Мет_указ_[1 часть]

Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в число раз, равное числу ходов. В двухходовом теплообменнике скорость в трубах при прочих равных условиях в два раза больше, чем в одноходовом. Одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая - в межтрубном пространстве.

Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономически целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообменника, которое обычно не превышает 5-6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по сравнению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред.

Теплообменники жесткого типа отличаются простотой конструкции и сравнительно малым весом на единицу поверхности нагрева. Возможность работы при больших скоростях участвующих в теплообмене сред, позволяет свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, и устранить образование застойных зон. Вместе с тем, теплообменники этого типа обладают определенными недостатками. Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции становится значительной (приблизительно равной или большей 500С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению сварных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. Поэтому при разностях температур труб и кожуха, больших 500С, или значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб относительно кожуха аппарата. Кроме того, следует отметить, что механическая чистка наружной поверхности труб этих теплообменников невозможна, поэтому работать они должны либо в чистой среде, либо, когда возможна промывка корпуса горячей водой или химическими реагентами.

Описание установки и ее работы

Установка предназначена для изучения процесса теплообмена между системой вода-воздух. В состав лабораторной установки в соответствии с рис. 5. 5 входят кожухотрубчатый теплообменник, имеющий два хода в трубном пространстве и один ход в межтрубном, осевой канальный вентилятор, элек-

31

тродный отопительный котел, циркуляционный насос, мембранная расширительная емкость. В качестве контрольно–измерительных приборов использованы термопреобразователи сопротивления ТПС 100П, измеритель–регулятор температуры «Термодат-13», преобразователь расхода вихревой ВПР, расхо- домер-счетчик ЭРСВ, измерители ТРМ 200, измерители-регуляторы ТРМ 201 и однофазные преобразователи частоты тока.

1 – теплообменник; 2 – заливная емкость; 3 – электродный котел; 4 – циркуляционный насос;5 – мембранная расширительная емкость; 6 - осевой вентилятор; 7 – расходомер-счетчик ЭРСВ;

8 – преобразователь расхода воздуха вихревой ВПР

Теплообменник имеет трубный пучок, состоящий из 28 медных трубок (14 на один ход), диаметром 16 1 мм. Корпус теплообменного аппарата, изготовленный из стали 20 имеет диаметр 159 4,5мм, расстояние между торца-

ми трубных решеток составляет 1500 мм.

Одним из теплоносителей является вода, которая поступает в теплообменник через заливную емкость. Она циркулирует на установке по замкнутому контуру, нагревается с помощью электродного отопительного котла и движется в трубном пространстве теплообменника. При помощи преобразователя частоты, который регулирует частоту оборотов двигателя насоса, можно добиться любого требуемого расхода горячего теплоносителя. Измерение расхода горячего теплоносителя обеспечивается расходомером-счетчиком электромагнитным ЭРСВ.

32

Воздух из учебной аудитории нагнетается в межтрубное пространство осевым вентилятором, частоту вращения двигателя которого можно также регулировать при помощи частотного преобразователя, создавая необходимую подачу холодного теплоносителя. Расход воздуха замеряется преобразователем расхода вихревым ВПР.

Для замера температуры теплоносителей на входе в теплообменник и выходе из него используются термопреобразователи сопротивления ТПС 100П. Для безопасной работы во избежание перегрева воды применяется точный регулятор температуры «Термодат-13».

Приступать к выполнению работы можно только после детального ознакомления с установкой и получения разрешения преподавателя или учебного мастера.

33

Лабораторные работы по тепловым процессам

Лабораторная работа № 5.1. «Исследование работы кожухотрубчатого теплообменника при теплообмене в системе вода – воздух»

Цель работы:

–ознакомление с устройством и работой двухходового кожухотрубчатого теплообменного аппарата;

–определение опытного значения коэффициента теплопередачи и сравнение его с расчетным значением.

Пуск установки производится только с разрешения преподавателя или учебного мастера.

Порядок проведения работы

1.Убедиться, что теплообменник заполнен водой.

2.Включить в работу циркуляционный насос.

3.Включить электродный отопительный котел и установить температуру нагрева воды.

4.При помощи регулятора температуры «Термодат 13» контролировать температуру нагрева, которая должна поддерживаться на одном уровне в течение всего эксперимента.

5.По указанию преподавателя задать расход горячего теплоносителя при помощи измерителя-регулятора ТРМ 201-Щ1, установленного на щите.

6.Включить вентилятор.

7.По указанию преподавателя установить расход холодного теплоносителя измерителем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

8.Дождаться выхода установки на стационарный режим и зафиксировать температуры воды на выходе и воздуха на входе и выходе из теплообменника.

9.После окончания работы вентилятор, котел и насос отключить.

Все измеренные величины занести в табл. 5.5.

Таблица 5.1 - Опытные результаты

34

Обработка опытных данных и составление отчета

Порядок расчета опытного коэффициента теплоотдачи от воды к стенке

1.Найти среднюю температуру воды.

2.Вычислить площадь поперечного сечения трубного пространства на один ход, по которому движется вода:

4.Найти скорость течения воды W (м/с).

5.По табл. 5.2. определить динамическую вязкость и плотность воды при ее средней температуре.

Таблица 5.2 - Физические свойства воды при атмосферном давлении

6.По уравнению (5. 9) вычислить критерий Рейнольдса.

7.По соответствующему уравнению найти критерий Нуссельта:

а) задаться температурой стенки (по согласованию с преподавателем); б) в зависимости от режима движения воды по табл. 5. 2 найти коэффициент объемного расширения воды (1/К) при ее средней температуре; в) по уравнению (5.10) определить критерий Грасгофа;

г) по таблице 5. 3 определить коэффициент l;

35

Таблица 5.3 – Значения коэффициента l

Значение коэффициента теплопроводности воды находится по табл. 5.2 при средней температуре воды.

Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к воздуху

1.Найти среднюю температуру воздуха.

2.Определить площадь сечения межтрубного пространства F(м2), по которому движется воздух.

3.Вычислить расход воздуха при средней температуре (м3/ч):

6.По табл. 5.4 определить динамическую вязкость воздуха при его средней температуре.

36

Таблица 5.4 - Физические свойства воздуха при атмосферном давлении

7.Вычислить по уравнению (5.9) критерий Рейнольдса, характеризующий режим течения газа.

8.По соответствующему критериальному уравнению найти критерий Нуссельта.

9.Определить коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке (Вт/(м2 К):

Определение теоретического коэффициента теплопередачи

Вт/(м К).

По уравнению (5. 22) осуществить проверку принятого значения tст, и при необходимости выполнить повторный расчет.

Определение опытного коэффициента теплопередачи

1.По табл. 5.2 найти теплоемкость воды Св (кДж/(кг К) при ее средней температуре.

37

2. Вычислить тепловой поток (Вт):

tн.вод- начальная температура воды; tк.вод- конечная температура воды.

3.Составить схему распределения температур и найти среднюю разность температур.

4.Определить поверхность теплообмена (м2):

где dср- средний диаметр трубки, м; L – длина труб, м; n – число труб в одном

ходу;

z – число ходов.

5.Из уравнения (5.12) найти опытное значение коэффициента теплопередачи Коп и сравнить с теоретическим значением.

6.Расчетные результаты занести в табл. 5.5.

Таблица 5. 5- Расчетные результаты

Отчет о работе должен включать в себя:

–цель и содержание работы;

–схему лабораторной установки;

–краткое описание лабораторного стенда и эксперимента;

–расчеты определяемых величин, таблицы с опытными и расчетными результатами;

–выводы.

38

Лабораторная работа №5.2. «Изучение зависимости коэффициента теплопередачи (теплоотдачи) между системой вода-воздух от скорости движения жидкой среды».

Цель работы: экспериментальное исследование зависимости интенсивности теплоотдачи от скорости движения жидкости у теплообменной поверхности.

Порядок проведения работы

1.Перед проведением работы осуществить пуск установки и вывод ее на стационарный режим.

2.Установить необходимый расход воды и расход воздуха. Подача насоса должна осуществляться на 56 % от его максимальной производительности. Расход воздуха в течение эксперимента оставить постоянным. Вентилятор должен быть загружен на 17 % от его максимальной производительности.

3.В начале работы снять показания приборов, замеряющих входные и выходные параметры теплообменника. Результаты записать в табл. 5.6.

Таблица 5.6 - Опытные результаты

4.Задать расход горячего теплоносителя (33 %) измерителем-регулятором ТРМ 201-Щ1, установленным на щите.

5.Через 10 – 15 мин после выхода установки на стационарный режим снять показания приборов и занести в табл. 5.6.

6.Далее аналогично, уменьшая расход воды (5 %) при помощи частотного преобразователя и измерителя-регулятора ТРМ 201-Щ1, как только установка выйдет на стационарный режим, фиксировать параметры работы теплообменника.

7.Для завершения работы достаточным являются четыре режима.

Таблица 5.7- Расчетные результаты

40