ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Л а б о р а т о р н а я   р а б о т а  № 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, – проблема экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.

Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначен-ные 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

здесь Gгор, Gхол – соответственно массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; , – средние изобарные удельные теплоемкости горячей и холодной воды; = = 4187; ΔTгор и ΔTхол – изменения температур горячей и холодной воды.

Уравнение теплопередачи определяет количество  теплоты Q, передаваемой через заданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры греющего и нагреваемого теплоносителей [1]:

где К – коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м2⋅К).

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 есть 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

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).

Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки

Для определения температур горячей воды на входе и выходе из теплообменника установлены термопары 2, 3; холодной воды – термометры 4 и 5. Холодные спаи термопар должны быть помещены в сосуд Дьюара 6, температура которого измеряется ртутным термометром. ЭДС термопар регистрируется цифровым вольтметром 7, подключенным через переключатель термопар 8.

Расход горячего теплоносителя, протекающего через теплообменник, измеряется с помощью ротаметра 9. Регулирование расхода теплоносителей осуществляется вентилями 10 и 11. Переключение схемы с прямоточной на противоточную производится с помощью вентиля 12.

В ы в о д ы

Полученные экспериментальным путем численные значения коэффициентов теплопередачи необходимо сравнить для прямоточной и противоточной схем, пояснить преимущество противоточной схемы по сравнению с прямоточной. Сделать вывод о целесообразности применения того или иного теплообменника.