Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


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 tнач до конечной tкон (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; tст.н. и tст.вн. – температуры наружной и внутренней поверхности стенки трубки, 0С; rП – 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; rв – 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 Δtср – средняя движущая сила процесса теплопередачи в теплообменнике – средняя разность температур пара и воды, определяемая теоретическим уравнением

 

, (9)

 

где Δtнач = tПtнач; Δtкон = tПtкон (см. рис. 1).

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

Если Δtнач/ Δtкон ≤ 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:

 

№ из-ме- ре- ния Время из-ме рения Объем мерно-го сосуда, Vс, л Время заполне- ния мерного сосуда, τ, с Расход воды, G= =(Vc/τ)ρ, кг/с Температура воды, 0С Давление пара по манометру Рм, кг/см2 Давление пара абсолютное, Рп=1+Рм, кг/см2 Температура насы-щения пара, tп, 0С Передаваемая тепло-вая мощ- ность, Q=Gc (tвк-tвн), Вт
вход, tвн выход, tвк
                   

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 Vс – 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); tв,к и tв,н – измеренные конечная и начальная температуры воды, 0С.

3. Определить температуру tП насыщения пара при давлении РП 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 РП – абсолютное давление пара в кг/см2.

4. Найти среднюю движущую силу процесса теплопередачи

 

, 0С,

 

где Δtнач = tПtв,н – начальная разность температур теплоносителей, 0С; Δtкон = tПtв,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 tв,н = 10 0С до tв,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.



Поделиться:

Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 422; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.006 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты