№5 – Определение эффективности рекуперативного теплообменника

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.

         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

Обработка экспериментальных данных

1. 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).
2. Расход горячего теплоносителя по тарировочной (Приложение 4) кривой определяется по показаниям ротаметра.
3. Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя к другому, определяется из выражения (5.1).
4. Средние температуры теплоносителей определяются по формуле (5.3) и из формулы (5.2) определяется коэффициент теплопередачи K при различных схемах движения теплоносителя.
5. Эффективность аппарата находится по формуле (5.4).
6. 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

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что такое теплообмен?

3. В каких случаях возникает теплообмен?

4. Основные способы переноса теплоты и их особенности.

5. Что называется теплообменным аппаратом? Виды теплообменных аппаратов

6. Что такое рекуперативный теплообменник?

7. Что такое теплоноситель?

8. Назвать основные схемы движения теплоносителей.

9. Как определить количество теплоты, передаваемое при теплопередаче?

10. Единицы измерения количества теплоты.

11. Что такое коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы измерения?

12. От чего зависит коэффициент теплопередачи рекуперативного теплообменника?

13. Как определить термодинамическую эффективность теплообменника?

14. Как определить преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой?

15. При какой схеме движении теплоносителей можно нагреть воду в теплообменнике до более высокой температуры?

16. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

17. Какими приборами измеряется температура и расход теплоносителей в лабораторной установке.