Описание лабораторной установки. «Испытание различных конструкций теплообменников»
Лабораторная работа
«Испытание различных конструкций теплообменников»
Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы теплообменных аппаратов различного типа.
Задачи работы:
1. Закрепление сведений о физической сущности переноса тепла от горячего теплоносителя к холодному и анализ факторов, влияющих на оптимизацию этого процесса.
2. Определение коэффициентов теплоотдачи в рекуперативных теплообменниках при прямоточной и противоточной схемах движения теплоносителя.
Основные сведения
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В теплообменных аппаратах рекуперативного типа тепло передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку, которая называется поверхностью нагрева теплообменного аппарата.
Интенсивность работы теплообменного аппарата характеризуется количеством тепла, передаваемого через единицу поверхности нагрева в единицу времени. Эта величина зависит от физических свойств теплоносителей (вязкость, теплопроводность, плотность, теплоемкость), о режима их движения, от конструктивных особенностей аппарата (размеры, материал, состояние поверхности нагрева), от средней по поверхности нагрева разности температур между греющей и обогреваемой средой.
При расчете теплообменных аппаратов изменение температур теплоносителей при их движении по теплообменнику учитывается введением в расчетную формулу среднего логарифмического температурного напора Δt. Влияние остальных факторов учитывают введением коэффициента теплопередачи k, который по физическому смыслу представляет собой количество тепла, передаваемого в единицу времени через единицу поверхности нагрева при разности температур между теплоносителями в один градус. Формула для расчета количества тепла, передаваемого в теплообменном аппарате за единицу времени, имеет вид:
Значение среднего логарифмического напора Δt зависит от начальных 
и конечных 
температур теплоносителей (t1 – горячий теплоноситель, t2 – холодный теплоноситель), а также от схемы включения теплообменного аппарата, т.е. от взаимных направлений движения теплоносителей.
Существует три основные схемы включения: прямоточная, противоточная и перекрестная, а также множество смешанных схем, получаемых в результате различных комбинаций основных схем (рис. 1).
Рисунок 1. Типичные конструктивные схемы рекуперативных
теплообменных аппаратов
а – «труба в трубе» противоток; б – кожухотрубный противоток; в, г, д – кожухотрубный многократный перекрестный ток; е- трубчатый перекрестный ток; ж – пластинчато-ребристый перекрестный ток; 1- горячий поток; 2 – холодный поток
Рисунок 2. Схема теплообменного аппарата «труба в трубе»
При прямоточной схеме движения горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении так, что на входе в аппарат тепло передается от горячего теплоносителя к холодному при относительно большой разности температур. На выходе из аппарата тепло передается от остывшего горячего теплоносителя к холодному при меньшей разности температур.
Противоточная схема (противоток). При этой схеме движения теплоносители 1 и 2 движутся вдоль поверхности нагрева в противоположных так, что входящий в аппарат горячий теплоноситель отдает тепло уже подогретому теплоносителю.
Коэффициент теплоотдачи k в теплообменных аппаратах определяют обычно по формулам для плоской стенки, т.к. трубки теплообменников имеют небольшую толщину по сравнению с их диаметром. Полученные формулы позволяют сравнить среднетемпературные напоры при различных схемах движения теплоносителей. Анализ их показывает, что при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе их теплообменного аппарата, в противоточном теплообменнике температурный напор получается наибольшим. Благодаря большой величине температурного напора рабочая поверхность при противоточной схеме больше.
Для определения коэффициента теплопередачи требуется знать количество тепла, переданного за единицу времени в теплообменном аппарате, среднюю разность температур Δt между горячим и холодным теплоносителями и размер поверхности F. Количество тепла определяется по расходу теплоносителей, их теплоемкости и изменению их температуры в теплообменном аппарате. В идеальном аппарате, работающем без теплообмена с окружающей средой, количество тепла, отданное горячим теплоносителем Q1, должно равняться количеству тепла Q2, полученному холодным теплоносителем.
Описание лабораторной установки
Основными элементами лабораторной установки (рис. 3 и 4) являются теплообменный аппарат типа «труба в трубе» с движением горячего теплоносителя по внутренней трубе и холодного теплоносителя по кольцевому пространству между внутренней и наружной трубами, и пластинчатый теплообменник.
Рис 3 Схема экспериментальной установки.
1 – водонагреватель со ступенчатым управлением нагревом, 2 – заливочное устройство, 3 – холодный контур, 4 – счетчик расхода горячего теплоносителя с импульсным выходом, 5 – горячий контур, 6 – пластинчатый теплообменник, 7 – датчик температуры горячего теплоносителя, 8 – датчик температуры холодного теплоносителя, 9 – датчик температуры горячего теплоносителя на входе ПТ, 10 – датчик температуры холодного теплоносителя, 11 – резервуар холодного теплоносителя, 12 – насос подачи холодного теплоносителя прямотоком, 13 – насос подачи холодного теплоносителя противотоком, 14 – датчик температуры холодного теплоносителя, 15 – теплообменник «труба в трубе», 16 – датчик температуры горячего теплоносителя на входе теплообменника ТТТ, 17 – циркуляционный насос подачи горячего теплоносителя.
Рисунок 4. Фотография лабораторной установки
Диаметр внутренней трубы теплообменника «труба в трубе» dвн=1/2 дюйма, диаметр наружной трубы dнар=7/8 дюйма. Длина рабочего участка, на котором происходит теплообмен L=450 мм.
Для измерения температур теплоносителей служат температурные датчики, установленные на входе и выходе внутренней и наружной труб. Направление потока горячего теплоносителя во всех экспериментах остается постоянным. В рассматриваемом аппарате он направлен слева направо. Минутный расход горячего теплоносителя для обоих аппаратов определяется по изменению показаний счетчика за заданный промежуток времени. Холодный теплоноситель может менять направление поочередным изменением переключателя работы насосов прямой и обратной подачи жидкости. За счет этого легко реализуются схемы прямотока и противотока для обоих теплообменников. При изменении движения холодного теплоносителя значения температур Т6 и Т5 меняют на Т5 и Т6, а для пластинчатого теплообменника Т4 и Т5 на Т5 и Т4. Расход в системе холодного контура постоянный и равен 5,4 л/мин.
Таблица 1. Номера позиций датчиков температуры согласно рис. 3.3
| Наименование режима | Горячий контур | Холодный контур | ||||||
| Номер датчика на входе ТТТ | Номер датчика на выходе ТТТ | Номер датчика на входе ПТ | Номер датчика на выходе ПТ | Номер датчика на входе ТТТ | Номер датчика на выходе ТТТ | Номер датчика на входе ПТ | Номер датчика на выходе ПТ | |
| Противоток | 16–T1 | 9 – T2 | 9 – T2 | 7 – T3 | 14–T6 | 8 – T5 | 8 – T5 | 10–T4 |
| Прямоток | 16–T1 | 9 – T2 | 9 – T2 | 7 – T3 | 8 – T5 | 14–T6 | 10–T4 | 8 – T5 |
Порядок выполнения работы
3.1. Ознакомиться со схемой лабораторной установки и расположением приборов. Составить ее описание и заготовить таблицы 2 и 3 для регистрации результатов испытаний.
3.2. Подготовить установку к испытаниям теплообменников. Удостовериться, что уровень воды наблюдается в заливочном устройстве и ниже его середины, в противном случае долить жидкость в систему. В системе не допускаются подтеки.
3.3. Подключить стенд к сети 220 В.
3.4. Подключить автоматизированный стенд к USB разъему компьютера и запустить программу Пуск → Программы → MeasLAB → «Испытание теплообменников».
3.5. Включить питание стенда кнопкой «Сеть»
3.6. Включить насос ВК2 и водонагреватель кнопкой «ВК1». Установить режим малого нагрева – на лицевой части нагревателя должна быть включена левая клавиша, правая должны быть выключена.
3.7. При включении компьютерной системы измерения клавишей «Пуск» в программе на цифровых индикаторах лицевой панели (рис. 5) отображаются мгновенные значения температур, измеряемых всеми датчиками, и графики их изменения по времени.
Рисунок 6. Лицевая панель компьютерной системы измерения
3.8. После выхода на постоянный режим 50-60 °С включить подачу холодного теплоносителя с помощью выключателя тумблера на панели управления стендом (положение вверх режим прямотока, положение вниз - противотока) (см. паспорт для подключения холодного контура)
3.9. Расход в системе горячего теплоносителя измеряется импульсным расходомером и его значение обновляется на соответствующем индикаторе в программе каждый раз, как через него прошел 1 л жидкости о чем сигнализирует загоревшаяся лампочка, значение расхода в таблицу стоит вносить после установившегося значения расхода на дисплее.
3.10. При установлении стационарного теплового режима занести результаты измерений в табл. 2.
3.11. Через 10-15 минут изменить направление подачи холодного теплоносителя (положение тумблера вниз) и повторить эксперимент.
3.12. Изменить расход в системе горячего контура можно с помощью переключателя на корпусе насоса, а увеличить температуру с помощью включения второго тэна (правая клавиша на корпусе нагревателя), будьте внимательны температура в системе не должна превышать 70 °С.
3.13. Повторить п.п. 8-10 для нового режима расхода или уровня температуры горячего теплоносителя.
3.14. Повторить п.п. 8-12 для пластинчатого теплообменника.
3.15. Определить средний логарифмический температурный напор и коэффициент теплопередачи для испытанных теплообменников в режимах прямо- и противотока.
3.16. Результаты измерений и вычислений занести в таблицы 2 и 3.
Обработка данных
1. Площадь поверхности теплообменников
«Труба в трубе»:
(м2)
где 
- наружный диаметр внутренней трубы теплообменника, м;
– длина внутренней трубы, м
Площадь поверхности теплообмена для пластинчатого теплообменника равна 0,12 м2 (см. руководство по теплообменнику).
2. Массовый расход горячей и холодной воды определяется по следующему соотношению
, 
(кг/с)
где 
- расходы горячей и холодной воды (расход горячего теплоносителя определяется по расходомеру, холодного – методом проливки »5,4 л/мин).
- плотности горячей и холодной воды, вычисляются как функции средних температурных сред 
и выбираются по таблице 5.
3. Количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем и полученное холодным:
, (кг/с)
, (кг/с)
- удельные теплоемкости горячей и холодной воды, определяются по таблице 6, (Дж/(кг*К));
- начальная и конечная температура горячей воды, °С
- начальная и конечная температура холодной воды, °С
4. Средняя разность температур (температурный напор) определяется по формуле
при 
при 
где 
- значения большего и меньшего температурных напоров в начале и конце поверхности теплообмена (определяются с учетом схемы включения), °С;
Для прямотока 
, 
Для противотока 
, 
5. Коэффициент теплопередачи для каждого режима определяется по формуле:
, 
Таблица 2. Результаты измерений и вычислений при испытаниях теплообменного аппарата «труба в трубе»
| Значения измеренных и вычисляемых параметров | ||||||||||||
| №№ п/п | Т1 | Т2 | Т6 | Т5 | Мг | Мх | Qг | Qх | Δtг | Δtх | Δtср | k |
| оС | оС | оС | оС | кг/c | кг/c | Вт | Вт | оС | оС | оС | Вт/(м2*К) | |
| Прямоток | ||||||||||||
| Противоток | ||||||||||||
Таблица 3. Результаты измерений и вычислений при испытаниях пластинчатого теплообменника
| Значения измеренных и вычисляемых параметров | ||||||||||||
| №№ п/п | Т2 | Т3 | Т4 | Т5 | Мг | Мх | Qг | Qх | Δtг | Δtх | Δtср | k |
| оС | оС | оС | оС | кг/c | кг/c | Вт | Вт | оС | оС | оС | Вт/(м2*К) | |
| Прямоток | ||||||||||||
| Противоток | ||||||||||||
Таблица 3.4. Характеристик теплоносителя (антифриз)*
| Показатель | Ед. изм. | Для неразбавленного теплоносителя –65 оС |
| Относительный коэффициент теплопередачи при +20оС при +100оС | оС | 3,0*10-4 7,0*10-4 |
| Коэффициент объемного расширения при +20оС при +100оС | оС-1 | 5,2*10-4 7,6*10-4 |
| Температура кипения (1 атм. или 1013 мбар) | оС | |
| Щелочность (0.1н НСI) при +20 оС | ед. РН | 15,3 |
| Вязкость динамическая: при +20оС при +100оС | мПа*с | 5,9 1,0 |
| рН, при+20 оС | 8,5 | |
| Плотность, при+20 оС | г/см3 | 1,086 |
| Удельная теплопроводность: при +20оС при +100оС | кДж/кг*К | 3,15 3,46 |
| Теплопроводность: при +20оС при +100оС | Вт/м*К | 0,39 0,36 |
| Относительное падение давления: при +20оС при +100оС | 1,7 1,0 | |
| Давление пара при 100 оС | бар | 0,65 |
*для стендов заправленных бытовым антифризом (красный, синий), во всех остальных случаях теплоноситель – вода.
Контрольные вопросы
1. Назовите преимущества и недостатки испытанных теплообменных аппаратов.
2. Что называется коэффициентом теплопередачи? Каков физический смысл единицы его измерения?
3. Какие факторы и параметры теплообменных аппаратов влияют на величину коэффициента теплопередачи?
4. В чем заключаются преимущества противоточной схемы по сравнению с прямоточной?
5. Может ли температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника быть меньше температуры холодного теплоносителя на выходе из теплообменника?
6. В каких случаях при расчете теплообменника можно пользоваться средним арифметическим температурным напором?
7. В каких технологических процессах используются теплообменные аппараты?
Литература:
1. Зорин В. М., Клименко А. В., Зорина В. М., Клименко А.В Теплоэнергетика и теплотехника: М. – Издательство МЭИ, 2001 г. ISBN: 5-7046-0512-5, 5-7046-0515-X
2. Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств.- Орел .: Издательство ОрелГТУ, 2001.- 687с.
3. http://www.roswep.ru/products/detail.php?ID=949&SECTION_ID=218
Таблица 5. Зависимость плотности воды от температуры
| Температура в °С | ρ, 103 кг/м3 | Температура в °С | ρ, 103 кг/м3 |
| - 10 | 0,99815 | 0,99880 | |
| - 9 | 0,99843 | 0,99862 | |
| - 8 | 0,99869 | 0,99843 | |
| - 7 | 0,99892 | 0,99823 | |
| - 6 | 0,99912 | 0,99802 | |
| - 5 | 0,99930 | 0,99780 | |
| - 4 | 0,99945 | 0,99757 | |
| - 3 | 0,99958 | 0,99732 | |
| - 2 | 0,99970 | 0,99707 | |
| - 1 | 0,99979 | 0,99681 | |
| 0,99987 | 0,99652 | ||
| 0,99993 | 0,99622 | ||
| 0,99997 | 0,99592 | ||
| 0,99999 | 0,99561 | ||
| 1,00000 | 0,99521 | ||
| 0,99999 | 0,99479 | ||
| 0,99997 | 0,99436 | ||
| 0,99993 | 0,99394 | ||
| 0,99988 | 0,99350 | ||
| 0.99973 | 0,99118 | ||
| 0,99963 | 0,98804 | ||
| 0,99952 | 0,98318 | ||
| 0,99940 | 0,97771 | ||
| 0,99927 | 0,97269 | ||
| 0,99913 | 0,96534 | ||
| 0,99897 |
Таблица 6 – Зависимость теплоемкости воды от температуры
| T, °C | |||||||
| c, Дж/(кг*К) |