Содержание

4.3. Работа №3

экспериментальное Определение коэффициентов теплоотдачи при нестационарном процессе конвективного теплообмена в аппарате с циркуляционным перемешиванием

 

         Цель работы: определение тепловых потоков; составление теплового баланса; определение коэффициентов теплоотдачи от стенки нагревателя к воде в котле опытным и расчетным путем.

 

Описание схемы лабораторной установки

 

         Лабораторная  установка  рис.4.12 состоит из термостата (1), заполненного водой, нагрев которой осуществляется  электрическими трубчатыми  нагревательными  элементами  (ТЭН) (2). Нагретая в котле вода насосом (3) подается в теплообменный аппарат (4), охлаждаемый холодным теплоносителем из водопровода. Охлажденная в теплообменнике вода поступает в котел. Контроль за расходами теплоносителей осуществляется ротаметрами (5), (6), регулировка их – с помощью вентилей (7), (8). Измерение температур по трактам установки производят термопарами (I-VI), подсоединенными к цифровому индикатору 9.

         Диаметр кожуха теплообменника D=38 мм; длина трубок L=580 мм; диаметр теплообменных трубок d=70,75 мм; число трубок n=7;  ширина котла b=235 мм; длина котла =250 мм; высота уровня воды в котле Н=120 мм; диаметр нагревателя Dн=46мм; диаметр витка нагревателя d=8 мм; число витков нагревателя nв=5.

 

bak3        

 

  

 

Рис.4.12. Принципиальная схема лабораторной установки:

1 – термостат; 2 – электронагреватель (ТЭН); 3 – насос; 4 – теплообменник; 5,6 – ротаметры; 7,8 – вентили; 9 – цифровой индикатор;  I – VI – термопары

 

         Теплота O, отданная стенкой нагревателя или общий тепловой поток, расходуется на нагревание воды в котле Q1 за время , на нагревание холодной воды в теплообменнике Q2 и на потери теплоты в окружающую среду Qп:

                                                      ;                                          (4.62)

                                                     ;                                         (4.63)

                                      ;                         (4.64)

                                                     ,                                        (4.65)

где  - масса нагреваемой воды в котле, кг; b – ширина котла, м;  - длина котла, м; Н – высота уровня воды в котле, м;  - плотность воды, кг/м3; сн, с1, с2 – теплоемкость нагреваемой, подогретой и холодной воды соответственно при средних температурах Дж/(кг·К);  - температура воды в конечный и в начальный момент времени, °C; G1, G2 – расход подогретой и холодной воды в теплообменнике, кг/с;  - средняя температура подогретой воды в котле и на выходе из теплообменника, °С;  - средняя температура холодной воды на входе и выходе из теплообменника, °С.

         С другой стороны общий тепловой поток от нагревателя рассчитывается по формуле (4.4).

         Теплота, получаемая водой в котле от нагревателей, передается вследствие свободной конвекции:

                                                 ,                                     (4.66)

где aоп – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);  - средние температуры стенки нагревателя и жидкости в котле, °С;  - поверхность нагревателя, м2.

 

Порядок выполнения работы

 

1.  Включить установку и установить заданные расходы теплоносителей в теплообменнике.

2.  Включить электронагреватель и установить заданную силу тока.

3.  Записать требуемые значения температур теплоносителей по трактам установки в таблицу 4.4 через каждые пять минут в течении 40-45 минут.

 

Таблица 4.4

Таблица опытных данных

№

п/п

Время опыта τ, мин

Температура, °С

Расход теплоносителя

Сила тока

I, А

Напря-жение U, В

t1

t2

t3

t4

t5

t6

горячего

G1, кг/с

холодного

G2, кг/с

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обработка результатов эксперимента

 

1.  По опытным данным строится график (рис.4.13) изменения температур во времени для стенки нагревателя (t1), воды в баке (t2), подогретой воды на входе (t3) и выходе (t4), холодной воды на входе (t5) и выходе  (t6) из теплообменника.

2.  Средние температуры определяются как средние интегральные величины:

                                                 .                                             (4.67)

Значение определенного интеграла - определяется методом численного интегрирования по формуле:

                                ,                   (4.68)

где  - интервал времени между измерениями температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 4.13. Изменение температур стенки нагревателя (t1), воды в котле (t2) и воды на выходе из теплообменника (t4) во времени

 

3.  Выбирается отрезок времени Δτ и для него составляется тепловой баланс по уравнениям  (4.62) – (4.65).

4.  Из уравнения (4.66) определяется опытное значение коэффициента теплоотдачи.

5.  Теоретическое значение коэффициента теплоотдачи определяют по уравнению (1.10), где определяющей температурой является средняя температура стенки нагревателя и средняя температура пограничного слоя , а определяющим размером – диаметр нагревателя Dн.

6.  Сравнивают опытное и расчетное значение коэффициента теплоотдачи и тепловой баланс Q=Qо.

7.  Делают выводы по работе.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1.  Дайте определение процесса теплоотдачи.

2.  Что называется процессом конвективного теплообмена?

3.  По какому уравнению определяется количество теплоты, переданное в процессе теплоотдачи?

4.  Каким образом определяется коэффициент теплоотдачи при свободном движении теплоносителя?

5.  От чего зависят коэффициент С и показатель степени n в критериальном уравнении при естественной конвекции.