met45

по участку плотность воды; λ – коэффициент сопротивления трению, определяемый по формуле Филоненко

На участке, где происходит генерирование пара, потери давления складываются из потерь на трение с учетом влияния обогрева

pтр2ф , потерь на ускорение потока pуск2ф и нивелирного перепада

давления pг2.фс. , а при наличии местных сопротивлений – потерь на местные сопротивления:

pм2ф = p0 I + x(ρ'/ ρ''−1) ,

где р0 – сопротивление однофазного потока при том же расходе.

где ψк и ψн определяются с помощью номограммы. Приближенно на испарительном участке можно принять

x = 0.5xк .

Плотности воды ρ' и пара ρ'' берутся из таблиц по энтальпии

насыщения. В связи с трудностью экспериментального определения паросодержания на выходе его значение можно определить расчетом по формуле

где r – теплота парообразования; is = срТs – энтальпия насыщения, определяется по температуре Ts на участке кипения; iвх = срТвх – энтальпия воды на входе; QТ – количество тепла, выделившегося в единицу времени на всей длине обогреваемого участка, которое можно вычислить, зная падение напряжения на нагревательном элементе и протекающий по нему ток J:

Истинное среднее паросодержание на участке кипения опреде-

а коэффициент пропорциональности с определяется по номограмме. Для пользования номограммами предварительно вычисляется

средняя скорость смеси на участке

uсм = Gσvсм ,

vсм = v '' x + v '(1 − x ) – удельный объем смеси, вычисленный по среднему паросодержанию.

Цель работы

1.Определить коэффициент сопротивления трения λ2ф на участке двухфазного течения при кипении воды в кольцевом зазоре и λ для однофазного течения.

2.Сравнить полученное опытное значение λ2ф с расчетным.

52

3. Сравнить значение λ, полученное из формулы для двухфазного потока (8.6), с опытным значением, полученным для однофазного потока.

Описание экспериментальной установки

Вода из термостата 3 (рис. 8.1) прокачивается насосом 9 по кольцевому каналу 2 между стальной трубкой постоянного сечения и прозрачной кварцевой трубкой. Через стальную трубку пропускается электрический ток, обеспечивая постоянное по высоте тепловыделение.

Диаметр нагревательного элемента – 4 мм, Внутренний диаметр кварцевой трубки – 20 мм.

Имеется успокоительная камера перед входом в кольцевой канал и выходная – для пароводяной смеси.

Объемный расход прокачиваемой воды определяется по показаниям ротаметра 4 с использованием градуировочной кривой.

Для измерения температуры воды на входе в кольцевой канал и температуры насыщения на выходе, установлены термопары, подключенные к потенциометру 1. Дифференциальным манометром 5 определяется перепад давления на всей длине обогреваемого участка. Сила тока и падение напряжения на длине нагреваемого элемента измеряется амперметром 7 и вольтметром 8.

Рис. 8.1. Схема установки по изучению сопротивления при двухфазном течении: 1 – потенциометр КСП-4; 2 – рабочий участок; 3 – термостат; 4 – ротаметр; 5 – дифманометр; 6 – вторичный прибор

53

Порядок выполнения работы

1.Включить насос 9 и, контролируя потенциометром 1 температуру воды на входе в кольцевой зазор, добиться установившегося режима.

2.Снять показания ротаметра (для определения расхода Q).

3.Пользуясь методикой работы №4, определить опытное значение коэффициента сопротивления трения в кольцевом канале при однофазном течении.

При этом следует учесть, что перепад давления, измеренный дифференциальным манометром на вертикальном участке канала, включает в себя также сопротивление на преодоление гидростатического столба (8.2).

4.Включить нагревательный элемент и, регулируя вентилем расход, а реостатом PHQ-250 – электрическую мощность, добиться начала кипения.

5.Установив точку начала кипения, измерить длину экономайзерного участка lэк.

6.Одновременно снять показания ротаметра 4 hp и дифференциального манометра hм.

7.Измерить температуру входа Твх и выхода Твых из кольцевого канала, снять показания силы тока J и падение напряжения на нагревательном элементе U.

8.Измерить расход и выполнить все указанные выше замеры при другом положении точки закипания.

9.Результаты замеров занести в таблицу.

Таблица измеренных величин

54

Расчет

Поскольку измеренное на всем обогреваемом участке падение давления включает кроме потерь на трение потери на преодоление гидростатического столба и потери на ускорение потока, необходимо

1) найти длину участка кипения lк = l – lэк;

2) из общих потерь выделить потери на трение pтр2ф на участке

кипения:

pтр2ф = p1 − pэк − pГС2ф − pуск2ф ,

где p1 = ρвghм – опытное значение общих потерь; ∆pэк – общие потери на экономайзерном участке (рассчитываются по формулам

тальпию насыщения дляводы принять при0,1 МПа is = 417,5 кДж/кг; 3) из формулы (8.5) определить коэффициент сопротивления

4)по найденному λ2ф из формулы (8.6) вычислить значение λ;

5)сравнить определенное значение λ с расчетным значением по формуле (8.4).

Таблица вычисленных величин

Контрольные вопросы

1.Что такое истинное паросодержание?

2.Назовите режимы течения двухфазного потока.

3.Какие виды потерь необходимо учитывать при определении общего сопротивления двухфазного потока в каналах?

55

4. В чем особенность расчета сопротивлений двухфазного течения в обогреваемых каналах?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 Сопротивление поперечно обтекаемого пучка труб

Одной из задач динамического расчета теплообменных аппаратов является определение величины потери давления теплоносителя при его протекании через аппарат. В теплообменниках чаще всего трубы, собранные в пучок с коридорным или шахматным расположением, обтекаются продольно-поперечным или поперечным потоком.

Обтекание отдельных труб в пучке отличается от обтекания одиночного цилиндра, т.к. трубы, расположенные за первым рядом, обтекаются потоком с сильно неравномерным профилем скорости (течением в следе), поэтому течение жидкости или газа при поперечном обтекании пучка имеет достаточно сложный характер.

Сделать качественные вывода и сравнить сопротивления отдельных труб в рядах можно по распределению коэффициента давления p на поверхности трубы:

где pi – давление в i-ой точке поверхности; p1, u1 – статическое давление и скорость в набегающем потоке.

На рис. 9.1 приведены графики теоретического распределения коэффициента давления по поверхности цилиндра, обтекаемого потенциальным потоком без циркуляции, и экспериментального

распределения. Чем более кривая p = p(ε) несимметрична относи-

тельно угла ε = π / 2, отчитываемого от передней критической точки А, тем больше сопротивление отдельного цилиндра. Снижение сопротивления (кризис сопротивления) в случае обтекания II по сравнению с I обусловлено переходом ламинарного пограничного слоя в турбулентный на передней поверхности цилиндра и, как следствие, смещением точек отрыва пограничного слоя к задней кромке тела.

По своей природе – это сопротивление давления и, следовательно, если сопротивлением трения пренебречь, гидравлическое сопротивление пучка труб при поперечном обтекании можно отнести

56

к типу местных сопротивлений. Падение давления в потоке при прохождении пучка

Рис. 9.1

S1

а) шахматное б) коридорное

Рис. 9.2

Рис. 9.3. Схема установки по изучению сопротивления при поперечном обтекании пучка труб

uc – средняя скорость потока в проходном сечении пучка.

57

n = 0.25 – 2.5,

для коридорных пучков

n = 0.2 – 6.5.

Цель работы

1.Определить коэффициенты гидравлического сопротивления при поперечном обтекании пучка цилиндров при их шахматном расположении. Сравнить полученные опытные значения с расчетными.

2.Анализируя кривые распределения коэффициента давления по поверхности цилиндров, сравнить сопротивление цилиндров в рядах.

Описание экспериментальной установки

Схема установки приведена на рис. 9.3. Вентилятор 1 создает поток воздуха в канале прямоугольной формы 2, где расположены цилиндры 4, имитирующие шахматный пучок труб (пять цилиндров по ширине и пять – в направлении потока).

Температура воздуха измеряется термоанемометром типа ТА-2МЗ 3. Датчик термоанемометра располагается перед пучком труб. Скорость потока регулируется заслонкой 7.

Разность давлений pi – p1 измеряется микроманометром 6 с наклонной шкалой. При этом штуцеры наклонной шкалы и бачка присоединяются при помощи резиновой трубки со штекерами 5 к двум точкам, в которых измеряется разность давлений. Перепад по шкале микроманометра Li – L1 снимается в четырех точках по длине канала и в пяти точках по полуокружности цилиндров (через 45°), расположенных в середине пучка; разность pi – p1вычисляется с учетом угла α наклона шкалы микроманометра и плотности спирта ρсп :

pi − p1 = ρспg(Li − L1 )sin α .

Для уменьшения утечек воздуха отверстия контрольных точек закрываются крышками с резиновыми уплотнениями.

Сечение канала 240 × 50мм.

Размеры пучка: диаметр цилиндров 30 мм, поперечный шаг S1 = 48 мм, продольный шаг S2 = 48 мм.

Порядок выполнения работы

1. Включить вентилятор 1 и установить заслонку 7 в положение максимального расхода воздуха.

59

2.Для определения скорости набегающего на пучок труб потока измерить разность между давлением торможения в передней критической точке первого цилиндра и статическим давлением набе-

гающего потока. Скорость u1 определять по методике лабораторной работы №1. Температуру набегающего потока измерить по методике, указанной в инструкции к термоанемометру.

3.С помощью микроманометра 6 измерить падение напора

hi − h1 = (Li − L1 )sin α для всех контрольных точек на поверхности цилиндров, переставляя в них поочередно штеккер.

4.Изменяя положение заслонки 7, повторить замеры для трех значений скорости воздуха в канале. Результаты занести в таблицу.

5.Рассчитать среднюю скорость uс в проходном сечении пучка (в просветах между цилиндрами):

где В – ширина канала.

6.Вычислитьзначения чисел Рейнольдса для каждого опыта.

7.Построить пьезометрическую линию по длине канала.

8.Определить опытные значения коэффициента сопротивления

ξп из формулы (9.2):

предварительно определив плотность воздуха в набегающем потоке ρ1 по методике лабораторной работы №1.

9.Вычислить геометрический параметр пучка n и коэффициенты ξп по одной из формул – (9.3) или (9.4).

10.Вычислить значения коэффициентов давления

p = 2ρспg(hi2 −h1 ) .

ρ1u1

11. Построить графики зависимости p = p(ε) и сравнить сопротивления цилиндров в рядах.

60