Лабораторная работа № 4 Испытание теплообменного аппарата.

Целью работы является расширение и закрепление знаний студентов о теплообменных аппаратах и процессах теплообмена, происходящих в них. В процессе работы студенты знакомятся с основными типами теплообменных аппаратов, схемами движения теплоносителей и расчетными формулами.

Порядок проведения работы.

Работа выполняется в следующем порядке.

1. Изучение раздела “теплообменные аппараты” по лекционному курсу и рекомендованной литературе.

2. Ознакомление с устройством и работой экспериментальной установки по данному руководству.

3. Проведение эксперимента.

4. Обработка результатов эксперимента.

5. Составление отчета.

Некоторые сведения о теплообменных аппаратах.

Теплообменными аппаратами или теплообменниками называются технические устройства предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя (горячего) другому (холодному).

По способу передачи тепла, теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются теплообменники, в которых передача тепла от одного теплоносителя другому происходит непрерывно через разделяющую их непроницаемую твердую стенку. Примерами таких аппаратов являются паровые и водяные котлы, водо-и воздухоподогреватели, экономайзеры, конденсаторы паросиловых установок, батареи системы водяного и парового отопления и т.п.

Регенеративными называются теплообменники, в которых передача тепла осуществляется путем попеременного омывания горячей и холодной жидкостью (газом) специальных насадок с большой теплоемкостью. При соприкосновении с горячим теплоносителем насадки аккумулируют тепло, а затем, при соприкосновении с холодным теплоносителем, отдают ему накопленное тепло. Примером таких теплообменников являются подогреватели воздуха в доменных печах.

Смесительными называются теплообменники, в которых передача тепла осуществляется при непосредственном соприкосновении (смешении) горячего и холодного теплоносителей. Смесительные теплообменники проще рекуперативных и регенеративных теплообменников, в них полнее используется тепло. Однако, смешение разных теплоносителей не всегда допустимо. Поэтому, теплообменники такого типа используются в тех случаях, когда допустимо смещение теплоносителей. Примером такого типа телообменников является градирня котельной установки, где вода после конденсатора разбрызгивается и контактируя с окружающим воздухом частично испаряется и охлаждается при этом.

Наибольшее распространение получили рекуперативные теплообменники.

Схема и принцип действия рекуперативного теплообменника.

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут быть выполнены с трубчатыми и пластинчатыми поверхностями нагрева. Простейшей конструкцией рекуперативного теплообменника с трубчатыми поверхностями нагрева является теплообменник типа труба в трубе.

Греющими и нагреваемыми рабочими телами (теплоносителями) являются обычно жидкости, газы и пары. Они могут иметь различные физические свойства, давление, температуру и скорость.

Характер изменения температуры обоих теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения. Если в теплообменнике теплоносители протекают вдоль разделяющей их стенки параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис.1а). Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях (рис. 1б) – противотоком. Наконец, если теплоносители, участвующие в теплообменнике, протекают под углом 90⁰ один относительно другого, то такая схема движения называется перекрестным током (рис. 1в). При смешанном токе теплоносители движутся вдоль части поверхности нагрева параллельным током вдоль другой части – противотоком (рис. 1г).

Рис.1а Рис.1б

Рис.1в Рис.1г

Во всех этих случаях температура более горячего теплоносителя, отдающего тепло, уменьшается от до ; температура холодного теплоносителя увеличивается от до ; вследствие этого разность температур (температурный напор) между теплоносителями вдоль поверхности нагрева также будет изменяться от до .

Характер изменения температур при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей показан на рис. 2.

Рис.2а.Прямоток Рис2б.Противоток

Поверхность теплообмена также может различаться по размерам, форме и компоновке. Вследствие всех этих обстоятельств будут различными как частные термические сопротивления теплоотдаче для каждого теплоносителя, так и общее термическое сопротивление теплопередаче. Следовательно, будет различной и интенсивность теплопередачи в теплообменнике.

Интенсивность процесса теплопередачи в теплообменнике, характеризуемой коэффициентом теплопередачи К, между греющей и нагреваемой средами и определяется уравнением:

Q = K _срF (1)

Где Q – мощность теплового потока, Вт; F – поверхность теплообмена, м²; Т_ср – средний температурный напор между греющей и нагревающей средами, ⁰К; К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К).

Средний температурный напор зависит от схемы движения теплоносителей в теплообменнике. При прямом токе и противотоке:

, (2)

где - температурный напор (разность температур обоих теплоносителей) на том конце поверхности теплообменнике, где он больше, - температурный напор на другом конце теплообменника (где он меньше).

Если изменение температур теплоносителей небольшое, Т_б Т_м то можно пользоваться среднеарифметическим температурным напором.

Т_ср = ( Т_б + Т_м)/2 (2а)

При перекрестном токе и в случаях других сложных схем движения теплоносителей величину Т_ср вычисляют по формуле:

Т_ср = Т_{ср.противотока} , (3)

где  коэффициент, который определяют по графикам, составленным для конкретных схем движения (приводятся в справочниках).

Мощность теплового потока Q, отданного горячим и полученного холодным теплоносителем, можно определить из уравнения теплового баланса (пренебрегая потерями тепла в окружающую среду).

Q_г= G_г С_р.г( ) = G_x С_р.г ( ) = Q_x (4)

Где G_г и G_x – массовые расходы греющей и нагреваемой сред, кг/сек; С_р.г и С_р.х – изобарные теплоемкости греющей и нагреваемой сред, кДж/(кг.К).

Таким образом, чтобы вычислить из уравнения (1) значение коэффициента теплопередачи К, необходимо для данного теплообменного аппарата, имеющего поверхность нагрева F, по формулам (2) или (2а) найти средний температурный напор Т_ср; по формуле (4) найти мощность теплового потока.

Описание установки.

На рис.3 изображена схема установки для испытания рекуперативного теплообменника типа труба в трубе.

Рис.3.Схема теплообменного аппарпта.

В качестве греющей среды используется вода, подаваемая из термостата, или из водонагревателя, а нагреваемой- вода из водопровода.

Горячая вода из водонагревателя с температурой , поступает в теплообменник , где она охлаждается до температуры ,в результате передачи части своего тепла, определяемой по формуле (5), холодной воде, которая получает это же количество тепла (см. формулу (6). Температура холодной воды (нагреваемой среды) в теплообменнике повышается от . Расход греющей воды в данной работе регулируется вентилем и определяется ротаметром РТг (из градуировочного графика). Расход нагреваемой воды регулируется вентилем и определяется ротаметром РТх. Мощность теплового потока в теплообменнике определяется по следующим формулам:

Q_г = G_г C_р.г( - ) (5)

Или

Q_x = G_xC_р.х( - ) (6)

Измерение температуры холодной и горячей воды производится термопарами , , и , установленными в соответствующих точках теплообменника, при этом для измерения температур в заданной последовательности ручка многопозиционного переключателя должна соответственно переведена последовательно в следующие позиции: 1,2,3,4 независимо от схемы тока. Нужная схема движения теплоносителей создается с помощью двух трехходовых кранов – регуляторов потока – РП.

Горячая вода в теплообменник поступает из водонагревателя где она нагревается до нужной температуры электрическим нагревателем (ТЭНом), мощность которого регулируется ЛАТРом, а ток и напряжение в цепи нагревателя измеряется амперметром А и вольтметром V. Электрическая цепь включается выключателем В, при этом загорается индикаторная лампочка Л.

Проведения работы.

Предварительно, за час-полтора, установка должна быть включена и должен установиться стационарный режим теплообмена при какой-либо схеме движения теплоносителей (прямоток или противоток). Убедившись в том, что установка включена и работает, необходимо измерить температуры горячего и холодного теплоносителей на входе и выходе, для чего необходимо последовательно устанавливать рукоятку многопозиционного переключателя МП в положения 1,2,3,4 и на шкале милливольтметра МВ считывать значения температур , , и соответственно. Измеренные значения температур записывать в таблицу 1.

Измерения температур в каждом режиме произвести по три раза и найти средние значения. Наряду с измерением температур произвести измерения расходов горячей и холодной воды по ротаметрам РТг и РТх в % и записать в соответствующие графы той же таблицы. Расходы в кг/с определяют по градуировочному графику для данного типа ротаметров.

Таблица 1.Результаты измерений.

№№	Режим движ теплоносителей	Горячая вода				Холодная вода
		расход		Температура		расход		Температура
		%	кг/с	К	К	%	кг/с	К	К
		Gr	Gr			Gx	Gx
1 2 3	Прямоток
Сред
1 2 3	Противоток
Сред

Замеры температур и расходов производить через каждые 5-8 минут. После измерений в первом режиме с ведома преподавателя или лаборанта перейти ко второму режиму и через 20 минут произвести аналогичные измерения и записать в таблицу 1.

После окончания эксперимента сообщить преподавателю и перейти к обработке результатов замеров, которые необходимо производить в лабораторной тетради.

Обработку результатов опыта.

1. Записать средние значения температур холодного и горячего теплоносителей на выходе и входе в соответствующие графы таблицы 2.

2. Нарисовать графики изменения температур по длине теплообменного аппарата с проставлением значений температур теплоносителей на входе и выходе при соответствующих схемах движения .(рис.2).

3. Найти максимальные и минимальные температурных перепадов между горячим и холодным теплоносителями при прямо- и противотоках и занести в таблицу 2.

4. Найти среднелогарифмические (среднеарифметические) температурные напоры и записать в таблицу 2.

5. Найти мощность теплового потока Q при прямотоке и противотоке по формулам:

Q_г = G_г C_р.г( - ) или Q_x = G_xC_р.х( - )

Здесь С_р.г = С_р.х = 4,19 кДж/кг.

При отсутствии тепловых потерь: Q_г = Q_x = Q

При наличии тепловых потерь: Q = Q_x

Значения Q записать в таблицу 2.

6. Найти коэффициент теплопередачи К из формулы (1) для прямо- и противотока и записать в таблицу 2.

К = Q/ Т_ср·F

7.Сделать выводы.

Таблица 2. Результаты обработки.

Наименование		обоз	ед. изм	Прямоток	Противоток
Температура горячей воды	На входе		0С
	На выходе		0с
Температура холодной воды	На входе		С
	На выходе		С
Максимальный температурный напор		ΔТб	С
Минимальный температурный напор		ΔТм	С
Средне логарифмический температурный напор		ΔТср	С
Мощность теплового потока		Q	Вт
Коэффициент теплопередачи		K	Вт/(мК)

Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

1. Краткие теоретические сведения.

2. Таблицу замеров

3. Обработку результатов замеров.

4. Таблицу результатов обработки .

5. Краткие выводы.