В ПАРОВОДЯНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Цель работы – опытное определение коэффициента теплопередачи К в пароводяном теплообменнике.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется в аппаратах, называемых теплообменниками. В качестве теплоносителей используются как капельные, так и упругие жидкости (газы и пары). В теплосиловых установках находят широкое применение так называемые рекуперативные теплообменники, или теплообменники непрерывного действия, в которых процесс теплопередачи от одной жидкости к другой происходит через разделительную стенку (поверхность нагрева). Примерами таких теплообменников могут служить паровые котлы, пароперегреватели, пароводяные подогреватели, поверхностные конденсаторы паровых турбин, отопительные приборы, калориферы, воздухоподогреватели и др.

В данной работе изучают передачу теплоты от греющего водяного пара к воде (при прохождении воды по внутренней трубке теплообменника).

Насыщенный греющий пар непрерывно поступает по паропроводу в межтрубное пространство теплообменника и, отдавая теплоту воде, конденсируется на наружной поверхности внутренней трубки. Процесс конденсации протекает при постоянном давлении и, следовательно, при постоянной температуре t, практически одинаковой в любом месте межтрубного пространства. Конденсат греющего пара должен отводиться из теплообменника через конденсатоотводчик (конденсационный горшок), пропускающий конденсат, но задерживающий пар. Вода, проходящая по внутренней трубке, нагревается от начальной температуры t_нач до конечной t_кон (рис. 1).

Выделим в некотором месте внутренней трубки теплообменника бесконечно малый кольцевой участок поверхности dF (рис. 2).

Рис. 1. Изменение температур теплоносителей

вдоль поверхности теплопередачи

Пусть в этом месте температура воды внутри трубки будет t. Тогда для установившегося процесса перехода теплоты от пара к

Рис. 2. Схема процесса теплопередачи:

1 – металлическая стенка; 2 – слой ржавчины; 3 – слой отложений

воде через участок поверхности dF можно написать следующие уравнения.

1. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от конденсирующегося пара к наружной поверхности стенки трубки

. (1)

2. Уравнение теплопроводности – перехода теплоты через стенку трубки, состоящую из нескольких слоев (наружный слой ржавчины, металл, внутренний слой ржавчины, слой так называемого водяного камня или накипи)

. (2)

3. Уравнение теплоотдачи – перехода теплоты от внутренней поверхности стенки трубки к воде

. (3)

В этих уравнениях dQ – расход передаваемой теплоты, Вт; t_ст.н. и t_ст.вн. – температуры наружной и внутренней поверхности стенки трубки, ⁰С; r_П – термическое сопротивление при переходе теплоты от конденсирующегося пара к наружной поверхности трубки, м²·К/Вт; – сумма термических сопротивлений слоев, из которых состоит стенка, м²·К/Вт; r_в – термическое сопротивление при переходе теплоты от внутренней поверхности стенки к воде, м²·К/Вт.

Поверхность dF во всех трех уравнениях принята одинаковой, т.е. стенка трубки считается плоской, что допустимо, когда толщина стенки мала по сравнению с диаметром.

Из уравнений (1) – (3) получаем уравнение теплопередачи – перехода теплоты от пара к воде:

, (4)

где – общее термическое сопротивление при переходе теплоты от конденсирующегося пара к воде через стенку трубки.

Уравнения теплоотдачи (1) и (3) могут быть представлены в виде

; (5)

. (6)

Величину, обратную общему термическому сопротивлению R, называют коэффициентом теплопередачи

. (7)

Для всего теплообменника с площадью поверхности теплопередачи F, м², в котором расход передаваемой теплоты составляет Q, Вт, интегрирование уравнения (4) приводит к уравнению теплопередачи следующего вида:

, (8)

где Δt_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи в теплообменнике – средняя разность температур пара и воды, определяемая теоретическим уравнением

, (9)

где Δt_нач = t_П – t_нач; Δt_кон = t_П – t_кон (см. рис. 1).

Эти разности температур представляют собой движущие силы процесса теплопередачи на концах теплообменника – на входе и на выходе воды.

Если Δt_нач/ Δt_кон ≤ 2, то с достаточной точностью (погрешность менее 5%) можно считать

. (10)

Расход теплоты Q в уравнении (8) рассчитывают по формуле

, (11)

где V – расход воды, м³/с; ρ – плотность воды, кг/м³; с – средняя теплоемкость воды, Дж/(кг·К).

Необходимо четко различать понятия «теплоотдача» и «теплопередача».

Передача тепла от одной подвижной среды (горячей) к другой (холодной) через разделяющую их стенку называется процессом теплопередачи. Теплопередача является одним из видов сложного теплообмена, включающего в себя конвективную теплоотдачу от горячей жидкости (или газа) к стенке, теплопроводность в стенке, конвективную теплоотдачу от стенки к холодной жидкости (или газу).

Количественной характеристикой процесса теплопередачи является коэффициент теплопередачи К. Коэффициент теплопередачи определяет количество тепла, переданного в секунду от одной жидкости (или газа) к другой жидкости (или газу) через единицу поверхности (м²) стенки при разности температур между жидкостями в один градус.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Определить экспериментально значение коэффициента теплопередачи в пароводяном теплообменнике.

2. Решить задачу.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема теплообменника приведена на рис. 3. От электрического котла в коллектор перед теплообменником подается насыщенный водяной пар. Через регулировочный вентиль пар из коллектора поступает в кожух 1, который покрыт тепловой изоляцией 3. Отдавая тепло воде в трубке 3, пар конденсируется. Конденсат через выпускной патрубок удаляется из кожуха 1 в сливную воронку 5 и далее в канализацию. Для измерения давления пара в кожухе 1 служит манометр 8.

Рис. 3. Схема теплообменника:

1 – кожух; 2 – трубка; 3 – теплоизоляция; 4 – вентили; 5 – сливная воронка;

6 – мерный сосуд; 7 – термометр; 8 – манометр

Вода в трубку 2 поступает через регулировочный вентиль 4 от насоса на гидростенде. На входе и выходе трубки 2 температура воды измеряется термометрами 7. Расход воды измеряется с помощью мерного сосуда 6. Слив воды осуществляется через воронку 5.

4. ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ

Необходимо заготовить протокол измерений по форме:

Включается насос подачи воды и путем открытия входного регулировочного вентиля устанавливается первоначальный (небольшой) расход воды через трубку 2. При этом вода после трубки 2 сливается в воронку 5. При полностью открытом вентиле на линии выпуска конденсата медленно открывают регулировочный вентиль по линии подачи пара в теплообменник. После прогрева теплообменника в течение 3-5 минут с помощью вентилей на входе пара и выходе конденсата устанавливают заданное преподавателем давление пара в теплообменнике по показаниям манометра 8. С помощью вентиля на линии входа воды регулируется ее расход таким образом, чтобы температура воды на выходе была не выше 60-70⁰С.

Все действия необходимо проводить в защитных рукавицах, не прикасаясь руками без рукавиц к паропроводам и шлангам для горячей воды.

После выполнения регулировок показания приборов записываются в протокол измерений. Определяется расход воды путем выпуска воды из трубки 2 в мерный сосуд 6. При этом по секундомеру фиксируется время заполнения сосуда 6.

Измерение давления пара, расхода и температур воды повторяется через 2-3 минуты. Данные действия выполняются до наступления стационарного теплового режима работы теплообменника. Об этом будут свидетельствовать одинаковые значения измеряемых величин в двух последовательных (последних) строках (№) протокола измерений.

К обработке принимаются измерения, соответствующие стационарному тепловому режиму.

5. ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Определить весовой расход воды

, кг/с,

где V_с – объем мерного сосуда, м³; ρ – плотность воды, примерно ρ = 10³ кг/м³; τ – время заполнения мерного сосуда, с.

2. Рассчитать тепловую мощность теплообменника

Вт,

где с – теплоемкость воды, с=4180 Дж/(кг·К); t_в,к и t_в,н – измеренные конечная и начальная температуры воды, ⁰С.

3. Определить температуру t_П насыщения пара при давлении Р_П в теплообменнике. Температура насыщения пара (иначе – температура конденсации пара или кипения воды) находится по справочникам (в зависимости от давления) или рассчитывается по эмпирической формуле

,

где Р_П – абсолютное давление пара в кг/см².

4. Найти среднюю движущую силу процесса теплопередачи

, ⁰С,

где Δt_нач = t_П – t_в,н – начальная разность температур теплоносителей, ⁰С; Δt_кон = t_П – t_в,к – конечная разность температур теплоносителей, ⁰С.

5. Вычислить коэффициент теплоотдачи

, Вт/(м²·К),

где F – площадь поверхности теплопередачи (площадь поверхности трубки 2 (рис. 3)), составляет величину F = π·d·l = 0,0225 м².

6. КОНТРОЛЬНАЯ ЗАДАЧА

1. Определить тепловую мощность пароводяного рекуперативного теплообменника и необходимую площадь поверхности теплопередачи для нагрева воды от t_в,н = 10 ⁰С до t_в,к = 60 ⁰С. Объемный расход воды через теплообменник V = (1 + n), м³/ч, где n – индивидуальный номер, указывается преподавателем. В теплообменник подается сухой насыщенный водяной пар при избыточном (манометрическом) давлении 1,5 кг/см². Коэффициент теплопередачи от пара к воде К = 2 кВт/(м²·К).

2. Рассчитать конечную температуру нагрева воды и тепловую мощность Q’ этого теплообменника при увеличении расхода воды вдвое, т.е. до V’ = 2V. При этом коэффициент теплопередачи также увеличится до К´ = 3 кВт/(м²·К).

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

1) цель работы;

2) схему установки;

3) заполненный протокол измерений;

4) обработку результатов измерений;

5) выводы по работе;

6) условие и решение контрольной задачи.

8. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Из чего складывается общее термическое сопротивление при переходе теплоты от конденсирующегося пара к воде?

2. Какая разность температур входит в уравнение теплоотдачи и какая – в уравнение теплопередачи?

3. Дайте определение понятию коэффициент теплопередачи.

4. Какие замеры надо сделать, чтобы определить среднюю движущую силу процесса теплопередачи в теплообменнике?

5. В чем различие между коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплопередачи с точки зрения физического смысла?

6. Почему необходимо поддерживать постоянным давление греющего пара?

7. Как определить экспериментально общее термическое сопротивление в теплообменнике?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 2-е изд. – М.: Энергия, 1977. – 343 с.

2. Печенегов Ю.Я. Общая энергетика: учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2005. – 149 с.