Кузнецов-18.51
.pdfВ. Н. КУЗНЕЦОВ, М. В. КОКШАРОВ
ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ
ОМСК 2007
0
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения
–––––––––––––––––––––––––––––
В. Н. Кузнецов, М. В. Кокшаров
ТЕПЛОМАССООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к лабораторным работам для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика»
Омск 2007
1
УДК 621.184.64(075.8) ББК 31.368я73
К89
Тепломассообменное оборудование предприятий: Методические ука-
зания к лабораторным работам для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика» / В. Н. Кузнецов, М. В. Кокшаров; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 36 с.
Методические указания содержит три комплексные лабораторные работы по основным разделам курса «Тепломассообменное оборудование предприятий», в которых изучаются процессы теплообмена в водо-водяном теплообменнике типа «труба в трубе», исследуются процессы испарения влаги из материалов, проводятся испытания холодильной установки, предполагающие ознакомление с устройством и принципом действия натурной холодильной машины.
Предназначены для студентов специальности 140104 – « Промышленная теплоэнергетика» – очной, заочной и дистанционной форм обучения.
Библиогр.: 7 назв. Табл. 6. Рис. 8. Прил. 4.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко; доктор техн. наук, профессор Е. И. Сковородников.
Омский гос. университет путей сообщения, 2007
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение .................................................................................................................. |
5 |
Лабораторная работа 1. Процесс передачи тепла в теплообменном аппарате |
|
типа «труба в трубе» ........................................................................................ |
6 |
1.1. Схема и описание лабораторной установки ........................................... |
6 |
1.2. Теоретические основы .............................................................................. |
7 |
1.3. Порядок проведения опытов .................................................................... |
9 |
1.4. Обработка результатов опытов ............................................................... |
10 |
1.5. Содержание отчета ................................................................................... |
10 |
1.6. Контрольные вопросы .............................................................................. |
10 |
Лабораторная работа 2. Процессы сушки материалов при различных |
|
температурных режимах .................................................................................. |
11 |
2.1. Схема и описание лабораторной установки ........................................... |
11 |
2.2. Порядок проведения опытов..................................................................... |
13 |
2.3. Обработка результатов опытов ............................................................... |
14 |
2.4. Содержание отчета ................................................................................... |
16 |
2.5. Контрольные вопросы .............................................................................. |
16 |
Лабораторная работа 3. Режимы работы холодильной установки ................... |
17 |
3.1. Схема и описание лабораторной установки ........................................... |
17 |
3.2. Порядок проведения опытов .................................................................... |
24 |
3.3. Обработка результатов опытов ............................................................... |
26 |
3.4. Содержание отчета ................................................................................... |
29 |
3.5. Контрольные вопросы .............................................................................. |
29 |
Библиографический список ................................................................................... |
30 |
Приложение 1. Параметры насыщенного пара дифтордихлорметана CF2Cl |
|
(фреона-12)......................................................................................................... |
31 |
Приложение 2. Hd-диаграмма влажного воздуха ............................................... |
33 |
Приложение 3. lnp h-диаграмма хладона-12 ....................................................... |
34 |
Приложение 4. Ts-диаграмма хладона-12 ............................................................ |
35 |
3
4
ВВЕДЕНИЕ
В курсе «Тепломассообменное оборудование предприятий» изучаются различные теплоиспользующие установки, применяемые для осуществления тепловых процессов на предприятиях промышленности и железнодорожного транспорта. Наибольшее распространение из тепловых установок получили теплообменные аппараты, сушильные установки и холодильные машины. По каждой из этих групп тепломассобменного оборудования представлено описание комплексной лабораторной работы, рассчитанной на два занятия (4 ч). На первом занятии (2 ч) студенты изучают схему, принцип действия и устройство лабораторной установки, порядок проведения опытов, правила техники безопасности, знакомятся с теоретическими основами, подготавливают для отчета необходимые записи, рисунки, таблицы наблюдений и расчетов и затем под руководством преподавателя или лаборанта проводят испытания установки при различных режимах, заполняют таблицы наблюдений. На втором занятии (2 ч) студенты обрабатывают результаты испытаний: рассчитывают значения требуемых величин, строят графические зависимости, анализируют полученные результаты и производят оценку погрешностей измерений, письменно отвечают в отчете на контрольные вопросы, помещенные в конце описания лабораторной работы.
Последнее (седьмое) занятие отводится на окончательное оформление отчета по всем лабораторным работам и их защиту.
Настоящие методические указания могут быть использованы студентами заочной и дистанционной форм обучения на лабораторно-экзаменационной сессии.
5
Лабораторная работа 1
ПРОЦЕСС ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА
ВТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»
Це л ь р а б о т ы:
1)закрепить теоретические знания по разделу «Теплообменные аппараты»;
2)рассчитать температурный напор t и теплопроизводительность Q для прямоточного и противоточного движения теплоносителей;
3)определить экспериментальное значение коэффициента теплопередачи k и сравнить его с расчетным.
1.1. Схема и описание лабораторной установки
Лабораторная установка представляет собой простейший теплообменный аппарат типа «труба в трубе» (рис. 1). Внутренняя труба, по которой протекает горячая вода, имеет внутренний диаметр 20 мм, наружный – 24, внешняя труба – соответственно 38 и 40 мм. По кольцевому сечению внешней трубы протекает холодная вода. Переключая направление движения холодной воды, можно получить прямоточное (прямоток) и противоточное (противоток) движение теплоносителей. Расход теплоносителей измеряется объемным способом с помощью мерных сосудов, а температура теплоносителей – термометрами.
|
t'2 |
40 |
38 |
24 |
20 |
t"2 |
|
|
d |
d |
d |
d |
|
|
|
|
|
|
|
t" |
|
|
|
|
|
|
1 |
t |
' |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Схема лабораторной установки |
|
|||
6
1.2. Теоретические основы
Уравнение теплового баланса для теплообменных аппаратов, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, имеет вид:
Q = M c (t' |
− t |
")η |
= M |
c |
2 |
(t |
" − t |
' ) , |
(1) |
1 1 1 |
|
1 ï |
2 |
|
|
2 |
2 |
|
где |
Q – |
количество передаваемого тепла, Вт; |
|
|
Ì 1 , Ì |
2 – массовый расход греющего и нагреваемого теплоносителя; |
|
|
ñ , ñ |
– теплоемкость горячей и холодной воды (в расчетах принять: |
|
|
1 |
2 |
|
ñ = ñ = |
4,19 кДж/(кг·К); |
||
1 |
2 |
|
|
|
t' , |
t " – |
температура горячей воды на входе и выходе из теплообменника; |
|
1 |
1 |
|
|
t'2 , |
t2" |
– температура холодной воды на входе и выходе из теплообмен- |
ника; |
|
|
|
|
ηп – |
коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую среду. |
|
|
Уравнение теплопередачи связывает теплопроизводительность Q с коэф- |
||
фициентом теплопередачи k, площадью поверхности нагрева F и со средним температурным напором t:
Q = kF t. |
(2) |
Коэффициент теплопередачи для круглой трубы рассчитывается по уравнению, Вт/(м2·К):
|
k = |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
, |
(3) |
|
|
|
1 |
|
1 d |
1 |
|
||||||
|
|
dñð |
|
+ |
|
ln |
í |
+ |
|
|
|
|
|
|
α d |
2λ |
d |
α d |
|
||||||
|
|
|
1 â |
|
â |
2 í |
|
|
||||
где dñð , dâ , dí – |
средний, внутренний и наружный диаметры трубы, м; |
|
||||||||||
α1 , α2 – |
коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке и от стенки |
|||||||||||
трубы к холодной воде, Вт/(м2·К); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
λ– коэффициент теплопроводности материала трубы, для латуни λ =
=110 Вт/(м2·К).
7
При расчете коэффициента теплопередачи тонкостенных труб можно использовать формулу для расчета коэффициента теплопередачи через плоскую стенку толщиной δ, м:
k = |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
. |
(4) |
1 |
+ |
δ |
+ |
1 |
||||||
|
|
α |
λ |
α |
2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
При движении теплоносителей вдоль поверхности теплообмена их температура изменяется (рис. 2).
Средняя разность значений температуры рассчитывается по уравнению:
t = |
tá− |
t ì |
, |
(5) |
|||
ln |
t |
á |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
tì
где tá, |
tì – большая и меньшая разность значений температуры на концах |
||||||||||||||||||||||||
теплообменника. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
t' |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t' |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
м1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t" t'2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
tб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tм |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t"2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1" |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
t'2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tб |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t'2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
в |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. График изменения температуры теплоносителей: |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
а – прямоток, в – противоток |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Расчетное значение коэффициентов теплоотдачи |
α1 и α2 может быть |
||||||||||||||||||
получено из критерия Нуссельта: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Nu = |
|
αd |
, |
(6) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λæ |
|
|
|
|
|
|
|||||
где λæ – |
коэффициент теплопроводности теплоносителя, |
который определяется |
|||||||||||||||||||||||
из таблиц, приведенных в пособии [6], по соответствующей температуре.
8
Для некруглого сечения поверхности теплообмена в уравнение (6) вместо диаметра d подставляется эквивалентный диаметр dý , равный отношению учетверенной площади f сечения канала к длине смоченного периметра u:
dý |
= |
4f |
. |
(7) |
|
||||
|
|
u |
|
|
В случае устойчивого турбулентного движения теплоносителя в трубе для определения критерия Нуссельта можно использовать критериальное уравнение М. А. Михеева:
Nu = 0, 21Re0,8 Pr0,43 , |
(8) |
где Re – критерий Рейнольдса, который зависит от скорости движения теплоно-
сителя ω и коэффициента кинематической вязкости νæ |
теплоносителя, |
|
Re = |
ω dý . |
(9) |
|
νæ |
|
Критерий Прандтля Pr выбирается из таблиц учебного пособия [6].
1.3.Порядок проведения опытов
1)Присоединить лабораторную установку к коммуникациям, включить горячую и холодную воду.
2)Установить стационарный режим (показания термометров должны оставаться неизменными не менее 5 мин).
3)Измерить температуру и расход теплоносителей не менее трех раз через 5 мин для прямотока и противотока.
4)Результаты опытов записать в табл. 1.
Та б л и ц а 1
Результаты измерений и расчетов
Номер |
τ , |
τ |
2 |
, |
V1 , |
V2 , |
t' |
, |
t" |
, |
t |
' |
, |
t" |
, |
Ì |
1 |
, |
Ì |
2 |
, |
ω , |
ω , |
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|||
опыта |
с |
с |
|
ì 3 |
ì 3 |
°C |
°C |
°C |
°C |
м3/c |
м3/c |
м/c |
м/c |
||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9