Лабораторная работа - Тепловые испытания рекуперативнового секционного теплообменника - файл n1.doc

Лабораторная работа - Тепловые испытания рекуперативнового секционного теплообменника
скачать (9112 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc9112kb.03.11.2012 04:57скачать

n1.doc

Расчетно-графическая работа №1

«Тепловое испытание рекуперативного секционного теплообменника»

Введение.

Секционные теплообменники типа «труба в трубе» являются разновидностью кожухотрубчатых рекуперативных теплообменников непрерывного действия. Секционные трубчатые теплообменники при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплоотдачи по сравнению с обычными теплообменниками.

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам.

Недостатки секционных теплообменников:

Достоинства секционных теплообменников: компактность и высокий коэффициент теплопередачи.

Цель работы.

Работа предусматривает определение следующих величин:

  1. температур по тракту движения воды и воздуха;

  2. тепловых потерь и коэффициентов совершенства теплообменника (коэффициента удержания теплоты и технологического КПД);

  3. теплопроизводительности аппарата;

  4. опытных и расчетных коэффициентов теплоотдачи для каждой секции с обеих сторон теплообменной поверхности;

  5. опытных и расчетных коэффициентов теплопередачи для каждой из секций и всего теплообменника.

Экспериментальная часть.

Испытываемый секционный теплообменник является воздухоохладителем и состоит из двух секций (рис.1). Количество трубок, составляющих поверхность нагрева, - четыре. Трубки латунные, длиной 0,8 м. По трубному пространству движется воздух, предварительно подогретый в электровоздухоподогревателе. По межтрубному пространству пропускается водопроводная вода.

Количество подводимой к электровоздухоподогревателю электроэнергии измеряется амперметром и вольтметром.

Расход воздуха, поступающего от вентилятора (пылесоса), определяется по величине перепада давления на диафрагме. Перепад давления измеряется жидкостным U-образным манометром.

Расход воды определяется с помощью мерного сосуда и секундомера и регулируется вентилем на водопроводе.

Температуры теплоносителей измеряются хромель-алюмелевыми термопарами, подключенными через переключатель к милливольтметру. Температура воздуха измеряется в точках 1, 2, 3, и 4, а воды – в 7, 8, и 9 (рис.1). Температура стенок труб поверхностей нагрева измеряется термопарами, зачеканенными в тело трубы в очках 5 и 6. Все термопары имеют общий холодный спай, который выведен в точку 9 и имеет температуру холодной воды. Поэтому к значениям температур во всех точках необходимо прибавлять температуру холодной воды, которую измеряют жидкостным термометром.





Но-

мер

за-

мера

Перепад

давле-

ния ∆Р,

мм.вод.

ст.

Вели

чина

тока

I, А

На-

пря-

же-

ние

U,В

Темпера

тура хол.

воды по

термо-

метру, 0С

Температура в точках, mV/0C

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рас-

ход

воды,

л/мин

Воздух

Стенка

Вода

До

на-

грева

После

на-

грева

За

1

сек

За

2

сек

1 сек

2 сек

На

выхо

де

Между

сек-

циями

На вхо

де

1

2

3

28

5,5

238

110

0,3

0,35

0,35

3,7

3,7

3,7

2,2

2,1

2,1

0,3

0,3

0,3

0,4

0,4

0,4


0

0,7

0,7

0,7




0,1

0,1

0,1

0,5л.

сред-

нее













31

153

73

30

42

33

45

30

22







Рис.2 Узел соединения колена с секцией теплообменника

Обработка опытных данных.

  1. По рис 3 определить расход воздуха V, м3/ч и сделать перерасчет на м3/с.

  2. Сделать пересчет расхода воды Vв с л/мин на м3/с.

  3. Определить количество теплоты, выделяющейся в электроподогревателе

Qэл.= I·U = 5,5·238 = 1309 Вт,

где I – величина тока, А;

U – напряжение, В.


  1. Определить количество теплоты, идущей на подогрев воздуха в воздухоподогревателе

Q=V·?·CP·(t1-t2) = 7,5·10-3·1,205·1,01·(153-30) = 1123 Вт,

где V = 27 м3/ч = 7,5·10-3 м3/с – расход воздуха при tком = 20 0С;

? = 1,205 кг/м3 – плотность воздуха при температуре tком = 20 0С;

CP = 1,01 кДж/кг·град– удельная теплоемкость при средней температуре воздуха


  1. Потери теплоты в окружающую среду воздухонагревателем составят

Qn=Qэл· Q = 1309-1123 = 186 Вт.

  1. Коэффициент удержания теплотв воздухонагревателем, характеризующий качество изоляции

?= Q·100/ Qэл = 1123·100/1309 = 86 %.

  1. Количество теплоты, отдаваемый воздухом воде в каждой секции (теплопроизводительность секций)

I секция QI =V·?·CP·(t2-t3) = 7,5·10-3·0,946·1,01·(153-73) = 550 Вт,

где ? =0,946 кг/м3–плотность воздуха при средней температуре воздуха tср=0C;

CP = 1,01 кДж/кг·град– удельная теплоемкость при средней температуре воздуха.
II секция QII =V·?·CP·(t3-t4) = 7,5·10-3·1,093·1,01·(73-30) = 360 Вт,

где ?=1,093 кг/м3–плотность воздуха при средней температуре воздуха tср=0C;

CP = 1,01 кДж/кг·град– удельная теплоемкость при средней температуре воздуха.


  1. Теплопроизводительность теплообменника по греющему теплоносителю

Q=QI+QII=550+360=910 Вт.

  1. Количество теплоты, полученное водой в каждой секции (теплопроизводительность секций)

I секция QвI =Vв·?в·CвP·(t7-t8) = 7,5·10-6·993,96·4,19·(45-30) = 468,3 Вт Вт,

где Vв = 0,5 л/мин = 7,5·10-6 м3/с – расход воды;

?в = 993,96 кг/м3 – плотность воздуха при температуре tср=0C;

CвP =4,19 кДж/кг·град – удельная теплоемкость воды.
II секция QвII =Vв·?в·CвP·(t8-t9)= 7,5·10-6·0,995,67·4,19·(30-22) = 250,31 Вт Вт,

где ?в = 995,67 кг/м3 – плотность воздуха при температуре tср=0C;

  1. Теплопризводительность аппарата по нагреваемому теплоносителю

Qв=QвI+QвII = 468,3+250,31=718,6 Вт.

  1. Технологический коэффициент полезного действия секционного теплообменника

=


  1. Определить опытное значение коэффициента теплоотдачи для I и II секций ?Iтр, ?IIтр, ?Iмтр, ?IIмтр, а также для всего теплообменника ?троп, ?мтроп.


Для I секции:

Вт/м2·град;

Вт/м2·град,

где ?тр, ?мтр – коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенке трубы и от стенки трубы к

воде соответственно, Вт/м2·град;

– температура стенки, 0С; =t5 = 420С

- средние, по длине секций, температуры воздуха и воды, 0С;

FТР, FМТР – величина поверхности теплообмена, м2.

Поверхности теплообмена трубного и межтрубного пространств определяются соответственно:

FTP = 4?dBHl = 4·3,14·0,0014·(4·0,8)=0,56 м2;

FMTP = 4?dHl = 4·3,14·0,0016·(4·0,8)=0,64 м2.

где dBH, dH – внутренний и наружный диаметры трубок соответственно, м (рис.2);

l– длина трубки секции, м.

Если изменение температуры одного из теплоносителей невелико (в нашем случае это вода), то его среднюю температуру определяют как среднеарифметическую по значениям на концах трубы (секции).

0С

Тогда для теплоносителя с большим (десятки градусов) изменением температуры (в условиях лабораторной работы это воздух) среднее ее значение подсчитывается следующим образом:

0С,

где ∆t – среднелогарифмическая разность температур

0С

Для II секции:

Вт/м2·град;

Вт/м2·град,

где ?тр, ?мтр – коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенке трубы и от стенки трубы к

воде соответственно, Вт/м2·град;

– температура стенки, 0С; =t6 = 33 0С

- средние, по длине секций, температуры воздуха и воды, 0С;

FТР, FМТР – величина поверхности теплообмена, м2.

Поверхности теплообмена трубного и межтрубного пространств определяются соответственно:

FTP = 4?dBHl = 4·3,14·0,0014·(4·0,8)=0,56 м2;

FMTP = 4?dHl = 4·3,14·0,0016·(4·0,8)=0,64 м2.

где dBH, dH – внутренний и наружный диаметры трубок соответственно, м (рис.2);

l– длина трубки секции, м.

Если изменение температуры одного из теплоносителей невелико (в нашем случае это вода), то его среднюю температуру определяют как среднеарифметическую по значениям на концах трубы (секции).

0С

Тогда для теплоносителя с большим (десятки градусов) изменением температуры (в условиях лабораторной работы это воздух) среднее ее значение подсчитывается следующим образом:

0С,

где ∆t – среднелогарифмическая разность температур

0С

Для всего теплообменника:

Вт/м2·град;

Вт/м2·град.


  1. Определить скорости воздуха Wвозд и Wводы

м/с;

м/с,

где fTP, fMTP – площади сечения трубного и межтрубного пространств, м2

м2;

м2,

где fкорп – площадь сечения корпуса секции, м2

fкорп=0,785D2 =0,785·0,0522 =0,0021 м2;

(fТР)НАР – плошадь сечения, занятая трубками, м2

м2,

где D =0,052 м – внутренний диаметр корпуса секции (рис.2).


  1. Установить режим течения теплоносителей в трубном (воздуха) и межтрубном (воды) пространствах по величине числа Рейнольдса.

Если Re?2300 – ламинарный режим; 10000>Re>2300 – переходный; Re>10000 – турбулентный установившийся.

В трубном пространстве (воздух):

(переходный режим)

где W – скорость теплоносителя в трубном и межтрубном пространствах при средней температуре теплоносителя, м/с;

dэ – эквивалентный диаметр трубного или межтрубного пространства, м;

dэ =dВН=0,014 м – для трубного пространства

м- для межтрубного пространства,

где D – внутренний диаметр корпуса секции, м;

n – число трубок (4 шт.), (рис.2);

dH – наружный диаметр трубки, м;

?ж – коэффициент кинематической вязкости теплоносителя (воздуха или воды) при средней его температуре (tср=113 0С); ?ж=23,13·10-6м2/с, (прил.4);

P – периметр, м.

(переходный режим)

?ж=17,95·10-6м2/с при tср=51,5 0С; (прил.4).
В межтрубном пространстве (вода):

(ламинарный режим)

?ж=0,659·10-6м2/с при tср=37,5 0С (прил.3);
(ламинарный режим)

?ж=0,907·10-6м2/с при tср=26 0С (прил.3).


  1. Определить расчетные коэффициенты теплоотдачи для трубного ?тр и межтрубного ?мтр пространств I и II секции и всего теплообменника из уравнения подобия.

Для трубного пространства (воздух).

Для переходного режима течения теплоносителя справедлива формула

Вт/м2 ·0С,

где А=?( ?ж, ?ж, ?ж), определяется из приложения 2, при tср=113 0С;

W – скорость теплоносителя при его средней температуре tср=113 0С, м/с;

dэ – эквивалентный диаметр трубного и межтрубного пространств, м (см. п.14).

Вт/м2 ·0С,

где А=?( ?ж, ?ж, ?ж), определяется из приложения 2, при tср=51,5 0С;

Для межтрубного пространства (вода).

При ламинарном режиме течения теплоносителя вначале следует определить значение (Gr·Pr)г

;

(Gr·Pr)г=1,77·105·4,33=7,6·105,
где Grг – число Грасгофа, отнесенное к температуре пограничного слоя;

g=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;

? – температурный коэффициент объемного расширения:

для газов ?=

для жидкостей берется из таблиц теплофизических свойств;

tст – температура стенки, 0С; =t5 = 420С

?г – коэффициент кинематической вязкости (м2/с) при температуре пограничного слоя, (прил.3)



Pr – число Прандтля при температуре пограничного слоя, (прил.3);

- средняя температура теплоносителя, 0С;

dэ – эквивалентный диаметр, м.

;

(Gr·Pr)г=1,05·105·5,44=5,71·105,
где tст – температура стенки, 0С; =t6 =330С

?г – коэффициент кинематической вязкости (м2/с) при температуре пограничного слоя, (прил.3)



Pr – число Прандтля при температуре пограничного слоя, (прил.3);
Если (Gr·Pr)г <8·105, то ламинарный режим вязкостный и для определения коэффициента теплоотдачи справедливо уравнение

,

где Nuг – число Нуссельта;

W – скорость теплоносителя при его средней температуре, м/с;

?ж – коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре,

Вт/м·0С (приложение. табл. 3 и 4);

dэ – эквивалентный диаметр, м;

l – длина трубки, м (l=0.8м).





Коэффициент теплоотдачи межтрубного пространства ?МТР для I и II секций выводим из формулы:



Для I секции



Для II секции



Расчетные коэффициенты теплоотдачи для всего теплообменника

;

,

?Iтр, ?IIтр, ?Iмтр, ?IIмтр – коэффициенты теплоотдачи для трубного и межтрубного пространств I и II секций, Вт/м2·0С.

Теплофизические свойства воздуха и воды представлены в приложении, табл.3 и 4.


  1. Определить расчетный коэффициент теплопередачи для каждой секции по формуле



где ?тр, ?мтр – коэффициенты теплоотдачи для каждой секции, определенные в п. 15.;
Для I секции

Вт/м2·0С;

Для II секции

Вт/м2·0С.


  1. Определить расчетный коэффициент теплопередачи всего теплообменника

Вт/м2·0С,

где - расчетные коэффициенты теплопередачи I и II секций соответственно,

Вт/м2·0С,

  1. Определить опытный коэффициент теплопередачи для каждой секции по формуле

, Вт/м2·0С,

где Q – теплопроизводительность каждой секции по греющему или нагреваемому

теплоносителю, Вт;

FРАСЧ – средняя расчетная поверхность теплообменника

м2;

- средние температуры воздуха и воды в соответствующих секциях, 0С.

Для I секции

Вт/м2·0С,

Для II секции

Вт/м2·0С.


  1. Определить опытный коэффициент теплопередачи всего секционного теплообменника

, Вт/м2·0С,

где - опытные коэффициенты теплопередачи I и II секций соответственно, Вт/м2·0С.

Вт/м2·0С.


  1. По результатам обработки данных составить таблицу.




Коэффициент теплоотдачи,

Вт/м2·0С

Погрешность

опыта, %

Коэффициент теплопереда-

чи, Вт/м2·0С

Погрешность опыта, %




опытный

расчетный

опытный

расчетный

?тр

29

55,2




КОП

КР




?мтр

109,2

124,4




33,52

39,78





Вывод: в результате расчетов был определен технологический коэффициент полезного действия секционного теплообменника ?=64%, а также определены расчетный и опытный коэффициенты теплопередачи всего теплообменника.

Приложение
Таблица 2





Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации