Лабораторная работа №4.

Лабораторная работа №4.
Испытания различных типов теплообменников.
Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы теплообменных
аппаратов различного типа.
Задачи:
1.
Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному.
2.
Проведение анализа факторов, влияющих на оптимизацию процесса
переноса тепла в теплообменниках.
3.
Провести экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи в теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителей.
1. 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), 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.
1
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
(1)
Где Q – количество теплоты, Вт;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/м2·К;
F – площадь поверхности теплообмена, м2;
t - разность температур между двумя теплоносителями.
Рассмотрим теплообменник, по которому циркулируют горячий и холодный
теплоноситель.
Температуру горячего теплоносителя на входе и выходе, соответственно,
обозначим как t1н и t1к. Также температуры холодного теплоносителя на входе и
выходе будут обозначаться, как t2н и t2к.
На рисунке 1.1 показано распределение температур для теплообменника при
прямотоке (а) и противотоке (б).
2
Рис 1.1 Распределение температур по длине теплообменника при
противотоке (а) и прямотоке (б)
Если теплоносители движутся прямотоком, то среднелогарифмическая разность температур между греющей и нагреваемой жидкостями выражается в виде
следующей формулы:
∆tср=
Где
и
(2)
- соответственно, начальная и конечная разности температур
между теплоносителями (на концах теплообменника).
В случае противотока среднелогарифмическая разность температур определяется нижеприведенным соотношением 3:
∆tср=
Где
и
- больший и меньший температурные напоры на концах тепло-
обменников.
Если изменение разности температуры теплоносителей в теплообменном аппарате незначительно, то вместо среднего логарифмического напора можно
воспользоваться среднеарифметическим напором:
t ар  0,5  t н  t к .
При
(3)
t н
 0,6  1,67 – разница между среднеарифметическим и среднелогаt к
рифмическим напорам не превышает 3%.
Коэффициент теплоотдачи k в теплообменных аппаратах обычно определяют 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 из теплообменного аппарата, в противоточном
теплообменнике температурный напор получается наибольшим.
3
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 (4), должно равняться количеству
тепла Q2 (4), полученному холодным теплоносителем:



Q1  V1  1  Cp1  t1  t1 ; Q2  V2   2  Cp2  t2  t2
н к
н
к
Q1  Q2  k  F  t

(4)
(5)
Где Q1 , Q2 - количество теплоты, отданное/принятое теплоносителем;
1 ,  2 - плотности теплоносителей, кг/м3;
Cp1 , Cp2 - удельные теплоемкости теплоносителей, Дж/кг·К;
t1 , t1 - начальная и конечная температура горячего теплоносителя, K;
н к
t 2 , t 2 - начальная и конечная температура холодного теплоносителя, К.
н к
2. Описание лабораторной установки
Основными элементами лабораторной установки (рис.2.1) являются теплообменный аппарат типа «труба в трубе» и пластинчатый теплообменник.
4
Холодная вода
Горячая вода
Рис 2.1. Схема экспериментальной установки:
1 – прокачивающий термостат, 2 – трехходовые краны для смены режимов
«прямоток – противоток», 3 – счетчики расхода горячей и холодной воды, 4 –
регулировочные вентили, 5 – пластинчатый теплообменник, 6– теплообменник
типа «труба в трубе», 7 – датчики температур.
В качестве теплоносителя в установке используется вода.
Линия горячей воды: Движение горячей воды по замкнутому контуру обеспечивается за счет использования прокачивающего термостата 1. Изменение
режимов прямоток-противоток реализуется за счет использования трехходовых
кранов 2. С помощью вентилей 4 выбирается, на какой теплообменник будет
поступать горячая вода. То есть при выполнении лабораторной работы необходимо последовательно измерять значения входных параметров сначала на
теплообменнике «труба в трубе» (вентиль подачи воды 4 на данный теплообменник открыт, второй вентиль подачи на пластинчатый теплообменник –
закрыт), затем на пластинчатом.
После прохождения теплообменника вода
проходит через счетчик расхода 3 и поступает обратно в термостат. Температура
на входе и выходе из теплообменников измеряется с помощью датчиков температуры 7.
5
Линия холодной воды: В установке реализуется проточный тракт холодной
воды. Вода поступает из водопроводной сети, проходит через счетчик расхода 3 и
поступает сначала на теплообменник «труба в трубе» 6, затем на пластинчатый
теплообменник 5. Температура на входе и выходе из теплообменников измеряется с помощью датчиков температуры 7. Стоит заметить, что в отличие от
горячей воды, холодная вода будет постоянно циркулировать по двум теплообменникам.
Смена режимов прямоток-противоток производится с помощью двух трехходовых кранов 2. В режиме прямотока регуляторы двух кранов согласно рисунку
2.2, жидкость движется в направлении 1-2.
К теплообменнику
2
а
2 Вход воды после
Не работает Не работает
3
3
прохождения
теплообменника
1
От термостата
б
1
К термостату
Рис 2.2 Схема положения регуляторов трехходовых кранов в режиме прямотока
Прокачивающий термостат нагревает воду, подогретая вода поступает на
вход 1трехходового крана (рис. 2.1 а) и выходит в направлении 2 к теплообменнику. В данной конфигурации направление 3 не работает. Далее вода поступает в
теплообменники, проходит через счетчик расхода воды и поступает во второй
кран (рис. 2.1 б). Охлажденная вода поступает на вход 2 крана, и выходит в
направлении 1 к термостату. Направление 3 здесь также не работает.
В режиме противотока регуляторы направлены согласно рисунку 2.2.
Не работает
Не работает
К теплообменнику
2
3
3
2
Вход воды после
а
1
От термостата
прохождения
теплообменника
б
1
К термостату
Рис 2.3 Схема положения регуляторов трехходовых кранов в режиме противотока
6
Теплоноситель в этой схеме движется в направлении 1-3. Прокачивающий
термостат нагревает воду, подогретая вода поступает на вход 1 трехходового
крана (рис. 2.3 а) и выходит в направлении 3 к теплообменнику. В данной конфигурации направление 2 не работает. Далее вода поступает в теплообменники,
проходит через счетчик расхода воды и поступает во второй кран (рис. 2.3 б).
Охлажденная вода поступает на вход 3 крана, и выходит в направлении 1 к
термостату. Направление 2 здесь также не работает.
Геометрия теплообменников:
Теплообменник «труба в трубе» (рис 2.4):
Диаметр внутренней трубы (горячая вода) dвн=32 мм, диаметр наружной трубы (холодная вода) dнар=56 мм. Длина рабочего участка, на котором происходит
теплообмен L=600 мм.
dвн
dнар
L
Рис 2.4 Схема теплообменного аппарата «труба в трубе»
Пластинчатый теплообменник:
Измерения :
В работе необходимо будет измерить следующие параметры:
1. Температуры горячей и холодной воды на входе и выходе из пластинчатого теплообменника.
2. Температуры горячей и холодной воды на входе и выходе из теплообменника труба в трубе.
3. Объемные расходы горячей и холодной воды.
7
Для измерения температур теплоносителей служат температурные датчики
TMP36GT9 Т5, Т6, Т7, Т8, установленные на входе и выходе внутренней и
наружной труб. Как было сказано выше, направление потока горячего теплоносителя можно менять с противотока на прямоток. Объемный расход воды можно
определить по счетчику расходы жидкости, как отношение объема жидкости
прошедшей через счетчик за определенный промежуток времени.
За счет использования трехходовых кранов легко реализуются схемы прямотока и противотока для обоих теплообменников. При изменении движения
горячего теплоносителя с прямотока на противоток значения температур Т5 и
Т6 меняются на Т6 и Т5., а для пластинчатого теплообменника Т1 и Т2 на Т2 и
Т1.
Изменение температуры во времени будет регистрироваться в программе Lab
view, интерфейс которой показан на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 Лицевая панель компьютерной системы измерения
Порядок выполнения работы
1.
Подключить стенд к сети 220 В.
8
2.
Включить питание стенда кнопкой «Сеть».
3.
Включить термостат, установив переключатель напротив деления
.
Ознакомиться со схемой лабораторной установки и расположением
4.
приборов. Составить ее описание и подготовить таблицы 1 и 2 (см. ниже) для
регистрации результатов испытаний.
Подготовить установку к испытаниям пластинчатого теплообменника
5.
по прямоточной схеме. Для этого открыть кран подачи горячего теплоносителя к
испытываемому аппарату и полностью перекрыть кран пластинчатого теплообменника. Открыть кран подачи холодной воды. Расходы холодной и горячей воды
должны быть сопоставимы друг с другом.
Не менее чем через 25 минут после включения водонагревателя
6.
подключить компьютер к USB- разъему датчиковой системы измерения ДС-4.
Включить компьютер. Вызвать программу сбора и обработки данных
7.
лабораторной работы «ЛР №4 Испытание теплообменников» и запустить ее
кнопкой «Пуск» на лицевой панели.
При включении компьютерной системы измерения на цифровых
8.
индикаторах лицевой панели (рис. 4.4) отображаются мгновенные значения
температур, измеряемых всеми датчиками, и графики их изменения по времени.
При установлении стационарного теплового режима занести результаты
9.
измерений температуры и расхода в строку 1 в табл. 1 для режима прямотока. С
помощью трехходовых кранов установить режим противотока. Измеренные
значения также занести в табл. 1.
10.
Увеличить
температуру
на
регуляторе
термостата
и
дождаться
установления стационарного режима.
11.
Занести результаты измерений температуры и расхода в строку 2 табл. 1
для режимов прямотока и противотока.
12.
Аналогичную процедуру снятия данных провести для теплообменника
труба в трубе, данные записать в таблицу 2.
9
Определить средний
13.
формуле (2) и
логарифмический
температурный напор по
коэффициент теплопередачи для теплообменников в режимах
прямо- и противотока.
K
Q2
,
Fх  t
Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 1 и 2.
17. Ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по
выполненной работе.
*Площадь поверхности теплообмена(пластинчатый теплообменник) – 0.12м2
Таблица 1. Результаты измерений и вычислений при испытаниях пластинчатого
теплообменника.
Значения измеренных и вычисляемых параметров
№№ Т1
п/п
о
С
Т2
Т4
Т3
о
о
о
С
С
Gг
Gх
Qг
Qх Δtг Δtх
С кг/c кг/c Вт
Вт
о
С
о
С
К
Прим.
Вт/(м2*К)
Прямоток
1
2
Противоток
1
2
Таблица 2. Результаты измерений и вычислений при испытаниях теплообменника труба в трубе.
Значения измеренных и вычисляемых параметров
№№ Т1
п/п
о
С
Т2
Т4
Т3
о
о
о
С
С
Gг
Gх
Qг
Qх Δtг Δtх
С кг/c кг/c Вт
Вт
о
С
о
С
К
Прим.
Вт/(м2*К)
Прямоток
1
10
2
Противоток
1
2
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?
11
ПРИМЕЧАНИЯ (Обязательно прочитать!)
Ниже повторяются важные ключевые моменты необходимые для выполнения работы.
1. Объем горячей воды непрерывно перемещается по контуру с помощью
термостата. Термостат поддерживает постоянную температуру в контуре.
2. Холодная вода берется из водопроводной сети и сливается туда же.
3. С помощью трехходовых вентилей можно изменять направление движения теплоносителя прямоток-противоток.
4. На направление движения воды в системе указывает направление вращения стрелки счетчика расхода горячей и холодной воды.
5. Объемный расход теплоносителя можно определить с помощью счетчика
расхода и секундомера.
6. Сначала измеряются параметры теплообменника труба в трубе (вентиль
подачи горячей воды через пластинчатый теплообменник закрыт), затем
открывается подача воды через пластинчатый теплообменник (вентиль
подачи воды через теплообменник труба в трубе закрывается).
12