МУ_ЛПЗ_ПиА. Методические указания по выполнению лабораторных работСоставитель А. В. Гербсоммер Омск бпоу 0 0 опэк 2018. с. 85
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
Задание: В результате испытания по полученным результатам необходимо рассчитать основные характеристики комбинированного теплообмена тепловую мощность выделяемою трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы, тепловое излучение, конвекцию, коэффициент теплоотдачи горизонтальных труб. Порядок выполнения работы. Подключают стенд к сети 220 В. Включают его автоматом Сеть (позиция 1 рисунок Рисунок 4.3- Лицевая панель лабораторного стенда. Подключают к компьютеру USB разъем стенда. На компьютере вызываем программу сбора и обработки данных лабораторной работы рабочий стол - конвекция и запустить ее кнопкой Пуск на лицевой панели, после чего автоматически запускается цикл непрерывных измерений. В программе на лицевой панели выберите трубу, с которой будет проводиться работа. ( позиция рисунок 4.4). 6. Кнопкой «ВК1» на панели включить ЛАТР регулирования мощности нагрева труб (позиция 2 рисунок 4.3). 7. Вывести ручку ЛАТРа на напряжение 100 В (позиция 3 рисунок -|g| Лабораторная работа Исследование комбинированного теплообмена порт Плата подключена Группа Путь к <1 го а 200 ОС ОП уть к файлу Квадратная трубам м ) Вкл/Выкл р Ч Т р Ч ТЗ р ч Т [ Управление нагревом тру 0£ Хромир. труба диаметр мм Вкл/Выкл Т2, °С Б ел ая труба диаметр мм' Вкл/Выкл ТЗ, °с Хромир. труба диаметр мм ) I* Вкл/Выкл Токр, С 1000 Время, с Рисунок 4.4 - Лицевая панель компьютерной системы измерения. С началом переходного режима пронаблюдать за изменением температур поверхностей, отображаемых на компьютере (позиция 2 рисунок 4.4). 9. Обратить внимание на характерные участки нестационарного процесса, связанного с нагревом труб - начального, на котором температура поверхности некоторое время остается неизменной регулярного режима, где температура возрастает по линейному закону и конечного, когда температура устанавливается на определенном уровне. Перенести данные с цифровых индикаторов напряжения и температур в таблицу Таблица 4.3 - Измеренные и вычисляемые параметры. № п/п Измеренные и вычисляемые параметры, м2/с То, оС Тст, оС Ооб, Вт Ол Вт Q k Вт ^эксп Вт/м2К Gr Nu арасч’ Вт/м2К Полированная труба диаметром 25 мм Окрашенная труба диаметром 25 мм Труба диаметром 32 мм Труба прямоугольного сечения мм 2 53 Обработка результатов эксперимента Степень черноты s наружной поверхности горизонтальных труб определяется в зависимости от материала. Таблица 4.4 - Степень черноты наружной поверхности горизонтальной трубы. s Диаметр, м Материал трубы Алюминиевая труба с полированной поверхностью.(25мм) 0,8 Труба с окрашенной поверхностью.(25мм) 0,05 Труба с полированной поверхностью.(32мм) 0,05 Труба прямоугольного сечения (В расчёте используется обозначения для труб: Полированная труба диаметром 25 мм - цифра 1 Окрашенная труба диаметром 25 мм - цифра 2 Труба диаметром 32 мм - цифра 3 Труба прямоугольного сечения мм - цифра В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением Для нахождения тепловой мощности, Вт выделяемой электронагревателем используется формула : Qz = W Тепловое излучение, Вт определяется по закону Стефана-Больцмана: Q’= ^ - - (т- Для определения площади поверхности трубы, м используется формула п - d-l, Диаметр прямоугольного сечениям вычитывается по формуле d = 4 f, где f -площадь сечения трубы, м по наружным размерам; П - смоченный периметр, м (обдуваемый воздухом)-0,025-4=0,1м. Определяем режим свободной конвенции по формуле (4.15) Gr - критерий Грасгофа, равный отношению выталкивающей силы, действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости. Для воздуха _ g-d3(tcT-to) Gr- (4.18) V 54 Определяем критерий Прандтля на основании таблицы 4.2 (подбирается в зависимости от температуры окружающей среды) Режим свободной конвенции определяется методом более близкой по значению (Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано на основе теории подобия конвективного теплообмена по критериальному уравнению = C- (Gr-Pr)n , Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя, температуры наружной поверхности tCT и окружающей среды - t 0 и зная степень черноты поверхности s, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К горизонтальной трубы экс" = е (4.20) F(tc т Для определения площади поверхности трубы, м используется формула п- d-l, В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением Определяем расчетную часть коэффициента теплопередачи, Вт/м2К по формуле: а расч = 4 N u На основании рассчитанных значений коэффициента аэксп и определенных входе эксперимента температуры стенки трубы Тст которая указана на 0 -4 температур стенки трубы. лабораторном стенде как Т40С построить график зависимости аэксп от разности Критерии оценки Оценка отлично выставляется, если- лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы- выполнено исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции в соответствии с методическими указаниями- по результатам проведенных измерений и вычислений построен график зависимости коэффициента теплоотдачи аэксп от разности температур (tCT - t0); по итогам расчета составлен вывод; ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение аргументировано отвечать Оценка хорошо если- лабораторная работа выполнена с соблюдением правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия и содержит подробное описание всех этапов лабораторной работы- выполнено исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции в соответствии с методическими указаниями- по результатам проведенных измерений и вычислений построен график зависимости коэффициента теплоотдачи аэксп от разности температур (tCT - t0), но имеются единичные незначительные ошибки- по итогам расчета составлен вывод- ответы на контрольные вопросы демонстрируют понимание сущности вопроса, знание представленной темы и умение отвечать. При неправильном ответе студент сам исправляет свои ошибки. Оценка удовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с небольшими нарушениями правил техники безопасности- отчет оформлен вовремя занятия, нов нем отсутствует описание некоторых этапов лабораторной работы- выполнено исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции в соответствии с методическими указаниями- по результатам проведенных измерений и вычислений построен график зависимости коэффициента теплоотдачи аэксп от разности температур (tCT - t0) с грубыми ошибками- составлен вывод с недочетами- ответы на дополнительные вопросы неполные и требуют уточнения. Оценка неудовлетворительно выставляется, если- лабораторная работа выполнена с серьезными нарушениями техники безопасности- отчет не оформлен вовремя занятия или содержит грубые ошибки в оформлении и выводе- выполнено исследование комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции не в соответствии с методическими указаниями- по результатам проведенных измерений и вычислений не построен график зависимости коэффициента теплоотдачи аэксп от разности температур (tCT - t0); - ответы на вопросы неправильные. Контрольные вопросы. Способы передачи теплоты. Чем отличаются друг от друга различные механизмы переноса тепла 3. Какие технологические процессы в промышленности сопровождаются нестационарной теплопроводностью, свободной конвекцией, тепловым излучением. Какова зависимость между коэффициентом теплоотдачи и температурой. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи. Почему для расчета конвективного теплообмена используются критериальные зависимости и какой физический смысл критериев, используемых в данной работе Лабораторная работа Тема Испытание различных конструкций теплообменников Цель работы Экспериментальное определение коэффициентов теплопередачи в рекуперативных теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителя. Оборудование и материалы. Лабораторная установка по изучению различных конструкций теплообменников (ТОТ-ТПБ). 2. Ноутбук с установленным программным обеспечением «Measlab» для работы с лабораторной установкой по изучению различных конструкций теплообменников (ТОТ-ТПБ). 3. Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи Приложение Б. Зависимость плотности воды от температуры(Приложение В) Инструкция по выполнению лабораторной работы. Ознакомиться с целью работы. Ознакомится с заданием и изучить принцип работы лабораторной установки. Ответить на контрольные вопросы (устно) и получить допуск к работе у преподавателя. Выполнить испытание пластинчатого теплообменника и типа труба в трубе при прямоточном и противоточном движении теплоносителя при заданной температуре. На основании результатов измерений рассчитать коэффициенты теплопередачи, построить схемы прямотока и противотока пластинчатого теплообменника и труба в трубе. Оформить отчёт и составить вывод о проделанной работе. Защитить работу. 1.Теоретическая часть Теплообменными аппаратами теплообменниками называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются натри 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 - от 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 At. Влияние остальных факторов учитывают введением коэффициента теплопередачи К 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, Вт имеет вид = K -F ' ATc где К - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К (Приложение Б - поверхность теплопередачи, м2; АТср - средняя разность температур, К. Средняя разность температур теплоносителей АТср средний температурный напор) зависит от начальных и конечных температур теплоносителей и от схемы их движения относительно друг друга. Теплоносители могут перемещаться прямотоком, противотоком, перекрёстным и смешанным током вдоль разделяющих их стенки. При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева водном 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 (противоток). При противоточной схеме движения теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель отдает тепло уже подогретому теплоносителю. Коэффициент теплоотдачи Кв теплообменных аппаратах определяют обычно по формулам для плоской стенки, т.к. трубки теплообменников имеют небольшую толщину по сравнению сих 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 At между горячими 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. Устройство лабораторной установки Основными элементами лабораторной установки являются- теплообменный аппарат типа труба в трубе сдвижением горячего теплоносителя по внутренней трубе и холодного теплоносителя по кольцевому пространству между внутренней и наружной трубами- пластинчатый теплообменник. Диаметр внутренней трубы теплообменника труба в трубе dm=3/8 дюйма, диаметр наружной трубы нар дюйма. Длина рабочего участка, на котором происходит теплообмен L=400 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 обоих аппаратов 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. При изменении движения холодного теплоносителя значения температур Т и Т меняют на Т и Та для пластинчатого теплообменника Т и Т на Т и Т. Расход в системе холодного контура постоянный и равен- 1 насос 1,14 л/мин (прямоток- 2 насос 1,26л/мин (противоток). Схема движения горячего теплоносителя Центробежный насос наполненный водой прокачивается воду через термо-нагреватель, где нагревается до определенной температуре. После чего горячий теплоноситель проходит через термопару Т где определяется температура на входе в трубное пространство теплообменника «труба-в трубе. Далее жидкость прокачивается через термопару Т, которая показывает температуру на выходе из теплообменника труба в трубе и на входе в пластинчатый теплообменник. В пластинчатом теплообменником горячий теплоноситель движется к термопаре Т где показывается температура на выходе из пластинчатого теплообменника, после чего проходит через счетчик расхода горячего теплоносителя, далее горячий теплоноситель совершает повторны круг движения жидкости. Схема движения холодного теплоносителя при противотоке Из резервуара, насосом, холодная вода движется в межтрубное пространство теплообменника труба в трубе проходя через термопару Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на входе в теплообменники труба в трубе, далее холодный теплоноситель движется против горячего носителя, через Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменника труба в трубе, далее поступает в пластинчатый через Т которая показывает температуру на входе в пластинчатый теплообменники выходит(холодный теплоноситель) через Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на выходе из пластинчатого теплообменника, после чего холодный теплоноситель поступает обратно в резервуар. Схема движения холодного теплоносителя при прямотоке Из резервуара, насосом, холодная вода движется в пластинчатый теплообменник через термопару Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на входе в теплообменник, далее двигаясь прямо с горячим теплоносителем, холодный теплоноситель выходит из пластинчатого теплообменника через Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на выходе из пластинчатого теплообменника, далее холодный теплоносителя поступает в межтрубное пространство теплообменника « труба в трубе через Т которая показывает температуру холодного теплоносителя на входе в теплообменник труба в трубе, далее прокачиваясь по межтрубному пространству, проходит через термопару Т, которая показывает температуру холодного теплоносителя на выходе из межтрубного пространства теплообменника труба в трубе, после чего поступает в резервуар. Рисунок 5.1 - Схема лабораторной установки - водонагреватель со ступенчатым управлением нагревом, 2 - заливочное устройство, 3 - холодный контур, 4 - счетчик расхода горячего теплоносителя импульсным выходом, 5 - горячий контур, 6 - пластинчатый теплообменник, 7 датчик температуры горячего теплоносителя, 8 - датчик температуры холодного теплоносителя на входе ПТ, 9 - датчик температуры горячего теплоносителя на входе ПТ, 10 - датчик температуры холодного теплоносителя на выходе ПТ, 11 - резервуар холодного теплоносителя, 12 - насос подачи холодного теплоносителя прямотоком, 13 - насос подачи холодного теплоносителя противотоком, 14 - датчик температуры холодного теплоносителя на входе ТТ, 15 - кожухотрубный теплообменник, 16 - датчик температуры горячего теплоносителя на входе теплообменника ТТТ, 17 - циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя, 18 - датчик температуры холодного теплоносителя на выходе теплообменнике ТТ. 2.Практическая часть Задание: Провести испытание пластинчатого теплообменника, труба в трубе в режиме прямотока и противотока при заданной температуре, по значению коэффициента теплопередачи выявить какой теплообменник эффективней. Таблица 5.1 - Варианты заданий Вариант Температура 1 40 2 45 3 55 4 60 Порядок выполнения работы. Ознакомиться со схемой лабораторной установки и расположением приборов. Подготовить установку к испытаниям теплообменников. Удостовериться, что уровень воды наблюдается в заливочном устройстве позиция 1) и не ниже его середины, в противном случае долить жидкость в систему. Проверить систему на герметичность путем визуального осмотра. Подключить стенд к сети 220 В. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера и запустить программу Испытание теплообменников. В программе выбрать порти нажать Пуск ^ **** I 5. Включить питание стенда кнопкой Сеть, а также проверить отрыт ли кран движения горячего теплоносителя Рисунок 5.2 - Кран в положении открыто. Включить насос ВК2 и водонагреватель кнопкой «ВК1». Установить режим нагрева горячего тебплоносителя в водонагревателе поз в соответствии с заданием (крайней правой стрелкой повысить значение температуры, стрелкой вниз - понизить) Рисунок 5.3 - Водонагреватель. При включении компьютерной системы измерения клавишей Пуск в программе на цифровых индикаторах лицевой панели отображаются мгновенные значения температур, измеряемых всеми датчиками, и графики их изменения по времени. Рисунок 5.4 (противоток) Лицевая панель компьютерной системы измерения Расшифровка термопар T1- датчик температуры горячего теплоносителя на входе теплообменника ТТТ, T2- датчик температуры горячего теплоносителя на входе ПТ, T3- датчик температуры горячего теплоносителя, Т- датчик температуры холодного теплоносителя ПТ на входе, Т5-датчик температуры холодного теплоносителя ПТ на выходе, T6- датчик холодного теплоносителя ТТ на выходе, T7- датчик температуры холодного теплоносителя ТТ на входе. После выхода на постоянный режим включить подачу холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на панели управления стендом (положение вверх режим прямотока, положение вниз - противотока) Рисунок 5.5 - Тумблер переключения режима движения холодного теплоносителя 9.Каждые 20 секунд занести значения температуры НЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ СОХРАНЁННЫЕ ДАННЫЕ В EXEL) теплообменника труба в трубе в таблицу 5.2, пластинчатого теплообменника в таблицу Таблица 5.2 - Значения измеренных и вычисляемых параметров теплообменника труба в трубе» Значения измеренных н вычисляемых параметров |