4.4. Работа №4
экспериментальное определение коэффициента теплопередачи при нестационарном процессе конвективного теплообмена в кожухотрубчатом теплообменнике
Цель работы: определение теплой нагрузки теплообменника; расчет коэффициента теплопередачи опытным и расчетным методом.
Примечание: схема и описание экспериментальной установки представлена в разделе 4.3.
Уравнение теплового баланса теплообменника при нестационарном переносе теплоты может быть записано следующим образом:
, (4.69)
где G1 и G2 – массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; с1, с2 – удельные теплоемкости горячей и холодной воды при средних температурах теплоносителей, Дж/(кг·К); t3, t4, t5, t6 – средние во времени температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника, °С; τоп – время опыта, с.
Для определения средних температур теплоносителей строится график зависимости температур теплоносителей на входе и выходе из теплообменника от времени (рис.4.14).
 |
Рис.4.14. Изменение температур теплоносителей во времени
Средние температуры теплоносителей рассчитываются по формулам (4.67)-(4.68).
Примечание: порядок выполнения представлен в разделе 4.3; экспериментальные данные записываются в таблицу 4.5.
Таблица 4.5
Таблица опытных данных
|
№ п/п |
Время опыта τ, мин |
Температура, °С |
Расход теплоносителя |
Сила тока I, А |
Напря-жение U, В |
||||
|
t3 |
t4 |
t5 |
t6 |
горячего G1, кг/с |
холодного G2, кг/с |
||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов эксперимента
1. Выбирается отрезок времени τоп и для него составляется тепловой баланс по уравнению (4.69).
2. Движущую силу процесса теплопередачи определяют по уравнениям (3.18) или (3.19).
3. Из уравнения теплопередачи (3.2) определяется опытное значение коэффициента теплопередачи.
Поверхность теплообмена для данного теплообменника определяется по формуле:
,
(4.70)
где n – число теплообменных трубок; L – длина трубок, м; dср=(dн+dвн)/2 – средний диаметр теплообменной трубки, м; dн, dвн – наружный и внутренний диаметр теплообменной трубки, м;
4. Определяют скорости движения теплоносителей:
,
(4.71)
где ρ1 и ρ2 – плотности горячей и холодной воды при средних температурах, кг/м3.
Площадь трубного пространства для горячего теплоносителя определяют по формуле:
;
(4.72)
для холодного теплоносителя (межтрубное пространство):
,
(4.73)
где D – внутренний диаметр корпуса, м.
Эквивалентные диаметры для горячего и холодного теплоносителей, соответственно:
, 
.
(4.74)
5. Определяют режимы движения теплоносителей по значению критерия Рейнольдса, который рассчитывается следующим образом:
и 
,
(4.75)
где μ1 и μ2 – коэффициенты динамической вязкости для горячей и холодной воды при средних температурах, Па·с.
Примечание: теплофизические свойства воды представлены в приложении (табл.4).
6.
По значению числа критерия Re1 и Re2 выбирают соответствующее режиму движения критериальное
уравнение (1.5)-(1.8) для расчета критериев Nu1 и Nu2 по
которым находят величину коэффициентов теплоотдачи a1 и a2.
Входящие в эти уравнения критерии Prст1 и Prст2
находятся по температурам стенок 
и 
после расчета частных температурных напоров
Δt1 и Δt2 по формулам (3.13) и (3.14).
7. По уравнению (3.4) рассчитывают коэффициент теплопередачи Кр.
8. Значения частных температурных напоров проверяют по уравнениям (3.16)-(3.17).
9. Значение коэффициента теплопередачи Кр сравнивают с опытным значением Ко путем определения относительной ошибки.
10. Делают выводы по работе.
Вопросы для самоконтроля
1. Как называется совместный перенос теплоты путем конвекции и теплопроводности?
2. Как запишется уравнение Ньютона-Рихмана для неустановившегося процесса теплоотдачи?
3. Что такое теплопередача?
4. Запишите уравнение теплопередачи для нестационарного режима.
5. Каков физический смысл коэффициента теплопередачи?