Обробка результатів досліду. Результати замірів при “прямотоці” і “протитоці” усереднюються.

Результати замірів при “прямотоці” і “протитоці” усереднюються.

Площа поверхні теплообміну визначається за формулою:

, (9.9)

де d_1З - зовнішній діаметр внутрішньої труби, м; l - загальна довжина внутрішніх труб від початкового до кінцевого термометрів опору (табл.9.3).

Тепловий потік визначається за формулою:

. (9.10)

Будуються графіки t=f(F) для “прямотоку” і “протитоку” без масштабу.

Середній температурний напір, дослідний коефіцієнт теплопередачі визначаються за формулами (9.7), (9.8) - для “прямотоку” і “протитоку”.

Визначають середній дослідний коефіцієнт теплопередачі.

Результати середнього дослідного коефіцієнта теплопередачі заносять в табл.9.2, після чого визначають коефіцієнт теплопередачі розрахунковим шляхом.

Швидкість руху гарячої води визначається за формулою:

, (9.11)

де f₁ - площа перерізу внутрішньої труби, м²; r₁ - густина гарячої води при середній температурі t_c1=(t₁¢+t₁¢¢)/2, кг/м³.

Швидкість руху холодної води визначається за формулою:

, (9.12)

де f₂ - площа перерізу кільцевого простору між зовнішньою і внутрішньою трубами, м²; r₂ - густина гарячої води при середній температурі t_c2=(t₂¢+t₂¢¢)/2, кг/м³.

Критерій Рейнольдса для потоку гарячої води:

. (9.13)

Критерій Рейнольдса для потоку холодної води:

, (9.14)

де n₁, n₂ - кінематична в’язкість гарячої та холодної води, м²/с; d_1В, d_1З, d_2В - відповідно, внутрішній і зовнішній діаметри внутрішньої труби, внутрішній діаметр зовнішньої труби.

Критерій Нуссельта при Re>10⁴ для потоку гарячої води визначається за формулою:

, (9.15)

де Pr_p - критерій Прандтля.

Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води до внутрішньої поверхні труби:

, (9.16)

де l₁ - коефіцієнт теплопровідності гарячої води, Вт/(м×К).

Критерій Нуссельта при 2300<Re<10⁴ для потоку холодної води визначається за формулою:

. (9.17)

Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні внутрішньої труби до холодної води:

, (9.18)

де l₂ - коефіцієнт теплопровідності холодної води, Вт/(м×К).

Лінійний коефіцієнт теплопередачі:

, (9.19)

де l₀ - коефіцієнт теплопровідності матеріалу внутрішньої труби (сталь), рівний 57 Вт/(м×К).

Розрахунковий коефіцієнт теплопередачі теплообмінного апарату

, (9.20)

де d_сер=(d_1В +d_1З )/2.

Необхідні дані для розрахунку наведені в табл.9.3 і 9.4.

Результати розрахунків заносяться в табл.9.2.

Таблиця 9.2 - Результати розрахунку коефіцієнта теплопередачі

Найменування величин	Позна-чення	Одиниця вимірювання	Числове значення
Площа поверхні теплообміну	F	м2
Тепловий потік	Q	Вт
Середній температурний напір:
Прямотік	Dt	0С
Протитік	Dt	0С
Дослідний коефіцієнт теплопередачі	kдосл.	Вт/(м2×К)
Швидкість руху гарячої води	w1	м/c
Швидкість руху холодної води	w2	м/c
Число Рейнольдса для гарячої води	Reр1	-
Число Рейнольдса для холодної води	Reр2	-
Критерій Нуссельта для гарячої води	Nu1	-
Критерій Нуссельта для холодної води	Nu2	-
Коефіцієнт тепловіддачі від гарячої води до стінки	a1	Вт/(м2×К)
Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодної води	a2	Вт/(м2×К)
Коефіцієнт теплопередачі лінійний	kl	Вт/(м2×К)
Коефіцієнт теплопередачі розрахунковий	kP	Вт/(м2×К)

Таблиця 9.3 - Основні характеристики теплообмінного апарату типу “труба в трубі”

Показники	Позначення	Числове значення, м
Довжина труб	l	4,0
Внутрішній діаметр внутрішньої труби	d1В	0,015
Зовнішній діаметр внутрішньої труби	d1З	0,020
Внутрішній діаметр зовнішньої труби	d2В	0,038

Таблиця 9.4 - Теплофізичні властивості води

t,0С	r, кг/м3	ср×103, Дж/(кг×К)	l, Вт/(м×К)	a×10-6, м2/с	n×10-6, м2/с	b×10-6, 1/К	Pr
	999,9	4,212	0,560	13,2	1,789	-0,63	13,5
	999,7	4,191	0,580	13,8	1,306	0,70	9,45
	998,2	4,183	0,597	14,3	1,006	1,82	7,03
	995,7	4,174	0,612	14,7	0,805	3,21	5,45
	992,2	4,174	0,627	15,1	0,659	3,87	4,36
	988,1	4,174	0,640	15,5	0,556	4,49	3,59
	983,1	4,179	0,650	15,8	0,478	5,11	3,03
	977,8	4,187	0,662	16,1	0,415	5,70	2,58
	971,8	4,195	0,669	16,3	0,365	6,32	2,23
	965,3	4,208	0,676	16,5	0,326	6,95	1,97
	958,4	4,220	0,684	16,8	0,295	7,52	1,75
	951,0	4,233	0,685	17,0	0,272	8,08	1,60
	943,1	4,250	0,686	17,1	0,252	8,64	1,47

Питання для самоперевірки

1. Як класифікуються теплообмінні апарати?

2. Запишіть рівняння теплопередачі теплообмінного апарату.

3. Запишіть рівняння теплового балансу для теплообмінного апарату.

4. Що таке водяний еквівалент?

5. За якими формулами визначається середній логарифмічний температурний напір для “прямотічних” і “протитічних” теплообмінних апаратів?

6. Які режими руху теплоносія здійснюються в теплообмінних апаратах?

7. За якими формулами визначаються критерії Рейнольдса і Нуссельта?

8. Як визначається розрахунковий коефіцієнт теплопередачі для гарячої та холодної води?

9. За якою формулою визначається лінійний коефіцієнт теплопередачі?

Додаток А

Основні терміни

1. Газ ідеальний – уявний газ, в якому відсутні сили взаємодії між молекулами, а самі молекули приймаються за матеріальні точки.

2. Енергія – міра (скалярна величина) усіх форм руху матерії.

3. Енергія внутрішня - функція стану термодинамічної системи, зміна якої не залежить від термодинамічного шляху процесу, а визначається початковим і кінцевим станом термодинамічної системи.

4. Питомий об’єм – об’єм одиниці маси речовини.

5. Екстенсивні параметри – термодинамічні параметри, які пропорційні масі даної термодинамічної системи, значення яких дорівнює сумі значень таких же параметрів окремих частин системи.

6. Параметри інтенсивні – термодинамічні параметри, які не залежать від маси термодинамічної системи.

7. Параметри термодинамічні – величини, які характеризують стан термодинамічної системи.

8. Процес адіабатний – процес, при якому термодинамічна система не отримує теплоти ззовні і не віддає її.

9. Процес ізобарний – процес, який відбувається при сталому тиску в термодинамічній системі.

10. Процес ізоентропний – процес, який відбувається при сталій ентропії термодинамічної системи.

11. Процес ізотермний – процес, який відбувається при сталій температурі термодинамічної системи.

12. Процес ізохорний – процес, що здійснюється при сталому об’ємі термодинамічної системи.

13. Процес політропний – процес ідеального газу, що характеризується сталою теплоємністю.

14. Процес рівноважний – процес, який розглядається як неперервний ряд рівноважних станів термодинамічної системи.

15. Процес термодинамічний – зміна стану термодинамічної системи, що характеризується зміною її термодинамічних параметрів.

16. Оборотний термодинамічний процес – процес, після якого термодинамічна система і системи, що з нею взаємодіють (навколишнє середовище), можуть повернутися в початковий стан.

17. Робота процесу – енергія, що передається від одного тіла до іншого при їх взаємодії, яка не залежить від температури цих тіл і не зв’язана з переносом речовини від одного тіла до іншого.

18. Адіабатна система – система, в якій відсутній теплообмін з іншими системами.

19. Гетерогенна система – система, яка складається із різних за своїми властивостями частин, відділених одна від іншої поверхнями розділу.

20. Гомогенна система – система, між будь-якими частинами якої відсутні поверхні розділу.

21. Закрита система – система, в якій відсутній обмін з іншими системами.

22. Ізольована система – система, яка не обмінюється енергією та речовиною з іншими системами.

23. Термодинамічна система – сукупність тіл (чи тіло), які можуть енергетично взаємодіяти між собою і з іншими тілами, а також обмінюватися з ними речовиною.

24. Рівноважний стан – стан, в який приходить система при сталих зовнішніх умовах, що характеризуються незмінністю в часі термодинамічних параметрів та відсутністю в системі потоків речовини і теплоти.

25. Теплоємність – відношення теплоти , одержаної речовиною при нескінчено малій зміні її стану в будь-якому процесі, до зміни температури dT речовини (С_x= ( /dT)_x ) в даному процесі.

26. Теплоємність ізобарна – теплоємність речовини в ізобарному процесі.

27. Теплоємність ізохорна – теплоємність речовини в ізохорному процесі.

28. Теплота процесу – енергія, що передається від одного тіла до іншого при їх взаємодії, яка залежить тільки від температури цих тіл і не зв’язана з переносом речовини від одного тіла до іншого та з виконанням роботи.

29. Тиск – термічний параметр стану, що визначається силою, яка діє в тілі на одиницю площі поверхні по нормалі до неї.

30. Тіло робоче – те із тіл, що приймає участь в термодинамічному процесі, з допомогою якого здійснюється перетворення теплоти в роботу і навпаки.

31. Умови нормальні – температура 0⁰С (273, 15К) і тиск 760 мм рт. ст. (101325 Па).

32. Вимушениа конвекція – рух теплоносія під дією зовнішніх поверхневих сил, прикладених до меж системи, або однорідного поля масових сил, прикладених до теплоносія зсередини системи, або за рахунок кінетичної енергії, заданої теплоносію ззовні системи.

33. Вільна конвекція – рух теплоносія в даній системі під дією неоднорідного поля масових сил, прикладених до частинок теплоносія зсередини системи і зумовлених зовнішніми полями (гравітаційним, магнітним, електричним).

34. Конвективний перенос - перенесення теплоти, речовини, кількості руху в середовищі з неоднорідним розподільником швидкості, температури, концентрації. яка здійснюється макроскопічними елементами середовища при їх переміщенні.

35. Конвективний теплообмін – теплообмін, зумовлений перенесенням теплоти конвекцією і теплопровідністю.

36. Коефіцієнт тепловіддачі – величина, яка характеризує інтенсивність тепловіддачі і рівна густині теплового потоку на поверхні розділу, віднесеного до температурного напору між середовищем і поверхнею.

37. Коефіцієнт теплопровідності – фізична величина, яка характеризує інтенсивність процесу теплопровідності в речовині і чисельно рівна густині теплового потоку внаслідок теплопровідності при градієнті температури рівному одиниці.

38. Ламінарний рух – рух теплоносія, при якому можливе існування стаціонарних траєкторій його частин.

39. Температурний напір – різниця температур середовища і стінки або двох середовищ, між якими відбувається теплообмін.

40. Теплоносій – рухоме середовище, яке використо-вується для переносу теплоти.

41. Теплообмін – довільний необоротний процес перенесення теплоти в просторі з неоднорідним полем температури.

42. Теплообмін випромінюванням – процес передачі частини внутрішньої енергії тіла за допомогою електромагнітних хвиль.

43. Турбулентний рух – рух теплоносія з хаотично змінними в часі траєкторіями частин, при якому в потоці виникають нерегулярні пульсації швидкості, тиску і інших параметрів, нерівномірно розподілених в потоці.

44. Рівняння подібності – функціональна залежність між числами подібності.

45. Число подібності – безрозмірний степеневий комплекс, складений із величин, існуючих для даного процесу.

Додаток Б

Рисунок Б.1 – Робоча діаграма основних термодинамічних

процесів ідеального газу

Рисунок Б.2 – Теплова діаграма основних термодинамічних

процесів ідеального газу