Лабораторна робота №1

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ В ТЕПЛООБМІННИКУ З U-ПОДІБНИМИ ТРУБАМИ

Мета: вивчення конструкції, принципу роботи й методи­ки проектного розрахунку теплообмінника з U-подібними трубами.

1. ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕННЯ

1) порівняння дійсного значення коефіцієнта теплопередачі в теплообмін­нику з U - подібними трубами, визначеного з основного рівняння теплопередачі, з коефіцієнтом теплопередачі, одержаним розрахунковим шляхом з викорис­танням критеріальних рівнянь;

2) визначення площі теплообмінної поверхні та її порівняння з дійсною площею поверхні досліджуваного теплообмінника.

2. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Якщо два середовища з різною температурою межують з твердою непрони­кною стінкою, тепловий потік Q від більш нагрітого середовища до менш нагріто­го є пропорційним середньому температурному напору ∆t_т й площі поверхні стінки F, що їх розмежовує:

Q=k∆t_mF (1.1)

Рівняння (1.1) має назву основного рівняння теплопередачі, а коефіцієнт пропорційності k - коефіцієнт теплопередачі, який характеризує загальну ін­тенсивність процесу передачі теплоти крізь стінку й дорівнює кількості тепло­ти, що передається за одиницю часу від одного середовища до іншого крізь одиницю площі теплообмінної поверхні при одиничній рушійній силі.

Примітка. У рівняння (1.1) входить площа теплообмінної поверхні з боку меншого коефіці­єнта тепловіддачі.

Коефіцієнт k для плоскої стінки, що складається з одного шару, можна

визначити за формулою, одержаною розв'язанням диференціального

рівняння теплопровідності за межевих умов III роду:

k= (1.2)

де α₁ - коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до теплообмінної поверхні, Вт/ м²К); δ_с - товщина стінки, яка розмежовує середовища, м; λ_с - коефіцієнт теплопровідності мате­ріалу стінки, Вт/(м*К); α₂- коефіцієнт тепловіддачі від теплообмінної поверхні до холодно­го теплоносія, Вт/(м²К).

Якщо теплопередача здійснюється крізь циліндричну стінку, співвідношення зовнішнього d_ext і внутрішнього d_int діаметрів якої менше двох, тобто

d_ext /d_int < 2 (1.3)

рівняння (1.2) з точністю, достатньою для інженерних розрахунків, можна вико­ристовувати і для розрахунку процесу теплопередачі крізь циліндричну стінку.

Величина, обернена коефіцієнту теплопередачі, називається загальним термічним опором R.Для одношарової плоскої стінки:

R = R₁ + R_c + R₂ (1.4)

де R₁ = 1/α₁, R_с = δ_c/λ_c, R2 = 1/α₂ — часткові термічні опори, що мають місце відповідно на межі контакту більш нагрітого середовища зі стінкою, в матеріалі стінка й на межі контакту менш нагрітого середовища зі стінкою на її протилежному боці, м^2*К/Вт.

Середній температурний напір (або середня рушійна сила теплопередачі), який входить у основне рівняння теплопередачі (1.1), обчислюється за формулою:

∆t_m = (1.5)

де ∆t_max та ∆t_min - відповідно більша і менша різниця температур на кінцях теплообмінника, °С.

3. ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

Експериментальна установка (рис.1) складається з теплообмінника з U- подібними трубами 1, парового котла 2, арматури й вимірювальних приладів.

Теплообмінник 1 призначено для нагрівання води, яка надходить у його трубний простір, водяною парою, що конденсується в міжтрубному просторі. Теплообмінна поверхня теплообмінника складається з трьох з’єднаних послі­довно мідних U - подібних труб 12x1,5 мм загальною довжиною 2,5 м. Живлен­ня теплообмінника грійною парою здійснюється двома зустрічними потоками під його верхньою кришкою. Корпус теплообмінника сталевий, діаметром 0,08 і висотою 0,8 м. Нижня частина теплообмінника править за збірник конденсату, а верхню обладнано повітряним клапаном 3.

Рис.1. Принципова схема експериментальної установки:

1 - теплообмінник з U-подібними трубами; 2 - паровий котел; 3 - повітряний клапан; 4 - кран живлення парового котла; 5 - елект­ронагрівач, б - запобіжний клапан; 7 - сепаратор; 8 - клапан регулювання витрати води; 9 - ро­таметр; 10 – клапан регулювання витрати пари; 11 - манометр; 12 - мірне скло; 13 – термометри.

Паровий котел 2 призначено для генерування насиченої водяної пари, якою здійснюється підігрів води в теплообміннику 1. Живлення котла водою здійснюється з водопровідної мережі за допомогою крана 4. У нижню частину котла 2 вмонтовано електронагрівач 5, а у верхній встановлено запобіжний клапан 6. Щоб забезпечити гарантоване живлення теплообмінника 1 сухою, на­сиченою парою, на її магістралі встановлено сепаратор 7.

Витрата води в теплообміннику регулюється клапаном 8 і вимірюється ротаметром 9. Витрата грійної пари регулюється клапаном 10. З метою контро­лювання тиску паровий котел і міжтрубний простір теплообмінника обладнано манометрами 11. Рівень конденсату в міжтрубному просторі теплообмінника й рівень води в паровому котлі визначається за мірним склом 12. Для вимірю­вання температури нагріваної води на вході в трубний простір теплообмінника й виході з нього встановлено термометри 1З.

4. ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

1. Перед пуском установки перевірити її заземлення, справність арматури й наявність води в паровому котлі.

2. Пуск установки й змінення будь-яких параметрів здійснювати тільки з дозволу викладача.

3. Слідкувати за тим, щоб тиск пари не перевищував у котлі 0.2 МПа, в теплообміннику - 0,04 МПа.

4. Не торкатися неізольованих частин установки.

5. При будь-яких порушеннях у роботі установки звернути на них увагу учбово-допоміжного персоналу або викладача.

5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ І ГОЛОВНІ ВИМІРЮВАННЯ

Увага! Усі вимірювання параметрів процесу здійснюється тільки після виводу установи в сталий режим (через 3-5 хвилин після останнього змінення будь-якого з параметрів процесу).

1. За допомогою відповідних регулювальних клапанів установити й під­тримувати протягом досліду:

Ø за манометром у верхній частині теплообмінника – надлишковий тиск у між трубному просторі теплообмінника в діапазоні 0,1-0,4 кгс/см²;

Ø за ротаметром - витрату нагрівної води в межах 20-80 поділок;

Ø за мірним склом у нижній частині теплообмінника - рівень конденсату в міжтрубному просторі не більше 20 поділок.

2. Визначити:

Ø за термометрами - температуру нагріваної води на вході в трубний простір теплообмінника t_B', °С, і температуру нагріваної води на виході з трубного простору теплообмінника t_B", °С;

Ø за барометром, який знаходиться в лабораторії - атмосферний (бароме­тричний) тиск p_б, мм рт. ст;

Ø за манометром у верхній частині теплообмінника - надлишковий (ма­нометричний) тиск у міжтрубному просторі теплообмінника р_M, кгс/см²;

3. Обчислити абсолютний тиск у міжтрубному просторі теплообмінника, МПа:

р = 0,098*(p_б/735 + р_M); (5.1)

4. Визначити температуру насиченої водяної пари t_п, °С, за табл. Д.2 від­повідно до її абсолютного тиску р.

5. Обчислити об’ємну витрату води V*, м³/с, за тарувальним графіком, який знаходиться на лабораторному стенді.

6. Повторити п.1-5 п’ять-сім разів, змінюючи кожного разу витрату нагріваної води за ротаметром на 5-10 поділок.

7. Результати експериментальних досліджень занести в Табл.2.

Таблиця 2

Результати експериментальних досліджень

Дос­лід	Температура	Об’ємна витрата	Тиск	Темпера­тура грійної пари
нагріваної води	баро­мет­ричний pб, мм рт.ст	маноме­т­рич­ний	абсо­лют­ний
на вході tB'	на виході tB"	VB
°С	поді­лок	м3/ кг