Материал: Лабораторный практикум Ч 1
Дж/кг; т1 и т2 – массовые расходы соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с; V1н и V2 н – объёмные расходы соответственно горя-
чего и холодного теплоносителей, измеренные ротаметрами (поз. 1 и 2), м3/с; 1н и 2н – плотности соответственно горячего и холодного теплоносителей при их начальных температурах, кг/м3.
Если Q1 Q2 , то результаты лабораторных измерений являются вполне достоверными. При расчёте KТ эксп по формуле (9.1) рекомендуется принять Q Q1 .
Средняя движущая сила теплопередачи (средняя разность температур теплоносителей в аппарате) определяется по формуле:
|
T |
|
Тн |
Тк |
, |
(9.5) |
|
|
|
||||
|
ср |
|
Тн |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln Тк |
|
||
где Тн Т1н – Т2к; |
Тк Т1к – Т2н. |
|
|
|
|
|
2. Полученное |
экспериментально |
значение |
коэффициента теплопе- |
|||
редачи сравните со значением, рассчитанным по уравнению аддитивности термических сопротивлений (9.2).
Для этого необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи 1 и
2.
Расчёт коэффициента теплоотдачи от горячей воды к поверхности пластин 1 рекомендуется выполнять в следующем порядке:
а) рассчитайте среднюю (вдоль поверхности теплообмена) температуру горячей воды и определите при этой температуре физические свойства воды (в частности, плотность – 1; динамическую вязкость – 1; теплопроводность – 1).
Если ( Т1 Т1н – Т1к) < ( Т2 Т2к – Т2н), то средняя температура го-
рячей воды |
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
Т1н Т1к |
. |
(9.6) |
|
|
|
|||||
|
1ср |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если же ( Т1 |
Т1н – Т1к) > ( Т2 |
Т2к – Т2н), то средняя температура |
||||
горячей воды рассчитывается так: |
|
|
|
|
|
|
|
|
86 |
|
|
|
|
Т1ср Т2ср Tср , |
(9.7) |
||||
где средняя температура холодной воды: |
|
||||
Т |
|
|
Т2 н Т2 к |
, |
(9.8) |
2 ср |
|
||||
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
||
б) рассчитайте среднюю скорость горячей воды
v1 |
m1 |
|
(9.9) |
S |
|||
|
1 |
1 |
|
где S1 b t N1 – площадь проходного сечения каналов;
в) рассчитайте число Рейнольдса (Re1)
|
|
Re |
v1 dэ 1 |
, |
(9.10) |
|
|
|
|
||||
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где dэ |
2b t |
– эквивалентный диаметр щелевого канала в пластинчатом |
||||
b t |
||||||
|
|
|
|
|
||
теплообменнике;
г) рассчитайте число Нуссельта (Nu1). При турбулентном режиме течения теплоносителя (при Re > 50) рекомендуется использовать критериальное уравнение вида
Nu 0,18 Re0,75 |
Pr0,33 |
|
Pr |
0,25 |
|
||
|
|
, |
(9.11) |
||||
|
|||||||
|
|
|
Prст |
|
|
||
где |
Nu |
d |
э |
– критерий Нуссельта, Pr |
cp |
– критерий Прандтля. |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||
|
В уравнении (9.11) все физические свойства среды (кроме помечен- |
||||||
ных индексом «ст») определяются при средней вдоль поверхности теплообмена температуре теплоносителя; индекс «ст» означает, что свойства среды определяются при температуре стенки.
Поскольку температуры теплообменных поверхностей в данном теплообменнике не измеряются, рекомендуется сделать допущение:
|
Pr |
0,25 |
1; |
(9.12) |
|
|
|
||||
|
|||||
|
Prст |
|
|
||
87
д) рассчитайте коэффициент теплоотдачи по формуле |
|
||
|
Nu1 1 |
. |
(9.13) |
|
|||
1 |
dэ |
|
|
|
|
||
Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности пластин к холодной воде ( 2) рекомендуется выполнять в следующем порядке:
а) определите физические свойства холодной воды (в частности, плотность – 2; динамическую вязкость – 2; теплопроводность – 2) при её средней (вдоль поверхности теплообмена) температуре в теплообменнике.
Если ( Т1 Т1н – Т1к) < ( Т2 Т2к – Т2н), то средняя температура холодной воды
Т2ср Т1ср Tср ; |
(9.14) |
б) рассчитайте число Рейнольдса Re2.
Скорость потока, входящая в число Рейнольдса, определяется по
формуле, аналогичной (9.9): |
|
|
|
v2 |
m2 |
, |
(9.15) |
|
|||
|
2 S2 |
|
|
где S2 b t N2 – площадь проходного сечения каналов;
в) рассчитайте число Нуссельта (Nu2). При турбулентном режиме течения теплоносителя (при Re > 50) рекомендуется использовать уравнение (9.11). При расчёте критерия Нуссельта по формуле (9.11) необходимо знать температуру стенки. В данном случае рекомендуется сделать допу-
щение, тождественное (9.12); |
|
|
|
|
|
г) рассчитайте коэффициент теплоотдачи по формуле: |
|
||||
|
2 |
|
Nu2 2 |
. |
(9.16) |
|
|||||
|
|
dэ |
|
||
|
|
|
|
||
Рассчитайте коэффициент теплопередачи (КТ расч) по формуле аддитивности термических сопротивлений (9.2).
3. Экспериментальные и рассчитанные величины параметров занесите в табл. 9.1.
88
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.1 |
||
Экспериментальные и рассчитанные величины параметров |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V1 |
m1 |
|
Т1н, |
Т1к, |
Q1 |
|
v1, |
|
|
|
1, |
|
KТ расч, |
|
, |
|
, |
|
|
|
, |
|
Re1 |
Nu1 |
|
|
|
|
|
л/мин |
кг/с |
°С |
°С |
Вт |
м/с |
Вт/(м2·К) |
|
Вт/(м2·К) |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V2 |
m2 |
|
Т2н, |
Т2к, |
Q2 |
|
v2, |
|
|
|
2, |
|
|
|
, |
|
, |
|
|
|
, |
|
Re2 |
Nu2 |
|
|
|
|
|
л/мин |
кг/с |
°С |
°С |
Вт |
м/с |
Вт/(м2·К) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
= ___ К; |
KТ эксп ______ Вт/(м2·К) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ср |
|
|
|
|
|
|
|
4. Проанализируйте полученные значения кинетических коэффициентов теплообмена и сделайте выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Каковы физический смысл и единицы измерения коэффициента теплопередачи?
2.С какой целью пластины теплообменника делают гофрированными?
3.Какие параметры исследованного теплообменника влияют на величину коэффициента теплопередачи?
4.Термическое сопротивление какой стадии теплопередачи оказалось лимитирующим в выполненной Вами работе?
5.Каково максимальное значение (в теоретическом пределе) коэффициента теплопередачи для данного теплообменника?
6.Изменится ли коэффициент теплопередачи в исследуемом аппарате, если он будет иметь не 38, а 26 пластин (при прочих равных условиях)?
7.Как выполнить расчёт коэффициента теплопередачи по формуле (9.1),
если в эксперименте окажется, что Т1 = Т2?
8. Каковы минимальные значения чисел Рейнольдса при турбулентном течении жидкости в щелевом канале пластинчатого теплообменника и в прямых круглых трубах. Чем обусловлено различие в указанных числовых значениях?
9. Для чего предназначен ротаметр и каков принцип его действия?
10. Что означают буквы «F» и «I» на условном обозначении прибора на схеме установки?
89
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10
ВРЕМЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛООБМЕНЕ
Теплообменный процесс, в котором температура среды в какой-либо точке изменяется во времени, называется нестационарным. К такому процессу относится, например, процесс охлаждения жидкости в аппарате периодического действия. Охлаждение жидкости может быть осуществлено передачей теплоты от неё к хладагенту, подаваемому либо в рубашку аппарата, либо во встроенный в аппарат змеевик.
Одним из основных показателей подобного процесса является время его проведения. Время охлаждения идеально перемешиваемой жидкости в аппарате периодического действия (при условии постоянства коэффициента теплопередачи и постоянства расхода хладагента с неизменной во времени начальной температурой) может быть рассчитано теоретически по формуле:
|
m1 |
cp1 |
|
N |
T1, 0 |
T2 in |
|
|
||
tтеор |
|
|
|
|
|
ln |
|
|
, |
(10.1) |
m |
c |
N 1 |
|
T |
||||||
|
|
T |
|
|
||||||
|
2 |
p 2 |
|
|
|
1, k |
2 in |
|
||
|
|
K |
T |
A |
|
где |
N exp |
|
|
||
|
|
|
|||
|
m |
|
c |
||
|
|
2 |
|
p 2 |
|
|
const ; т1 – масса охлаждаемой жидкости; |
m |
– |
|
|
||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
массовый расход хладагента; ср1 и ср2 – удельные теплоёмкости охлаждаемой жидкости и хладагента соответственно; T1,0 и T1,k – температуры охлаждаемой жидкости начальная и конечная соответственно; T2 in – начальная температура хладагента; KT – коэффициент теплопередачи; А – площадь поверхности теплопередачи.
Цель работы: экспериментальное определение времени охлаждения жидкости в аппарате с мешалкой и змеевиком до заданной конечной температуры при нестационарном теплообмене; расчёт среднего значения коэффициента теплопередачи за период охлаждения; расчёт теоретического времени охлаждения жидкости при нестационарном теплообмене.
90