Рекомендации по обработке экспериментальных данных. 1. Рассчитать экспериментальное значение коэффициента теплопередачи (КТ, эксп), отнесённого к единице площади наружной поверхности теплообменной трубы

 

1. Рассчитать экспериментальное значение коэффициента теплопередачи (К_{Т , эксп}), отнесённого к единице площади наружной поверхности теплообменной трубы, используя формулу (2.3.1).

Для этого необходимо, в первую очередь, рассчитать тепловой поток в аппарате.

Количество теплоты, отдаваемой в единицу времени горячим теплоносителем, определяется по формуле:

 

,

(2.3.5)

 

а количество теплоты, воспринимаемой в единицу времени холодным теплоносителем, – по формуле:

 

,

(2.3.6)

 

где h _1н и h _1к – удельные энтальпии горячей воды при её начальной и конечной температуре в аппарате, соответственно;

h _2н и h _2к – удельные энтальпии холодной воды при её начальной и конечной температуре в аппарате, соответственно;

– массовые расходы соответственно горячего и холодного теплоносителей;

– объёмные расходы соответственно горячего и холодного теплоносителей, определённые по (2.3.3) и (2.3.4);

r _2н – плотность холодного теплоносителя при его начальной температуре.

 

Если , то результаты лабораторных измерений являются вполне достоверными.

Обычно оказывается немного больше , что объясняется теплообменом холодной воды с окружающей средой через стенку кожуха.

Для определения коэффициента теплопередачи рекомендуется принять

 

.

(2.3.7)

 

 

Средняя движущая сила теплопередачи(средняя разность температур теплоносителей в аппарате) определяется уравнением:

 

,

(2.3.8)

 

где Δ Т _н = (Т _1н – Т _2к) — разность начальной температуры горячей воды и конечной температуры холодной;

Δ Т _к = (Т _1к – Т _2н) — разность конечной температуры горячей воды и начальной температуры холодной.

 

2. Полученное экспериментально значение коэффициента теплопередачи сравнивается со значением, рассчитанным по уравнению аддитивности термических сопротивлений (2.3.2).

Для этого необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи a_вн и a_н.

2.1. Расчёт коэффициента теплоотдачи от горячей воды к поверхности теплообменной трубы (a₁ = a_вн) рекомендуется выполнять в следующем порядке:

а) определить физические свойства воды (в частности, плотность – r₁; динамическую вязкость – m₁; теплопроводность – l₁) и критерий Прандтля при её средней температуре в теплообменнике. Средняя температура горячего теплоносителя в противоточном аппарате рассчитывается по формуле:

 

.

(2.3.9)

 

Здесь и далее через D Т ₁ и D Т ₂ обозначены конечные изменения температур сред, то есть D Т ₁ = Т _1н – Т _1к, D Т ₂ = Т _2к – Т _2н;

б) рассчитать среднюю скорость воды в теплообменной трубе и число Рейнольдса (Re₁);

в) рассчитать число Нуссельта (Nu₁), используя одно из приведённых ниже критериальных уравнений (в зависимости от гидродинамического режима течения теплоносителя):

 

▫ при Re < 2300 и Ra > 8·10⁵

 

;

(2.3.10)

 

▫ при Re < 2300 и Ra < 8·10⁵

 

;

(2.3.11)

 

▫ при 2300 < Re < 10000

 

;	(2.3.12)

 

▫ при Re > 10000

 

.

(2.3.13)

 

Выражения критериев теплового подобия см. в пояснениях к формуле (2.1.9).

В формулах (2.3.10)…(2.3.13) определяющий линейный размер l = d _вн – внутренний диаметр теплообменной трубы; L – длина элемента аппарата.

В уравнениях (2.3.10)…(2.3.13) все физические свойства среды (кроме помеченных индексом «ст») определяются при средней вдоль поверхности теплообмена температуре теплоносителя; индекс «ст» означает, что свойства среды определяются при температуре стенки.

Поскольку температуры теплообменных поверхностей в данном аппарате не измеряются, рекомендуется сделать следующие предположения:

 

и (или иначе ).

(2.3.14)

 

Тогда может быть вычислена средняя температура стенки со стороны горячего теплоносителя:

 

,

(2.3.15)

 

что позволяет определить свойства воды и соответствующие критерии при данной температуре;

 

 

г) рассчитать коэффициент теплоотдачи

 

.

(2.3.16)

 

 

2.2. Расчёт коэффициента теплоотдачи от поверхности теплообменной трубы к холодной воде (a₂ = a_н) рекомендуется выполнять в следующем порядке:

а) определить физические свойства холодной воды (в частности, плотность – r₂; динамическую вязкость – m₂; теплопроводность – l₂) и критерий Прандтля при её средней температуре в теплообменнике. Средняя температура холодного теплоносителя в противоточном аппарате рассчитывается по формуле:

 

;

(2.3.17)

 

б) рассчитать среднюю скорость воды в кольцевом канале аппарата и соответствующее число Рейнольдса (Re₂);

в) рассчитать число Нуссельта (Nu₂), используя одно из известных критериальных уравнений:

▫ при Re < 8000

— одно из уравнений (2.3.10)…(2.3.12);

 

▫ при Re > 8000

 

.

(2.3.18)

 

Здесь в критериальных уравнениях определяющий линейный размер l = d _э – эквивалентный диаметр канала, который для кругового кольца определяется выражением:

 

,

(2.3.19)

 

где d ₂ и d ₁ – соответственно наружный и внутренний диаметры кольца.

 

 

При расчёте критерия Нуссельта необходимо знать температуру стенки. В данном случае рекомендуется сделать предположение, тождественное (2.3.14). Тогда:

 

;

(2.3.20)

 

г) рассчитать коэффициент теплоотдачи

 

.

(2.3.21)

 

 

2.3. Определить по соответствующим справочникам теплопроводность материала теплообменной трубы при её средней температуре, которую с достаточной точностью можно считать равной

 

(2.3.22)

 

 

2.4. Рассчитать коэффициент теплопередачи (К_{Т , расч}) по формуле (2.3.2).

Результат этого расчёта обычно значительно превышает величину коэффициента теплопередачи, полученного в эксперименте.

 

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

 

s1	дм3/с	кг/с	Т 1н, °С	Т 1к, °С	Вт	v 1, м/с	Re1	Nu1	a1, Вт/(м2·К)	КТ расч, Вт/(м2·К)
s2	дм3/с	кг/с	Т 2н, °С	Т 2к, °С	Вт	v 2, м/с	Re2	Nu2	a2, Вт/(м2·К)

 

К_{Т эксп} = ______ Вт/(м²·К)

 

Проанализировать полученные величины кинетических коэффициентов теплообмена и сделать выводы по работе, особо пояснив причину расхождения в значениях К_{Т , эксп} и К_{Т , расч}.