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
Лабораторная работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Цель работы: определение эффективности водо-водяного рекуперативного теплообменника, экспериментальное нахождение коэффициента теплопередачи, сравнение прямотока и противотока.
Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах, диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.
Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – часто происходят совместно.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению, – экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.
Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.
Регенеративные теплообменные аппараты – это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает тепло от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты работают большей частью в стационарном режиме.
В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.
Характер изменения температур рабочих сред по поверхности рекуперативного теплообменного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее простыми схемами движения являются: прямоток (рис. 5.1, а), противоток (рис. 5.1, б) и перекрестный ток (рис. 5.1, в). Существуют аппараты и с более сложными схемами движения теплоносителя.
|
а |
б |
в |
Рис. 5.1. Схемы движения рабочих сред
От того, какая схема движения сред применена, во многом зависит эффективность теплообменного аппарата.
Расчет ТА, работающих в стационарном режиме, ведется на основе двух уравнений – теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса означает равенство количества тепла, отдаваемого горячим теплоносителем (Qгор), сумме количеств тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем, (Qхол) и потерь в окружающую среду Qос:
|
Qгор = Qхол + Qос . |
Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, имеем Qгор = Qхол = Q или
|
Q = Gгор гор T гор = Gхол хол Tхол , |
(5.1 ) |
здесь Gгор, Gхол – соответственно массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; гор, хол – средние изобарные удельные теплоемкости горячей и холодной воды; гор=хол = 4187 Дж/(кгК); Tгор и Tхол – изменения температур горячей и холодной воды.
|
Tгор = Тгорвх – Тгорвых; Tхол = Тхолвых - Тхолвх . |
Уравнение теплопередачи определяет количество теплоты Q, передаваемой через заданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры греющего гор и нагреваемого хол теплоносителей 1:
|
Q = К(гор – хол) F, |
где К – коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м2К);
F площадь поверхности теплообменника, м2;
Следовательно К – коэффициент теплопередачи равен:
|
; |
( 5.2 ) |
|
гор = (Тгорвх + Тгорвых)/2; хол= (Тхолвх + Тхолвых)/2 . |
( 5.3 ) |
Коэффициент теплопередачи, К характеризует интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.
Термодинамическая эффективность теплообменника − это отношение количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству теплоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплообмена с теми же параметрами на входе. Эффективность теплообменника определяется по формуле
|
( 5.4 ) |
Сравнение прямотока с противотоком
Преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой определяются из сравнения количества теплоты, передаваемой при равных условиях, и коэффициентов теплопередачи.
Во всех случаях при прямотоке передается меньшее количество теплоты, т.е. противоток более экономичен по сравнению с прямотоком.
Установка (рис. 5.2) представляет собой поверхностный теплообменник 1, выполненный из двух труб, размещенных одна внутри другой. По внутренней трубе протекает горячая вода (греющий теплоноситель). По наружной – холодная (нагреваемый теплоноситель).
Для определения температур горячей воды на входе и выходе из теплообменника установлены термопары 3; холодной воды – термометры 2. ЭДС термопар регистрируется милливольтметром 5, подключенным через переключатель термопар 4.
Расход горячего теплоносителя из термостата 8, протекающего через теплообменник, измеряется с помощью ротаметра 6. Регулирование расхода теплоносителя осуществляется вентилям 7. Переключение схемы с прямоточной, на противоточную производится преподавателем.
Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки
Порядок выполнения работы
Установка включается по прямоточной схеме. Открываются вентили, и в теплообменник при предельных расходах подается горячая и холодная вода. При достижении стационарного теплового режима, о наступлении которого судят по установившимся показаниям милливольтметра 5, приступают к измерению температур и расходов теплоносителей. С этой целью через равные промежутки времени (3-5 минут) снимаются показания милливольтметра, термопар и ротаметра. Затем вентиль установка включается по схеме «противоток» и опыт повторяется в той же последовательности, что и при прямотоке.
Результаты измерений вносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1
|
Схема подключения |
№ п/п |
Тгорвх,мВ |
Тгорвых,мВ |
Тх.с,,С |
Тгорвх,С |
Тгорвых,С |
Тхолвх,С |
Тхолвых,С |
Н , мм |
Gгор , кг/с |
|
Прямоток |
1 |
|||||||||
|
2 |
||||||||||
|
3 |
||||||||||
|
Сред. знач. |
||||||||||
|
Противоток |
1 |
|||||||||
|
2 |
||||||||||
|
3 |
||||||||||
|
Сред. знач. |
Контрольные вопросы по лабораторной работе № 5
6