охлаждающегося тела
или , (2)
где - значение m при , K – коэффициент пропорциональности, характеризующий геометрические размеры и форму тела.
Уравнения (1) и (2) справедливы для тел любой геометрической формы.
Скорость теплового процесса при нестационарном режиме определяется значением коэффициента температуропроводности
,
где - плотность исследуемого материала, кг/м3 ; - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К).
Коэффициент температуропроводности имеет также важное значение, как коэффициент теплопроводности Вт/(м·К) при стационарном режиме распространения теплоты.
Прежде чем изучать методику эксперимента, необходимо усвоить понятие темпа охлаждения, стадии режима охлаждения (нагревания) тел [1].
2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
В основу определения теплофизической характеристики вещества – коэффициента температуропроводности – положен метод регулярного режима, который характеризуется следующими признаками:
1. Избыточная температура в любой точке изменяется по экспоненте
, (3)
где А – постоянный множитель; u – функции координат; - время, с;
m – темп охлаждения (нагревания) тела, с-1.
2. Логарифм избыточной температуры v в любой точке тела изменяется во времени по линейному закону
ln v = -m· + C, (4)
где С – постоянная логарифмирования.
3. Относительная скорость изменения температуры в единицу времени для всех точек тела одинакова и равна
(5)
Уравнение (5) получается после дифференцирования уравнения (4) по времени. Величина m, зависящая только от физических свойств тела, процесса охлаждения (нагревания) на его поверхности, геометрических форм и размеров тела, определяется экспериментально,
В основу опытного определения коэффициента температуропроводности положена вторая теорема Г.М.Кондратьева
a = , (6)
где - темп охлаждения испытуемого материала при , K – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и геометрических размеров калориметра, м2 .
Для цилиндра радиуса R и высотой l
. (7)
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Схема экспериментальной установки показана на рис.1.
Установка состоит из калориметра 3, сушильного шкафа 2, жидкостного термостата 1, переносного потенциометра постоянного тока типа ПП-63 (диапазон измерений 0100 мВ, класс точности – 0,05, цена одного деления = 0,05 мВ) 4, дифференциальной термопары градуировки ХК 5, мешалки 6, термометров 7 и 8, установленных в сушильном шкафе и термостате. Калориметром здесь называется металлический цилиндр, наполненный исследуемым материалом с термопарами для измерения температур. Цилиндрическая оболочка калориметра изготовлена из стали с внутренним диаметром D =50 мм и высотой l = 85 мм. Термопара изготовлена из хромель-копеля, электродвижущая сила термопар измеряется с помощью переносного потенциометра.
Сушильный шкаф служит для нагревания калориметра. Он снабжен электронагревателем и ртутным термометром для измерения температуры. Мощность электронагревателя регулируется с помощью реостата, встроенного в сушильный шкаф.
Охлаждение калориметра производится в водяном термостате. Он представляет собой изолированный цилиндрический сосуд значительной емкости с мешалкой для интенсивного перемешивания жидкости. Термостат устроен таким образом, что в нем практически обеспечено выполнение условий и tж = const необходимых для определения коэффициента температуропроводности.
Измерение температуры воды производится термометром, установленном в термостате.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
З а д а н и е: определить коэффициент температуропроводности для исследуемого материала.
1. Ознакомиться с опытной установкой и заготовить протокол для записи результатов измерений по следующей форме:
|
N за- меров пока-заний |
Время τ, с |
Температура |
Э.Д.С., измеряемая потенцио-метром u, мВ |
Темпера- турныйнапор v, 0С |
ln v |
|
|
В сшильном шкафу tш., 0С |
В водяном термостате tж, 0С |
|||||
|
1 |
||||||
|
2 |
||||||
|
3 |
2. Проверить правильность включения лабораторного потенциометра и установки стрелки прибора на нуль. После проверки схемы преподавателем приступить к проведению эксперимента.
3. Включить нагреватель сушильного шкафа.
4. Поместить в сушильный шкаф калориметр для нагревания и через каждые 5 минут производить запись показаний термометров до наступления установившегося теплового состояния в шкафу и полного прогрева исследуемого материала калориметра. Равномерность прогрева проверяется по показанию дифференциальной термопары калориметра. При равномерном прогреве исследуемого материала значение термоэлектродвижущей силы будет равна нулю.
5. После этого можно приступить к эксперименту с охлаждением калориметра. Перед началом эксперимента по показаниям термометров записывается начальная разность между температурами калориметра и термостата. Мешалка водяного термостата должна включаться перед каждым замером температуры. Далее калориметр быстро переносится из сушильного шкафа в водяной термостат, где он охлаждается.
Процесс охлаждения калориметра начинается с момента его погружения в водяной термостат до наступления полного теплового равновесия. В течение этого периода охлаждения запись показаний потенциометра производится через 30 секунд, с двумя значащими цифрами после запятой.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для экспериментального определения коэффициента температуропроводности используют уравнение (6), а основной величиной, которая определяется в экспериментах, является темп охлаждения .
Значение определяется экспериментально по охлаждению калориметра. Для этого по данным измерений строится график его охлаждения (рис.2), в котором на оси ординат откладывается логарифм избыточной температуры (температурного напора), а на оси абсцисс – время в секундах. График строится в полулогарифмических координатах. Затем на этом графике выделяется линейный участок, характеризующий регулярный режим охлаждения (рис.2).
Значение равно тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс (m = tg). Если взять из графика два каких-либо момента времени 1 и 2 и соответствующие им логарифмы избыточных температур калориметра ln v1 и ln v2, то темп охлаждения определится из уравнения
. (8)
Коэффициент К вычисляется по уравнению (7). Полученное значение коэффициента температуропроводности должно быть отнесено к средней температуре исследуемого материала при его охлаждении
, (9)
где tж - средняя температура среды в термостате, 0С; tш - средняя температура воздуха в шкафу, 0С;
Если провести несколько экспериментов при различных температурах, то можно построить график зависимости коэффициента температуропроводности от средней температуры
6. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
1. Цель работы, основные понятия и формулы;
2. Принципиальную схему установки ;
3. Протокол записи показаний измерительных приборов;
4. График охлаждения калориметра;
5. Обработку результатов эксперимента;
6. Сравнение полученных результатов расчета коэффициента температуропроводности исследуемого материала с литературными данными.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое стационарный и нестационарный процесс теплопроводности
2. Какой процесс теплопроводности называется регулярным тепловым режимом.
3. Дать определение темпа охлаждения и назвать факторы, влияющие на него.
4. Что характеризует собой коэффициент температуропроводности и отчего он зависит.
5. Какие теоремы положены в основу экспериментального определения коэффициента температуропроводности.
8. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1. Включение и выключение тока или изменение его величины производится под наблюдением преподавателя.
2. При переносе калориметра из сушильного шкафа в водяной термостат не рекомендуется касаться руками цилиндрической части калориметра во избежание возможного ожога.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ТЕПЛООТДАЧА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ
ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА
Ц е л ь р а б о т ы: углубить знания по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости (газа) в неограниченном пространстве, изучить методику экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении теплоносителя и получить навыки в проведении экспериментальных работ и обработке опытных данных.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Свободным называется такое движение, которое возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости (газа). Это движение возникает в том случае, когда температура тела отличается от температуры окружающей среды. По мере нагревания жидкость (газ) становится легче и поднимается вверх, а на ее место поступает более холодная. Теплота, воспринятая жидкостью от поверхности тела, переносится ею в окружающее пространство.
Теплоотдача при свободном движении жидкости (газа) зависит от режима ее движения около теплоотдающей (тепловоспринимающей) поверхности, определяемого температурным напором , то есть разностью температур поверхности тела tст и окружающей среды tж. При малых значениях t преобладает ламинарный режим движения, а большим значениям t соответствует турбулентный режим движения.
На развитие процесса теплообмена при свободном движении жидкости основное влияние оказывает протяженность поверхности, вдоль которой движется жидкость, и ее положение.
Различают теплоотдачу при свободном движении жидкости (газа) в большом объеме и при свободном движении в ограниченном пространстве. Предполагается, что в большом объеме свободное движение, возникающее у других тел, расположенных в этом объеме, не сказывается на рассматриваемом процессе. Если объем жидкости невелик, то свободное движение, возникающее у других тел или частей рассматриваемого тела, расположенных в этом объеме, будет оказывать влияние на рассматриваемое течение. В этом случае объем жидкости (газа) называется ограниченным пространством. Движение в этом случае, как и теплоотдача, зависит от рода жидкости, ее температуры и температурного напора, от формы и размеров ограниченного пространства.
Применительно к процессам конвективного теплообмена распределение температуры и скорости для несжимаемой жидкости с физическими свойствами, независящими от температуры, выражается совокупностью дифференциальных уравнений энергии, движения и сплошности, к которым добавляются условия однозначности (геометрические, физические, начальные и граничные).
Из приведенных дифференциальных уравнений и условий однозначности следует, что коэффициент теплоотдачи является функцией большого числа переменных, и найти эту функцию аналитическим путем в общем виде не представляется возможным. Для расчета теплоотдачи можно использовать теорию подобия, позволяющую вместо размерного уравнения представить коэффициент теплоотдачи в форме зависимостей, состоящих из безразмерных комплексов (уравнения подобия). В уравнениях после приведения их к безразмерному виду появляются числа подобия, которые представляют собой безразмерные комплексы, состоящие из нескольких физических величин, и являются новыми переменными вместо прежних размерных величин. Количественная связь между числами подобия может быть установлена экспериментальным путем.
Согласно теории подобия критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении жидкости в большом объеме, имеет вид
, (10)
где - число Нуссельта; - число Грасгофа; с – постоянный множитель критериального уравнения; n – показатель степени; - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); - число Прандтля; - коэффициент объемного расширения газа, 1/град; - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; а – коэффициент температуропроводности, м2/с.
Для газов число Прандтля практически величина постоянная, не зависящая от температуры. Поэтому для данной работы, где теплота передается от трубы к воздуху, критериальное уравнение будет связывать два числа подобия
. (11)
Прежде чем изучить методику эксперимента, необходимо усвоить влияние формы, размеров тела, расположение поверхности теплообмена в пространстве и режимов движения на теплоотдачу при свободном движении жидкости.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Установка для определения коэффициента теплоотдачи (рис.3) состоит из металлической трубы (размеры трубы указаны на стенде), внутри которой находится электрический нагреватель.
Количество теплоты, выделенное электронагревателем и переданное через стенку трубы в окружающую среду при установившемся тепловом состоянии, определяется по затраченной электрической мощности нагревателя. Напряжение измеряется вольтметром (диапазон измерений В, класс точности -2,5, цена одного деления = 10 В, ГОСТ 8711-60), а сила тока – амперметром (диапазон измерений А, класс точности -2,5, цена одного деления = 0,1 А, тип Э421). Изменение мощности, потребляемой электронагревателем, производится при помощи ЛАТРа 4, последовательно включенного в цепь нагревателя.
Температура поверхности трубы измеряется термопарами «хромель-копель» в верхней 1, нижней 2 и средней 3 точках окружности трубы, соединенных через переключатель 5 с милливольтметром 6 типа М-64 (диапазон измерений оС, класс точности - 1,5, цена одного деления = 10оС, ГОСТ 9736-68). Число значащих цифр при снятии показаний с приборов должно быть следующим: температуры – 3, напряжений – 3, сила тока – 2. Расчетное значение температуры поверхности трубы принимается как среднеарифметическое этих температур.
3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Основной величиной, подлежащей экспериментальному исследованию, в конвективном теплообмене является коэффициент теплоотдачи. Для определения коэффициента теплоотдачи в лабораторной работе применяется метод стационарного теплового потока и используется закон Ньютона-Рихмана
, (12)
где Qк – количество теплоты, переданной нагретым телом путем конвекции, Вт; F = π·d·l – площадь поверхности исследуемого участка трубы, м2; d – наружный диаметр трубы, м; l – длина исследуемого участка трубы, м;
- средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К).
Таким образом, чтобы рассчитать из уравнения (12), необходимо определить Qк , tст , tж , F.
Порядок выполнения лабораторной работы следующий:
1. Проверить готовность установки к работе: присоединение термопар к переключателю, включение установки и работу лабораторного автотрансформатора.
2. Заготовить протокол испытаний по следующей форме:
Протокол 1. Измерение температур
|
N опыта |
Сила тока, J, A |
Напряжение V, B |
Температура верхней части трубы, tcт1, оС |
Температура нижней части трубы, tcт2, оС |
Температура средней части трубы, tcт3, оС |
Средняя температура поверхности трубы, , оС |
Температура окружающей среды (воздуха) tж, оС |
|
1 |
|||||||
|
2 |
|||||||
|
3 |
3. Установить с помощью лабораторного трансформатора силу тока J = 1 A и измерить температуру верхней, нижней и средней части трубы через каждые 5 мин. Показания записывать в протокол.
4. При достижении стационарного режима, когда показания температур на протяжении последних 3 замеров остаются неизменными, измерения температур и запись результатов в протокол 1 при указанной силе тока прекращаются.
5. Изменить под наблюдением преподавателя силу тока до J = 1,5 A и повторить эксперимент. При достижении стационарного режима изменить силу тока до J = 1,75 A. Результаты измерений температур занести в протокол 1.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
На основании данных эксперимента производится расчет в следующем порядке.
1. Количество теплоты, переданной от поверхности трубы к воздуху путем конвекции и излучения,
Q = J·V . (13)
2. Количество теплоты, переданной лучеиспусканием,
, (14)
где ε = 0,8 – степень черноты поверхности трубы; со = 5,67 – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4), Тст , Тж - соответственно абсолютные температуры поверхности трубы и окружающего воздуха, К.
3. Количество теплоты, переданной расчетным участком трубы путем конвекции Qк = Q – Qл .
4. Средний коэффициент теплоотдачи конвекцией вычисляется по уравнению (12).
5. Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы необходимо расчетные данные обобщить и представить их в виде критериального уравнения, которое описывает процесс конвективного теплообмена для случая свободного движения воздуха около трубы
.
Результаты обработки экспериментальных данныъ и критерии подобия для каждого температурного режима заносятся в протокол 2.
Физические параметры воздуха , υ, а, Pr , входящие в критерий подобия, берутся из таблицы 1 по температуре окружающего воздуха tж.
Протокол 2. Результаты обработки опытных данных
|
Полное количество тепла Q, Вт |
Количество тепла, переданное конвекцией Qk , Вт |
Количество тепла, переданное лучеиспусканием Qл, Вт |
Средний коэффициент теплоотдачи , Вт/м2·К |
Критерий Нуссельта Nuж |
lgNuж |
Критерий Грасгофа Grж |
lgGrж |
с |
n |
6. Для определения с и n прологарифмируем зависимость Nuж= c·
lgNuж = lgc + n·lgGrж (15)
и построим в логарифмической системе координат график зависимости
lgNuж = f(lgGr) в виде прямой линии (рис.4).
Значение показателя степени определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абцисс, то есть
. (16)
Постоянная «с» находится из соотношения . (17)
Полученное значение с и n следует сопоставить с значениями аналогичных коэффициентов зависимости из учебника [1], С.201-208.
7. Относительная ошибка в определении среднего коэффициента теплоотдачи равна
, (18)
где через обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных величин, входящих в уравнение (12).
Таблица 1
Физические параметры сухого воздуха
|
tж, 0С |
, кг/м3 |
·102, Вт/(м·К) |
d·106, м2/с |
υ·106, м2/с |
Pr |
|
10 |
1,247 |
2,51 |
17,6 |
14,16 |
0,705 |
|
20 |
1,205 |
2,59 |
18,1 |
15,06 |
0,703 |
|
30 |
1,165 |
2,67 |
18,6 |
16,00 |
0,701 |
|
40 |
1,128 |
2,76 |
19,1 |
16,96 |
0,699 |
|
50 |
1,093 |
2,83 |
19,6 |
17,95 |
0,698 |
|
60 |
1,060 |
2,90 |
20,1 |
18,97 |
0,696 |
|
70 |
1,029 |
2,96 |
20,6 |
20,02 |
0,694 |
5. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
1. Цель работы, основные понятия и расчетные формулы;
2. Принципиальную схему установки ;
3. Протокол записи показаний измерительных приборов;
4. Обработку результатов эксперимента;
5. График зависимости между критериями подобия;
6. Расчет ошибки в определении и сопоставление результатов эксперимента с литературными данными.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем заключается физическая сущность конвективного процесса теплообмена.
2. Запись закона Ньютона-Рихмана и дать определение коэффициенту теплоотдачи.
3. Каково влияние температурного напора, физических свойств жидкости, расположение поверхности в пространстве на интенсивность теплообмена.
4. Дать определение условиям подобия физических процессов.
5. Как обработать опытные данные в числах и критериях подобия и провести анализ результатов обработки
6. Какие особенности теплоотдачи при свободном и вынужденном движении газа (жидкости).
7. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности при выполнении лабораторных работ в лабораториях кафедры «Теплоэнергетика».
2. Работа проводится только под контролем преподавателя или лаборанта.
3. Во избежании ожога запрещается касаться руками токоведущих частей установки и наружной поверхности трубы.
4. Включение и выключение установки, а также изменение силы тока производится под руководством преподавателя.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ВОДОВОДЯНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ
Ц е л ь р а б о т ы: углубить знания по теории процессов теплоотдачи в теплообменнике, ознакомиться с методикой их опытного исследования и получить навыки в проведении экспериментальных работ и обработке опытных данных.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Устройство, служащие для передачи тепла от одного рабочего тела к другому, называются теплообменными аппаратами или теплообменниками.
При этом, если процесс теплопередачи между рабочими телами происходит непрерывно и через разделяющую их стенку (поверхность теплообмена), то такие теплообменники называются рекуперативными.
Если горячая и холодная жидкости движутся параллельно и в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком, если параллельно, но в противоположном направлении – противотоком. Греющая и нагреваемая жидкости могут иметь различные физические свойства, агрегатное состояние, температуру, давление и скорость движения. Сама поверхность теплообмена также может различаться по размерам и форме. Вследствие этих особенностей будут различными как частные термические сопротивления теплоотдачи для каждой из двух рабочих жидкостей, так и общее термическое сопротивление, зависящее от них. Следовательно, будет различной и интенсивности теплопередачи в теплообменниках.
По результатам настоящей работы требуется установить влияние изменения взаимного движения жидкостей (прямоток, противоток) на интенсивность теплопередачи в теплообменнике. Интенсивность процесса теплопередачи в теплообменнике, то есть средний коэффициент теплопередачи между греющей и нагреваемой жидкостями Вт/(м2·К), определяется из следующего уравнения:
, (19)
где Q – количество теплоты, переданной одной жидкостью другой, Вт; F - расчетная площадь поверхности теплообмена, м2; - средний логарифмический температурный напор между греющей и нагреваемой жидкостями, 0С.
Чтобы найти из уравнения (19) коэффициент теплопередачи, необходимо определить Q, F, .
Прежде чем изучить методику эксперимента, необходимо усвоить понятие термического сопротивления цилиндрической стенки при граничных условиях Ш-го рода и критериальное уравнение, описывающее процесс теплоотдачи при вынужденном течении жидкости в трубах [1], С. 173-189, С. 379-399.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Установка типа «труба в трубе» для изучения теплопередачи (рис.5) состоит из теплообменника 1, термостата 2, бачка для измерения расхода воды 3, системы соединительных трубок, термометров для измерения температур греющей 4 и обогреваемой воды 5 на входе и выходе из теплообменника.
Теплообменный аппарат представляет собой горизонтальный двухтрубный элемент, выполненный из латунных трубок. Внутренняя трубка имеет наружный диаметр 14 мм с толщиной стенки, равной 1 мм, а наружная трубка соответственно 19 мм и 1 мм. Длина греющей секции l равна 750 мм. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду теплообменник и соединительные трубки покрыты снаружи тепловой изоляцией.
Горячая вода из термостата 2 поступает во внутреннюю трубку теплообменника, движется по нему всегда в одном направлении в тепмостат. Температура горячей воды на входе и выходе из теплообменника изменяется ртутным термометрами 4 (диапазон измерений оС, цена одного деления = 1оС). Число значащих цифр при снятии показаний с пр)
Вода из водопровода поступает в межтрубное пространство теплообменника. Температура холодной воды на входе и выходе из теплообменника изменяется ртутным термометрами 5 (диапазон измерений оС, цена одного деления = 1оС).
Направление движения холодной воды можно изменить при помощи трехходового крана 6 и кранов 7 и 8. При прямотоке трехходовой кран 6 должен находиться в I-м положении (рис.5), кран 7 должен быть закрыт, а кран 8 – открыт. При противотоке трехходовой кран 6 должен находиться в 2-м положении , кран 7 должен быть открыт, а кран 8 – закрыт.
Расход холодной воды измеряется с помощью мерного бачка 3, для чего закрывается сливной кран 9. Засекая время, по уровню воды в мерном стекле бачка, определяют количество холодной воды, скопившееся за 5 минут. По замерному количеству холодной воды и известному промежутку времени рассчитывается секундный расход холодной воды. Расход горячей воды определяется по тарировочной кривой, характеризующей зависимость расхода горячей воды от температуры за термостатом (тарировочная кривая помещена на лабораторном стенде).
3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для расчета теплообменных устройств, имеющих относительно простую геометрическую форму, используются данные по теплоотдаче, полученные при исследовании на опытных образцах в лабораторных условиях, то есть используется метод теплового моделирования. Этот метод используется в данной лабораторной работе.
Тепловое моделирование представляет собой метод экспериментального исследования, в котором изучение какого-либо теплового явления производится на модели. Метод теплового моделирования допускает проведение опытов в условиях низких температур. Необходимо, чтобы в модели был осуществлен процесс, подобный процессу, происходящему в реальных условиях, и выполнены все требуемые измерения и наблюдения. Кроме теплофизического подобия, необходимо соблюдать и геометрическое подобие.
В лабораторной работе необходимо экспериментальным путем определить среднее значение коэффициента теплоотдачи теплообменника и сравнить с значением коэффициента теплоотдачи, рассчитанным по критериальным уравнениям.
1. После ознакомления с экспериментальной установкой необходимо заготовить форму протокола для записи измерений.
Протокол
|
Схема движения воды |
|||||||||||
|
Прямоток |
Противоток |
||||||||||
|
Расход воды |
Температура воды |
Расход воды |
Температура воды |
||||||||
|
горячей G1 кг/с |
холод-ной G2 кг/с |
Горячей |
холодной |
горячей G1 кг/с |
холод-ной G2 кг/с |
горячей |
холодной |
||||
|
0C |
0C |
0C |
0C |
0C |
0C |
0C |
0C |
||||
2. Установить схему движения горячей и холодной воды «прямоток», для чего трехходовой кран 6 перевести в I-м положение, кран 7 закрыть, а кран 8 – открыть.
3. Установить по заданию преподавателя режим работы термостата и измерить температуру горячей и холодной воды на входе (соответственно и ) и выходе из теплообменника через 5 минут. Показания записать в протокол.
4. При достижении установившегося теплового режима, когда показания этих температур на протяжении последних 3 замеров остаются неизменными, измерения температур и запись результатов измерений в протокол при указанной схеме движения прекращаются.
5. Закрыть сливной вентиль 9 и провести измерение расхода холодной воды по методу, описанному в разделе «Методика эксперимента».
6. Открыть сливной вентиль 9 и под руководством преподавателя или лаборанта установить схему движения воды «противоток», для чего трехходовой кран 6 перевести во 2-е положение, кран 7 открыть, а кран 8 – закрыть.
7. Режим работы термостата, а также расход холодной воды при прямотоке и противотоке должны быть одинаковы.
8. Для схемы «противоток» повторить эксперимент и результаты измерений температур занести в протокол.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Для обработки нужно использовать данные, полученные только при установившемся тепловом режиме работы теплообменника. Обычно берут среднее значение температур воды из последних трех записей. Коэффициент теплопередачи теплообменника вычисляется по уравнению (19).
Количество теплоты, переданное горячей водой и воспринятое холодной, определяется по уравнению теплового баланса.
, (20)
где G1 и G2 – соответственно расходы горячей и холодной воды, кг/c; cр1 и ср2 - удельные теплоемкости горячей и холодной воды, определяются из табл.1 по средним температурам; и , кДж/(кг·К); , , , - температуры горячей и холодной воды на входе и выходе из теплообменника, 0С; Q - количество теплоты, теряемое теплообменником в окружающую среду, Вт.
При наличии хорошей тепловой изоляции теплообменника можно принять Q =0.
Средний логарифмический температурный напор определяется по формуле
, (21)
где , – наибольший и наименьший температурные напоры, 0С.
Характер изменения температур горячей и холодной воды при прямотоке и противотоке показан на рис.6.
В качестве расчетной площади поверхности теплообмена принимается площадь поверхности, подсчитанная по среднему диаметру внутренней трубки,
, (22)
где
Вычислив Q, F и , определим коэффициент теплопередачи по уравнению (19). Интенсивность передачи теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую цилиндрическую стенку часто характеризуется линейным коэффициентом теплопередачи кl, Вт/(м·К)
. (23)
Полное представление об условиях протекания процесса теплообмена в теплообменнике позволяет получить коэффициенты теплоотдачи 1 и 2, которые характеризуют соответственно интенсивность теплообмена между горячей водой и стенкой, стенкой и холодной водой. Значение 1 и 2 необходимо рассчитать по соответствующим критериям уравнения теплообмена при вынужденном движении жидкости в трубах [1], с. 173-189.
После определения 1 и 2 вычисляется расчетный линейный коэффициент теплоотдачи по формуле
, (24)
где 1 - коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке, Вт/(м2·К); 2 - коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной воде, Вт/(м2·К); - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м·К); d2 ,d1 - соответственно для внутренней трубки теплообменника наружный и внутренний диаметр, м.
Для каждой схемы движения теплоносителя проводятся свои расчеты, и результаты заносятся в табл.2.
Средние скорости движения холодной Wхв и горячей воды Wгв необходимые для вычисления 1 и 2 определяются по формулам:
для горячей воды
, (25)
для холодной воды
. (26)
Здесь гв и хв – соответственно плотности горячей и холодной воды, кг/м3, выбираемые из таблицы 1 по средним температурам и ; D1 – внутренний диаметр наружной трубы, м.
Таблица 1
Физические свойства воды
|
0С |
Р 10 -5, Па |
, кг/м3 |
ср, кДж/(кг·К) |
·102, Вт/(м·К) |
υ·106, м2/с |
|
0 |
1,013 |
999,9 |
4,212 |
55,1 |
1,789 |
|
10 |
1,013 |
999,7 |
4,191 |
57,4 |
1,306 |
|
20 |
1,013 |
998,2 |
4,183 |
59,9 |
1,006 |
|
30 |
1,013 |
995,7 |
4,174 |
61,8 |
1,805 |
|
40 |
1,013 |
992,2 |
4,174 |
63,5 |
1,659 |
|
50 |
1,013 |
988,1 |
4,174 |
64,8 |
1,556 |
|
60 |
1,013 |
983,2 |
4,179 |
65,9 |
1,478 |
|
70 |
1,013 |
977,8 |
4,187 |
66,8 |
1,415 |
|
80 |
1,013 |
971,8 |
4,195 |
67,4 |
1,365 |
|
90 |
1,013 |
965,3 |
4,208 |
68,0 |
1,326 |
5. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
1. Цель работы, основные понятия и расчетные формулы;
2. Принципиальную схему установки ;
3. Протокол записи показаний измерительных приборов;
4. Обработку результатов эксперимента;
5. Сравнение результатов эксперимента с литературными данными.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что представляет собой процесс теплопередачи
2. В каких случаях прямоток и противоток равноэффективны
3. Как изменяется перепад температур теплоносителей в зависимости от соотношения полных расходных теплоемкостей (водяных эквивалентов)
4. Напишите формулу термического сопротивления цилиндрической стенки при граничных условиях 3-го рода.
5. Напишите критериальное уравнение теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубах.
7. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1. К работе допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности при выполнении лабораторных работ в лабораториях кафедры «Теплоэнергетика».
2. Работа проводится только под контролем преподавателя или лаборанта.
3. Во избежании ожога запрещается ослаблять зажимы на трубках, по которым движется горячая вода.
4. Включение и выключение установки, а также изменение режима ее работы производится под наблюдением преподавателя.
5. Запрещается оставлять без присмотра работающую установку.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исаченко В.П. Теплопередача. учебник для вузов / В.П Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. -4-е изд., перераб. и доп.– М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
Таблица 2
Результаты замеров и обработки опытных данных
|
Схема движения воды |
Средняя температура воды |
Средний температурный напор , 0С |
Тепловой поток Q, Вт |
Коэффициент теплопередачи |
|||
|
горячей , 0С |
холодной , 0С |
к Вт/(м2·К) |
Вт/(м·К) |
Вт/(м·К) |
|||
|
Прямоток |
|||||||
|
Противоток |