Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения всех специальностей Бийск

скачать ^ Обработка экспериментальных данных Обработку полученных результатов начинают с построения индикаторной диаграммы (рисунок 5). Рисунок 5 – Экспериментальная индикаторная диаграмма По оси ординат откладывают абсолютное давление. Для удобства построения сначала наносится линия барометрического давления. Вверх от нее откладывается величина абсолютного давления в нагнетательном трубопроводе (), а вниз – во всасывающем (). Значение давлений и рассчитываются по уравнениям: (2.3) , (2.4) где – величина барометрического давления, Па; – средняя величина измеренного давления, создаваемого компрессором, Па. – средняя величина разряжения, создаваемого компрессором. При построении диаграммы рекомендуется придерживаться следующего масштаба: 1см – Па. Величины давления и обозначаются горизонтальными линиями. По оси абсцисс откладываются размеры вредного пространства и ход поршня: – длина вредного пространства (принять равной 2 мм); – ход поршня, соответствующий моменту открытия нагнета-тельного клапана, мм; – ход поршня, соответствующий моменту открытия всасыва-ющего клапана, мм. Для вычислений значений и воспользоваться соотноше-ниями: (2.5) , (2.6) где – полный ход поршня (равен 45 мм); – угол поворота коленчатого вала компрессора, соответствую-щий моменту открытия нагнетательного клапана; – угол поворота коленчатого вала компрессора, соответствую-щий моменту начала открытия всасывающего клапана. Точки пересечения горизонтальных линий абсолютного давления в нагнетательном и всасывающем трубопроводах с соответствующими вертикальными линиями, характеризующими ход поршня, соединяются прямыми линиями. При этом получается индикаторная диаграмма поршневого компрессора, несколько отличающаяся от действительной. При нанесении точек, отвечающих значениям , , , , на ось абсцисс масштаб расстояний следует увеличить вдвое, т.е. 1 мм хода поршня равен 2 мм на графике. Теоретически процессы сжатия (1–2) и расширения (3–4) в компрессорах и двигателях внутреннего сгорания рассматриваются как адиабатические. Реальные процессы сопровождаются теплообменом и идут по политропе. В расчетах обычно пользуются средними величинами показателей политропы, значения которых лежат в интервале 1<n<k. В данной работе, после построения индикаторной диаграммы, необходимо определить средние величины показателей политроп сжатия – и расширения – . Для этого можно воспользоваться уравнением, связывающим параметры газа в политропном процессе: . (2.7) Если уравнение (2.7) прологарифмировать и полученное выраже-ние разрешить относительно n, то получим: . (2.8) Т.е. из соотношения (2.8) можно рассчитать показатель политропы n. Политропа процесса сжатия газа в компрессоре находится из выражения , (2.9) где и – абсолютные давления во всасывающем и нагнетатель-ном трубопроводах компрессора; – объем, соответствующий точке 2 на индикаторной диаграмме (см. рисунок 5); – объем, соответствующий точке 1 на индикаторной диаграмме. Политропу процесса расширения газа можно определить из уравнения: (2.10) где – объем, соответствующий точке 3 на диаграмме; – объем, соответствующий точке 4. Объемы находят умножением хода поршня на площадь цилиндра компрессора: , (2.11) где d – диаметр компрессора (40 мм). Тогда ; (2.12) , ; (2.13) ; (2.14) , . (2.15) Так как в компрессоре сжимается воздух, то надо сравнить показатели политроп, полученные экспериментально, с показателем адиабаты воздуха (k=1,4). Контрольные вопросы Компрессоры – это… Основные виды компрессоров, их достоинства и недостатки. Принципиальное устройство поршневого компрессора. Индикаторная диаграмма работы компрессора. РV- и TS-диаграммы политропного процесса. Вредное пространство. Сравнение адиабатного и политропного сжатия в компрессоре. Распределение компрессоров по степени сжатия. ^ 3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВУХТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ» Цель работы: ознакомиться с устройством теплообменника типа «труба в трубе» и исследовать его работу, а также провести тепловой, проектный и проверочный расчеты. ^ Теоретическая часть Основное уравнение теплопередачи Основное уравнение теплопередачи имеет вид: , (3.1) где ^ Q – количество переданного тепла, Вт; К – коэффициент теплопередачи, ; S – поверхность нагрева аппарата, ; ∆tср – средний температурный напор, К. Коэффициент теплопередачи К является основной величиной, характеризующей эффективность работы теплообменных аппаратов. Коэффициент теплопередачи можно определить по следующей формуле для плоской стенки: , (3.2) где – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к по-верхности нагрева, ; – коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к холод-ному теплоносителю, ; – толщина стенки, м; – коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, . Интенсивность теплоотдачи зависит от свойств теплоносителей и характера их движения, в соответствии с этим методика определения коэффициента теплоотдачи различна. ^ Уравнение теплового баланса При работе теплообменных аппаратов в результате теплообмена происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и повышение энтальпии холодного теплоносителя. Методика определения количества отданного и поглощенного тепла (тепловой нагрузки) зависит от агрегатного состояния теплоносителей. Так, при нагревании и охлаждении без изменения агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса для непрерывных процессов имеет вид: , (3.3) где – количество горячего и холодного теплоносителей, про-ходящих через аппарат за единицу времени, кг/с; c1, с2 – удельная теплоемкость горячего и холодного теплоноси-телей, ; , – начальная и конечная температуры горячего теплоноси-теля, °С; , – начальная и конечная температуры холодного теплоноси-теля, °С; – потери тепла в окружающую среду за единицу времени, Вт. При нагревании жидкости или газа сухим насыщенным паром уравнение теплового баланса имеет вид: , (3.4) где ^ D – количество пара, прошедшего через аппарат, кг/с; r – удельная теплота парообразования, Дж/кг. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния теплоносителя При вынужденном (принудительном) движении теплоносителя (жидкость или газ) коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, имеющего общий вид: (3.5) Для расчета выбирается критериальное уравнение в зависимости от режима движения теплоносителя в аппарате. Для теплоносителя внутри прямых вертикальных труб при ламинарном режиме (Re<2300): ; (3.6) при переходном режиме (2300<Re< 10000): ; (3.7) при турбулентном режиме (Re> 10000): . (3.8) Критерий Рейнольдса Re характеризует режим движения тепло-носителя: , (3.9) где – коэффициент кинематической вязкости, ; – определяющий размер аппарата, м. Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена: , (3.10) где – коэффициент теплоотдачи, . По приведенным формулам подсчитывают значение критериев, а затем по выбранному в зависимости от режима движения критериальному уравнению определяют критерий Нуссельта Nu. По найденному критерию Нуссельта рассчитывают коэффициент теплоотдачи. ^ Теплоотдача при конденсации пара В химической промышленности очень широко применяются процессы, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния веществ: испарение, конденсация, плавление или кристаллизация. Теплообмен в этих процессах имеет ряд особенностей: тепло распространяется при постоянной температуре (темпе-ратура фазового превращения, т.е. температура кипения или конденса-ции); тепло одновременно распространяется в двух фазах. Если в качестве горячего теплоносителя используется сухой насыщенный пар, то при соприкосновении его с поверхностью нагрева за счет отдачи тепла происходит конденсация пара. Рисунок 6 – Схема конденсации пара Конденсация бывает капельная и пленочная (рисунок 6). При капельной конденсации (рисунок 6а) образующийся конденсат осаж-дается на несмачиваемой поверхности в виде отдельных капель. При пленочной конденсации (рисунок 6б) конденсат образует на поверх-ности нагрева сплошную пленку. В этом случае интенсивность тепло-отдачи ниже, чем при капельной конденсации, так как передача тепла от пара к поверхности нагрева происходит через сплошную пленку конденсата, которая оказывает большое термическое сопротивление, поэтому толщина пленки существенно влияет на теплоотдачу. Коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации опреде-ляется из критериального уравнения: , (3.11) где Ga – критерий Галлилея; Кu – критерий Кутателадзе. Из этого уравнения можно найти коэффициент теплоотдачи при конденсации пара: , (3.12) где А – коэффициент, зависящий от расположения поверхности нагрева; для вертикальных аппаратов , для горизонтальных ; r – удельная теплота парообразования, ; – плотность пленки конденсата, ; – коэффициент теплопроводности пленки конденсата,; – коэффициент кинематической вязкости пленки конденсата, ; – перепад температур на пленке конденсата, К; H – высота стенки, на которой происходит конденсация, м; для вертикальных аппаратов , для горизонтальных . Перепад температур на пленке конденсата равен разности температур пара и стенки со стороны пара: . (3.13) Все параметры пленки конденсата зависят от ее средней температуры, которая определяется как среднеарифметическая величина температуры пара и стенки. ^ Определение температур стенок В ряде случаев определение коэффициента теплоотдачи  невозможно без значения температуры более нагретой поверхности стенки или температуры менее нагретой ее поверхности . Температуру стенки находят методом последовательных приближений: задавшись произвольно этой температурой, определяют , рассчитывают К по формуле (3.2), а затем по приведенным ниже формулам проверяют сходимость рассчитанной величины. В качестве первого приближения принимают температуру стенки по уравнениям: ; (3.14) . (3.15) Повторяют вычисление , , и . Расчет заканчивается, когда для последних значений К и не различаются больше чем на 2 %; полученные в последних вычислениях , и принимаются за окончательные. ^ Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» Секционные теплообменники являются разновидностью трубча-тых аппаратов, состоят из нескольких последовательно соединенных секций, каждая из которых представляет собой трубчатый пучок с малым числом труб, помещенных в кожух небольшого диаметра. В секционных аппаратах, сравнительно простых по конструкции, даже без внутренних перегородок легко достижимы благоприятные для хорошего обмена условия – противоточное движение теплоносителей, а также достаточно высокие и примерно равные их скорости. Теплообменники типа «труба в трубе» (рисунок 7), называемые также двухтрубными, представляют собой разновидность секционных аппаратов и применяются при небольших расходах, но высоких давлениях теплоносителей. Небольшие поперечные сечения внутренней трубы и кольцевого зазора позволяют достичь высоких скоростей теплоносителей. I, II – теплоносители; 1 – наружная труба; 2 – внутренняя труба; 3 – соединительное колено; 4 – патрубок Рисунок 7 – Теплообменник типа «труба в трубе» Недостатки секционных теплообменников: громоздкость и относительно высокая стоимость поверхности теплообмена из-за большого числа кожухов, камер, трубчатых решеток, фланцев, калачей и других деталей, а также значительный расход электроэнергии на преодоление гидравлических сопротивлений за счет большой длины пути жидкости по секциям аппарата и повышенного числа поворотов и переходов между секциями. ^ Экспериментальная часть Установка для проведения экспериментальных работ состоит: из теплообменника 1 (рисунок 8), паропровода 2, линии отвода конден-сата 4, контрольно-измерительных приборов (ротаметр 5, манометры 6, термометры 7), холодильника 8, насоса 9, емкости для пищевых жидких сред 10. Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из четырех расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы размером 32×2 мм и концентрически расположенной внутри нее трубы размером 16×1 мм. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно при помощи съемных калачей. Наружные трубы также связаны между собой. Общая рабочая длина трубы l = 1,5 м. Греющий пар подают в межтрубное кольцевое пространство теплообменника. Конденсат отводится через конденсатоотводчик в линию конденсата. Расход воды устанавливают при помощи расходомера-ротаметра. Давление конденсирующего пара регулируют вентилем по показанию манометра, присоединенного к верхней части теплообменника, температуру на входе и выходе воды измеряют ртутными термометрами. 1 – теплообменник; 2 – паропровод; 3 – вентиль; 4 – линия отвода конденсата; 5 – ротаметр; 6, 7 – манометры; 8 – холодильник; 9 – насос; 10 – емкость Рисунок 8 – Схема установки ^ Порядок проведения работы Устанавливают расход воды, заданный преподавателем, и только затем продувают паром межтрубное (кольцевое) пространство теплообменника в течение 5…10 минут. После продувки определяют заданный расход пара и постоянное (избыточное) давление пара (не менее 0,3 атм). Через каждые 2…5 минут записывают показания термометров. Измеренные величины заносят в таблицу 3. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры нагреваемой среды примут постоянные значения. Таблица 3 – Опытные данные Измеряемая величина ^ Время замера 1 2 3 4 5 Давление пара , Расход холодного теплоносителя V, Начальная температура воды , оС Конечная температура воды , оС Скачать 0,67 Mb. оставить комментарий страница 3/6 Дата 28.09.2011 Размер 0,67 Mb. Тип Методические рекомендации, Образовательные материалы