Схема экспериментальной установки и методика измерений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Старооскольский технологический институт (филиал)

Федерального государственного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

 

Кафедра металлургии и металловедения

 

 

ТЕПЛОМАССООБМЕН

Лабораторный практикум

 

для студентов

 

бакалавриата по направлению

22.03.02 – «Металлургия»

13.03.01 – «Теплоэнергетика и теплотехника»

 

 

Старый Оскол 2017 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ                    

                                                                                         Стр.

Лабораторная работа №1. Изучение коэффициента теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения в условиях естественной конвекции …………………………..	2
2. Лабораторная работа №2. Определение коэффициента теплоотдачи методом регулярного режима.………………………………...	10
3. Лабораторная работа №3. Определение коэффициента температуропроводности стали методом регулярного режима ……	18
4. Лабораторная работа №4. Исследование теплоотдачи при пузырьковом кипении жидкости.……………………………………………….	30
Лабораторная работа №5. Изучение пластинчатого теплообменника …………………..	38
Лабораторная работа №6. Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции на обогреваемом цилиндре……..     51
Лабораторная работа №7. Исследование теплообмена излучением………………………...	61
Лабораторная работа №8. Исследование теплоотдачи при пленочном режиме кипения жидкости методом регулярного режима. ……	67
9. Лабораторная работа №4. Изучение теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения (вариант,,труба в трубе”).……………………………………………….	80

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИЗУЧЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТЕЧЕНИИ НАГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ В ТРУБЕ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

1.Цель работы:

       Установка позволяет определить средний коэффициент теплопередачи от жидкости к воздуху через гладкую и ребристую стенку при ламинарном течении жидкости в круглого сечения и в условиях естественной конвекции окружающего воздуха.

       Установка так же позволяет определить средний коэффициент теплоотдачи от жидкости к внутренней поверхности трубы и средний коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности трубы в результате конвективного теплообмена к воздуху.

 

Теоретические основы работы.

Гладкая труба.

Так как толщина стенки трубы много меньше её внутреннего (внешнего) диаметра, то коэффициент теплопередачи можно приближённо считать таким же что и через плоскую стенку:

,                  (1)

где        α₁ - коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы;

             α₂ -_ коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности трубы;

             λ- коэффициент теплопроводности материала стенки (для меди λ =390 Вт/м град).

             Учитывая, что величина λ  много больше, чем значение ln (d₂/d₁), можно записать:

                                          (2)

       При вязком течении средний коэффициент теплоотдачи a₁ может быть определен по уравнению:

Nu₁= 1,55(Pe∙d/l)^1/3∙(m_c/m_ж)^0,14×e,

 

где Pe=(w₀×d₁/a) – критерий Пекле, Nu₁=(a₁×d₁/l) – число Нуссельта, m_c - кинематическая вязкость жидкости при температуре стенки, m_ж - кинематическая вязкость жидкости при t=t_c-0,5Dt_ср (Dt_ср – средний температурный напор), e принимается равным единице при данном соотношении l/d.

       Теплоотдача от трубы к воздуху происходит посредством естественной конвекции. При малых температурных напорах вокруг трубы образуется пленка нагретого воздуха. Этот режим называется пленочным. При этом Gr×Pr<1, Nu=0,5 и a₂=0,5(l/d). Теплообмен определяется теплопроводностью воздуха. При увеличении температурного напора возможно разрушение ламинарного течения вокруг трубы. В этом случае расчет коэффициента теплоотдачи a₂ производится по формуле:

Nu₂=1,18×(Gr×Pr)^1/8,

где Gr=g×b∙Dt∙d₂³/n², Pr=n/a=m∙c_p/l, Nu₂=(a₁×d₂/l)

 

2.2  Оребрённая труба.

Тепловой поток через внутреннюю поверхность трубы равен:

Q =a₁(t _ж- t _с) S ₁ ,                                             (3)

где  S ₁ = p Ld ₁ – площадь внутренней поверхности трубы;

=a₁ коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы;

t _С – температура стенки трубы(для медной трубы можно считать, что температура на внутренней поверхности равна (приближённо) температуре на её внешней поверхности;

t _ж – температура жидкости в трубе;

L – длина трубы.

Тепловой поток через внешнюю оребрённую поверхность трубы равен:

Q =a₂(t _С– t _В) S,                                              (4)

где  - a₂коэффициент теплоотдачи на внешней оребрённой поверхности трубы;

t _С – температура стенки трубы;

t _В – температура воздуха около трубы(t_В = t_О);

S – суммарная площадь рёбер и поверхности трубы между рёбрами (S = S₁ + S₂);

S ₁ – площадь внешней поверхности гладкой части трубы равная

S ₂=p d ₂ L –dp d ₂ n (n – число рёбер; d – толщина ребра);

S _P – площадь поверхности ребра равная

S_Р =2p(d_Р ²– d₂ ²)/4.

       Температуру на внешней поверхности трубы можно принять равной температуре на внутренней её поверхности t_с так как величина термического сопротивления теплопроводности медной тонкостенной трубы на несколько порядков меньше величины термического сопротивления теплоотдачи на внешней её поверхности.

       Средняя по длине температура поверхности рёбер определяется из соотношения:

t_С =(t ₆+ t ₅)/2,

       Учитывая соотношение (2) коэффициент теплопередачи через ребристую стенку

можно представить в виде:

,                                       (5)

где: S ₁/ S ₂ – коэффициент оребрения.

Количество тепла переносимое жидкостью за 1 секунду рассчитывается из соотношения:

 

Q = C_pG (t _ж1– t _ж2)/3600                                  (6)

 

где  t _ж1 – температура воды на входе в гладкую или оребрённую трубу;

t _ж2 – температура воды на выходе из гладкой или оребрённоё трубы из трубы.

 

Схема экспериментальной установки и методика измерений.

Схема экспериментальной установки приведена на Рис. 1. На передней панели 1 находится двухканальный измеритель температуры 10 типа ТРМ200, подключённый к восьми хромель-копелевым термопарам (t ₁, t ₂, t ₃, t ₄, t ₅, t ₆, t ₇, t ₈), через переключатель термопар 11, соединённым с первым каналом измерителя температур (красная панель). В нижней части панели находятся три выключателя – «Сеть» 2, «Насос термостата» 3 и «Нагреватель термостата» 4. Рабочим участком является две медные гладкие трубы 5 и две оребрённые трубы 6, соединенные последовательно, через которые циркулирует нагретая в водонагревателе (термостате) (рис. 2) вода. Объёмный расход воды измеряется крыльчатым расходомером 12 (или ротаметром 16 для малых расходов G =(8–10)10^–3л/с). В основном измерения расхода проводятся ротаметром 16, так как при больших расходах температуры на входе t ₁ и выходе t ₄ из системы практически не отличаются. На входном патрубке водонагревателя (термостата) находится кран 19_, регулирующий величину объёмного расхода воды в системе. Циркуляционный насос 18 прокачивает нагретую в водонагревателе (термостате) воду по трубке, соединенной с входным штуцером системы 15. Выходной штуцер 15 соединяется с входным патрубком водонагревателя 22. Для удаления воздуха из системы используются вентили Маевского 23 и 24. Заполнение системы водой производится через расширительный бачок 20 при открытом кранах 19, 14 и 13 и открытом вентиле Маевского 24.

Температура воды в водонагревателе (термостате) регулируется реостатом под крышкой 21 водонагревателя в пределах 25–65 ^оС. Объемный расход воды регулируется краном 19 в пределах 5–40 л/час. Течение жидкости в трубе ламинарное, максимальная скорость w =0.05м/с.

Измеряемые величины:

t ₁ – температура воды на входе в оребрённую трубу;

t ₂ – температура воды на выходе из оребрённой трубы;

t ₃ – температура воды на входе в гладкую трубу;

t ₄ – температура воды на выходе из гладкой трубы;

t ₅ – температура на внешней поверхности оребрённой трубы на её середине;

t ₆    – температура на внешней стороне ребра на середине трубы;

t ₇    – температура на внешней поверхности гладкой трубы на её середине;

t ₈    – температура воздуха вблизи трубы;

G    – массовый расход воды.

 

4. Подготовка установки к работе:

 

1. Заземлить установку.
2. Соединить шланг от штуцера 17 с циркуляционным насосом 18.
3. Соединить шланг от штуцера 15 с входным штуцером водонагревателя 22.
4. Открыть вентиль Маевского 24.
5. Закрыть кран 14 (К1) и открыть кран 13 (К2) на установке.
6. Полностью заполнить дистиллированной водой водонагреватель через расширительный бачок 20. Уровень воды должен быть посередине расширительного бачка 20.
7. Включить установку тумблером 2 «Сеть».
8. Включить на несколько секунд циркуляционный насос тумблером 3. Следует повторять кратковременные включения насоса, наблюдая за измерителем расхода 12 до тех пор, пока его турбина не начнет быстро вращаться, что будет означать заполненность системы. При заполнении системы возможно уровня воды в расширительном бачке 20. В этом случае необходимо доливать воду в расширительный бачок до первоначального уровня.
9. Закрыть вентиль Маевского 24.
10. Включить тумблер 4 «Нагреватель термостата».
11. Включить измеритель температуры 10. При достижении температуры 40–55 ^оС из воды выделяется растворенный в ней воздух. При этом в системе могут образовываться воздушные пробки. Для их удаления необходимо периодически открывать и закрывать вентили Маевского 23 и 24 и периодически включать и выключать насос 18 тумблером 3.
12. При необходимости доливать воду в систему через расширительный бачок 20.
13. Для регулировки температуры в водонагревателе необходимо открыть крышку 21 и установить реостатом большее или меньшее значение мощности водонагревателя. Для этого необходима предварительная торировка, которая проводится лаборантом при первой подготовке установки к работе.