Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка представляет собой конструкцию, состоящую из коаксиально расположенных труб. Внутренняя труба является трубчатым электрическим нагревателем (ТЭН) и имеет наружный диаметр d₁ = 46 мм. Наружная труба имеет внутренний диаметр d₂ = 13 мм. Межтрубное пространство заполняется исследуемым пищевым продуктом. Нагреватель питается от сети переменного тока; его мощность регулируется лабораторным трансформатором и измеряется ваттметром. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем, проходит через слой исследуемого материала в окружающую среду.

Температура на внутренней и наружной поверхностях слоя исследуемого материала измеряется термопарами и фиксируется милливольтметром. Для компенсации температуры окружающей среды используется сосуд с тающим льдом (температура таяния 0 ⁰C), в который помещен общий «холодный» спай термопар.

Вопросы для самостоятельной подготовки

1. Физический смысл теплопроводности как способа переноса теплоты.

2. Что такое температурное поле, изотермная поверхность, температурный градиент?

3. Основной закон теплопроводности – закон Фурье.

4. Понятие коэффициента теплопроводности.

5. Основные факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

6. Установившийся и неустановившийся тепловые режимы.

7. Процесс теплопроводности через плоскую стенку.

8. Сущность метода трубы для определения коэффициента теплопроводности сыпучих материалов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Процесс теплообмена в рекуперативном поверхностном теплообменнике

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение процесса теплообмена в поверхностном теплообменнике; определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи при вынужденном движении горячей и холодной воды.

ЗАДАНИЕ

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия рекуперативного теплообменника типа «труба в трубе».

2. Определить значения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.

3. Определить величину теплового потока с использованием уравнений теплового баланса и теплопередачи.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Теплообменом называется самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем. Перенос теплоты происходит в направлении убывания температуры. Для переноса теплоты применяются различные движущиеся рабочие среды, называемые теплоносителями (капельные жидкости, газы, сыпучие тела).

Сложный теплообмен между двумя движущимися средами, разделенными поверхностью фазового контакта или поверхностью нагрева (твердой стенкой), называется теплопередачей. Конвективный теплообмен между поверхностью нагрева или фазового контакта и движущейся средой называется теплоотдачей.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность, называется тепловым потоком Q, Вт.

Величина, характеризуемая отношением теплового потока к площади поверхности теплообмена F, м², называется поверхностной плотностью теплового потока, q, Вт/м²:

q = Q / F (3.1.)

Тепловой поток (при отсутствии потерь) является тем количеством теплоты, которое отдается греющим теплоносителем и воспринимается нагреваемым, что может быть выражено уравнением теплового баланса:

Q = G₁(i₁ - i₁) = G₂(i₂ - i₂), (3.2.)

где G₁ и G₂ - массовые расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с;

G = V,

где V - объемный расход теплоносителя, м³/с;

 - плотность теплоносителя при средней температуре, кг/м³;

i₁, i₂ - энтальпии греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, кДж/кг;

i₁, i₂ - энтальпии греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из аппарата, кДж/кг.

Энтальпия I, кДж, представляет собой величину, равную сумме внутренней энергии системы U и произведения давления системы р на величину объема системы V.

I = U + pV (3.3.)

Член pV численно равен работе, которую нужно совершить, чтобы ввести объем V газа из вакуума в пространство с давлением р. Он характеризует потенциальную энергию газа, сжатого внешним давлением. Следовательно, энтальпия любой термодинамической системы представляет собой сумму внутренней энергии системы и потенциальной энергии источника внешнего давления.

При теплообмене между однофазными средами применяется формула; определяющая количество теплоты, передаваемой от горячего теплоносителя к холодному (уравнение теплового баланса):

Q = G₁с₁(t₁ - t₁) = G₂с₂(t₂ - t₂), (3.4.)

где с₁ и с₂ - средние удельные теплоемкости теплоносителей при средних значениях температур, Дж/(кгК);

t₁, t₂ - температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, ^оС;

t₁, t₂ - температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на выходе из аппарата, ^оС.

Важнейшим уравнением для расчета теплообменника является уравнение теплопередачи:

Q = kFt_ср, (3.5.)

где F = d_срl - площадь поверхности теплопередачи (определяется по среднему диаметру внутренней трубы), м²; d_ср = 0,5(d_н + d_в)

t_ср - средний температурный напор, ^оС;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

k = 1 / (1/₁ +  /  + 1/₂) (3.6.)

где  - толщина стенки трубы, м;

 - коэффициент теплопроводности медной стенки, Вт/(мК);

₁ - коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к твердой стенке, Вт/(м²К);

₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м²К);

К оэффициент теплопередачи k характеризует интенсивность процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Процесс переноса теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку (теплопередача) объединяет элементарные процессы (рис. 3.1).

Вначале теплота передается от горячего теплоносителя t_ж1 к одной из поверхностей стенки путем конвективного теплообмена. Интенсивность процесса теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи ₁.

Затем теплота теплопроводностью переносится от одной поверхности стенки к другой. Интенсивность процесса характеризуется коэффициентом теплопроводности стенки .

И, наконец, теплота опять путем конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи ₂, передается от второй поверхности стенки к холодной жидкости t_ж2.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Теплообменник «труба в трубе» 1 состоит из четырех горизонтальных элементов, расположенных друг над другом. Медные трубы теплообменника имеют диаметр: наружные - 36 х 1 мм, внутренние - 12 х 1 мм (первое число означает внешний диаметр трубы, второе - толщину стенки). Внутренние трубы элементов соединены между собой приварными калачами, наружные - приварными патрубками.

Ультратермостат 2 служит для поддержания постоянной температуры горячей воды и подачи ее во внутренние трубы теплообменника. Горячая вода движется в теплообменнике снизу вверх и возвращается в ультратермостат. Ее расход измеряется ротаметром 3, а температура на входе в теплообменник и на выходе из него - термометрами 4 и 5. Холодная вода из водопровода подается в межтрубное пространство вверху и, пройдя через теплообменник, сливается в емкость. Начальная и конечная температура также измеряется термометрами 6 и 7.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Понятие теплообмена.

2. Что такое теплопередача и теплоотдача?

3. Понятие теплового потока и поверхностной плотности теплового потока.

4. Уравнение теплового баланса.

5. Уравнение теплопередачи.

6. Коэффициент теплопередачи.

7. Средний температурный напор.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4