Перед проведением работы студенты должны пройти инструктаж по технике безопасности (Приложение В).
Устанавливают расход воды (молока или пива), заданный преподавателем и только затем продувают паром межтрубное (кольцевое) пространство теплообменника в течение 5…10 минут. После продувки определяют заданный расход пара и постоянное (избыточное) давление пара (£ 0,3 атм.). Через каждые 2…5 минут записывают показания термометров. Измеренные величины заносят в таблицу 2.1. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры нагреваемой среды примут постоянные значения.
Таблица 2.1 – Опытные данные
| Измеряемая величина | Время замера | |||||
| Давление пара Ризб, кгс/см2 | ||||||
| Расход холодного теплоносителя V, м3/с | ||||||
| Начальная температура воды tН, оС | ||||||
| Конечная температура воды tК, оС |
2.7 Обработка опытных данных
2.7.1 Вариант 1 – Определение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке
2.7.1.1 По известному давлению водяного пара находят температуру его конденсации и удельную теплоту парообразования (таблица Г.2 Приложения Г). Найденные табличные величины заносят в таблицу 2.2.
2.7.1.2 Определяют большую и меньшую разности температур на концах теплообменника по формулам:
;
,
полученные значения заносят в таблицу 2.3.
2.7.1.3 Среднюю разность температур определяют по формуле (1.8) или по формуле (1.9).
2.7.1.4 Температуру стенки рассчитывают по формуле (2.14).
2.7.1.5 Определяют среднюю температуру пленки конденсата:
.
2.7.1.6 Плотность, теплоемкость и кинематическую вязкость пленки конденсата находят по таблице А.1 (Приложение А) при средней температуре пленки конденсата, и значения заносят в таблицу 2.2.
2.7.1.7 Коэффициент теплоотдачи высчитывают по формуле (2.12); полученное значение коэффициента теплоотдачи сравнивают с литературными данными (ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара на наружной поверхности горизонтальной трубы составляет от 9300 до 15000 Вт/м2·К).
Таблица 2.2 – Физические параметры пара и пленки конденсата
| Наименование | Размерность | Значение |
Температура конденсации пара, 
| 0С | |
| Удельная теплота парообразования, r | Дж/кг | |
| Плотность конденсата, ρ | Кг/м3 | |
| Теплопроводность конденсата, λ | Вт/м·К | |
| Кинематическая вязкость конденсата, ν | м2/с |
Таблица 2.3 – Расчетные величины
| Наименование | Обозначение, размерность | Значение |
| Разность температур | 
| |
| ||
| Средняя разность температур | 
| |
| Температура стенки |  , 0С
| |
| Температура пленки конденсата |  , 0С
| |
| Коэффициент теплоотдачи |  , Вт/м2·К
|
2.7.2 Вариант 2 – Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к воде (молоку, пиву)
2.7.2.1 По известному давлению водяного пара находят температуру его конденсации (таблица Г.2 Приложения Г).
2.7.2.2 Определяют большую и меньшую разности температур на концах теплообменника по формулам:
;
.
2.7.2.3 Среднюю разность температур определяют по формуле (1.8) или по формуле (1.9).
2.7.2.4 Среднюю температуру воды (молока или пива) в теплообменнике определяют по формуле:
.
2.7.2.5 Определяют среднюю скорость жидкости из уравнения расхода:
,
где S – площадь поперечного сечения внутренней трубы, м2.
2.7.2.6 Вычисляют значение критерия Рейнольдса по формуле (2.9). Все теплофизические параметры жидкости берут при ее средней температуре.
2.7.2.7 В зависимости от режима движения воды в трубах выбирают расчетную формулу (2.6 – 2.8) для определения критерия Нуссельта.
2.7.2.8 Находят коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости из критерия Нуссельта (2.10); полученное значение коэффициента теплоотдачи сравнивают с литературными данными (ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи при вынужденном турбулентном течении в трубах и каналах составляет от 1200 до 5800 Вт/м2·К).
Все расчетные величины заносят в таблицу 2.4.
Таблица 2.4 – Вычисляемые величины
| Наименование | Обозначение, размерность | Значение |
| Разность температур |
| |
|
| ||
| Средняя разность температур |
| |
| Средняя температура жидкости |  , 0С
| |
| Средняя скорость жидкости | w, м/с | |
| Критерий Рейнольдса | Re | |
| Критерий Нуссельта | Nu | |
| Коэффициент теплоотдачи | , Вт/м2·К
|
2.7.3 Вариант 3 – Расчет КПД теплообменника
2.7.3.1 По известному давлению водяного пара находят температуру его конденсации (таблица Г.2 Приложения Г).
2.7.3.2 Определяют большую и меньшую разности температур на концах теплообменника по формулам:
;
.
2.7.3.3 Среднюю разность температур определяют по формуле (1.8) или по формуле (1.9).
2.7.3.4 Среднюю температуру воды (молока или пива) в теплообменнике определяют из уравнения: .
2.7.3.5 Количество тепла, переносимого от пара к воде, находят из уравнения теплового баланса (2.4).
2.7.3.6 Вычисляют коэффициент теплопередачи опытный из формулы (2.1).
2.7.3.7 Определяют расход греющего пара из уравнения теплового баланса, при этом учитывают степень сухости пара х = 0,95: 
.
2.7.3.8 Вычисляют значение коэффициента теплоотдачи от пара к наружной поверхности стенки из уравнения (2.14). Все теплофизические характеристики конденсата греющего пара берут при температуре пленки конденсата: .
2.7.3.9 Вычисляют значение критерия Рейнольдса. При расчете среднюю скорость воды определяют из уравнения расхода.
2.7.3.10 В зависимости от режима движения воды в трубах выбирают расчетную формулу (2.6 – 2.8) для определения критерия Нуссельта.
2.7.3.11 Находят коэффициент теплоотдачи от наружной отдачи стенки к воде из критерия Нуссельта (2.10).
2.7.3.12 Рассчитывают термическое сопротивление стенки и загрязнения по уравнениям:
,
где 
– толщина стенки ( = 2,5·10-3 м);
– коэффициент теплопроводности стенки ( = 46,5 Вт/м∙К);
,
где 
– толщина загрязненной по одну сторону стенки ( = 0,5 мм);
– коэффициент теплопроводности загрязнений ( = 2 Вт/м∙К).
2.7.3.13 Значение коэффициента теплопередачи определяют из уравнения (2.2).
2.7.3.14 Используя расчетные значения коэффициента теплопередачи и действительной поверхности теплообмена, определяют возможную тепловую нагрузку аппарата по формуле (2.1).
2.7.3.15 Определяют КПД теплообменника:
η = (Q/Q´) ·100%.
Все вычисленные значения заносят в таблицу 2.5.
2.7.3.16 Определяют лимитирующую стадию переноса тепла и находят пути интенсификации процесса.
Таблица 2.5 – Вычисляемые величины
| Наименование | Обозначение, размерность | Значение |
| Разность температур |
| |
|
| ||
| Средняя разность температур |
| |
| Средняя температура жидкости | , 0С
| |
| Тепловая нагрузка аппарата (опытная) | Q, Вт | |
| Коэффициент теплопередачи опытный | К, Вт/м2·К | |
| Расход греющего пара | D, кг/с | |
| Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке | 1, Вт/м2·К
| |
| Средняя скорость жидкости | w, м/с | |
| Критерий Рейнольдса | Re | |
| Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде (молоку, пиву) | 2, Вт/м2·К
| |
| Коэффициент теплопередачи расчетный | К´, Вт/м2·К | |
| Тепловая нагрузка аппарата (опытная) | Q´, Вт | |
| КПД теплообменника | η, % |
2.8 Контрольные вопросы
1. Какие существуют механизмы переноса тепла?
2. Коэффициент теплоотдачи. От чего зависит значение коэффициента теплоотдачи?
3. Какие критерии теплового подобия вы знаете?
4. Движущая сила тепловых процессов.
5. Уравнения теплового баланса.
6. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.
7. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки кожухотрубчатых теплообменников (одноходовых и многоходовых).
8. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки двухтрубных теплообменников.
9. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки змеевиковых теплообменников.
10. Устройство, принцип действия, достоинства и недостатки оросительных теплообменников.
13. Схема проектного расчета поверхностных теплообменников.
14. Схема проверочного расчета поверхностных теплообменников.
Тестовые задания
1. Теплопередача – это...
а) самопроизвольный перенос тепла от более нагретого слоя к менее нагретому;
б) перенос тепла от среды к стенке и наоборот;
в) перенос тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой через разделяющую их теплопроводящую стенку.
2. Как изменяется значение удельной теплоты парообразования жидкости r (Дж/кг) с повышением давления в системе?
а) повышается;
б) уменьшается;
в) остается неизменным.
3. С повышением давления расход пара на нагревание тела при прочих равных условиях…
а) уменьшается;
б) увеличивается;
в) не изменяется.
4 Термическим сопротивлением стенки толщиной δ и с теплопроводностью λ является:
а) 1/λ;
б) λ/δ;
в) δ/λ;
г) 
.
5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи при конденсации на ней пара?
а) не влияет;
б) с увеличением длины трубы значение α увеличивается;
в) с увеличением длины значение α уменьшается.
6. Как влияет число горизонтальных труб (n) в пучке на коэффициент теплоотдачи при конденсации пара?
а) не влияет;
б) с увеличением числа n увеличивается значение α;
в) с увеличением числа n уменьшается значение α.
7. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…
а) не зависит от их взаимного расположения;
б) больше при «коридорном» расположении;
в) больше при «шахматном» расположении.
8. Основное уравнение стационарной теплопередачи для холодильника имеет вид:
а) Q = αS(t1-t2);
б) Q = KS(t1-t2);
в) Q = αS(t1-t2)t;
г) Q = λ/δS(t1-t2;);
д) Q = KSΔtср.
9. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…
а) всегда;
б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;
в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.
10. Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла передается в единицу времени через 1 м2 теплопередающей поверхности при разности температур в 1 К…
а) от теплоносителя к стенке;
б) от стенки к теплоносителю;
в) от горячего теплоносителя к холодному.
11. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…
а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;
б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;
в) термического сопротивления наибольшее;
г) термического сопротивления наименьшее;
д) коэффициента теплопроводности наименьшее.
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 «ИССЛЕДОВАНИЕ
ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА» (4 ЧАСА)
3.1 Цель работы
3.1.1 Экспериментальным путем найти критериальное уравнение конвективного теплообмена при свободном движении воздуха около теплопередающей трубы.
3.1.2 Сравнить полученные результаты с литературными данными.
