Лабораторна робота № 1
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛООБМІНУ В КОНВЕКТИВНИХ ПОВЕРХНЯХ ЖАРОТРУБНОГО КОТЛА
Мета роботи
Провести дослідження шляхом визначення коефіцієнту теплопередачі від рідини до газу через одношарову циліндричну стінку.
Дослідити залежність коефіцієнта тепловіддачі конвекцією від швидкості газового потоку і діаметра трубопроводу.
Теоретичні відомості
У конвективних поверхнях водогрійних котлів і парогенераторах домінує конвективний теплообмін між теплоносієм (продуктами згоряння палива) і водою, що рухається в трубах. В жаротрубних котлах і парогенераторах теплоносій рухається в трубах, а вода омиває нагріті труби.
У кожному випадку теплообмін здійснюється між двома середовищами, що рухаються і розділені поверхнею теплообміну. В таких випадках процеси конвективного теплообміну з обох сторін поверхні, що розділяє, доповнюються процесами теплопровідності в матеріалі стінки [1]. Якщо система знаходиться в стаціонарному тепловому стані, то тепловий потік через поверхню теплообміну від одного середовища, що рухається, до другого може бути розрахований за формулою [2, 3]:
, (1.1)
де tp – температура середовища (рідина), що віддає тепло, °С;
tг – температура середовища (повітря, газ), що отримує тепло, °С;
aр – коефіцієнт тепловіддачі від середовища з температурою tp до поверхні стінки, що розділяє, Вт/(м2×К);
aг – коефіцієнт тепловіддачі від внутрішньої поверхні стінки до середовища, що нагрівається, Вт/(м2×К);
s – товщина стінки, що розділяє;
l – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/(м×К);
F – поверхня теплообміну, м2.
Якщо ввести позначення:
, (1.2)
то після підстановки його в рівняння (1.1) отримаємо:
. (1.3)
Величина К має таку ж розмірність, як і a, вимірюється в таких самих одиницях і називається коефіцієнтом теплопередачі. Він характеризує інтенсивність передачі теплоти від одного середовища до другого через стінку, що їх розділяє, і чисельно відповідає кількості теплоти, яка передається через одиницю поверхні стінки в одиницю часу за різниці температур між середовищами, що обмінюються теплом, в один градус.
Дослідна установка
Установка (рис. 1.1) складається з таких основних приборів та устаткувань: теплообмінник водо-газовий, нагнітачі повітря, газовий лічильник і регулятори напруги. Основною частиною установки являється водо-газовий теплообмінник 4, корпус якого виконано із циліндричної труби Æ 149+4,5 мм, всередині якої розміщені теплообміні труби різних діаметрів: Æ 25, 29, 36 мм. Вибір таких розмірів діаметру обумовлений їх застосуванням в конвективних поверхнях котлів. Довжина труб в теплообміннику однакова – 150 мм. Внутрішній простір в теплообміннику між трубами заповнено водою, температура якої за допомогою електричного нагрівача 6 підтримується постійною, приблизно рівною 100°С. Для цього весь корпус теплообмінника покрито тепловою ізоляцією із волокнистих матеріалів, товщиною приблизно 30 мм. Для врахування розширення води при нагріві корпус оснащений розширювачем 7, який розміщений в верхній частині теплообмінника. За допомогою нагнітачів повітря 2 через трубки різних діаметрів (Æ 25, 29, 36 мм) почергово продувається повітря, кількість якого на вході в трубу виміряється газовим лічильником 3. Температура повітря на вході і виході з труби виміряється за допомогою термометрів 8. Температура нагрітої води контролюється також за показниками термометра, який розміщено в розширювачі 7.
Рис. 1.1 – Схема дослідної установки: 1 – регулятор напруги; 2 – нагнітачі повітря; 3 – газовий лічильник; 4 – корпус установки; 5 – теплова ізоляція; 6 – електронагрівачі; 7 – розширювач; 8 – термометри
Витрати повітря, що продувається почергово через труби, регулюються регулятором напруги 1.
Методика проведення дослідження
Перевірити, що установка заземлена і в теплообміннику набрана вода. Щоб зменшити корозійні процеси всередині теплообмінника воду необхідно використовувати тільки очищену, після дистилятора. Після перевірки заземлення включається електричний нагрівач теплообмінника потужністю ~ 1 кВт. Температура нагріву води контролюється термометром, розміщеним в розширювачу.
Коли температура води досягне 100°С і вона закипить, виключається вентилятор для подачі повітря в одній з труб теплообмінника. Приблизно через 2–3 хвилини встановиться стаціонарний тепловий стан (температура в усіх точках системи в часі буде залишаться постійною) і тоді фіксуються показники газового лічильника і усіх термометрів.
Через 1–2 хвилини знову фіксуються показники лічильника. За різницею показників лічильника в кінці і на початку виміру визначається кількість повітря, яке пройшло через трубу за годину досліду. Регулятором напруги змінюється кількість повітря, що поступає від нагнітачів в дослідну трубу (не менше 3-х разів) і після встановлення стаціонарного стану в кожному випадку виконуються всі виміри.
Такі виміри виконують і на двох других трубах. Результати вимірів заносяться в табл. 1.1.
Таблиця 1.1 – Результати вимірів
| № досліду, п/п | Діаметр труби, мм | Показники лічильника, м3/c | Час досліду, τ, с | Витрати повітря на дослід, DV=V²‑V¢ |  температура повітря на вході, °С
|  температура повітря на виході, °С
| |
| на початку досліду, V¢ | в кінці досліду, V² | ||||||
Розрахункова частина
1. Витрати повітря за час досліду з урахуванням збільшення його об’єму при нагріванні:
, м3/с.
2. Підвищення питомої ентальпії повітря.
, кДж/м3,
де 
, 
– середні питомі теплоємності повітря при постійному тиску в інтервалі температур (0– tвих)–(0– tвх). Значення питомої теплоємності повітря залежно від температури наведені в Додатку 1.
3. Кількість тепла, отриманого повітрям при проходженні через теплообмінник:
, кДж (Вт).
4. Густина теплового потоку від води до повітря через стінку труби:
, Вт/м2,
де F – розрахункова поверхня трубки, по якій проходить повітря.
Розрахункова поверхня теплообміну F визначається залежно від форми тіла. Для полого циліндра:
а) якщо 
, то 
;
б) якщо 
, то 
.
; 
; 
.
5. Середньологарифмічна різниця температур води і повітря:
,
де 
– різниця температури води і повітря на вході в теплообмінник, °С; 
– різниця температури води і повітря на виході з теплообміннику, °С.
6. Середній коефіцієнт теплопередачі від води до повітря через стінку труби:
, Вт/(м2×К).
7. Визначення коефіцієнта тепловіддачі. Якщо один із коефіцієнтів тепловіддачі (1,2) (в даному випадку aг) значно менше другого (aр =2000 
4000) і тепловий опір стінки s/l малий (так l для металу становить 30 50 Вт/(м×К), а товщина стінки труби (0,004¸0,005 м), то:
, (1.4)
Відповідно, приблизно можна стверджувати, що
. (1.5)
Для перевірки умови (1.5) необхідно визначити коефіцієнт тепловіддачі для одного з дослідів. Із формул (1.2) маємо:
. (1.6)
Якщо в рівняння (1.6) підставити значення всіх параметрів, що входять до нього, то отримаємо для даного досліду розрахункове значення aг. Дотримуючись умови (1.5) для других дослідів, приймаємо:
, 
і т.д.
Швидкість повітря в трубі може бути визначена за рівнянням:
, м/с,
де 
– середня температура повітря по всій трубі, вона може бути визначеною за рівнянням:
.
Отримані дані заносимо в табл. 1.2 і будуємо графічну залежність 
для кожної труби в одних координатах.
Таблиця 1.2
| Діаметр труби, м | № п/п | 
|
| D i | Q | D tср | a | 
|
| d = 0,025 | ||||||||
| d = 0,029 | ||||||||
| d = 0,036 |
Вимоги до звіту про роботу
В звіт необхідно включити:
1. Мету роботи та її назву.
2. Порядок проведення дослідів і вимоги до техніки безпеки.
3. Рисунок і короткий коментар до дослідної установки.
4. Розрахункові формули з прикладами розрахунків для одного з дослідів.
5. Таблиці 1.1 і 1.2.
6. Графічну залежність , побудовану в одних координатах для всіх труб.
7. Висновки про роботу.
Примірні контрольні питання для захисту лабораторної роботи
1. Які вимоги з техніки безпеки необхідно виконувати в цій роботі?
2. Поясніть будову теплообмінника за схемою і на установці.
3. Обґрунтуйте, що характеризує коефіцієнт теплопередачі в жаротрубному котлі?
4. Якими законами можливо описати передачу тепла від електричного нагрівача до повітря, що рухається по внутрішній трубі теплообмінника?
5. Які необхідні прилади та як виміряються витрати повітря?
6. Обґрунтуйте, що таке тепловий потік і його напрям в установці?
7. З якого матеріалу виконана обмурівка теплообмінника? Як вона може впливати на напрям теплового потоку?
8. Які параметри в цій установці характеризують стаціонарний і нестаціонарний стан процесів теплопередачі?
9. Як визначити кількість тепла, отриманого повітрям в теплообміннику?
10. Чому при визначенні коефіцієнта теплопередачі розраховується середньологарифмічна різниця температур води і повітря в теплообміннику?
Список літератури
1. Тепловой расчет промышленных парогенераторов / Под ред. В.И. Частухина. – К.: Вища шк., 1980. – 182 с.
2. Исаленко В.Г., Осыпова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975. – 416 с.
3. Мак-Адамс В.Х. Теплопередача. – М.: Энергия, 1965.
Додаток 1
Теплофізичні властивості сухого повітря при Рат = 760 мм рт.ст
| °С | Ср, кДж/(кг×К) | λ ×102, Вт/(м×K) | n ×106, м2/с | r,кг/м3 | |
| 1,006 | 2,44 | 13,28 | 1,293 | ||
| 1,005 | 2,51 | 14,16 | 1,247 | ||
| 1,005 | 2,59 | 15,06 | 1,205 | ||
| 1,005 | 2,67 | 16,00 | 1,165 | ||
| 1,005 | 2,76 | 16,96 | 1,28 | ||
| 1,005 | 2,83 | 17,95 | 1,093 | ||
| 1,005 | 2,90 | 18,97 | 1,060 | ||
| 1,009 | 2,96 | 20,02 | 1,029 | ||
| 1,009 | 3,05 | 21,09 | 1,00 | ||
| 1,009 | 3,13 | 22,10 | 0,972 | ||
Лабораторна робота № 2
Дослідження теплової роботи та розрахунок
