ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ВОЗДУШНОЙ МОДЕЛИ




Цель работы

В настоящей работе требуется определить коэффициент теплоотдачи α и гидравлическое сопротивление для пучка труб газохода воздухоподогревателя котлоагрегата при различных скоростях движения потока воздуха. Исследование выполнить на основе теории подобия и моделирования.

 

1. Описание экспериментальной установки

Установка для экспериментального изучения теплообмена и гидравлического сопротивления состоят из модели газохода воздухоподогревателя, центробежного вентилятора с двигателем и ряда приборов (рис.1).

Воздух подается в модель с помощью центробежного вентилятора. Пройдя через газоход модели воздухоподогревателя, он выходит в помещение.

Исследование теплоотдачи производится методом локального (местного) моделирования. Оно сводится к тому, что обогреваются не все трубки пучка, а только одна средняя (калориметрическая), результаты опыта распространяются на весь трубный пучок. Опытным путем установлено, что значения коэффициента теплоотдачи, полученные методами полного и локального моделирования, практически совпадают.

В центре каждого трубного пучка модели установлены латунные калориметрические трубки, внутри которых размещены электронагреватели. Подводимая к нагревателям мощность определяется по показаниям вольтметра 2 и амперметра 3.

 

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - трубный пучок; 2 - вольтметр; 3 –амперметр; 4,5,6 – термопары; 7 - расходомер; 8,9 - микроманометры; 10 – вентилятор.

 

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

В сложных теплообменных устройствах всегда имеет место процесс передачи тепла от горячего теплоносителя (газа, жидкости), циркулирующего в трубе, к стенке трубы, либо от нагретой стенки к омывающему её холодному потоку газа (жидкости).

Обмен теплом между подвижной средой и неподвижной стенкой называется теплоотдачей. Этот процесс передачи тепла осуществляется всегда совместно конвекцией и теплопроводностью и носит название конвективного теплообмена.

Количество тепла, переданного в конвективном теплообмене, определяется по закону Ньютона-Рихмана:

, (1)

где: α- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2 К;

F - поверхность теплообмена, м2;

ТСТ - температура поверхности теплообмена, K;

ТГ - температура воздуха, K.

Коэффициент теплоотдачи - величина, зависящая от характера движения среды, природы его возникновения, теплофизических свойств среды (теплопроводности, вязкости, теплоёмкости), граничных температур (стенки и среды), формы и линейных размеров омываемой поверхности. Он представляет собой количество тепла, которым обмениваются в единицу времени подвижная среда и неподвижная стенка с площадью поверхности 1м2 в расчёте на 1градус разности температур среды и стенки.

Определяется коэффициент теплоотдачи, главным образом, экспериментально. Для изучения теплоотдачи и гидравлического сопротивления сложных теплообменных устройств часто пользуются методом моделей (моделирования). В этом случае работа, как отдельного элемента устройства, так и всего агрегата в целом изучается с учетом реальных условий их положения и омывания потоком подвижной среды (жидкости или газа), но на уменьшенной модели. Исследования на моделях просты, надежны и требуют значительно меньше времени, чем исследование теплообменных устройств в эксплуатационных условиях.

Изготовление модели и проведение опытов должно произво­диться в соответствии с правилами теории моделирования. Согласно этим правилам, необходимыми и достаточными условиями являются:

- геометрическое подобие модели и образца;

- гидродинамическое подобие движения жидкости (газа) в теплообменном устройстве;

- тепловое подобие - подобие температурных полей на границах, в сходственных сечениях;

- подобие физических параметров (вязкости, плотности, теплопроводности, теплоемкости).

Условия геометрического и гидродинамического подобия выполняются путем изготовления модели, точно копирующей образец как в части внутренней конфигурации, условий входа и выхода рабочей среды, так и соблюдения равенства режимов движения потока и характера омывания поверхности теплообмена.

При вынужденном движении газов теплоотдача определяется, в основном, режимом движения потока и характером омывания поверхности нагрева. Поэтому допускается тепловое подобие для всего объёма устройства (образца) осуществлять как подобие температур на входе и выходе одной трубки модели, имитирующей трубку газохода реального образца. Обычно в модели движение потока газа осуществляется при постоянной температуре (условно). В этом случае условия подобия реализуются лишь для какой-то средней температуры. Подобие физических параметров можно выполнять приближенно.

Обмотка электронагревателя размещается равномерно, что обеспечивает постоянное тепловыделение по длине калориметрической трубки 1 (рис.1). Для измерения температуры стенки калориметра служат термопары 4 группы хромель-копель марки «Овен» ДТПL011-0.5, одна из которых подключена к измерителю-регулятору «Овен» ТРМ210-Щ1.ТР, управляющему процессом нагрева калориметрической трубки до заданного значения температуры её поверхности в автоматическом режиме пропорционального регулирования, имеющему интерфейс RS-485. Расход воздуха регулируется с помощью задвижки, установленной на выходном патрубке модели. Температура воздуха на входе в модель воздухоподогревателя и на выходе из него измеряется с помощью термопар 6 и 5 группы хромель-копель марки «Овен» ДТПL011-0.5, подключённых к многоточечному измерителю – регулятору «Овен» ТРМ138-Т с интерфейсом RS-485. Подключение приборов к USB входу компьютера осуществляется через адаптер связи АС-4. Функциональная схема подключения представлена на рис.2.

Скорость движения воздуха определяется с помощью двух трубок 7, установленных на воздуховоде перед моделью (рис.2), и микроманометров 8,9 с наклонной шкалой.

Рис.2. Функциональная схема стенда.

 

Одна из трубок направлена против потока и служит для измерения полного давления (Трубка Пито рис.3).

 

Рис.3. Трубка Пито

 

На некотором расстоянии от конца этой трубки имеется отверстие в трубопроводе, в которое входит вторая трубка, служащая для измерения статического давления.

Присоединив одновременно к микроманометру трубки, показывающие полное и статическое давление измеряют их разность - динамический напор, по которому затем определяют скорость воздуха в канале V.

Из уравнения Бернулли динамический напор:

, (2)

где ρ - плотность воздуха при температуре Т= ТГ и давлении P=0,1 МПа (см. приложение 4).

Для микроманометра с наклонной шкалой

, (3)

где: l - длина столбика рабочей жидкости (спирта), отсчитываемая по шкале микроманометра, мм,

, (4)

где φ – угол наклона трубки микроманометра.

Аналогично можно измерять и падение статического давления в модели:

(5)

Гидравлическое сопротивление газохода воздухоподогревателя определяется по разности статических давлений, измеренных до и после модели:

(6)

Основные геометрические размеры газоходов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Геометрические размеры газоходов

Номер газохода Длина газохода, м Ширина газохода, м Высота газохода, м Параметры трубок калориметра
Диаметр, м Длинна, м
  0,55 0,06 0,1 0,02 0,5
  0,55 0,06 0,1 0,02 0,5

 

3. ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ

 

Ознакомившись с описанием опытной установки и заготовив таблицу для записи наблюдений, проверяют правильность включения измерительных приборов.

После проверки схемы преподавателем можно приступить к проведению опыта. Сначала включается вентилятор, а затем электрокалориметры. Запись показаний приборов производится после установления стационарного теплового режима (когда температура не изменяется с течением времени).

Для каждого установившегося режима необходимо сделать 2- 3 записи показаний всех измерительных приборов через каждые 3 минуты.

Необходимо провести испытания при 3-4 различных значениях скорости воздуха. По окончании работы необходимо выключить электрокалориметр и спустя 3-4 мин. после этого выключить вентилятор. Включение и выключение электропотребителей производится преподавателем.

 

Таблица 2. Результаты эксперимента

№№ ΔРдин., мм вод. ст. ΔРсm., мм вод. ст. Напряжение, U,В Сила тока I,А Температура стенки калорим., °С Температура воздуха, °С
На входе На выходе
  а              
б              
в              
  а              
б              
в              
  а              
б              
в              

III. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

3.1. Коэффициент теплоотдачи определяется из уравнения (1). Количество тепла, переданного калориметром воздуху путем конвекции, определяется из соотношения:

, (7)

где: (Вт),

- общее количество тепла, передаваемое калориметром конвекцией и излучением.

Количество тепла, передаваемое калориметром путем излучения, определяется расчетом по уравнению:

(Вт), (8)

где Cпр- приведенный коэффициент излучения:

, (9)

 

где C1 и C2 - коэффициенты излучения стенок калориметра и газохода;

F1 и F2 - площадь наружной поверхности трубки калориметра и внутренней поверхности газохода.

Так как F1 значительно меньше F2, Спр ≈ С1.

Для латуни C1 = 1,05 Вт/м2∙K4.

Tcm1; Tcm2- температуры стенок калориметра и газохода, К(Тст2Г).

При определении α из уравнения (1) ТГ ( температуру воздуха) рассчитывают так: K,

где: T и T - температура воздуха на входе и на выходе из газохода.

 

Скорость воздуха V1 в подводящей трубке на входе в короб определяется из формулы (2):

,

где ρ1- плотность воздуха на входе в короб газохода.

Массовый расход воздуха, проходящего через подводящую трубку (G1) и короб газохода (G2):

G1= ρ1V1f1 = G2 = ρ2V2f2 ,

где р1, р2 – плотность холодного и горячего воздуха,

V2 – скорость воздуха в коробе,

f1, f2 – площадь поперечного сечения подводящей трубки (d= мм) и короба (с учётом загромождения сечения трубками калориметра).

Температура воздуха при определении его плотности по таблице приложения 1 берётся равной Т на входе в короб (для ρ1) и равной Тг (для ρ2): Тг = (Т+ Т)/2,

где Т – температура воздуха на выходе из короба.

Тогда V2 = (ρ1V1f1)/(ρ2 f2) = V.

Полученные результаты заносят в таблицу 3.

Таблица 3. Результаты вычислений

№ опытов V, м/с Q п, Вт Q л, Вт Q к, Вт α, Вт/м2∙K , Па
             
             
             

 

Результаты опытов представляется в виде графических зависимостей:

3.2. Обобщение опытных данных в критериальной форме.

Как метод обобщения опытных данных для подтверждения полного подобия при моделировании используют теорию подобия. Одна из теорем теории подобия говорит, что для полного подобия необходимо осуществить равенство определяющих критериев. Для случая вынужденного движения газов при сохранении постоянства физических свойств (критерий Прандтля Pr не изменяется) определяющим критерием является лишь один критерий Рейнольдса. При расчете тепловых аппаратов искомыми величинами являются коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление. Конвективный теплообмен характеризуется пятью критериями (числами) подобия – Нуссельта, Эйлера, Прандтля, Грасгофа и Рейнольдса.Критерии Нуссельта и Эйлера содержат искомые величины, поэтому их называют определяемыми, все остальные – определяющими. В нашем случае, когда свободная конвекция, учитываемая критерием Грасгофа, намного меньше вынужденной, учитываемой критерием Рейнольдса, критерии Нуссельта и Эйлера будут зависеть только от критерия Рейнольдса.

Общий анализ условий теплоотдачи приводит к следующей критериальной зависимости:

Nu = C1 ∙Re n. (10)

Аналогичная критериальная зависимость имеет место и для гидравлического сопротивления:

Eu = C2 ∙Re m. (11)

В уравнениях (10) и (11):

- критерий Рейнольдса, (12)

- критерий Нуссельта, (13)

- критерий Эйлера, (14)

где d – диаметр трубки или эквивалентный диаметр dэкв, м;

V – скорость движения газа, м/с;

ν – кинематическая вязкость газа, м2/с;

α – коэффициент теплоотдачи газа, Вт/м2∙K;

ρ – плотность газа, кг/м3;

ΔP – гидравлическое сопротивление в трубах, каналах (перепад статического давления в потоке газа - ΔPст), Па;

С1, С2, n, m – постоянные величины.

Поток воздуха в модели газохода котла проходит по коробу прямоугольного сечения, в котором расположены трубки нагревателя (калориметра). В этом случае для канала некруглого сечения существует практический метод расчета, проверенный на ряде частных случаев, позволяющий приближенно использовать формулы для сопротивления и теплоотдачи при течении в круглых трубах, подставляя в эти формулы вместо диаметра трубы d так называемый эквивалентный диаметр dэкв:

dэкв= 4F/U, (15)

где F- площадь сечения канала,

U- периметр сечения.

Применение эквивалентного диаметра не может не вызвать заметных неточностей и допускается лишь, поскольку отстутсвуют непосредственные данные для каналов такого сечения. В нашем случае проходное сечение короба частично загромождается расположенными в нем трубками калориметра. Поэтому при определении dэкв необходимо вычесть из площади поперечного сечения короба площадь поперечного сечения трубок и учесть полный периметр канала. Расчет показывает, что нашем случае: dэкв=5,09 . 10-2 м (ширина газохода равна 6 . 10-2 м).

Для потока теплоносителя, направленного перпендикулярно оси труб, размещенных в потоке, за определяющий диаметр обычно принимают диаметр труб. На установке трубки калориметра расположены параллельно потоку газа. Поэтому в работе будут рассмотрены два варианта расчета, в первом из которых за определяющий размер при вычислении Nu и Re будет принят диаметр трубок калориметра, а во втором - эквивалентный диаметр dэкв.

Обработка экспериментальных данных по теплоотдаче и гидравлическому сопротивлению для пучка труб методами теории подобия дает возможность определить постоянные величины С1, С2, n, m, входящие в уравнения (10) и (11), т.е. получить критериальные уравнения, подтверждающие полное подобие модели и образца, а также возможность использования полученных уравнений для расчета подобных теплообменных устройств в практических условиях.

Для дальнейшей обработки экспериментальных данных в критериальной форме по результатам опытов рассчитывают значение критериев Рейнольдса, Нуссельта и Эйлера по уравнениям (12-14).

Физические параметры, входящие в эти критерии, берут из приложения по температуре воздуха.

Полученные значения критериев наносятся на график (в логарифмическом масштабе) в виде зависимости:

Nu = f (Re) (16)

и Eu = f (Re). (17)

Через точки на графиках проводят прямые.

Уравнения этих прямых приведены выше: (10) и (11).

Постоянные n и m определяются как тангенс угла наклона соответствующей прямой к оси абсцисс. Значения С1 иС2 находят из графика.

Результаты обработки экспериментальных данных в критериальной форме заносятся в таблицу 4 для первого и второго вариантов расчета.

 

Таблица 4. Результаты обработки экспериментальных

№ опыта V,м/с Re Nu Eu m n C1 C2
                 
               
                 

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой процесс переноса тепла называют теплоотдачей?

2. Что определяет коэффициент теплоотдачи и от каких факторов зависит?

3. Цель моделирования. Каковы правила теории моделирования?

4. Как в работе определяют коэффициент теплоотдачи?

2. Какие графические зависимости необходимо построить на основании результатов работы?

3. Какие критерии подобия рассматриваются в работе, что они показывают и как связаны между собой?

4. Как в работе определяют константы в критериальных уравнениях?

5. Какие можно сделать выводы на основании результатов работы?

 

Рекомендуемая литература

  1. Теплотехника: Учеб. Для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров и др. - М. Высш. шк. 2008. - 671 с.

2. Лабораторный практикум по учебной дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен. В.С. Сидоренко, А.Т. Рыбак, А.А. Тумаков, В.А. Чернавский, Р.А. Фридрих/Под общ. ред. В.А. Чернавского.-Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2005.

  1. Теплотехника: Учебник для втузов / А.М. Архаров, И.А. Архаров и др.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.-712 с.
  2. Теоретические основы теплотехники: Учеб. Для вузов / В.И. Ляшков.-М.Высшая школа. 2008.-255 с.
  3. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова. - М.: Высш. шк., 1988. - 439 с.
  4. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие для неэнергетических специальностей вузов / В.В. Нащокин. – М.: Высш. шк., 1998. - 496 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

Зависимость абсолютного давления (ата) насыщенного водяного пара от температуры (°С)

 

t р t р t р
  0,006228   0,012513   0,02383
  0,006695   0,013376   0,02535
  0,007193   0,014292   0,02695
  0,007724   0,015262   0,02863
  0,008289   0,016289   0,03041
  0,008891   0,017377   0,03229
  0,009532   0,018528   0,03426
  0,010210   0,019746   0,03634
  0,010932   0,02103   0,03853
  0,011699   0,02239   0,04083
           
  0,04325   0,07520   0,12578
  0,04580   0,07931   0,13216
  0,04847   0,08360   0,13880
  0,05128   0,08809   0,14574
  0,05423   0,09279   0,15297
  0,05733   0,09771   0,16050
  0,06057   0,10284   0,16835
  0,06398   0,10821   0,17653
  0,06755   0,11382   0,18504
  0,07129   0,11967   0,19390
           
  0,2031   0,3178   0,4829
  0,2127   0,3318   0,5028
  0,2227   0,3463   0,5234
  0,2330   0,3613   0,5447
  0,2438   0,3769   0,5667
  0,2550   0,3931   0,5894
  0,2666   0,4098   0,6129
  0,2787   0,4272   0,6372
  0,2912   0,4451   0,6623
  0,3043   0,4637   0,6882
           
  0,7149   0,8307   0,9616
  0,7424   0,8619   0,9971
  0,7710   0,8942   1,0332
  0,8004   0,9274    

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Зависимость удельного объема (м3/кг) перегретого пара от абсолютного давления (ата) и от температуры (°С)

 

P = 0,01 ата P = 0,02 ата P = 0,03 ата
t V t V t V
  0,0010002   0,0010002   0,0010002
  133,2   0,0010003   0,0010003
  137,9   68,93   0,0010018
  142,6   71,29   47,50
  147,3   73,65   49,08
  152,0   76,01   50,65
  156,8   78,36   52,22
  161,5   80,72   53,79
  166,2   83,07   55,36
  170,9   85,43   56,93
  175,6   87,78   58,50

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Диаграмма I-d, поясняющая взаимозависимости параметров влажного воздуха

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

 

Таблица физических параметров для сухого воздуха при

P= 101325 Па.

 

Т, К ρ, кг/м3 𝜆, Вт/(м . К) а . 102, м2 𝜈 . 106, м2 Pr
  1,247 2,51 7,22 14,16 0,705
  1,205 2,59 7,71 15,06 0,703
  1,1165 2,68 8,23 16,00 0,71
  1,129 2,76 8,75 16,96 0,699
  1,093 2,83 9,26 17,95 0,698
  1,060 2,90 9,79 18,97 0,696
  1,029 2,97 10,28 20,02 0,694
  1,000 3,05 10,87 21,09 0,692
  0,972 3,13 11,48 22,10 0,690
  0,946 3,21 12,11 23,13 0,688
  0,898 3,34 13,26 25,45 0,686
  0,854 3,49 14,52 27,80 0,684
  0,815 3,64 15,8 90,09 0,682
  0,779 3,78 17,1 32,49 0,681
  0,746 3,93 18,49 34,86 0,680
  0,674 4,27 22,00 40,61 0,677

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Рекомендации



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-11-01 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: