Лабораторный практикум_теплотехника

Лабораторная работа 1. «Исследование пластинчатого теплообменника» Цель работы: Изучение
пластинчатых теплообменников.
конструкции
и
принципов
работы
Задачи работы:
1. Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от
горячего теплоносителя к холодному и анализ факторов, влияющих
на оптимизацию этого процесса.
2. Определение коэффициентов теплоотдачи в рекуперативных
теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах
движения теплоносителя.
Основные сведения
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются
устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к
другому. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на
три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от
горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая
называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.
Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется
количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева в
единицу времени. Эта величина зависит от физических свойств
теплоносителей (вязкость, теплопроводность, плотность, теплоемкость), о
режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры,
материал, состояние поверхности нагрева), от средней по поверхности
нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.
При расчете теплообменных аппаратов изменение температур
теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением
в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt.
Влияние остальных факторов учитывают введением коэффициента
теплопередачи k, который по физическому смыслу представляет собой
количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу
поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в
один градус. Формула для расчета количества тепла, передаваемого в
теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид:
Q  k  F  t.
Значение среднего логарифмического напора Δt зависит от начальных
t1н , t2 н и конечных t1к , t2 к температур теплоносителей (t1 – горячий
теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения
теплообменного аппарата, т.е. от взаимных направлений движения
теплоносителей.
Существует три основные схемы включения: прямоточная,
противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем,
получаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1).
Рисунок 1 – Типичные конструктивные схемы рекуперативных
теплообменных аппаратов
а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д –
кожухотрубный многократный перекрестный ток; е- трубчатый
перекрестный ток; ж – пластинчато-ребристый перекрестный ток; 1- горячий
поток; 2 – холодный поток
При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители
движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе
в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при
относительно большой разности температур. На выходе из аппарата тепло
передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей
разности температур.
Противоточная схема (противоток). При этой схеме движения
теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в
противоположных так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель
отдает тепло уже подогретому теплоносителю.
Коэффициент теплоотдачи k в теплообменных аппаратах определяют
обычно по формулам для плоской стенки, т.к. трубки теплообменников
имеют небольшую толщину по сравнению с их диаметром. Полученные
формулы позволяют сравнить среднетемпературные напоры при различных
схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при
одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их
теплообменного аппарата, в противоточном теплообменнике температурный
напор получается наибольшим. Благодаря большой величине температурного
напора рабочая поверхность при противоточной схеме больше.
Для определения коэффициента теплопередачи требуется знать
количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном
аппарате, среднюю разность температур Δt между горячим и холодным
теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по
расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в
теплообменном аппарате. В идеальном аппарате, работающем без
теплообмена с окружающей средой, количество тепла, отданное горячим
теплоносителем Q1, должно равняться количеству тепла Q2, полученному
холодным теплоносителем.
Описание лабораторной установки
Основными элементами лабораторной установки (рис. 2 и 34) являются
пластинчатый теплообменник с движением горячего теплоносителя по
внутреннему контуру и холодного теплоносителя по внешнему.
Для измерения температур теплоносителей служат температурные
датчики, установленные на входе и выходе теплообменника. Направление
потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается постоянным.
В рассматриваемом аппарате он направлен слева направо. Минутный расход
горячего теплоносителя для аппарата определяется по изменению показаний
счетчика за заданный промежуток времени. Холодный теплоноситель может
менять направление поочередным изменением переключателя работы
насосов прямой и обратной подачи жидкости. За счет этого легко
реализуются схемы прямотока и противотока для обоих теплообменников.
Расход в системе холодного контура постоянный и равен 0,7 л/мин.
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки
1 – сливной кран горячего теплоносителя, 2 – циркуляционный насос подачи
горячего теплоносителя, 3 – водонагреватель со ступенчатым управлением
нагревом, 4 – счетчик расхода горячего теплоносителя с импульсным
выходом, 5 – датчик температуры горячего теплоносителя на входе в
теплообменник Т1,
6 – пластинчатый теплообменник, 7 – датчик
температуры горячего теплоносителя, 7 – датчик температуры холодного
теплоносителя Т3, 8 – насос подачи холодного теплоносителя противотоком,
9 – насос подачи холодного теплоносителя прямотоком, 10 – резервуар
холодного теплоносителя, 11 – датчик температуры горячего теплоносителя
на входе теплообменника Т2, 12 – датчик температуры холодного
теплоносителя Т4.
Рисунок 3 – Фотография лабораторной установки
Порядок выполнения работы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе, в которую внести название и цель работы,
основные
сведения
об
изучаемых
процессах,
схему
экспериментальной установки, готовую таблицу 1 для записи
результатов измерений и вычислений.
Подключить автоматизированный стенд к USB разъему
компьютера.
Вызвать программу сбора и обработки данных лабораторной
работы Пуск → MeasLAB → «Пластинчатый теплообменник»
На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и
запустите программу кнопкой «Пуск» (рисунок 4).
Подготовить установку к испытаниям теплообменников.
Удостовериться, что уровень воды наблюдается в заливочном
устройстве и ниже его середины, в противном случае долить
жидкость в систему.
Включить питание стенда кнопкой «Сеть»
Включить насос ВК2 и водонагреватель кнопкой «ВК1».
Установить режим нагрева до 40-50 С
Рисунок 4 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
8.
После выхода на постоянный режим 40-50 С включить подачу
холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на
панели управления стендом (положение вверх режим прямотока,
положение вниз - противотока)
Обязательно!
Делать перерыв насосам холодного контура после 15 мин работы
на 5-7 мин.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
При установлении стационарного теплового режима занести
результаты измерений в табл. 1.
Изменить направление подачи холодного теплоносителя
(положение тумблера вниз) и повторить эксперимент.
Вывести температуру нагревателя на новый уровень, но не более
70 С.
Повторить п.п. 8-10 для нового уровня температуры горячего
теплоносителя.
Определить средний логарифмический температурный напор и
коэффициент теплопередачи для испытанных теплообменников в
режимах прямотока и противотока.
Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1.
Обработка данных
1. Площадь
поверхности
теплообмена
для
пластинчатого
2
теплообменника равна 0,12 м (см. руководство по теплообменнику).
2. Массовый расход горячей и холодной воды определяется по
следующему соотношению
M г  Gг   г , M х  Gх   х (кг/с)
где Gг , Gх - расходы горячей и холодной воды (расход горячего
теплоносителя определяется по расходомеру, холодного – методом
проливки 0,7 л/мин).
 г ,  х - плотности горячей и холодной воды, вычисляются как
функции средних температурных сред
 tн  tк 

 2 
 f
и выбираются по таблице 3.
3. Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и
полученное холодным:
Qг  M г  сг   t1н  t1к  , (кг/с)
Qх  M х  сх   t2 к  t2 н  , (кг/с)
cх , сг - удельные теплоемкости горячей и холодной воды,
определяются по таблице 4, (Дж/(кг*К));
t1н , t1к - начальная и конечная температура горячей воды, С
t2 н , t2 к - начальная и конечная температура холодной воды, С
4. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по
формуле
tб  t м
t
при б  1, 4
t м
2
t
t  t м
при б  1, 4
tср  б
t м
 t 
ln  б 
 t м 
tср 
где tб , t м - значения большего и меньшего температурных напоров
в начале и конце поверхности теплообмена (определяются с учетом
схемы включения), С;
Для прямотока tб  t1н  t2 н , t м  t1к  t2 к
Для противотока tб  t1н  t2 к , t м  t1к  t2 н
5. Коэффициент теплопередачи для каждого режима определяется по
формуле:
k
Вт
Q
,  2 
F  tср  м  К 
Таблица 1. Результаты измерений и вычислений при испытаниях
пластинчатого теплообменника
№№ Т1
п/п оС
Значения измеренных и вычисляемых параметров
Т2 Т3 Т4 Мг Мх Qг Qх Δtг Δtх Δtср
k
о
о
о
о
о
о
С
С
С кг/c кг/c Вт Вт
С
С
С Вт/(м2*К)
Прямоток
1
2
3
Противоток
1
2
3
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества и недостатки испытанных теплообменных
аппаратов.
2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков физический
смысл единицы его измерения?
3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов влияют на
величину коэффициента теплопередачи?
4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению
с прямоточной?
5. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе из
теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя
на выходе из теплообменника?
6. В каких случаях при расчете теплообменника можно пользоваться
средним арифметическим температурным напором?
7. В каких технологических процессах используются теплообменные
аппараты?
Лабораторная работа 2. «Исследование теплообменника конструкции «труба в трубе»» Цель работы: Изучение конструкции и
теплообменника конструкции типа «труба в трубе».
принципов
работы
Задачи работы:
1. Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от
горячего теплоносителя к холодному и анализ факторов, влияющих
на оптимизацию этого процесса.
2. Определение коэффициентов теплоотдачи в рекуперативных
теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах
движения теплоносителя.
Основные сведения
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются
устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к
другому. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на
три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от
горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая
называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.
Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется
количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева в
единицу времени. Эта величина зависит от физических свойств
теплоносителей (вязкость, теплопроводность, плотность, теплоемкость), о
режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры,
материал, состояние поверхности нагрева), от средней по поверхности
нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.
При расчете теплообменных аппаратов изменение температур
теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением
в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt.
Влияние остальных факторов учитывают введением коэффициента
теплопередачи k, который по физическому смыслу представляет собой
количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу
поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в
один градус. Формула для расчета количества тепла, передаваемого в
теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид:
Q  k  F  t.
Значение среднего логарифмического напора Δt зависит от начальных
t1н , t2 н и конечных t1к , t2 к температур теплоносителей (t1 – горячий
теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения
теплообменного аппарата, т.е. от взаимных направлений движения
теплоносителей.
Существует три основные схемы включения: прямоточная,
противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем,
получаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1).
Рисунок 1 – Типичные конструктивные схемы рекуперативных
теплообменных аппаратов
а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д –
кожухотрубный многократный перекрестный ток; е – трубчатый
перекрестный ток; ж – пластинчато-ребристый перекрестный ток;
1 – горячий поток; 2 – холодный поток
Рисунок 2 – Схема теплообменного аппарата «труба в трубе»
При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители
движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе
в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при
относительно большой разности температур. На выходе из аппарата тепло
передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей
разности температур.
Противоточная схема (противоток). При этой схеме движения
теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в
противоположных так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель
отдает тепло уже подогретому теплоносителю.
Коэффициент теплоотдачи k в теплообменных аппаратах определяют
обычно по формулам для плоской стенки, т.к. трубки теплообменников
имеют небольшую толщину по сравнению с их диаметром. Полученные
формулы позволяют сравнить среднетемпературные напоры при различных
схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при
одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их
теплообменного аппарата, в противоточном теплообменнике температурный
напор получается наибольшим. Благодаря большой величине температурного
напора рабочая поверхность при противоточной схеме больше.
Для определения коэффициента теплопередачи требуется знать
количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном
аппарате, среднюю разность температур Δt между горячим и холодным
теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по
расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в
теплообменном аппарате. В идеальном аппарате, работающем без
теплообмена с окружающей средой, количество тепла, отданное горячим
теплоносителем Q1, должно равняться количеству тепла Q2, полученному
холодным теплоносителем.
Описание лабораторной установки
Основными элементами лабораторной установки (рис. 3 и 4) являются
теплообменный аппарат типа «труба в трубе» с движением горячего
теплоносителя по внутренней трубе и холодного теплоносителя по
кольцевому пространству между внутренней и наружной трубами, и
пластинчатый теплообменник.
Рисунок 3 – Схема экспериментальной установки
1 – водонагреватель со ступенчатым управлением нагревом, 2 – кран подачи
горячего теплоносителя, 3 – термопара на входе в теплообменник Т1
горячего контура , 4 – заливочное устройство, 5 – счетчик расхода горячего
теплоносителя с импульсным выходом, 6 – термопара холодного контура T3,
7 – теплообменник «труба в трубе», 8 – термопара на выходе из
теплообменника Т2 горячего контура, 9 – термопара холодного контура Т4,
10 – циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя, 11 – сливной
кран горячего теплоносителя, 12 – насос подачи холодного теплоносителя
противотока, 13 – насос подачи холодного теплоносителя прямотоком, 14 –
резервуар холодного теплоносителя.
Рисунок 4 – Фотография лабораторной установки
Диаметр внутренней трубы теплообменника «труба в трубе» dвн=1/2
дюйма, диаметр наружной трубы dнар=7/8 дюйма. Длина рабочего участка, на
котором происходит теплообмен L=450 мм.
Для измерения температур теплоносителей служат температурные
датчики, установленные на входе и выходе внутренней и наружной труб.
Направление потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается
постоянным. В рассматриваемом аппарате он направлен слева направо.
Минутный расход горячего теплоносителя для аппарата определяется по
изменению показаний счетчика за заданный промежуток времени. Холодный
теплоноситель может менять направление поочередным изменением
переключателя работы насосов прямой и обратной подачи жидкости. За счет
этого легко реализуются схемы прямотока и противотока для обоих
теплообменников. Расход в системе холодного контура постоянный и равен
1,2 л/мин.
Порядок выполнения работы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе, в которую внести название и цель работы,
основные
сведения
об
изучаемых
процессах,
схему
экспериментальной установки, готовую таблицу 1 для записи
результатов измерений и вычислений.
Подготовить
установку
к
испытаниям
теплообменника.
Удостовериться, что уровень воды наблюдается в заливочном
устройстве и ниже его середины, в противном случае долить жидкость
в систему. В системе не допускаются подтеки.
Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера и
запустить программу Пуск → Программы → MeasLAB →
«Испытание теплообменников».
Включить питание стенда кнопкой «Сеть».
Включить насос ВК2 и водонагреватель кнопкой ВК1. При этом
установить режим малого нагрева.
На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите
программу кнопкой «Пуск» (Рисунок 5).
Рисунок 5 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
7.
После выхода на постоянный режим 40-50 С включить подачу
холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на
панели управления стендом (положение вверх режим прямотока,
положение вниз - противотока)
8. При установлении стационарного теплового режима занести
результаты измерений в табл. 1.
9. Через 10-15 минут изменить направление подачи холодного
теплоносителя (положение тумблера вниз) и повторить эксперимент.
10. Вывести температуру нагревателя на новый уровень, но не более 70
С.
11. Повторить п.п. 8-10 для нового уровня температуры горячего
теплоносителя.
12. Определить средний логарифмический температурный напор и
коэффициент теплопередачи для теплообменника в режимах прямо- и
противотока.
13. Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1.
Обработка данных
6. Площадь поверхности теплообменников
«Труба в трубе»:
2
f    d н  l (м )
где d н  0, 0222 - наружный диаметр внутренней трубы
теплообменника, м;
l  0, 45 – длина внутренней трубы, м
7. Массовый расход горячей и холодной воды определяется по
следующему соотношению
M г  Gг   г , M х  Gх   х (кг/с)
где Gг , Gх - расходы горячей и холодной воды (расход горячего
теплоносителя определяется по расходомеру, холодного – методом
проливки 1,2 л/мин).
 г ,  х - плотности горячей и холодной воды, вычисляются как
функции средних температурных сред
 t н  tк 

 2 
 f
и выбираются по таблице 4.
8. Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и
полученное холодным:
Qг  M г  сг   t1н  t1к  , (кг/с)
Qх  M х  сх   t2 к  t2 н  , (кг/с)
cх , сг - удельные теплоемкости горячей и холодной воды,
определяются по таблице 5, (Дж/(кг*К));
t1н , t1к - начальная и конечная температура горячей воды, С
t2 н , t2 к - начальная и конечная температура холодной воды, С
9. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по
формуле
tб  t м
t
при б  1, 4
t м
2
t
t  t м
при б  1, 4
tср  б
t м
 t 
ln  б 
 t м 
tср 
где tб , t м - значения большего и меньшего температурных напоров
в начале и конце поверхности теплообмена (определяются с учетом
схемы включения), С;
Для прямотока tб  t1н  t2 н , t м  t1к  t2 к
Для противотока tб  t1н  t2 к , t м  t1к  t2 н
10. Коэффициент теплопередачи для каждого режима определяется по
формуле:
k
Вт
Q
,  2 
F  tср  м  К 
Таблица 1. Результаты измерений и
теплообменного аппарата «труба в трубе»
№№ Т1
п/п оС
вычислений
при
испытаниях
Значения измеренных и вычисляемых параметров
Т2 Т3 Т4 Мг Мх Qг Qх Δtг Δtх Δtср
k
о
о
о
о
о
о
С
С
С кг/c кг/c Вт Вт
С
С
С Вт/(м2*К)
Прямоток
1
2
3
Противоток
1
2
3
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества и недостатки испытанных теплообменных
аппаратов.
2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков физический смысл
единицы его измерения?
3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов влияют на
величину коэффициента теплопередачи?
4.
В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с
прямоточной?
5. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе из
теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на
выходе из теплообменника?
6. В каких случаях при расчете теплообменника можно пользоваться средним
арифметическим температурным напором?
7. В каких технологических процессах используются теплообменные
аппараты?
Приложение
Таблица 4. Зависимость плотности воды от температуры
Температура ρ, 103 кг/м3
в °С
- 10
0,99815
-9
0,99843
-8
0,99869
-7
0,99892
-6
0,99912
-5
0,99930
-4
0,99945
-3
0,99958
-2
0,99970
-1
0,99979
0
0,99987
1
0,99993
2
0,99997
3
0,99999
4
1,00000
5
0,99999
6
0,99997
7
0,99993
8
0,99988
10
0.99973
11
0,99963
12
0,99952
13
0,99940
14
0,99927
15
0,99913
16
0,99897
Температура ρ, 103 кг/м3
в °С
17
0,99880
18
0,99862
19
0,99843
20
0,99823
21
0,99802
22
0,99780
23
0,99757
24
0,99732
25
0,99707
26
0,99681
27
0,99652
28
0,99622
29
0,99592
30
0,99561
31
0,99521
32
0,99479
33
0,99436
34
0,99394
35
0,99350
40
0,99118
50
0,98804
60
0,98318
70
0,97771
80
0,97269
90
0,96534
Таблица 5 – Зависимость теплоемкости воды от температуры
0
10
20
40
60
80
T, C
c,
4218
4192
4182
4178
4184
4196
Дж/(кг*К)
100
4216
Лабораторная работа 3. «Исследование теплообмена при течении теплоносителя в трубах» Цель работы: изучение механизма теплоотдачи и установление критериев,
определяющих теплообмен в трубах.
Задачи работы:
1. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при
течении в трубах и внешней свободной конвекции
2. Сравнение интенсивности конвективного теплообмена тел при
ламинарном и турбулентном движении окружающей среды.
3. Изучение особенностей конвективного теплообмена при поперечном
обтекании пучка труб.
Основные сведения
В целом, конвективный перенос тепла, происходящий в движущихся
средах, обусловлен совместным действием двух механизмов — собственно
конвективным
переносом
контактирующей
с
телом
среды
и
теплопроводности. Таким образом, он осуществляется перемещением
текучей среды из области с одной температурой в другую температурную
область и за счёт теплового движения микрочастиц в неизотермическом
пограничном слое жидкости. Для неэлектропроводных сред интенсивность
конвективного переноса обычно велика по сравнению с теплопроводностью,
последняя при ламинарном течении играет заметную роль лишь для переноса
тепла в направлении, поперечном течению среды.
Роль теплопроводности более значительна при движении жидких
металлов. В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос
тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении
основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет
пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения
жидкости. Тем не менее, участие теплопроводности в процессах
конвективного теплообмена приводит к тому, на эти процессы в целом
существенно влияют теплофизические свойства движущейся среды – ее
вязкость, теплопроводность, теплоёмкость и плотность.
В связи с тем, что при конвективном теплообмене определяющую роль
играет перенос массы, контактирующей с телом жидкости или газа, его
интенсивность в значительной мере зависит от характера движения
жидкости, то есть от ее скорости, распределения в потоке, режима движения
(ламинарное течение или турбулентное). Если движение жидкости
обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса,
вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют
вынужденным, а происходящий при этом процесс вынужденной конвекцией.
Если движение среды вызвано лишь наличием в ней неоднородного поля
температуры, то такое движение называют свободным, а процесс обмена
теплом свободной или естественной конвекцией. В нашем случае
рассматривается передача тепла от вынужденного потока движущейся в
трубе нагретой жидкости в покоящейся в целом воздушной среде через
наружную оребренную поверхность трубы. На практике встречаются и такие
случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную
конвекцию.
В технике теплообмен между двумя движущимися теплоносителями
через разделяющую их твёрдую стенку называется теплопередачей. Обычно
он включает в себя теплоотдачу три взаимосвязанных процесса:
 отдачу тепла от движущейся горячей жидкости к стенке,
 теплопроводность в стенке,
 теплоотдачу от стенки к более холодной подвижной среде.
Для теплового расчета теплообмена при течении воздуха в трубе
используют:
а) уравнение теплового баланса
Q1  Q 2  Q пот ,
(1)
которое в развернутом виде для однофазных теплоносителей без учета
тепловых потерь (Qпот = 0) принимает вид
Q  G1  c p1  (T1'  T1'' )  G 2  c p 2  (T2''  T2' )
;
(2)
б) уравнение теплопередачи
Q  k  T  F .
(3)
В формулах (1)  (3):
 Q1 – количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем в
единицу времени, Вт;
 Q2 – количество теплоты, получаемое холодным теплоносителем
в единицу времени, Вт;
 Qпот – потери теплоты в окружающую среду, Вт;
 G1 и G2 – массовые расходы горячего и холодного
теплоносителей, кг/с;
 cp1 и cp2 –массовые изобарные теплоемкости горячего и
холодного теплоносителей, Дж/(кгК);
'
''
 T1 и T1 – температуры горячего теплоносителя на каждом участке
входе и выходе из теплообменника, °С;
'
''
 T2 и T2 – температуры холодного теплоносителя на каждом
участке входа и выхода, °С;
 k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);
 T – средняя разность температур между горячим и холодным
теплоносителями (средний температурный напор), °С;
 F – площадь поверхности теплообмена, м2.
Расходы теплоносителей рассчитывают по уравнению неразрывности:
G  w f ,
м2.
(4)
где  – плотность теплоносителя, кг/м3;
w – средняя скорость теплоносителя, м/с;
f – площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя,
Площадь поперечного сечения канала рассчитывают по формулам:
— круглая одиночная труба с внутренним диаметром d вн
f
  d 2вн
4 ;
(5)
— кольцевой канал теплообменника типа «труба в трубе»
f 
2
  D 2вн   d нар

4
4 ,
(6)
где Dвн – внутренний диаметр наружной трубы, м;
d нар
– наружный диаметр внутренней трубы, м.
Плотность и удельную теплоемкость теплоносителя находят по
справочным таблицам [2] при средней температуре теплоносителя:
T '  T"
T
2 ,
(7)
"
где T и T – температуры теплоносителя на входе и выходе из
теплообменного аппарата, °С.
Уравнение теплового баланса для однофазных теплоносителей (2)
можно записать в виде
W1  T1  W2  T2 или T2 T1  W1 W2 ,
(8)
'
где
W1  G1  c p1
и
W2  G 2  c p 2
– расходные теплоемкости (водяные
'
''
эквиваленты) горячего и холодного теплоносителей, Вт/К;  T1  T1  T1 и
 T2  T2' '  T2' – изменение температур горячего и холодного теплоносителей в
теплообменном аппарате, °С.
Температура теплоносителей вдоль поверхности теплообмена
изменяется по экспоненциальному закону. При этом из соотношений (8)
следует обратно пропорциональная зависимость между водяными
эквивалентами и изменениями температуры теплоносителей вдоль
поверхности теплообмена (см. рис. 1 и рис. 2):
если W1  W2 , то T1  T2 ;
если W1  W2 , то T1  T2 .
При противоточной схеме движения теплоносителей (рис. 2)
выпуклость кривых изменения температуры теплоносителей направлена в
сторону большего водяного эквивалента, т.е. в сторону теплоносителя с
меньшим изменением температуры.
Среднюю разность температур для прямоточной и противоточной схем
движения теплоносителей рассчитывают по формулам:
Tа 
Tmax  Tmin
2
, если Tmax / Tmin  2 ;
или
Tл 
(9)
Tmax  Tmin
T
ln max
Tmin
, если Tmax / Tmin  2 ,
(10)
где Tmax и Tmin – максимальная и минимальная разности температур
теплоносителей (см. рис.1 и рис.2), °С; Tа – среднеарифметическая разность
температур, °С; Tл – среднелогарифмическая разность температур, °С.
У теплообменного аппарата, установленного на лабораторном стенде,
для внутренней трубы выполняется условие dнар/dвн < 2, поэтому
коэффициент теплопередачи рассчитывают по формуле теплопередачи через
плоскую стенку:
k
1
1  1
 
1   2 ,
(11)
где 1 – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке,
2
Вт/(м ·К);  – толщина стенки, м;  – коэффициент теплопроводности
материала стенки, Вт/(м·К); 2 – коэффициент теплоотдачи от стенки к
холодному теплоносителю, Вт/(м2 ·К).
Коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 рассчитывают по критериальным
формулам для вынужденного движения флюида в трубах и каналах [1]. При
движении жидкостей и газов в трубах и каналах форма критериального
уравнения зависит от режима движения жидкости. В общем случае
критериальное уравнение, имеет вид
Nu  f ( Gr, Re, Pr ...) ,
(12)
где Nu, Gr, Re, Pr – критерии подобия.
а) W1>W2
б) W1<W2
Рисунок 1 – Изменение температур горячего и холодного
теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямоточной схеме
движения в зависимости от соотношения их водяных эквивалентов
б) W1<W2
а) W1>W2
Рисунок 2 – Изменение температуры горячего и холодного
теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при противоточной
схеме движения в зависимости от соотношения их водяных
эквивалентов
Критерий Нуссельта
Nu 
  R0
 ,
2
(13)
 – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К);
R 0 – определяющий (характерный) размер, м;
 – коэффициент теплопроводности текучей среды, Вт/(мК).
Критерий Грасгофа
где
где
g  R 30
Gr  2    T

,
2
(14)
g = 9,8 м/с – ускорение свободного падения;
 – кинематический коэффициент вязкости текучей среды, м2/с;
 – коэффициент объемного расширения флюида, 1/K;
T – модуль разности температур между стенкой и флюидом, °C.
Коэффициент объемного расширения капельных жидкостей приведен в
справочных таблицах 2 в зависимости от температуры флюида, а для газов
его рассчитывают по формуле

1
T0 ,
(15)
где T0 – определяющая температура флюида, К.
Критерий Рейнольдса
Re 
w0  R 0
 ,
(16)
где w0 – определяющая (характерная)
определяющий (характерный) размер, м.
Критерий Прандтля
Pr 
где
скорость,
м/с;

a,
R0
–
(17)
 – кинематический коэффициент вязкости текучей среды, м /с;
а – коэффициент температуропроводности флюида, м2/с.
2
При движении жидкостей и газов в трубах и каналах существуют
ламинарный ( Re f ,d  2300 ), турбулентный ( Re f ,d  104 ) и переходный от
ламинарного к турбулентному ( 2300  Re f ,d  104 ) режимы течения.
Средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном вязкостногравитационном режиме течения ( Re f ,d  2300 ) может быть рассчитан по
критериальному уравнению, полученному М. А. Михеевым:
0,33
Nu f , d  0,15  Re 0,33
 (Gr f , d  Pr f ) 0,1   t    .
(18)
f , d  Pr f
Поправочный коэффициент   , учитывающий влияние на теплоотдачу
гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена,
равен:
при  d  50 значение   находят по данным табл. 1;
при  d  50 —    1 .
Таблица 1 - Значение   при вязкостно-гравитационном режиме
течения флюида
d

1
2
5
10
15
20
30
40
50
1,9 1,7 1,44 1,28 1,18 1,13 1,05 1,02 1,0
Средний коэффициент теплоотдачи при турбулентном течении флюида
( Re f ,d  104 ) в прямых гладких трубах рассчитывают по формуле М. А.
Михеева:
Nu f ,d  0,021  Re0f ,,d8  Prf0, 43   t  
(19)
Поправочный коэффициент   , учитывающий влияние на теплоотдачу
гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена,
равен:
при  d < 50 —   1  2 d  ;
при  d  50 —   = 1.
Переходный режим течения ( 2300  Re f ,d  104 ) характеризуется
перемежаемостью ламинарного и турбулентного течений. В этом случае
коэффициент теплоотдачи можно рассчитать по формуле:
Nu f ,d  K 0  Prf0,,d43   t  
,
(20)
где комплекс K0 зависит от числа Рейнольдса (табл. 2), а поправку 
рассчитывают так же, как и при турбулентном режиме течения.
Таблица 2
Зависимость комплекса К0 от числа Рейнольдса
Re·10-3
2,2
2,3
2,5
3,0
3,5 4,0
5
6
7
8
9
10
K0
2,2
3,6
4,9
7,5
10
16,5
20
24
27
30
33
12,2
Поправку  t в формулах (18), (19) и (20), учитывающую изменение
физических свойств среды в зависимости от температуры, рассчитывают по
формуле
 Pr 
 t   f 
 Prw 
0, 25
,
(21)
где критерий Прандтля Prf принимают по справочным данным для
текучей среды при средней температуре, а критерий Прандтля Prw
принимают по справочным данным для текучей среды при температуре
стенки.
Определяющие параметры для расчета критериев в формулах (18), (19)
и (20):
— определяющая (характерная) температура – средняя температура
воды в трубе или кольцевом канале

T0  T f  0,5  Tf'  Tf"
;
(22)
— определяющий (характерный) размер для внутренней трубы –
внутренний диаметр трубы
R 0  d вн ;
(23)
— определяющий (характерный) размер для кольцевого канала –
эквивалентный или гидравлический диаметр
R 0  d экв  D вн  d нар
;
(24)
— определяющая (характерная) скорость – средняя по сечению трубы
скорость движения
w 0  G /   f  ,
(25)
где T и T – температура холодного и горячего теплоносителя на входе
и выходе, °С;
Dвн – внутренний диаметр наружной трубы, м;
d нар – наружный диаметр внутренней трубы, м.
'
f
"
f
Описание экспериментальной установки
Настоящая работа выполняется на лабораторном стенде рис. 3. Во
внутренний контур подается разогретый воздух с конвектора 1 (с
регулятором температуры и измерителем расхода), во внешний холодный
воздух с конвектора 2 (расход постоянный – по паспорту, нагрева не
производится).
Рисунок 3 – Фотография лабораторной установки
Описываемая установка, состоит:
 Конвектора 1 с мощностью до 500 Вт с контролируемым по заданной
температуре программным регулятором,
 Конвектора 2 с постоянным расходом и отсутствием нагревателя.
 горизонтальной трубы, с зачеканеными во внутренний и внешний
контур трубы;
 Ротаметра, установленного в корпусе конвектора 1
 Измерителей температуры (12 шт.)
Для получения общей картины распределения температуры по всей
длине трубы и сравнения средних и локальных значений коэффициентов
теплопередачи,
необходимые
значения
температур
измеряются
дополнительно зачеканеными термопарами.
1
2
3
Порядок выполнения работы
Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе, в которую внести название и цель работы,
основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной
установки, готовую таблицы 3, 4 и 5 для записи результатов измерений и
вычислений.
Подготовить установку к испытаниям. Убедиться, что конвекторы
установлены в каналы теплообмена.
Подключить стенд к сети 220 В.
4
5
6
7
8
9
10
Включить питание стенда кнопкой «Сеть».
Подключить измерительную систему к соответствующему разъему и
запустить программу выполнения работы «Течение в трубах».
На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите
программу кнопкой «Пуск» (рис. 4).
Насос конвектора 1 включается автоматически через ТРМ202.
Дождаться установления стационарного режима, поддерживаемого
релейными регуляторами, встроенными в ТРМ202.
Снять показания термопар по холодному и горячему контуру и расхода
( G ). Результаты измерений записать в табл. 3.
Обработать полученные результаты.
Рисунок 4 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
Обработка результатов
1. Расход теплоносителя

G1  1  V1 ;
где 1 – плотность горячего теплоносителя, определяемая по
справочным данным при средней температуре горячего теплоносителя, кг/м3;

V 1 – скорость горячего теплоносителя, определяемая при средней
температуре холодного теплоносителя, кг/м3.
2. Рассчитать среднюю температуру воздуха
t ср 
tн  tк
.
2
3. Коэффициент теплопроводности жидкости (  ) и коэффициент
кинематической вязкости ( ) определяются по средней
температуре.
4. Рассчитываем критерий Рейнольдса и коэффициент Прандтля по
формулам (4 и 5).
5. Рассчитываем критерий Нуссельта в соответствии с режимом
течения жидкости по формулам (1 и 2).
6. Из формулы (3) определяем расчетный коэффициент теплоотдачи
(  рас ).
7. Определяем массовый расход
M G,
плотность выбирать по таблице приложения при средней
температуре.
8. Рассчитываем тепловой поток для каждой точки при различной
теплоемкости
Qi  M  cvi  t ср
9. Определяем температурный напор
t i  t i  t сред
где t сред – температура воздуха
10. Определяем коэффициент теплоотдачи для каждой точки
i 
Qi
  d  L ( t i )
dвн= ½”, dнар=7/8”.
11. Определяем экспериментальный коэффициент теплоотдачи
 экс 
 i
5
12. Полученные результаты обработки данных записываем в
таблицы 4 и 5.
12. Сравнить полученные коэффициенты теплоотдачи. Проанализировать
результаты. Сделать выводы.
13. Ответить на контрольные вопросы.
Таблица 3. Показания приборов
G ,м /с
3
t н ,°С
t к ,°С
t1 ,°С
t 2 ,°С
t 3 ,°С
t 4 ,°С
t 5 ,°С
t6 ,°С t7 ,°С t8 ,°С t9 ,°С t10 ,°С t11 ,°С t12 ,°С
Таблица 4. Значения вычисленных параметров по критериям
2
Re
u ,м/с
a ,м3/с
Pr
t ср ,°С  ,Вт/м·К  ,м /с
Nu
 рас ,м3/с
Таблица 5. Значения вычисленных экспериментальных параметров для пяти
точек
№
точ.
сv , Дж/кг·К
M ,кг/с
Q , Дж/с
t i ,°С
 , м/с
 экс , м3/с
1
2
3
4
5
Контрольные вопросы
1. Каков физический смысл единицы измерения коэффициента
теплоотдачи в СИ?
2. Какие дополнительные факторы и механизмы переноса тепла
учитываются коэффициентом теплопередачи?
3. Используя аналогию тепловых и электрических явлений, сравните
термические сопротивления движущихся слоев жидкости и воздуха с
сопротивлением Rt   и оцените перепад температуры на толщине

стенки трубы.
4. В чем проявляется энергосберегающий эффект систем отопления с
принудительной циркуляцией на оребренных трубах?
5. Какими способами можно повысить коэффициент теплоотдачи
жидкостей движущихся в трубах?
6. Самостоятельно проработайте вопрос о соотношениях коэффициентов
теплоотдачи в пучках труб, омываемых потоком перпендикулярно их
оси, (приложение 1).
7. Какому ряду труб соответствуют наибольшие значения коэффициентов
теплоотдачи и чем это обусловлено?
Лабораторная работа 4. «Исследование водо­воздушных теплообменников» Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы водовоздушных теплообменников.
Задачи работы:
1. Приобретение практических навыков расчетов параметров водовоздушных теплообменных аппаратов.
2. Закрепление теоретических знаний о охлаждении рабочей жидкости
при естественной и вынужденной конвекции.
Основные сведения
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются
устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к
другому. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на
три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от
горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая
называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.
Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется
количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева в
единицу времени. Эта величина зависит от физических свойств
теплоносителей (вязкость, теплопроводность, плотность, теплоемкость), о
режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры,
материал, состояние поверхности нагрева), от средней по поверхности
нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.
При расчете теплообменных аппаратов изменение температур
теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением
в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt.
Влияние остальных факторов учитывают введением коэффициента
теплопередачи k, который по физическому смыслу представляет собой
количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу
поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в
один градус. Формула для расчета количества тепла, передаваемого в
теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид:
Q  k  F  t.
Значение среднего логарифмического напора Δt зависит от начальных
t1н , t2 н и конечных t1к , t2 к температур теплоносителей (t1 – горячий
теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения
теплообменного аппарата, т.е. от взаимных направлений движения
теплоносителей.
Существует три основные схемы включения: прямоточная,
противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем,
получаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1).
Рисунок 1 – Типичные конструктивные схемы рекуперативных
теплообменных аппаратов
а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д –
кожухотрубный многократный перекрестный ток; е – трубчатый
перекрестный ток; ж – пластинчато-ребристый перекрестный ток;
1- горячий поток; 2 – холодный поток
При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители
движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе
в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при
относительно большой разности температур. На выходе из аппарата тепло
передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей
разности температур.
Противоточная схема (противоток). При этой схеме движения
теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в
противоположных так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель
отдает тепло уже подогретому теплоносителю.
Коэффициент теплоотдачи k в теплообменных аппаратах определяют
обычно по формулам для плоской стенки, т.к. трубки теплообменников
имеют небольшую толщину по сравнению с их диаметром. Полученные
формулы позволяют сравнить среднетемпературные напоры при различных
схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при
одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их
теплообменного аппарата, в противоточном теплообменнике температурный
напор получается наибольшим. Благодаря большой величине температурного
напора рабочая поверхность при противоточной схеме больше.
Для определения коэффициента теплопередачи требуется знать
количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном
аппарате, среднюю разность температур Δt между горячим и холодным
теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по
расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в
теплообменном аппарате. В идеальном аппарате, работающем без
теплообмена с окружающей средой, количество тепла, отданное горячим
теплоносителем Q1, должно равняться количеству тепла Q2, полученному
холодным теплоносителем.
Описание лабораторной установки
Основными элементами лабораторной установки (рис. 2 и 3) являются
теплообменный аппарат с естественной конвекцией и водо-воздушный
теплообменник с вынужденной конвекцией.
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки
1 – циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя, 2 –
водонагреватель со ступенчатым управлением нагревом, 3 – термопара на
входе в теплообменник с естественной конвекцией Т1, 4 – счетчик расхода
теплоносителя с импульсным выходом, 5 – заливочное устройство, 6 –
теплообменник с естественной конвекцией, 7 – термопара на выходе из
теплообменника естественной конвекции и на входе в теплообменник с
вынужденной конвекцией T2, 8 – теплообменник с вынужденной
конвекцией, 9 – термопара воздуха на выходе из теплообменника с
вынужденной конвекцией T4, 10 – термопара на выходе из теплообменника с
вынужденной конвекцией Т3, 11 – сливной кран горячего теплоносителя.
Рисунок 3 – Фотография лабораторной установки
Для измерения температур теплоносителей служат температурные
датчики, установленные на входе и выходе внутренней и наружной труб.
Направление потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается
постоянным. Минутный расход горячего теплоносителя для аппарата
определяется по изменению показаний счетчика за заданный промежуток
времени. При включении компьютерной системы измерения на цифровых
индикаторах лицевой панели (рис. 4) отображаются мгновенные значения
температур, измеряемых всеми датчиками, и графики их изменения по
времени.
Порядок выполнения работы
14. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе, в которую внести название и цель работы,
основные
сведения
об
изучаемых
процессах,
схему
экспериментальной установки, заготовить таблицу 1 и 2 для записи
результатов измерений и вычислений.
15. Подготовить
установку
к
испытаниям
теплообменника.
Удостовериться, что уровень воды наблюдается в заливочном
устройстве и ниже его середины, в противном случае долить
жидкость в систему. В системе не допускаются подтеки.
16. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера.
17. Включить питание стенда кнопкой «Сеть 220 В».
18. Запустить компьютерной системы измерения (Пуск>MtfsLAB>Водовоздушный теплообменник)
19. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и
запустите программу кнопкой «Пуск» (рисунок 4).
20. Включить насос ВК2 и водонагреватель кнопкой ВК1.
Обязательно! Установить режим малого нагрева.
Рисунок 4 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
21. При установлении стационарного теплового режима занести
результаты измерений температур (t1к – температура воздуха на
выходе в водо-воздушного теплообменника с вынужденной
конвекцией, t2н – температура воды на входе в водо-воздушного
теплообменника с вынужденной конвекцией, t2к – температура воды
на выходе в водо-воздушного теплообменника с вынужденной
конвекцией) в таблицу 1.
22. t1н – температура воздуха на входе в водо-воздушного
теплообменника с вынужденной конвекцией соответствует
комнатной температуре.
23. Измените, расход насоса и повторите измерение.
24. Определить средний логарифмический температурный напор и
коэффициент теплопередачи для теплообменника в режимах прямои противотока.
25. Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1.
Обработка данных
11. Необходимо определить основные геометрические параметры водовоздушного теплообменника с вынужденной конвекцией. Записать
результаты в таблицу 2.
12. Площадь
поверхности
водо-воздушного
вынужденной конвекцией F = 1 м2
теплообменника
с
13. Массовый расход воздуха и воды определяется по следующему
соотношению
M воз  Gвоз   воз , M вод  Gвод   вод (кг/с)
где Gвоз = 0,05 - расход воздуха, м3/с;
3
Gвод - расход воды, м /с;
воз , вод - плотности воздуха и воды, вычисляются как функции
средних температурных сред
 t н  tк 

 2 
 f
и выбираются по таблице 4.
14. Тепловая нагрузка находится из уравнения теплового баланса
Q  M вод  свод   t2 н  t2 к  , (Вт)
свод - удельные теплоемкости воздуха и воды, определяются по
таблице 5 и 6, (Дж/(кг*К));
t2 н , t2 к - начальная и конечная температура воды, С
15. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по
формуле
tср 
tб  t м
t
при б  1, 4
2
t м
tср 
tб  t м
t
при б  1, 4
 t 
t м
ln  б 
 t м 
где tб , t м - значения большего и меньшего температурных напоров
в начале и конце поверхности теплообмена, С;
Определяются:
tб  t1н  t2 н , t м  t1к  t2 к
t1н , t1к - начальная и конечная температура воздуха, С
16. Коэффициент теплопередачи для каждого режима определяется по
формуле:
k
Вт
Q
,  2 
F  tср  м  К 
Таблица 1. Результаты измерений и вычислений при испытаниях водовоздушного теплообменника с вынужденной конвекцией.
№№ Gвод
п/п оС
t1к
t2н
t2к
С
С
С
о
о
о
Мвоз Мвод Q
кг/c кг/c Вт
Прямоток
Δtб
Δtм
Δtср
С
С
С
о
о
о
k
Вт/(м2*К)
1
2
3
1
2
3
Таблица 2. Результаты измерений и вычислений основных характеристик
водо-воздушного теплообменника с вынужденной конвекцией
Названия характеристик
Наружный диаметр трубок d н , м
Шаг трубок по фронту S1 , м
Шаг трубок по глубине S 2 , м
Шаг ребер S р , м
Определение коэффициента теплопередачи радиатора
Коэффициентом теплопередачи принято называть плотность теплового
потока, проходящего через стенку, разделяющую две среды, при разности
температур сред.
В отопительном приборе системы водяного
отопления металлическая стенка разделяет воду, находящуюся с внутренней
стороны и воздух – с наружной. Величина коэффициента теплопередачи
зависит, главным образом, от условий теплоотдачи с внутренней и наружной
стороны.
Коэффициент теплопередачи отопительного радиатора, определяется
по формуле
К
пр

 Вт 
 2

 м К 
1
1
1


 R 
ст
где

и
1

1
2
(1)
2
- коэффициенты теплоотдачи, соответственно на внутренней и
наружной поверхности стенки,
Вт
м2  К
- термическое сопротивление стенки, зависящее от ее толщины и
коэффициента теплопроводности материала. В отопительных приборах,
выполненных из металла, при небольшой толщине стенки этот элемент
существенного значения не имеет.
Количество теплоты, отдаваемой радиатором в окружающую среду,
определяется по зависимости
R
cт
Q  k  S   tcp  tокр 
где
Q - теплоотдача (тепло производительность, радиатора), Вт;
k - коэффициент теплопередачи радиатора,
Вт
;
м2  К
- температура окружающего воздуха, оС;
S - площадь наружной поверхности отопительного прибора, S = 0,285
t
(м2).
в
Cредняя температура теплоносителя в отопительном приборе,
определяемая как среднее значение температур теплоносителя на входе в
прибор и на вы ходе из него
t
где
 t вх
ср
 t вых
2
, (C)
-температура теплоносителя на входе в прибор, оС;
-температура теплоносителя на выходе, оС;
вых
t
t
вх
Величина S определяется произведением количества секций радиатора на
площадь поверхности одной секции, которая в радиаторе лабораторной
установки составляет 0,285 м2.
Коэффициент теплопередачи радиатора водяного отопления, может быть
определен с помощью уравнения (1)
Q
k
S   tcp  tокр 
Тепло производительность радиатора вычисляется по формуле
Q  M вод  Cвод   tвх  tвых 
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества и недостатки испытанных теплообменных
аппаратов.
2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков физический
смысл единицы его измерения?
3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов влияют на
величину коэффициента теплопередачи?
4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с
прямоточной?
5. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе из
теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя
на выходе из теплообменника?
6. В каких случаях при расчете теплообменника можно пользоваться
средним арифметическим температурным напором?
7. В каких технологических процессах используются теплообменные
аппараты?
Лабораторная работа 5. «Изучение процесса сушки материалов»
Цель работы: Изучение механизмов и закономерностей удаления влаги
в процессах сушки в зависимости от способов подвода тепла к
высушиваемому материалу.
Задачи работы:
1. Определение времени сушки и количества испаряемой
влаги
2. Построение графиков скорости удаления влаги в
различные периоды сушки в режимах конвективного нагрева, СВЧ
и инфракрасного излучения и их комбинациях.
Основные положения
Сушка - это способ удаления влаги из материалов с использованием
тепловых и диффузионных процессов. В них влага материала передается
сушильному агенту и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки.
Этим она отличается от других способов удаления
влаги за счет
механического отжима в прессах или центрифугах и физико-химического,
основанного на применении водопоглощающих средств.
Сушке могут подвергаться твердые материалы, в том числе
кристаллические; эластичные и хрупкие гели, коллоидно-дисперсные и
капиллярно-пористые тела и жидкости - коллоидные растворы и растворы
кристаллоидов. Влага в материалах может быть связана различными
способами: химически - ионная, молекулярная связь; физико-химически адсорбцией, осмотически, структурно; механически - находиться в
капиллярах или на смоченной поверхности. При этом влага, содержащаяся в
капиллярах пористых тел, называется механически удерживаемой; влага на
поверхности тел называется влагой смачивания. Влага, связанная с
материалами химическими связями, не может быть удалена сушкой.
Содержание влаги в материале определяется его влажностью W и
оценивается в процентах или частях от всей массы влажного или сухого 
материала
m вл
m вл

;
m  m вл .
W= m
Если над влажным материалом находится влажный воздух, то со
временем между влагой воздуха и влагой, содержащейся в материале,
устанавливается
равновесие и переход
влаги
сушильному агенту
прекращается. Влажность
материала
в этом состоянии называется
равновесной и таким образом является функцией парциального давления
водяного пара в окружающей среде и температуры. Зависимость значений
равновесной влажности от парциального давлениях паров воды в воздухе
или его относительной влажности при постоянной температуре называют
изотермой сорбции влаги. Очевидно, что с помощью влажного воздуха
удалить всю влагу невозможно.
При конвективной сушке влага удаляется с поверхности материала
обновляемым сушильным агентом. Перемещение влаги из глубины
материала к поверхности - диффузионный процесс. Его движущей силой
являются градиенты внутреннего давления, температуры и концентрации
влаги. Влага, находящаяся в порах материала, и осмотическая влага
мигрируют к поверхности в жидком виде, а адсорбционно-связанная – в виде
пара. В общем случае можно записать
dC
m w  K 1  F 
dX ,
где m W - скорость переноса влаги, кг/с;
F - поверхность материала, м2 ;
С – концентрация влаги, г/м3;
К1 - постоянная влагопереноса, кг *м2/с* г .
При интенсивной сушке диффузия влаги в материале сопровождается
тепловым воздействием. В начале сушки материал подогревается, и скорость
удаления влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В
начальный период удаляется поверхностная и капиллярная влага,
механически связанная с материалом (рис. 1). Этот период продолжается до
тех пор, пока температура материала, покрытого влагой, не станет равной
температуре мокрого термометра - точка. К1 на кривой скорости сушки.
Здесь удаляется адсорбированная влага, более тесно связанная с материалом.
Постепенно скорость сушки уменьшается до нуля и устанавливается
равновесная влажность материала. Критические точки K1 и K2 на кривой
скорости сушки соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до
точки К1 удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К2 –
адсорбционно-связанная влага.
Период постоянной
скорости
dW
d
W,
Wкр
Период постоянной
скорости
4
Период
падающей
скорости
2
1
К1
W
5
Wр
К2
3
а

Wк
W
б
0

Подогрев
Период
подогрева
Рисунок 1 – Изменения влажности высушиваемого материала и
скорости сушки от времени (Wкр – критическая влажность, Wр – равновесная
влажность)
1– крупнопористые материалы; 2 – коллоидные тела; 3 – пористые
керамические материалы; 4– ткани; 5 – глина.
Описание экспериментальной установки
Работа
проводится
с
использованием
многофункциональной
микроволновой печи с рабочим объемом 24 л (рис. 2 и 3). Через отверстие в
верхней стенке печи проходит термостойкая нить, на которой подвешена
чаша с высушиваемым материалом. Верхний конец нити крепится к нижнему
подвесу электронных цифровых весов.
При запуске программы лабораторной работы на экране монитора и
появляется лицевая панель программы эксперимента. В нижней части экрана
помещен осциллограф для регистрации остаточной массы высушиваемого
материала и количества испаренной влаги. В правой и верхней части лицевой
панели расположены индикаторы, отображающие текущие значения
температуры воздуха в рабочем объеме СВЧ печи, массы высушиваемого
материала и испаренной влаги.
Рисунок 2 – Схема установки
1 – чаша с высушиваемым материалом, 2 – камера, 3 – электронные
весы, 4 – индикатор температуры, 5 – ИК нагреватель, 6 – конвективный
нагрев, 7 – СВЧ нагрев.
Рисунок 3 – Фотография установки
Порядок проведения работы.
1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной
работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об
изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, готовую
таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.
2. Подготовить 5 одинаковых образов высушиваемого материала и один из
них аккуратно поместить в сушильную камеру.
3. Включить компьютер и подключить USB шнур стенда к компьютеру.
4. Запустить стенд тумблером «Сеть 220».
5. Включить электронные весы кнопкой «ВК1» и дождаться стабилизации,
если стабилизации нет, то требуется дождаться пока перестанет качаться
платформа и снова запустить весы.
6. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной
работы «ЛР Сушка». На лицевой панели внесите название сохраняемого
файла и кнопкой «Пуск» на лицевой панели включить программу
измерений (рисунок 4).
Рисунок 4 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
7. Установить заданный режим работы микроволновой печи и запустить ее.
В автоматизированной лабораторной установке измерение и регистрация
текущих значений массы высушиваемого материала осуществляется
непрерывно. Одновременно вычисляется убыль влаги по времени,
осуществляется пересчет абсолютных значений в относительные,
формируются соответствующие массивы данных.
8. Занести показатели режима в сводную таблицу 1. С началом рабочего
режима наблюдать за изменением массы высушиваемого материала и
убыли влаги на компьютере и плазменной панели. Обратить внимание на
характерные участки изменения массы.
9. При установлении равновесной влажности, когда изменение текущей
массы становится меньшим 0,1 г за цикл измерений, выключить
сушильную камеру и записать время сушки и данные цифровых
индикаторов в таблицу 1.
10. Открыть камеру и через 2-3 минуты осторожно извлечь высушенный
образец. Визуально оценить качество сушки.
11. Повторить эксперимент при других режимах работы печи (пункты 7-10).
12. Перенести в отчет графики изменений текущей массы и убыли влаги по
времени.
13. Построить и проанализировать графики экспериментальных зависимостей
dM/d=f().
Таблица 1. Основные показатели исследованных режимов сушки
№
п/п Способ сушки
1.
2.
3.
4.
5.
Начальная Масса
Убыль
масса
образца влаги,
образца, г в конце ℅
сушки,г
Время
сушки,
мин.
Инфракрасный
Конвективный
ИК + конвекция
СВЧ
СВЧ+конвекция
Контрольные вопросы
1. Как различаются между собой скорости сушки в периоды удаления
механически связанной и адсорбированной влаги?
2. Чем можно объяснить различие кривых сушки на рис. 1?
3. Как сказывается влияние медленных диффузионных процессов на
скорость сушки?
Выводы по работе должны содержать
1. Краткую характеристику выполненной работы (высушиваемый
материал, режимы работы печи, использованное оборудование).
2. Максимальное и минимальное время сушки и ранжировку
различных режимов по скорости сушки.
3. Характеристику основных этапов сушки для различных способов
повода тепла к высушиваемому материалу и рекомендации по выбору
оптимального режима сушки
4. Оценку погрешности выполненных измерений.
Лабораторная работа 5. «Изучение процессов поверхностного и объемного кипения жидкости» Цель работы: Изучение механизмов кипения и экспериментальное
определение зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности теплового
потока при пузырьковом и пленочном кипении воды на поверхности тел в
большом объеме.
Основные положения
переход жидкости в пар (фазовый переход I рода),
Кипение - это
происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара или
заполненных паром полостей на нагреваемых поверхностях. Пузырьки растут
вследствие испарения жидкости в их полость; всплывают, и содержащийся в
них насыщенный пар переходит в паровую фазу над жидкостью [1].
Для поддержания к жидкости необходимо непрерывно подводить теплоту,
которая расходуется на само парообразование, работу пара против внешнего
давления при увеличении объёма паровой фазы и компенсации внешних
потерь тепла. Температура, при которой происходит кипение жидкости,
находящейся под постоянным давлением, соответствует температуре
насыщения пара над поверхностью кипящей жидкости Ткип = Тнас. Сама
жидкость всегда несколько перегрета относительно Ткип. Рождение пузырька
пара в объёме гомогенной жидкости происходит при преодолении некоторого
энергетического барьера, равного работе образования пузырька по формуле
Гиббса:
4
W   R 2
3
(1)
При кипении в жидкости устанавливается определенное распределение
температур. У поверхностей нагрева жидкость заметно перегрета (рис. 1).
Величина перегрева зависит от физико-химических свойств жидкости, и
состояния поверхности нагрева. Центрами парообразования могут служить
царапины, каверны и микро- впадины и другие дефекты поверхности нагрева,
накипь, ли растворённые в жидкости газов, твердые частицы в объеме
жидкости, пузырьки газа и т. д. Опыты показывают, что тщательно очищенные
жидкости, при соблюдении особых мер предосторожности можно перегреть на
десятки градусов без закипания. Когда такая перегретая жидкость вскипает, то
процесс кипения протекает бурно, напоминая взрыв. Возможность перегрева
чистой жидкости без кипения объясняется необходимостью дополнительно
подвода энергии для возникновения начальных зародышей пузырьков и
преодоление их поверхностного натяжения. Таким образом, для
возникновения процесса кипения необходимы, по крайней мере, два условия:
наличие центров парообразования и превышение температуры жидкости
температуры ее насыщения при заданном давлении - ( Т  (Т н  Т ж )  0 ). В
настоящей лабораторной работе изучается кипение жидкости в большом
объеме в условиях ее естественного перемешивания.
Рисунок 1 – Распределение температуры жидкости
над горизонтальной поверхностью нагрева
Если жидкость содержит растворённые газы и мельчайшие взвешенные
частицы, то уже незначительный (на десятые доли градуса) перегрев
жидкости вызывает устойчивое и спокойное кипение, называемое
пузырьковым. При увеличении температурного напора, то число центров
парообразования возрастает и всё большее количество оторвавшихся
пузырьков всплывает в жидкости, вызывая её интенсивное перемешивание.
Этот процесс приводит к росту теплового потока от передаваемого от
поверхности нагрева к кипящей жидкости. Соответственно возрастает и
количество образующегося пара.
При достижении максимального
(критического) значения теплового потока -для воды ≈1500 кВт/м2 при (TTкип) ≈ 15—30°С - начинается второй, переходный режим кипения. При этом
режиме теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т. к. часть
поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за слияния
образующихся пузырьков пара. Когда вся поверхность обволакивается
тонкой паровой плёнкой, возникает третий, плёночный режим кипения, при
котором теплота от поверхности нагрева передаётся к жидкости через
плёнку образующихся на ней полостей пара за счет менее интенсивных
механизмов переноса тепла теплопроводностью и излучением (рис. 2). Таким
образом, теплоотдача в режиме пузырькового кипения является одним из
наиболее эффективных процессов переноса тепла.
Рисунок 2 – Изменение плотности теплового потока q и коэффициента
теплоотдачи α от температурного напора ΔT при кипении воды под
атмосферном давлении
А — область слабого образования пузырьков; Б — пузырьковое кипение; В
— плёночное кипение, постепенный переход к сплошной паровой плёнке;
Г — стабильное плёночное кипение, qмакс — максимальное значение плотности
теплового потока.
Изменение механизма теплоотдачи в начале перехода от пузырькового
кипения к пленочному или обратно к пузырьковому называется кризисом
теплоотдачи при кипении. Максимально возможная плотность теплового
потока при этом называется первой критической плотностью теплового
потока. Если тепловой поток имеет плотность, превышающую значение
первой критической, то чистая форма пузырькового кипения уже
невозможна.
Вторая критическая плотность теплового потока соответствует
пленочному кипению в нижней точке перегиба кривой q = f(ΔT).
Последующий при увеличении ΔT подъем кривой связан с нарастанием доли
тепла, передаваемого через паровую пленку тепловым излучением
нагреваемой поверхности. Для этого требуются большие значения
подводимой мощности и стойкости прозрачных стенок сосуда к термическим
напряжениям. Поэтому в настоящей работе воспроизводится лишь начало
пленочного кипения до образования сплошной паровой пленки на
поверхности нагрева, т.е. задолго до достижения второй критической
плотности теплового потока.
Описание экспериментальной установки
Общий вид и схема установки для изучения кипения показаны на
(рис.3 и 4). Каркас установки состоит из основания с закрепленной на ней
лицевой панелью. На основании установлены емкость с нагревателем (1),
вытяжной вентилятор (3) для удаления пара, двухканальный измеритель
температуры (4) и лабораторный автотрансформатор (5), измеритель тока
для определения электрической мощности подаваемой на нагреватель.
Рисунок 3 – Общий вид лабораторного стенда
Температуры жидкости и нагревателя измеряют хромель-алюмелевые
термопары, стандартной градуировки. Термопара T1 приварена к нижней
стороне нержавеющего днища сосуда в непосредственной близости к
кольцевому нагревателю, проложенному по периферии дна. Специальная
термопара T2, закрепленная в крышке емкости, полностью герметична и
непосредственно не контактирует с кипящей жидкостью и образующимся
паром.
Рисунок 4 - Схема установки
1 – емкость нагрева воды, 2 – двухканальный измеритель температуры
ТРМ200, 3 – вытяжной вентилятор, 4 – тиристорный регулятор мощности.
На установке можно наблюдать. При небольших температурных напорах
прогрев жидкости недостаточен для образования активной паровой фазы и
передача тепла от нагревающей поверхности к жидкости осуществляется за
счет естественной конвекции. При медленном нагреве до начала кипения
жидкости во всем объеме на поверхности нагрева появляются пузырьки пара
над отдельными центрами парообразованиями. С увеличением разности
температур Т количество пузырьков увеличивается. При неоднородном
распределении теплового потока по поверхности нагрева дислокация
пузырьков эта неравномерность легко обнаруживается. Появившиеся
пузырьки поочередно медленно всплывают, практически не меняясь в
размерах, что свидетельствует о отсутствии объемного кипения жидкости. В
определенный момент после прогрева всей жидкости до температуры,
близкой температуре насыщения, количество пузырьков и их размеры резко
увеличиваются, скорость всплытия также возрастает, а на освободившихся и
вновь образующихся центрах парообразования возникают зародыши новых
пузырьков, за доли секунды вырастающих до объемов, достаточных для
создания отрывной силы. Площадь контакта поверхности нагрева с
жидкостью при этом практически не уменьшается и наступает режим
пузырькового кипения. Дальнейший рост Т в этом режиме кипения ведет к
увеличению количества активных центров парообразования, большей
частоте отрыва пузырьков от поверхности. При этом резко возрастает
интенсивность отдачи тепла от поверхности по сравнению с естественной
конвекцией не кипящей жидкости.
Дальнейшее увеличение температурного напора Т приводит к росту
объема пузырьков, часть из них начинает схлопываться друг с другом.
Жидкость на отдельных участках оттесняться от поверхности нагрева, отвод
тепла при этом ухудшается, из-за того, что теплопроводность пара
значительно ниже, чем теплопроводность жидкости. При значении
температурного напора, соответствующем точке Г, тепловой поток достигает
минимума и на всей поверхности устанавливается пленочное кипение. Это
соответствует так называемой области переходного кипения. Переход от
пузырькового кипения к пленочному (и наоборот) имеет большое значение
при выборе оптимальных температурных режимов работы теплообменных
аппаратов.
Интенсивность теплообмена при пузырьковом кипении позволяет отвести
от поверхности нагрева или передать значительные тепловые потоки при
относительно небольших температурных напорах между стенкой и
жидкостью.
Пленочное кипение происходит при очень высоких мощностях
нагревателя, что в данной лабораторной установке не достижимо.
Порядок проведения работы
1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета, в которую
внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых
процессах, схему экспериментальной установки, не заполненные
таблицы 1 и 2 для записи результатов измерений и вычислений.
2. По выключенным индикаторам цифрового измерителя температур
ТРМ-200 убедиться, что установка отключена от сети.
3. Не зависимо от состояния индикаторов, выключить из работы автомат
защиты «СЕТЬ 220».
4. С помощью сантиметровой ленты измерить периметр нагревающей
поверхности и вычислить ее диаметр D, м.
5. Влить в емкость примерно 1,5 л очищенной дистиллированной воды.
6. Вычислите массу жидкости М0ж и запишите в таблицу 1.
7. Перевести кнопкой «Сеть» автомат защиты в рабочее положение.
8. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной
работы командами Пуск→ Программы→ MeasLAB→«Кипение».
9. При этом на экране монитора должна появиться лицевая панель
компьютерной системы измерения (рис.5).
10. Установить напряжение автотрансформатора порядка 100 В.
11. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите
программу кнопкой «Пуск».
Рисунок 5. Лицевая панель компьютерной системы измерения
12. Клавишей ВК-1 включить подачу напряжения на нагреватель.
13. Наблюдать на экране компьютерного осциллографа ход процесса,
занося в таблицу время работы нагревателя, силу проходящего через
него тока и характерные времена процесса.
14. Сравнивая темпы повышения температур нагревателя Т1 и жидкости Т2
сделайте выводы о причинах запаздывании последней.
15. По мере приближения температуры жидкости Т2 к 95оС увеличьте или
уменьшите подаваемое напряжение с тем, чтобы стабилизировать эту
температуру на заданном уровне ( возможно в 2-3 приема).
16. При получении стабильных участков Т1 и Т2 считайте их показания с
лицевой панели (или ТРМ-200) и занесите их в таблицу 1 .
17. То же самое сделать с показаниями силы тока, проходящего через
нагреватель.
электрическую мощность, затрачиваемую на
18. Определить
компенсацию тепловых потерь сосуда в условиях установившегося
равновесия с окружающей средой при температуре Т2 , близкой к
1000С
Q0  k  I 2 Rэл
(2)
где k >1 - поправочный коэффициент, равный 1,2.
19. Увеличить напряжение, подаваемое на нагреватель, продолжить
наблюдение за процессами нагрева жидкости, выделяя следующие
этапы
начала и развития пузырькового кипения и записывая
полученные данные в таблицу 1
- появление зародышевых пузырьков и распределения их по нагреваемой
поверхности в центрах парообразования,
- отрыв пузырьков и их медленное всплытие, последующее возникновение
зародышевых пузырьков в этих же центрах,
- постепенное увеличение скорости образования и размеров пузырьков по
мере увеличения температуры жидкости,
- изменение дисклокации и количества центров парообразования,
большинство из которых оказываются расположенными на периферии дна
непосредственно над тепловыделяющим элементом,
- установление устойчивого режима кипения.
20. Переключить автотрансформатор на выходное напряжение 160 В.
Наблюдать увеличение размера
и частоты отрыва пузырьков,
свидетельствующих о начале переходного режима кипения при
фиксированном значении I8.
21. Повторить действия по п.п. 23 и 24 для переходного режима кипения
22. Переключить автотрансформатор на выходное напряжение 220 В.
Наблюдать при фиксированном значении напряжения и силы тока I9,
подаваемого на нагреватель, увеличение размера пузырьков до 4-5 мм,
образование вертикально колеблющихся «смерчей» и сухих пятен,
свидетельствующих о начале пленочного режима кипения.
23. Повторить действия по п.п. 23 и 24 для пленочного режима кипения.
24. Клавишей ВК1 выключить подачу напряжения на нагреватель.
25. В течение 5 минут наблюдать процесс завершения кипения и быстрое
прохождение всех его стадий в обратном порядке.
26. Охарактеризовать характер снижения температуры жидкости при ее
остывании.
27. Через 30 минут после выключения нагревателя курсором и кнопкой
«Стоп» остановить программу автоматической результатов
измерений.
28. Отредактировать график, сократив временную шкалу осциллографа на
интервал до 0 до τк секунд, где τк – время выполнения команды стоп.
29. Обратить внимание, что на графиках разница температур жидкости и
нагревателя ΔТ для разных режимов кипения едва просматривается, а
температура жидкости практически остается неизменной.
30. Перепад температур ΔТ явно обнаруживается лишь при расшифровке
всего массива цифровых данных, автоматически зарегистрированных
с точностью 0,1 0С. Попробуйте дать объяснение этим фактам.
31. При необходимости для дальнейшей расшифровки полученных данных
полученные массивы данных можно сохранить в Excel активизацией
соответствующей клавиши на лицевой панели программы (рис.5).
32. Произвести расчеты скорости парообразования, плотности теплового
потока, передаваемого жидкости и коэффициента теплоотдачи для
различных режимов кипения и записать полученные результаты в
таблицу 2.
Таблица 1. Основные показатели исследованных режимов кипения при
Вт, Rн= Ом, М0= г. М6= г, М0= г
М0= г, М0ж= г, Q0=
ΔτI= τ7- Δτ6= 300 c, ΔτII= τ1- τ1 =300c , ΔτIII= (τ1- τ1) = 300 c
№№
Наименование этапов
этапов
1.
Включение нагревателя
2. Появление зародышевых пузырьков
3.
Отрыв пузырьков
4.
Увеличение образования пузырьков
5.
Начало пузырькового кипения
6.
Устойчивый режим кипения
7.
Начало переходного режима кипения
8.
Переходный режим кипения при I8 =
const
9.
Начало пленочного режима кипения
10.
Пленочный режим при I9 = const
11.
Остывание жидкости (τк)
Время
τn, с
0
T1
C
T2
C
0
0
Pi
Вт
0
Таблица 2. Результаты вычислений*
№№
Режимы
Время
этапов
кипения
Δτi, с
1
Пузырьковый
2
Переходный
3
Пленочный
T1-T2
0
C
Pi
Вт
Qi
qi
Вт
Вт/м
2
αi
Вт/ м2К
Здесь Qi  ki  P – количество тепла, затраченного на образование
ушедшего пара; принять значение k1=1,2 при пузырьковом, k2=1,4
переходном и k3=1,7 пленочном кипении.
qi  Qi / S  4Qi / ( D 2 ) – плотность теплового потека через нагреваемую
поверхность дна сосуда,
i  qi / Ti – коэффициент отдачи тепла от нагреваемой поверхности к
кипящей жидкости.
где r – радиус нагревателя, 120 мм,
P – мощность, выделяемая нагревателем, Вт
R = 1800 – сопротивление нагревателя, Ом
Ti – разность температуры стенки и воды, С
Мощность, подаваемая на нагреватель, указана на регуляторе в
программе эксперимента.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Контрольные вопросы
Назовите условия, необходимые для возникновения кипения?
Почему отличаются скорости закипания воды в Алма-Ате и в
Екатеринбурге?
Что понимается под критической плотностью теплового потока?
В чем состоит гистерезис при переходе от пленочного кипения к
пузырьковому?
За счет каких факторов увеличиваются тепловые потери нагреваемого
сосуда при переходе от пузырьковому к пленочному режиму, хотя
температура жидкости при кипении остается на одном уровне?
Почему коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении ниже, чем
при пузырьковом?
Сравните экспериментальные данные, полученные в эксперименте, с
идеальной физической моделью режимов кипения в энциклопедических
справочниках. С чем причины обнаруженных различий?
Лабораторная работа 6. «Исследование фазовых переходов и вакуумная сушка материалов» Цель работы: исследование фазового перехода «жидкость-пар» и
вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов.
Задачи работы:
1. Экспериментальное определение средней теплоты парообразования
методом адиабатического охлаждения и сушки влажных
материалов в вакууме.
2. Оценка эффективности вакуумного охлаждения влажных
материалов.
Основные сведения
Вакуумное охлаждение это процесс охлаждения, при котором происходит
быстрое испарение воды с поверхности продукта, что отводит большое
количество скрытой теплоты, и таким образом продукт быстро охлаждается
(рис. 1). Охлаждение продолжается до требуемой температуры при
дальнейшем понижении давления.
Физическая модель вакуумно-испарительного охлаждения влажных
материалов строится на следующих представлениях и допущениях:
– влажный материал рассматривается как капиллярно-пористое тело с
высокой паропроницаемостью;
– в процессе вакуумно-испарительного охлаждения происходит перераспределение влаги по объему материала, при этом его исходная
влажность достаточна для его охлаждения без образования сухих зон и
сплошных границ фазовых переходов;
– фазовые переходы «жидкость-пар» происходят во всем объеме влажного
материала одновременно в соответствии с локальными значениями
температуры и давления в каждой точке материала;
– фазовый переход происходит в отсутствии подвода тепла извне за счет
уменьшения внутренней энергии материала и, как следствие,
сопровождается уменьшением его температуры.
Рисунок 1 – Схема процесса вакуумно-испарительного охлаждения
Принципиальными являются первое и третье положение. В
соответствии с ними при пониженных давлениях внутри пористых
влажных материалов создаются условия для объемного адиабатического
испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплопритоков извне
испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению
каждой частицы материала до температуры насыщенных паров воды,
соответствующей давлению в камере. Так как паропроницаемость
материалов считается высокой, то в них не возникают заметных
градиентов давления и соответствующих им градиентов равновесной
температуры.
Аналитическое описание рассматриваемой модели на использовании
дифференциального уравнения теплопроводности с равномерно
распределенными внутренними стоками тепла
T ( x , )
 2 T ( x , )
a
 qv;

x 2
где qv – интенсивность внутренних стоков тепла за счет фазового перехода
капельной влаги в пар при вакуумировании;
qv  r 
ΔMi,j=
M

M i  ci  Tср , j  Tн.п. 
r
с начальными
τ=0; Т(х,o)=T0; P(x,o)=Po
и граничными условиями
τ>0; х=0; q(0,τ) =0; x=h; q(h,τ)=0; P(o,τ)=P(h,τ)=Pк(τ)
Приведенная система уравнений, включающая дифференциальное
уравнение нестационарной теплопроводности в частных производных с
внутренним стоком тепла, является нелинейной. При использовании явной
разностной схемы для одномерной численной модели исследуемый
фрагмент материала разбивается на n-отдельных ячеек. Для каждой из
ячеек составляется и многократно решается разностный аналог
дифференциального уравнения:
Ti , j1  a (Ti 1, j  Ti 1, j  2Ti , j )

 q v  
x 2
где Ti , j1 – уменьшение температуры изделия в i – точке на j+1 временном
слое за один шаг интегрирования, оС;
τ – шаг интегрирования по времени, равный в расчетах 0,001 с;
х – линейный размер ячейки, м;
а – коэффициент температуропроводности материала, м2/с.
При откачивания паров из камеры вакуумирования изменяется
равновесие между фактическим давлением и давлением их насыщенных
паров. Интенсивное испарение влаги сопровождается отбором тепла от
материала и вызывает его охлаждение.
Численный расчет данного явления построен по следующему
алгоритму.
Для камеры охлаждения в целом и для каждой из выделенных ячеек (их
индекс i) за каждый шаг по времени (его индекс j) выполняются следующие
операции:
а) при заданном объемном расходе (Q, м3/с) насосной системы, состоящей из
поршневого вакуумно-насоса, находится масса (ΔGj) паров, удаленных
из камеры за шаг расчета по времени Δτ:
ΔGj=Q·Δτ·ρj ,
где ρj – плотность паров воды, кг/м3:
j 
Pj
R  Tср , j
;
где Рj – давление в камере охлаждения в j-й момент времени, Па;
Тср,j – средняя абсолютная температура теста-хлеба в j-й момент
времени, К;
Tср , j 
1 n
 Ti, j ,
n i 1
R – газовая постоянная, для воды R=461,5 Дж/(кг·К);
б) находится давление в камере охлаждения на j –том временном слое
соответствующее удаленной массе паров:
Pj  Pj1 
R  Tср, j  G j
Vк.о.
;
где Vк.о. – объем камеры охлаждения, м3;
в) находится температура насыщенных паров Тн.п, соответствующая
давлению Pj ;
г) для каждой расчетной ячейки определяется масса испарившейся влаги:
ΔGi,j+1 по формуле
M i  c i  Tср , j  Tн.п.  Vхлеб

ΔGi,j+1=
r
V , яч
где Мi – масса i – ой ячейки ;
сi – теплоемкость i – ой ячейки, кДж/кг К;
Vхлеба– объем хлебобулочного изделия, м3;
Vяч– объем ячеек выделенного фрагмента хлебобулочного изделия, м3;
д) находим суммарное испарение:
n
G, j 1   Gi , j 1
i 1
е) уточняется давление в камере охлаждения, учитывая поступление в
нее испарившейся влаги. При этом давление в камере охлаждения в конце
шага расчета по j
Pj1  Pj 
R  Tср , j  G  , j1
Vк.о.
Анализ исходной системы уравнений показывает, что изменение
температуры внутри материала является функцией следующих факторов: его
относительной влажности и начального распределения температуры,
производительности вакуумного насоса, объема камеры охлаждения. Из
расчетов (рис. 2) следует, что при разности начальной и конечной температур
12 оС, продолжительность конвективного охлаждения влажного материала
при нормальном давлении составляет 10-15 мин. Вакуумно-испарительное
охлаждение намного интенсивнее конвективного, протекает во всем объеме
изделия одновременно. Это находит отражение в распределении температур
по толщине материала. При вакуумном охлаждении оно быстро
выравнивается и становится одинаковым по всему объему, а при
конвективном центральные слои материала остывают в 10 раз медленнее,
чем наружные.
Рисунок 2 – Изменение температуры по толщине материала при вакуумноиспарительном (а) и конвективном (б) охлаждении.
Описание экспериментальной установки
Лабораторная установка (рисунок 3,4) состоит из вакуумного насоса с
коллектором, через который с помощью вакуумного насоса откачивается
воздух из рабочих емкостей. Через крышку емкостей в вакуумируемые
объемы вводятся два датчика температуры и электрические датчики
абсолютного давления. Вторая емкость содержит колбу с нагревателем.
Рисунок 3 – Схема лабораторной установки «Фазовые переходы»
1 – вакуумный насос, 2 – испытуемый материал, 3 – термопара, 4 – первая
рабочая емкость, 5 и 13 – датчики давления, 6 – крышка первой рабочей
емкости, 7 – цифровой измеритель ТРМ 200, 8 – кран сброса вакуума, 9 и 10
– краны, 11 – регулятор ТРМ 202, 12 – крышка второй рабочей емкости, 14 –
термопара, 15 – вторая рабочая емкость, 16 – нагреватель, 17 – колба.
Рисунок 4 – Фотография установки
При вакуумировании рабочих емкостей давление паровой фазы в них
уменьшается, температура насылающих паров падает и в какой-то момент
становится равной температуре жидкой фазы испытываемого образца. При
этом можно наблюдать кипение воды при температурах существенно
меньших 100С или интенсивное испарение влажного материала и резкое
снижение его температуры.
Порядок проведения работы:
1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о
проведенной работе, в которую внести название и цель работы,
основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной
установки, заготовить таблицу 2 и 3 для записи результатов измерений и
вычислений.
2. Установить в камеру пористый влажный материал с температурой
50-70С, предварительно взвесив его в сухом ( т м ) и влажном состоянии
( т0 ) на электронных весах с точностью 0,1 г.
3. Датчик температуры (3) установить внутрь испытываемого материала.
4. Подсоединить вакуумные камеры (4 и 15) и герметично закрыть
крышками (6 и 12).
5. Открыть краны (9 и 10) соединяющие рабочие емкости с вакуумным
насосом. Кран (8) сброса вакуума оставить закрытым.
6. Включить лабораторную установку с помощью автоматического
выключателя 220В.
7. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной
работы «Вакуумное охлаждение» (рис. 5).
8. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите
программу кнопкой «Пуск».
9. Включить в сеть вакуумный насос кнопкой «ВК1».
10. С компьютера снять показания температур внутри образца (T1) и
давление в емкости (P) для пяти моментах времени.
11. Продолжать вакуумирование до прекращения падения давления и
уменьшения температуры газовой среды. Автоматическая система
измерения при этом фиксирует текущую величину давления в
эксикаторе и температуру.
12. При установлении равновесной температуры и давления закрыть кран, и
выключить насос.
13. Записать полученные данные в таблицу 2.
в
отчет
график
фазового
перехода
вода-пар,
14. Перенести
зафиксированный системой автоматического измерения.
15. Сбросить давление краном (8), извлечь объект испытаний и измерить
его массу ( тк ), на электронных весах с точностью 0,1 г.
16. Рассчитать потери влаги
mв  т0  тк
Рисунок 5 – Лицевая панель программы.
17. Вычислить среднее значение теплоты испарения по формуле
r = (cв*(то-тм)+см*мм)*(tо-tк))/(то-тк)
18. Полученные результаты записать в таблицу 3.
19. Установить в камеру пористый влажный материал с полным
совпадением характеристик с первым испытуемым.
20. Датчик температуры (3) установить внутрь испытываемого материала.
21. Подсоединить вакуумные камеры (4 и 15) и герметично закрыть
крышками (6 и 12).
22. Закрыть кран (10) и открыть кран (9) оставив одну рабочую емкость (4)
соединенную с вакуумным насосом (1). Кран (8) сброса вакуума
оставить закрытым.
23. Включить вакуумный насос (1) кнопкой «ВК1».
24. С компьютера снять показания температуры внутри образца (T1) и
давление в емкости (P) для пяти моментах времени.
25. При установлении равновесной температуры и давления закрыть кран, и
выключить насос.
26. Записать полученные данные в таблицу 2.
27. По таблице 2 построить графики зависимости температуры от времени и
температуры от давления.
28. Повторить пункты с 3 по 26 для второго испытуемого материала.
29. Сравнить, сделать и записать выводы. Ответить на контрольные
вопросы.
Таблица 2. Экспериментальные данные
Две емкости
Время τ, с
Температура T1, K
Давление P, Па
Одна емкость
Время τ, с
Температура T1, K
Давление P, Па
Таблица 3. Экспериментальные данные
№
п/п
Измеряемые величины
Начальная масса
образца, г
Масса образца в конце
2.
эксперимента, г
1.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Убыль влаги, ℅
Начальное давление,
кПа
Конечное давление,
кПа
Начальная
температура образца,
С
Конечная температура
образца, С
Начальная
температура в камере,
С
Конечная температура
в камере, С
Время эксперимента,
мин
Объект исследования
Материал №1
Материал №2
Контрольные вопросы
1. Из каких представлений строится физическая модель вакуумноиспарительного охлаждения влажных материалов?
2. Какие положения являются принципиальными для физической
модели вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов?
3. Как изменяется температура внутри материала при конвективном и
вакуумно-испарительном охлаждении?