Методические указания
№5 – Определение эффективности рекуперативного теплообменника
Категория: | Методические указания |
Дисциплина: | Основы энергосбережения |
Город: | Беларусь, Минск |
Учебное заведение: | БНТУ, ФИТР |
Стоимость работы: | бесплатный |
Оценка: | 10 |
Объем страниц: | 6 |
Год сдачи: | 2020 |
Дата публикации: | 20.10.2020 |
Фрагменты для ознакомления
Лабораторная работа № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Цель работы: определение эффективности водо-водяного рекуперативного теплообменника, экспериментальное нахождение коэффициента теплопередачи, сравнение прямотока и противотока.
Общие сведения
Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах, диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.
Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – часто происходят совместно.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению, – экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.
Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).
Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.
Регенеративные теплообменные аппараты – это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью.
Сначала поверхность регенератора отбирает тепло от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты работают большей частью в стационарном режиме.
В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.
Характер изменения температур рабочих сред по поверхности рекуперативного теплообменного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее простыми схемами движения являются: прямоток (рис. 5.1, а), противоток (рис. 5.1, б) и перекрестный ток (рис. 5.1, в). Существуют аппараты и с более сложными схемами движения теплоносителя.

Рис. 5.1. Схемы движения рабочих сред
От того, какая схема движения сред применена, во многом зависит эффективность теплообменного аппарата.
Расчет ТА, работающих в стационарном режиме, ведется на основе двух уравнений – теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса означает равенство количества тепла, отдаваемого горячим теплоносителем (Qгор), сумме количеств тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем, (Qхол) и потерь в окружающую среду Qос:

Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, имеем Qгор = Qхол = Q или

(5.1) здесь Gгор, Gхол – соответственно массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; Gpгор, Gpхол– средние изобарные удельные теплоемкости горячей и холодной воды; Gpгор=Gpхол = 4187 Дж/(кг×К); DTгор и DTхол – изменения температур горячей и холодной воды.
DTгор = Тгорвх – Тгорвых; DTхол = Тхолвых - Тхолвх . |
|
Уравнение теплопередачи определяет количество теплоты Q, передаваемой через заданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры греющего Tгор и нагреваемого Tхол теплоносителей [1]:

где К – коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м2×К);
F ‑ площадь поверхности теплообменника, м2;
Следовательно К – коэффициент теплопередачи равен:
![]() | ( 5.2 ) |
![]() | ( 5.3 ) |
Коэффициент теплопередачи, К характеризует интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.
Термодинамическая эффективность теплообменника − это отношение количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству теплоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплообмена с теми же параметрами на входе. Эффективность теплообменника определяется по формуле
![]() |
( 5.4 ) |
Сравнение прямотока с противотоком
Преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой определяются из сравнения количества теплоты, передаваемой при равных условиях, и коэффициентов теплопередачи.
Во всех случаях при прямотоке передается меньшее количество теплоты, т.е. противоток более экономичен по сравнению с прямотоком.
Экспериментальная установка
Установка (рис. 5.2) представляет собой поверхностный теплообменник 1, выполненный из двух труб, размещенных одна внутри другой. По внутренней трубе протекает горячая вода (греющий теплоноситель). По наружной – холодная (нагреваемый теплоноситель).
Для определения температур горячей воды на входе и выходе из теплообменника установлены термопары 3; холодной воды – термометры 2. ЭДС термопар регистрируется милливольтметром 5, подключенным через переключатель термопар 4.
Расход горячего теплоносителя из термостата 8, протекающего через теплообменник, измеряется с помощью ротаметра 6. Регулирование расхода теплоносителя осуществляется вентилям 7. Переключение схемы с прямоточной, на противоточную производится преподавателем.

Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки
Порядок выполнения работы
Установка включается по прямоточной схеме. Открываются вентили, и в теплообменник при предельных расходах подается горячая и холодная вода. При достижении стационарного теплового режима, о наступлении которого судят по установившимся показаниям милливольтметра 5, приступают к измерению температур и расходов теплоносителей. С этой целью через равные промежутки времени (3-5 минут) снимаются показания милливольтметра, термопар и ротаметра. Затем вентиль установка включается по схеме «противоток» и опыт повторяется в той же последовательности, что и при прямотоке.
Результаты измерений вносятся в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Схема подключения | № п/п | Тгорвх,мВ | Тгорвых,мВ | Тх.с,,°С | Тгорвх,°С | Тгорвых,°С | Тхолвх,°С | Тхолвых,°С | Н , мм | Gгор , кг/с |
Прямоток | 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Сред. знач. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Противоток | 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Сред. знач. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка экспериментальных данных
- Определить средние значения параметров для каждого режима (прямотока и противотока). Температура горячего теплоносителя определяется по градуировочной таблице (Приложение 2) плюс температура холодных спаев термопар (поправка на холодный спай).
- Расход горячего теплоносителя по тарировочной (Приложение 4) кривой определяется по показаниям ротаметра.
- Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя к другому, определяется из выражения (5.1).
- Средние температуры теплоносителей определяются по формуле (5.3) и из формулы (5.2) определяется коэффициент теплопередачи K при различных схемах движения теплоносителя.
- Эффективность аппарата находится по формуле (5.4).
- Полученные в эксперименте, численные значения количества тепла воспринятые холодным теплоносителем, коэффициенты теплопередачи и термодинамической эффективности теплообменника, необходимо сравнить для прямоточной и противоточной схем. Сделать вывод о целесообразности применения, схемы движения рабочих сред в рекуперативном теплообменнике.
Контрольные вопросы по лабораторной работе № 5