Лобасова М.С. Тепломассообмен. Лабораторный практикум

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 31

трубы;

λ

– коэффициент теплопроводности стали. Трубы сделаны из нержа-

веющей стали, для которой

14,4 0,016 tλ= +

. Среднюю температуру стали

найдем следующим образом:

( )

1234

/4t tttt= +++

.

Приведем критериальные соотношения для теплоотдачи на стенках

внутренней трубы. Для ламинарных режимов течения,

Re 2300≤

, как для

внутренней, так и для внешней стенки справедливо критериальное соотно-

шение

( )

13

0

Nu 1,55 Re Prll=

, (10)

описывающее как случай цилиндрической трубы (внутренняя), так и кольце-

образной (внешняя). В соотношении (9)

0

l

является диаметром, если оно ис-

пользуется для внутренней трубы, и расстоянием между стенками кольцевого

канала, если оно используется для внешней. В качестве пространственного

масштаба, входящего в безразмерные критерии, принято

0

l

.

В турбулентном режиме течения,

4

Re 10≥

, для внутренней трубы

справедливо соотношение

0,8 0,43

Nu 0,021Re Pr=

, (11)

для внешней

0,8 0,4

32

Nu 0,017Re Pr dd=

, (12)

где

3

d

– внутренний диаметр внешней трубы. При вычислении чисел Рей-

нольдса скорость среды определяется по ее расходу V как

w VF=

, где F

– площадь сечения канала. Коэффициенты теплоотдачи определяются по

числу Нуссельта, при этом теплопроводность жидкости рассчитывается при

температуре, равной средней из температур на входе и выходе:

( )

ж

жж

0

Nu ;

λ

α= λ =λ t

l

.

Критериальные методы оценки весьма неточны, но полученные значе-

ния коэффициентов теплопередачи не должны расходиться более чем на

15 %.

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 32

2

.

С

х

е

м

а

э

к

с

п

е

р

и

м

е

н

т

а

л

ь

н

о

й

у

с

т

а

н

о

в

к

и

Экспериментальная установка (рис. 6

) состоит из следующих элемен-

тов:

1. Рабочий участок (труба в трубе).

2. Водоподогреватель.

3. Насос водоподогревателя.

4. Расширительный бачок водоподогревателя.

5. Вентиль расширительного бачка.

6. Вентиль регулирования расхода горячей воды во внутренней трубе.

7. Радиатор (холодильник) для охлаждения воды, текущей в наружной

трубе рабочего участка.

8. Насос холодильника.

9. Расширительный бачок радиатора.

10. Измеритель расхода воды, текущей во внутренней трубе рабочего

участка.

11. Измеритель расхода воды, текущей во внешней трубе рабочего уча-

стка.

12. Вентилятор радиатора(холодильника) с источником питания.

13. К1 , К2 , К3 , К4 – вентили, регулирующие режимы течения ( пря-

моток или противоток ) и расход воды во внешней трубе рабочего участка.

14. ВМ – вентили Маевского, предназначенные для удаления воздуха

из системы.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки и подключения водяных контуров и термопар

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 33

3

.

П

о

р

я

д

о

к

п

р

о

в

е

д

е

н

и

я

э

к

с

п

е

р

и

м

е

н

т

а

1. Соединить шлангом насос 3 и расходомер 10 (рис. 7).

2. Соединить шлангом вентиль 6 и штуцер 13.

3. Соединить шлангом штуцер 14 и штуцер 15 расширительного

бачка 9.

4. Соединить шлангом штуцер насоса 8 и штуцер на входе расходо-

мера 11.

5. Залить дистиллированную воду в водоподогреватель 2 через расши-

рительный бачок 4 при открытых вентилях 5 и 6 (11 литров).

6. Залить дистиллированную воду в радиатор (холодильник) 7 через

расширительный бачок 9 при открытых вентилях К1 , К2 , К3 , К4 и всех ВМ.

7. Подключить к розеткам, находящимся на задней панели установки,

водоподогреватель, насос водоподогревателя, насос холодильника, источник

питания вентилятора (разъёмы вентилятора должны быть соединены с разъ-

ёмами источника питания).

8. Заземлить корпус установки.

9. Включить установку в сеть.

10. Тумблером «Сеть» включить питание установки.

11. При всех открытых вентилях проверить заполнение водой водопо-

догревателя и радиатора. При этом расширительные бачки должны быть за-

полнены наполовину.

12. Включить тумблер «Насос нагревателя». Если расходомер 10 не ра-

ботает (в системе имеется воздушная пробка), то необходимо несколько раз

произвести включение и выключение насоса при открытых ВМ.

13. Вентилем 6 отрегулировать необходимый расход воды во внутрен-

ней трубе рабочего участка.

14. Для установки режима «Прямоток» во внешней трубе рабочего уча-

стка закрыть вентили К1 , К4 и открыть вентили К2 , К3 .

15. Тумблером «Насос холодильника» включить насос 8 радиатора (хо-

лодильника).

16. Включая и выключая насос 8 радиатора тумблером «Насос холо-

дильника», достичь равномерного вращения «Турбинки» расходомера 11,

свидетельствующего о непрерывном потоке воды во внешней трубе рабочего

участка.

17. Вентилем К3 отрегулировать необходимый расход воды во внешней

трубе рабочего участка в режиме «Прямоток».

18. Для установки режима «Противоток» во внешней трубе рабочего

участка закрыть вентили К2 , К3 и открыть вентили К1 , К4.

19. Вентилем К4 отрегулировать необходимый расход воды во внешней

трубе рабочего участка в режиме «Противоток».

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 34

Рис. 7. Внешний вид стенда

20. После установки нужного режима течения воды во внешней трубе

рабочего участка и требуемых расходов (15–20 см

3

в секунду, см. паспорт

расходомера), включить водоподогреватель 2 тумблером «Нагрев».

21. Включить измеритель температуры 20 тумблером 17.

22. Включить вентилятор холодильника тумблером 18 «Вентилятор хо-

лодильника».

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 35

23. При достижении температуры на входе во внутреннюю трубу

t

1

= 45–50 °С произвести отсчёт температур t

1

,t

2

,t

3

,t

4

с помощью переклю-

чателя термопар 19.

24. Включить секундомер и произвести отсчёт показаний расходоме-

ров.

25. Выключить секундомер и произвести отсчёт показаний расходоме-

ров. При этом определить промежуток времени, за который через сечения

труб прошли соответствующие объёмы воды.

Результаты измерений заносятся в следующую таблицу:

№ опыта

Первое показание

расходомера

Второе показание

расходомера

Интервал

времени

t

1

t

2

t

3

t

4

.

О

б

р

а

б

о

т

к

а

р

е

з

у

л

ь

т

а

т

о

в

и

з

м

е

р

е

н

и

й

1. Определить расходы воды, деля разницу показаний счетчиков объе-

ма на интервал времени измерения.

2. Определить потоки энтальпии воды на входе и выходе из внутренней

и внешней труб, умножая расход на плотность воды, ее удельную теплоем-

кость и температуры.

3. Определить мощности теплоотдачи от труб, вычитая потоки энталь-

пии на выходе из потоков на входе.

4. Определить теоретические значения коэффициентов теплоотдачи по

соотношениям (9

, 10, 11, 12).

Результаты расчетов заносятся в таблицу:

№ опыта

V

внеш

Re

внеш

α

внеш

V

внутр

Re

внутр

α

внутр

k

эксп

k

теор

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

д

о

п

у

с

к

а

к

р

а

б

о

т

е

Основные:

1. Какие виды теплопередачи реализуются в данной лабораторной ус-

тановке?

2. Сформулируйте принцип измерения расхода, используемый в данной

установке.

3. Какой метод измерения температур используется в данной лабора-

торной установке?

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Лаб.раб.4. Исследование теплопередачи при вынужденном течении нагретой жидкости в трубе круглого сечения («труба в трубе»)

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 36

4. Какие физические величины необходимо измерить в ходе выполне-

ния работы?

5. Сформулируйте закон Ньютона–Рихмана.

Дополнительные:

6. Должен ли коэффициент теплопередачи расти с увеличением расхо-

да жидкости, падать или оставаться постоянным?

7. Дайте определение коэффициента теплопередачи.

8. Дайте определение коэффициента теплоотдачи и укажите его раз-

мерность.

9. Сформулируйте принципы прямоточной и противоточной схемы те-

плообмена. Какая из схем обеспечивает более эффективную теплопередачу и

почему?

10. С какой целью данная методика предусматривает проведение серии

измерений при различных значениях расхода жидкости?

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

з

а

щ

и

т

ы

р

а

б

о

т

ы

Основные:

1. Ламинарный или турбулентный режим течения реализуется в усло-

виях эксперимента во внешней и внутренней трубах?

2. В ламинарном или турбулентном режиме течения достигается боль-

шее значение коэффициента теплоотдачи? Обоснуйте ответ.

3. Перечислите погрешности, связанные с неидеальностью реализации

метода. Назовите наиболее существенные из них.

4. Перечислите инструментальные погрешности, присущие данной

экспериментальной установке. Назовите наиболее существенные из них.

5. Преимущество прямоточной или противоточной схемы теплообмена

показал эксперимент?

Дополнительные:

6. Каковы причины отклонения измеренного коэффициента теплоотда-

чи от рассчитанного с использованием критериальных соотношений?

7. Перечислите погрешности метода определения коэффициента тепло-

отдачи. Назовите наиболее существенные из них.

8. Сформулируйте принцип подобия для процесса конвективного теп-

лообмена между поверхностью с заданной температурой и жидкостью.

9. Являются ли критериальные соотношения (10

, 11, 12) теоретически-

ми или полученными в результате обобщения экспериментальных данных?

10. Сделайте свои предложения по снижению погрешности определе-

ния коэффициента теплопередачи.

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 37

М

О

Д

У

Л

Ь

3

.

Т

Е

П

Л

О

Б

М

Е

Н

П

Р

И

Ф

А

З

О

В

Ы

Х

П

Р

Е

В

Р

А

Щ

Е

Н

И

Я

Х

Л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

а

я

р

а

б

о

т

а

5

.

И

з

у

ч

е

н

и

е

т

е

п

л

о

б

м

е

н

а

п

р

и

р

а

з

л

и

ч

н

ы

х

р

е

ж

и

м

а

х

к

и

п

е

н

и

я

ж

и

д

к

о

с

т

и

Цель работы: изучение теплоотдачи от твердой поверхности к жидко-

сти при различных режимах кипения жидкости.

Задачи работы: освоение экспериментальной методики определения

коэффициента теплоотдачи на основе данных о темпе охлаждения на его ре-

гулярной стадии; определение кризиса теплоотдачи на основании визуаль-

ных наблюдений и данных измерений температур; сопоставление экспери-

ментальных и теоретических значений коэффициента теплоотдачи при пле-

ночном кипении и температуры второго кризиса.

1

.

Т

е

о

р

е

т

и

ч

е

с

к

и

е

с

в

е

д

е

н

и

я

Существует два характерных вида кипения: кипение в большом объеме

и кипение при вынужденном движении (кипение жидкости в трубах). Пер-

вый вид, рассматриваемый в данной работе, в свою очередь, может протекать

в двух режимах: пузырьковом и пленочном.

На практике пузырьковое кипение встречается намного чаще, чем пле-

ночное. Пузырьковый режим характеризуется высокими коэффициентами

теплоотдачи и, соответственно, высокой способностью к отводу тепла при

малой разнице температур жидкости и стенки. Однако при высоких значени-

ях теплового потока поверхность нагрева уже не способна обеспечивать

столь же эффективный отвод тепла, что ведет к отрыву поверхности парооб-

разования от поверхности нагрева и образует между ними слой пара, кото-

рый и называется паровой пленкой. Теплопроводность пара намного меньше,

чем теплопроводность жидкости, потому как при низких давлениях и одина-

ковой температуре у этих двух фаз существенно различаются плотности.

Резкий рост термического сопротивления системы ведет к резкому повыше-

нию температуры поверхности нагрева при том же отводимом тепловом по-

токе.

В данной работе наблюдение за пленочным режимом кипения проис-

ходит следующим образом: медная болванка, заключенная в оболочку из не-

ржавеющей стали, помещается в печь и греется там до 450–500 °С. Наличие у

поверхности изначально высокой температуры при погружении в воду при-

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 38

водит к мгновенному образованию вокруг нее паровой пленки. Чтобы тепло

не тратилось на подогрев воды до температуры насыщения, близ поверхно-

сти воду, в которую погружают исследуемый образец, предварительно дово-

дят до кипения, т.е. «догревают» до температуры насыщения.

Процесс остывания образца в кипящей жидкости характеризуется тем,

что происходит при постоянной температуре охлаждающей среды, а режим

пленочного кипения характеризуется постоянным значением коэффициента

теплоотдачи, что является граничными условиями для регулярного режима

охлаждения первого рода

В охлаждаемом теле связь между временными и пространственными

изменениями температуры в любой точке, где происходит процесс теплопро-

водности, устанавливается уравнением теплопроводности. Для тела, в кото-

ром отсутствуют источники тепла, оно принимает вид

2

t

∂

= ∇

∂τ

a

,

Решение задачи об охлаждении тел приводит к понятию темпа охлаждения:

1

m

∂ϑ

= −

ϑ ∂τ

,

где

ж

ϑ= −tt

;

t

– средняя температура тела в момент времени τ ;

ж

t

– темпе-

ратура окружающей среды.

Левая часть определяет относительную скорость изменения температу-

ры, которая при регулярном режиме не зависит от координат и времени и яв-

ляется постоянной величиной. Можно показать, что

.

F

m

C

α

= ψ

(13)

Уравнение (13)

выражает закон сохранения энергии для системы, со-

стоящей из охлаждаемого тела и окружающей среды, имеющей постоянную

температуру. Это первая теорема Кондратьева: «Темп охлаждения (нагрева-

ния) однородного и изотропного тела при конечном значении коэффициента

теплоотдачи пропорционален среднему по поверхности тела коэффициенту

теплоотдачи α, площади поверхности тела F и обратно пропорционален его

полной теплоёмкости С».

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 39

Множитель ψ называется коэффициентом неравномерности распреде-

ления температуры. Смысл величины

ψ состоит в отношении средней темпе-

ратуры поверхности тела к температуре тела, усреднённой по всему объёму:

с

.

t

ψ=

Процесс охлаждения нагретого медного образца до 450–500 °С в нагре-

той до 100 °С воде происходит при плёночном кипении воды на его поверх-

ности с постоянным и относительно невысоким коэффициентом теплоотда-

чи. Поэтому величина

ψ близка к 1. При переходном режиме кипения коэф-

фициент теплоотдачи значительно возрастает, что приводит к резкому

уменьшению температуры стенки

t

c

образца и, следовательно, к увеличению

неравномерности температурного поля в образце. При этом ψ < 1.

А.В. Лыковым было показано, что регулярный режим определяется не

только определёнными температурными полями, возникающими в нагревае-

мом или охлаждаемом теле, но и потоками тепла через его поверхность. По-

этому при охлаждении медного образца нет необходимости различать регу-

лярные режимы первого, второго и третьего рода. В качестве общего свойст-

ва теплового регулярного режима можно принять соотношение

( )

ж

m= −

τ

dt

tt

d

, (14)

где

t

– средняя по объёму температура тела; t

ж

− температура среды.

Для области плёночного кипения из соотношений (13

) и (14) следует,

что коэффициент теплоотдачи можно найти по формуле

ж

1

()

cM dt

F ttd

α=

⋅ψ − τ

,

где c – удельная теплоёмкость металла; М – масса образца;

ψ=

1.

При переходе от плёночного кипения к пузырьковому возрастает сред-

ний коэффициент теплоотдачи. Это приводит к понижению температуры по-

верхности образца и, следовательно, коэффициента неравномерности рас-

пределения температуры в образце.

Для переходной области из соотношений (13

), (14) следует:

const

F

m

C

α

= ψ = ψα ⋅

.

МОДУЛЬ 3. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ФАЗОВЫХПРЕВРАЩЕНИЯХ

Лабораторная работа 5. Изучение теплообмена при различных режимах кипения жидкости

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 40

Если функция

()tf= τ

непрерывно убывает, а её производная является так-

же непрерывной функцией, то в точке перегиба кривой

()tf= τ

темп ох-

лаждения

const maxm = ψα ⋅ =

. (15)

Соотношение (15)

можно использовать для определения второй крити-

ческой плотности теплового потока

кр.2

q

и второго критического темпера-

турного напора

кр.2

∆t

на основе экспериментальных данных о зависимости

()tf= τ

. Температура, соответствующая точке перегиба функции

()tf= τ

,

определяет второй критический температурный напор

кр.2

∆t

.

2

.

С

х

е

м

а

э

к

с

п

е

р

и

м

е

н

т

а

л

ь

н

о

й

у

с

т

а

н

о

в

к

и

На рис. 8 представлена передняя панель установки, на которой нахо-

дится тумблер «Сеть» 1, тумблер включения нагревателей 2, тумблеры

3 и 4, включения измерителей температуры ТРМ-200 5 и 6. Нагрев цилинд-

рического образца 11 в печи 7 производится включением диммера 8. Нагрев

воды в стеклянной емкости 9 производится включением диммера 10. Пере-

мещение образца 11 из печи в воду производится ползунком 12. Измерители

температуры соединены с хромель-копелевыми термопарами, 13 – разме-

щенной в центре цилиндрического образца и 14 – размещенной на его обра-

зующей. Первый канал измерителя температуры 5 подключен к термопаре

13. Первый канал измерителя температуры 6 подключен к термопаре 14.

Температура воды в стеклянной емкости измеряется термопарой 15, подклю-

ченной ко второму каналу, измерителя температуры 6. Тумблер 16 включает

вентилятор 17, расположенный на задней панели установки. Вентилятор

служит для вытягивания влажного воздуха из корпуса установки. На направ-

ляющей 18 расположен фиксирующий зажим 19 для фиксации положения

цилиндра в стеклянной емкости.

В опыте цилиндр должен быть погружен в воду на 15 – 35 мм. Величи-

на погружения влияет на продолжительность пленочного кипения воды на

стенках цилиндра. На задней панели установки находится виниловая трубка

20, через которую производится заполнение дистиллированной водой стек-

лянной емкости 9 до уровня, не превышающего отметки на стенке емкости. В

процессе нагрева воды в емкости 9 отверстие в крышке емкости закрывается

задвижкой 21. Цилиндрический образец 11 представляет собой тонкостен-

Лобасова М.С. Тепломассообмен. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.