ф2 = 1/N[2,3 (Uкр. - Uр.) lg Uкр. - Uр./U2 - Uр.],(2)

где Uр и U2 - равновесное и конечное влагосодержания материала, считая на абсолютно сухое вещество, %.

Таким образом, зная скорость сушки в первом периоде, можно найти общую продолжительность процесса сушки:

фобщ = ф1 + ф2,(3)

а также коэффициент теплоотдачи от сушильного агента (воздуха) к поверхности высушиваемого материала:

бf = NrGсух / F (t1 - tм),(4)

где r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; Gсух - вес абсолютно сухого материала, кг; F - поверхность высушиваемого материала, м2; t1 - температура сушильного агента (воздуха) на входе в сушилку, 0C; tм - температура «мокрого» термометра, 0C. Выражение (4) справедливо только для первого периода сушки.

При сушке во взвешенном состоянии, в связи с трудностью определения истинной поверхности зернистого материала, в расчёты обычно вводят объёмный коэффициент теплообмена, связанный с поверхностным коэффициентом бf соотношением

бv = F/Vк,(5)

где Vк - рабочий объём сушильной камеры, м3.

Для оценки интенсивности испарения влаги за весь процесс сушки иногда пользуются величиной, называемой обычно напряжением по влаге объёма камеры. Эта величина определяется количеством влаги, испаряемой за весь процесс, отнесённым к единице времени и единице объёма, и обозначается Av. По определению

Av = W/Vк?ф, (кг/м3ч),(6)

где W - количество влаги, удаленной за процесс сушки, кг;

Vк - рабочий объём камеры, м3; ф - длительность процесса сушки, час.

Приближенная зависимость между напряжением объёма по испаряемой влаге Av и объёмным коэффициентом теплообмена имеет вид

Av = бv ? Дtср/rср,(7)

где Дtср - средняя разность температур (потенциал переноса тепла), 0C.

С достаточной точностью средняя разность температур определяется по формуле

Дtср = (t1 - и1) - (t2 - и2)/2,3 lg t1 - и1/t2 - и2,(8)

где t1 и t2 - температуры сушильного агента (воздуха) соответственно на входе в сушилку и выходе из неё; и1 и и2 - температуры поверхности материала соответственно до и после сушки.

В приближенных инженерных расчётах можно допустить линейную зависимость температуры материала от его влажности (рис. 2), тогда

и2 = tм + t2 - tм/Uкр - Uр (Uкр - U2).(9)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Ознакомление с работой и устройством сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем высушиваемого материала.

2. Построение кинетических кривых процесса сушки.

3. Изображение процесса сушки по диаграмме J - x влажного воздуха.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка периодического действия (рис. 3), предназначенная для изучения процесса сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое, состоит из сушильной камеры цилиндрической формы диаметром 150 мм и высотой 1200 мм, снабженной

газораспределительной колпачковой решеткой, имеющей живое сечение 10 %, штуцера 4 для загрузки порции влажного материала и пробоотборника 3. Корпус сушилки имеет два продольных смотровых окна 2 для визуального наблюдения за псевдоожиженным слоем. Сушильный агент (воздух) засасывается из помещения двумя вентиляторами 16 и 17, проходит электрический калорифер 9 и поступает в сушильную камеру, где приводится в тесное соприкосновение с высушиваемым зернистым материалом. Кинематическая энергия подаваемого воздуха затрачивается на создание в сушильной камере кипящего слоя, а тепло, подаваемое с ним, - на проведение процесса сушки.

Отработанный воздух, пройдя через систему пылеулавливания, включающую в себя батарейный циклон 21 и рукавный фильтр 22, выбрасывается в атмосферу. Расход воздуха устанавливается вентилем 14 и измеряется нормальной диафрагмой 13 с подключенным к ней дифференциальным манометром 18. Температура воздуха, поступившего в рабочий объём сушилки, измеряется с помощью термопары 5, а покидающего сушилку - термопарой 6, подключённых к потенциометру 12. Электрокалорифер мощностью 6 кВт питается от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Одна секция калорифера - авторегулируемая. Проба высушиваемого материала на определение влагосодержания в любой промежуток времени берётся пробоотборником 3. Для выгрузки материала предусмотрен штуцер 23.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед тем как приступить к исследованию, необходимо подготовить материал, предназначенный для сушки. С этой целью отвешивают порцию сухого материала в количестве 1 кг и равномерно увлажняют его водой из расчёта примерно 150…500 г воды на 1 кг сухого материала. Увлажнение материала проводят в эксикаторе тщательным перемешиванием. Эту операцию надо выполнять в самом начале работы для того, чтобы влага продифундировала с поверхности внутрь зёрен. Из равномерно увлажненного материала в бюкс отбирают пробу в количестве 3-5 г для определения исходной влажности. Бюкс взвешивают с точностью до второго знака после запятой и ставят на весы влагомера для сушки до постоянного веса. После достижения постоянного веса бюкс охлаждают и снова взвешивают. Влагосодержание исходного материала определяют по формуле

W1 = m1 - m2/m1? 100%

Или(10)

U1 = m1 - m2/m2? 100%,

где m1 - масса влажного материала; m2 - масса высушенного материала.

Одновременно с подготовкой материала на сушку выводят установку на заданный тепловой режим. Для пуска установки в работу включают воздуходувки выключателями а и б и при помощи вентиля 14 при закрытом вентиле 15 устанавливают максимальный расход воздуха. Затем включают калорифер для подогрева воздуха до необходимой температуры (величина напряжения, подаваемого на тэны калорифера, и температура воздуха, идущего на сушку, определяются заданием преподавателя). Без загрузки сушилки влажным материалом её прогревают до тех пор, пока термометры 5 и 6 и после сушильной камеры не будут показывать постоянную температуру. Ввиду того, что масса сушильной камеры и тепловой изоляции велика, невозможно достичь в короткое время равенства температур до и после сушильной камеры. Поэтому расхождение в показателях термопар в 100С-200С допустимо.

После наступления заданного температурного режима через загрузочное отверстие 4 в сушилку засыпают увлажненный материал. Время начала эксперимента заносят в журнал наблюдений. При попадании влажного материала в сушильную камеру температура сушильного агента (воздуха) резко уменьшается и на протяжении первого периода сушки приблизительно равна температуре «мокрого» термометра. Для построения кривой сушки через равные промежутки времени 0,5-2 мин пробоотборником отбирают материал на определение влагосодержания. Количество проб 10-12, вес взятой пробы не должен превышать 3-5 г. В момент взятия каждой пробы замеряют температуру кипящего слоя (термопара 5), температуру воздуха на выходе из сушилки (термопара 6). Результаты опыта заносят в отчётную таблицу.

Отчётная таблица

Высушиваемый материал…………………………………..…………

Вес исходного сухого материала…………………………..……… кг

Влагосодержание влажного исходного материала………..……… %

Эквивалентный диаметр частиц материала dэ…………………… мм

Удельная поверхность частиц высушиваемого материала

f…………………………………………………………………... м2/кг

Критическая скорость псевдоожижения wкр ………………….. м/с

Показания дифманометра диафрагмы Дh……………… мм вод.ст.

Сопротивление сушильной камеры Дp………………… мм вод.ст.

Скорость воздуха на полное сечение сушильной камеры w….. м/с

Относительная влажность воздуха, поступающего в сушильную

камеру, ц…………………………………………………………….. %

Относительная влажность комнатного воздуха ц0……………….. %

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое:

1 - сушильная камера; 2 - смотровые окна; 3 - пробоотборник; 4 - штуцер загрузки; 5-6 - термопары; 7 - контактный термометр; 8 - реле температуры; 9 - электрокалорифер; 10 - трансформатор (РНО-250-5); 11 - пускатель (ПМЕ-211); 12 - потенциометр (КВП-512); 13 - диафрагма; 14-15 - вентили; 16-17 - воздуходувки; 18, 19, 20 - дифманометры; 21 - батарейный циклон; 22 - рукавный фильтр; 23 - штуцер выгрузки.



№ п п	Текущее время взятия пробыф	Интервал времени Дф	Вес пробы m1	Вес пробы в абсолютно сухом состоянии m2	Содержание влаги в материале W	Влагосодержание материала на сухое вещество U	Изменение влагосодержания ДU	Скорость сушки ДU/Дф	Температура кипящего слоя t5	Температура воздуха на выходе из сушилки t6
	мин	мин	г	г	г	%	%	1/ч	0C	0C

Опыт заканчивают после того как прекратится убыль массы материала, об этом можно судить по температуре воздуха на выходе из сушилки, а именно, по моменту достижения заданного (начального) температурного уровня. По окончании опыта, не выключая воздуходувок, через штуцер 23 из сушильной камеры удаляют высушенный материал, выключают электрокалорифер и спустя 5-10 мин останавливают воздуходувки.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Результаты опытов представляют в виде графической зависимости «убыль влаги - время» (U = f(ф)) и кривой изменения температуры сушильного агента от времени (t = f(ф)). Построение данных зависимостей можно совместить на графике (см. рис. 1). На другом графике, используя опытные данные, строят кривую «скорость сушки - влагосодержание» (dU/dф = f(U)). Кривую скорости сушки можно построить также путём графического дифференцирования кривой сушки. Данное построение произвести на отдельном графике, совместив на нём обе зависимости: U = f(ф) и dU/dф = f(U). По кривой скорости сушки находят значение критического влагосодержания - Uкр. и из уравнения (1) - скорость сушки в первом периоде - N. Затем, используя зависимости (1, 2, 3), находят общую продолжительность сушки данной порции материала. Время, затраченное на сушку, определяют по уравнению

ф = (U1 - Uкр/Uкр - Uр - 2,3 lg U2 - Uр/Uкр - Uр)?см?н?r (Uкр - Uр)?hпл / 4,8 W?Дtср лг (Pn/Pb)0,25,(11)

где U1 - начальное влагосодержание, %; Uкр - критическое влагосодержание, %; U2 - конечное влагосодержание, %; Uр - равновесное влагосодержание, %; см - истинная плотность материала, кг/м3; н - кинематическая вязкость воздуха, м2/с; r - теплота парообразования, Дж/кг; hпл - высота плотного слоя, м; h0 - высота свободного насыпного слоя, м; е0 = 0,4 - порозность свободного насыпного слоя; W - скорость воздуха на полное сечение аппарата, м/с.

Расход воздуха, проходящего через сушилку, определяют по формуле

V = vДh/сt , м3/ч,(12)

где Дh - показания дифманометра на диафрагме, мм вод.ст.; сt - плотность воздуха при рабочей температуре, кг/м3.

Дtср = (t1 - tм) - (t2ґ - tм)/ 2,3 lg t1 - tм/t2ґ - tм = t1 - t2ґ / 2,3 lg t1 - tм/t2ґ-tм - средняя разность температур для первого периода сушки, 0C, где t1 - температура воздуха на входе в сушилку, 0C (определяется заданием преподавателя); t2ґ - температура сушильного агента в конце первого периода сушки, которую определяют по диаграмме J - x, зная количество испарённой влаги в течение 1-го периода сушки; tм - температура «мокрого» термометра воздуха для 1-го периода сушки, 0C.

Количество влаги, удалённой из материала за время первого периода в пересчёте на час, определяется по формуле

WI = G1 ? w1 - wкр/100 - wкр ? 60/ф1, кг/ч,(13)

где G1 - начальная масса влажного материала, поступающего на сушку, кг; w1 - начальная влажность материала (на общую массу влажного материала), %; wкр - критическая влажность материала (на общую массу), %.

Определив WI по формуле (13), находят влагосодержание воздуха в конце I-го периода сушки из выражения

d2ґ = d0 + WI/L, кг/кг,(14)

где d0 - влагосодержание холодного воздуха, кг/кг (определяется по показателям «сухого» и «мокрого» термометра); L - расход сухого воздуха, кг/ч; Vґ = Vсt - расход влажного воздуха, кг/ч.

L = Vґ/1+d0.(15)

ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ НА ДИАГРАММЕ

Для построения на диаграмме J - d реального процесса сушки (с учётом потерь тепла) определяется величина Д по уравнению

Д = (qД + C ин) - (qм + qт + qп),(16)

где qД - удельный расход тепла в дополнительном калорифере, Дж/кг; qД=0; C - теплоёмкость влаги, Дж/кг?0C; ин - начальная температура материала, 0C; qм = Gк/W?Ск (ик - ин) - удельный расход тепла на нагрев высушенного материала; Cк - удельная теплоёмкость сухого материала, Дж/кг?0C; ик - температура материала в конце процесса сушки, 0C.

Температуру материала в конце процесса сушки определить экспериментально по показанию термопары 5 и сопоставить с расчётным значением, вычисленным по уравнению

ик = tм + tср - tм/Uкр - Uр (Uкр - U2),(17)

где tср = t1 + t2/2 - средняя температура сушильного агента (воздуха), 0C;

qт - удельный расход тепла на нагрев транспортных устройств, Дж/кг; qт=0; qп - удельные потери тепла сушилкой в окружающую среду, Дж/кг.

Потери тепла сушилкой в окружающую среду принимаем равными 10% от удельного расхода тепла в теоретической сушилке по уравнению

qп = 0,1 J1 - J0/d2Ѕ - d0,(18)

где J0, J1 - соответственно энтальпия воздуха на входе в калорифер и на выходе из него, Дж/кг?сух.в.; d2Ѕ - конечное влагосодержание воздуха для теоретической сушилки.

Определив по формуле (16) величину Д , которую часто называют внутренним балансом сушильной камеры, приступают к изображению процессов нагрева воздуха и сушки влажного материала в координатах J-x на миллиметровой бумаге. По результатам построения определяют удельные расходы воздуха и тепла на сушку для теоретической и действительной сушилок, температуру «мокрого» термометра и температуру t2ґ по известному значению d2ґ (уравнение 14), парциальное давление пара в паровоздушной смеси Pп. Теплофизические параметры воздуха и пара определяются из справочной литературы при средней температуре.

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт по лабораторной работе оформляется на листах формата II (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных (графики и диаграмма вычерчиваются на миллиметровой бумаге с применением необходимых чертежных инструментов),

- выводы.

В отчете обязательно представить все расчеты по приведенным формулам.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- установить вентиль 15 в положение «открыто», убедиться в наличии приемников пыли у батарейного циклона и рукавного фильтра.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- разрешается включать электрический калорифер только при работающих вентиляторах;

- не прикасаться голыми руками к стеклянным бюксам, находящимся под включенной лампой влагомера;

- не оставлять работающую установку без наблюдения;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- выключить электрический калорифер при работающих вентиляторах;

- по истечении некоторого времени (3-5 минут) выключить вентиляторы;

- через разгрузочное отверстие 23 выгрузить из сушилки высушенный материал (при выгрузке материала вентиляторы должны быть включены);

- убрать рабочее место и сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные снимаются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Что является движущей силой процесса сушки?

2. Что называется скоростью сушки?

3. Чем определяется скорость сушки в первом периоде? При каких условиях скорость сушки в первом периоде постоянна?

4. Чем определяется скорость сушки во втором периоде?

5. Что такое равновесное влагосодержание материала и от чего зависит его значение? Что такое критическое влагосодержание материала?

6. Как изменяется температура материала в процессе конвективной сушки?

7. Почему при сушке влага в материале перемещается из внутренних слоев к поверхности?

8. Что такое относительная влажность воздуха?

9. Как, пользуясь диаграммой Рамзина, найти относительную влажность воздуха, температуру «мокрого» термометра, температуру точки росы?

10. Справедливы ли при сушке в кипящем слое представления о периодах постоянной и падающей скоростях сушки?

11. Почему для сушки полидисперсных материалов нецелесообразно применять сушилки цилиндрической формы?

12. Что такое удельный расход воздуха и удельный расход тепла?

13. Какой физический смысл понятия тепловой кпд сушилки?

14. В чем физический смысл величины Д - внутреннего баланса сушилки?

15. Что такое теоретическая сушилка?

16. Как изменяется относительная влажность воздуха при нагревании его до температуры выше 100 0C?

17. С какой целью применяют частичный возврат отработанного воздуха в сушилку при конвективной сушке?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971.

2. Романков П.Г., Рашковская Н.В. Сушка во взвешенном состоянии. - Л.: Химия, 1968.

Работа № 16

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИФЕРА ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА

В химической технике довольно широко применяется нагревание электрическим током. С помощью электрического тока нагрев можно производить в очень широком диапазоне температур, точно поддерживая и регулируя температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Кроме того, электрические нагревательные устройства отличаются простотой, компактностью, удобны для обслуживания. В химической промышленности наиболее часто применяется омический электронагрев (до температур не выше 5000C) при помощи пластинчатых, стержневых и трубчатых нагревателей небольшой единичной мощности. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам и передается нагреваемой среде лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью. Нагревательные элементы изготавливают главным образом из проволоки или ленты хроможелезоникелевых сплавов, обладающих большим омическим сопротивлением и высокой жаростойкостью (нихром или фехрали).

Электрический калорифер лабораторной установки выполнен в виде трубы диаметром 100 мм, в которой размещены трубчатые электрические нагреватели (ТЭНы) в количестве трех штук, мощностью каждый - 2000 Вт. ТЭН представляет собой стальную трубку 1 (рис. 1), в которой расположена спираль из нихрома 2.

Пространство между стенкой трубки и спиралью заполнено кристаллической окисью магния 3, обладающей хорошей теплопроводностью и электроизоляционными свойствами.



Рис. 1. Устройство ТЭНа:

1 - стальная трубка диаметром мм; 2 - спираль из нихрома; 3 - окись магния; 4 - фарфоровый изолятор; 5 - клемма; 6,7 - зажимы (гайки) токоподводящего провода.

Подводимая к ТЭНам электрическая энергия превращается в теплоту Q, которая расходуется по трем направлениям:

а) передается воздуху, протекающему по трубе калорифера, Q1;

б) передается воздуху, окружающему калорифер, Q2;

в) расходуется на нагрев корпуса калорифера, Q3.

Таким образом, Q = Q1 + Q2 + Q3.(1)

При стационарном режиме теплообмена, когда температура стенки трубы калорифера неизменна, т.е. когда достигнуто тепловое равновесие, Q3 = 0.

Количество теплоты Q1 может быть определено по формуле

Q1 = G [Cp / t2 - Cp / t1], Вт(2)

где G - секундный расход воздуха, кг/с; Cp / и Cp / - средние теплоемкости воздуха, Дж/кг?К; t1 - температура воздуха на входе в калорифер, К; t2 - температура воздуха на выходе из калорифера, К.

Количество тепла, выделяемое при прохождении электрического тока по нагревателям, определяется формулой

Q = J V cosц, Вт,(3)

где J - сила тока в амперах; V - падение напряжения в вольтах.

В данной работе изучается передача тепла в электрическом калорифере при нагревании в нем атмосферного воздуха в условиях вынужденной конвекции, когда, как известно, тепло воздуху передается совместно конвекцией и излучением. Суммарная отдача тепла стенкой ТЭНа путем конвекции Qк и теплового излучения Qл определяется уравнением

Q = Qк + Qл = бобщ ? F (и - t), Вт,(4)

где бобщ - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2? К; F - поверхность теплоотдающей стенки (ТЭНа), м2; и - температура наружной стенки ТЭНа, К; t - температура нагреваемой фазы (воздуха), К.

Так как температура теплоизлучающей стенки и температура воздуха, движущегося вдоль нее, не остаются постоянными, то в формулу (4) следует подставить среднюю разность температур, определяемую формулой

Дtср = Дt1 - Дt2 / 2,3 lg Дt1/Дt2(5)

где Дt1 = и1 - t1 - разность температур стенки (ТЭНа) и воздуха на одном конце калорифера (вход холодного воздуха); Дt2 = и2 - t2 - то же на другом конце калорифера (выход нагретого воздуха).

Если Дt1/Дt2 < 2, то вместо формулы (5) можно использовать более простую зависимость

Дtср = Дt1 + Дt2/2.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепление теоретических знаний основ теплопередачи.

2. Практическое ознакомление с работой электрического калорифера.

3. Исследование влияния силы тока и скорости движения воздуха на основные параметры процесса нагрева.

4. Приобретение навыков в обработке экспериментального материала методами математической статистики.

Содержание экспериментальной части работы

Экспериментальное определение влияния силы тока Ј и скорости движения воздуха W на основные параметры процесса нагрева в виде зависимостей t2 = f (J,W); и1 = f (J,W); и2 = f (J,W); б = f (W).

Получение того или иного вида аналитического выражения определяется заданием преподавателя.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема лабораторной установки описана в работе № 15 («Исследование процесса сушки зернистых материалов в псевдоожиженном слое»). Объектом исследования в данной работе является электрический калорифер 9, сила тока нагревательного элемента (ТЭНа) в котором устанавливается с помощью автотрансформатора 10 и измеряется амперметром А. Через калорифер с помощью вентиляторов 16 и 17 продувается атмосферный воздух, расход которого измеряется с помощью мерной диафрагмы 15 и дифманометра 18. Регулируется расход воздуха с помощью вентилей 14 и 13. Места установки термопар для измерения температуры воздуха и температуры поверхности ТЭНа показаны на рис. 2.

Выходной координатой объекта исследования являются температура воздуха на выходе из калорифера t2, температура поверхности нагревателя и1, и2 или и = и1 + и2/2, которые зависят в основном от значений двух переменных: силы тока J в спирали нагревателя и скорости движения нагреваемого воздуха W.

Кроме того, возможны случайные колебания температуры вследствие изменения напряжения в сети, температуры окружающего воздуха и других неучтенных факторов, которые можно рассматривать как некоторую общую помеху.

Рис. 2. Схема подключения термопар в электрическом калорифере.

Структурная схема объекта исследования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема объекта исследования.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Преподаватель задает значения входных переменных x1i (i = 1,2,…n) и x2j (j = 1,2,…m), каждая пара которых определяет один режим работы калорифера. Студент последовательно выводит объект на каждый из заданных режимов и по окончании переходного процесса (через 15-20 мин) регистрирует установившееся значение выходной величины yij. Исходя из 4-часовой продолжительности лабораторных занятий и среднего времени переходного процесса 15-20 мин общее количество исследуемых в одном эксперименте режимов работы калорифера не должно превышать 16.

Результаты экспериментов заносят в табл. 1.

Таблица 1

№ п.п.	Сила тока J, А	Напряжение V, В	Расход воздуха	Температура
			Дp, кг/м2	G, м3/ч	W, м/с	ТЭНов	воздуха
						и1	и2	t1	t2
1 2 …

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

4.1. Вывод расчетных уравнений.

Экспериментальные данные требуется аппроксимировать уравнением вида y = ц(x1, x2) = f1 (x1) ? f2 (x2),

используя метод Брандона. В данной работе студенты берут для обработки одну из перечисленных выше зависимостей (по заданию преподавателя). Расчет проводят в такой последовательности:

1) экспериментальные данные из табл. 1 переносят в табл. 2, более удобную с учетом применяемого метода обработки;

2) в первом приближении выходную координату y рассматривают как функцию одной переменной, например, x1. При этом каждому значению x1i соответствует m значений yij в зависимости от значений второго аргумента x2j. Рассчитывают средние значения

y (x1i) = У yi j /m, i = 1, 2, … n

(обрабатывают данные вертикальных столбцов табл. 2) и строят график функции y (x1),

Таблица 2

X1 X2	X11	X12	X13	…	X1i	….	X1n
X21	y11	y21	y31	…	yi1	.…	yn1
X22	y12	y22	y32	…	yi2	.…	yn2
…
X2j	y1j	y2j	y3j	…	yi j	.…	ynj
…
X2m	y1m	y2m	y3m	…	yim	.…	ynm

где x1 = W; x2 = J; y = и1 ? и2 ? t2;

3) функцию y (x1) аппроксимируют уравнением прямой f1(x1) = a0 + a1x1 или параболы f1(x1) = a0 + a1x1 + a2x12 , коэффициенты которого находят методом наименьших квадратов (см. приложение);

4) исключается влияние переменной x1, для чего рассчитывают значения остаточной функции:

f2 [ij] = yi j / f1 (x1i),

которая предполагается зависящей только от переменной x2 (обрабатываются данные горизонтальных строк табл. 2);

5) для каждого значения x2j вычисляют среднюю величину:

f2 (x2j) = ? f2 [ij] / n, j = 1, 2, … m

и строят график функции f2 (x2);

6) функцию f2 (x2) аппроксимируют уравнением прямой или параболы:

f2(x2) = b0 + b1x2 или f2(x2) = b0 + b1x2 + b2x22,

коэффициенты которого определяются методом наименьших квадратов;

7) рассчитывают погрешности аппроксимации на отдельных режимах:

Д[ij] = yi j - f1 (x1) ? f2 (x2), i = 1, 2, …n; j = 1, 2, … m.

и среднюю квадратичную погрешность аппроксимации:

Х = v? ?2[ij] / N - 1.

Приложение: 1. Определение коэффициентов многочлена первой степени методом наименьших квадратов.

Система уравнений для вычисления коэффициентов аппроксимирующей функции f(x) = a0 + a1x имеет вид:

a1 ? xк + a0R = ? yк,

a1 ? xк2 + a0 ? xк = ? xк yк,

где yк, xк, к = 1, 2, … R - набор экспериментальных данных, отражающих некоторую функцию y = f(x).

В нашем случае

xк ? W ? J; yк ? y (x1i) ? f2(x2j).

Для определения коэффициентов, входящих в систему уравнений, необходимо рассчитать соответствующие суммы, что удобно делать, пользуясь следующей таблицей.



№ п.п.	xк	xк2	yк	xк • yк
1
2
…
R
?

2. Определение коэффициентов многочлена второй степени. Для данного случая система уравнений для вычисления коэффициентов многочлена - аппроксимирующей функции f (x) = a0 + a1x + a2x2 имеет вид:

a2 ? xк2 + a1 ? xк + a0R = ? yк ;

a2 ? xк3 + a1 ? xк2 + a0 ? xк = ? xк yк;

a2 ? xк4 + a1 ? xк3 + a0 ? xк2 = ? xк2 yк.

Для расчета коэффициентов, входящих в систему уравнений, удобна следующая таблица.

№ п.п.	xк	xк2	xк3	xк4	yк	xк• yк	xк2•yк
1
2
3
….
R
?

4.2. Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагревателя (ТЭНа) к воздуху в условиях вынужденной конвекции.

Коэффициент теплоотдачи (общий) определяется по формуле

бобщ = Q1 / F? Дtср, Вт/м2?К,

где Q1 - количество тепла, отдаваемое поверхностью ТЭНов воздуху, проходящему через электрический калорифер, Дж; F - наружная поверхность ТЭНов, м2; F = рdln; d, l - соответственно диаметр и длина ТЭНа; n - количество ТЭНов; Дtср - средний температурный напор, К.

Для каждого значения силы тока J и всех расходов воздуха при данном J рассчитать значения бобщ по приведенной формуле. Результаты расчетов занести в табл. 3.

В таблице обозначено: x1 = Э, м3/ч или x1 = W, м/с, y = бобщ - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2?К.

Примечание. Расход воздуха, проходящего через калорифер, определяют по показаниям дифманометра, присоединенного к плоской диафрагме, и вычисляют по формуле:

Э = 2,5 v?p / сt, м3/ч,

где Дp - статический перепад давлений в дроссельном приборе, замеренный до и после диафрагмы, мм вод.ст.; сt - плотность воздуха у диафрагмы, кг/м3.

Таблица 3

x2 x1	x11	x12	x13	…	x1i
x21
x22
x23
…
x2j				…	xi j

Плотность воздуха при рабочих условиях, т.е. температуре t и барометрическом давлении B, вычисляется по формуле:

сt = с0 273 (B +P) / (273 + t)760, кг/м3,

где с0 - плотность воздуха при начальных условиях (t = 00C, B = 760 мм рт.ст.), кг/м3; B - барометрическое давление, мм рт.ст.; P - сопротивление системы, мм рт.ст.

При известном значении расхода воздуха Э скорость воздуха на свободное сечение трубчатого электрического калорифера определяем по формуле:

W = Э/26,6, м/c.

Данные табл. 3 аппроксимировать уравнением в виде многочлена первой или второй степени по изложенной выше методике.

4.3. Определение технологического коэффициента полезного действия электрического калорифера.

Технологический коэффициент полезного действия показывает, какая доля тепла от общего количества, выделяемого электрическим калорифером, полезно затрачивается на проведение данной технологической операции, т.е. идет на нагрев воздуха:

з = Q1/Q ? 100, %,

где Q1 - количество теплоты идущего на нагрев воздуха, протекающего через калорифер, Вт; Q - количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока по спирали нагревателя, Вт. Q1 и Q определяются по вышенаписанным формулам.

Результаты расчета сведены в табл. 4.

Таблица 4

№ п.п.	Тепло, выделяемое ТЭНом Q, Вт	Расход тепла на нагрев воздуха Q1, Вт	Кпд нагревателя з, %
1 2 . . . n

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата II (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работе с указанием кафедры, названия специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчете должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы необходимо:

- убедиться в отсутствии явных повреждений лабораторной установки;

- проверить наличие резиновых ковриков перед щитом управления;

- убедиться в исправности работы потенциометра.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- не включать электрический калорифер в работу при неработающих вентиляторах;

- не оставлять работающую установку без присмотра;

- не закрывать вентиль сброса воздуха в атмосферу при изменениях его расхода;

- докладывать о всех замеченных неполадках преподавателю или учебному мастеру.

3. По окончании работы:

- при работающих вентиляторах выключить электрический калорифер;

- по истечении 5-10 минут выключить вентиляторы;

- сдать установку учебному мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Объяснить устройство и принцип действия электрического калорифера.

4. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

5. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Достоинства и недостатки нагревания электрическим током.

2. Способы превращения электрической энергии в теплоту.

3. Устройство электрических калориферов сопротивления.

4. Что такое сложная теплоотдача? Дайте определение коэффициента теплоотдачи излучением.

5. Какие замеры необходимо сделать, чтобы определить среднюю движущую силу процесса теплоотдачи в калорифере?

6. Можно ли по результатам этих замеров определить коэффициент теплоотдачи излучением?

7. В чем различие между коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплопередачи по физическому смыслу?

8. От чего в большей степени зависит коэффициент теплоотдачи при развитом турбулентном движении воздуха по трубе электрического калорифера - от скорости воздуха или от силы тока?

9. Разность каких температур входит в уравнение теплоотдачи и каких - в уравнение теплопередачи?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2.Балакирев В.С. Построение математических моделей и обработка экспериментальных данных: Конспект лекций для слушателей ФПКП при МИХМе. - М.: МИХМ, 1980.

Работа № 17

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПО ПРЯМЫМ ГЛАДКИМ ТРУБАМ

Трубопроводы в химической промышленности занимают очень важное место, являясь неотъемлемой частью технологического оборудования. На некоторых химических предприятиях общая протяженность трубопроводов измеряется десятками и даже сотнями километров. От качества их проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации во многом зависит успех работы на предприятиях.

Давно было замечено, что энергетические затраты на транспортирование жидкостей (газов) по трубопроводам зависят, помимо прочих причин, от скорости движения потока. Позднее это было связано с наличием двух качественно различных гидродинамических режимов движения жидкости (газа), названных ламинарным и турбулентным. Характер гидродинамического режима определяется величиной критерия Рейнольдса Re, критическое значение которого, соответствующее переходу ламинарного потока в турбулентный при движении жидкости (газа) по прямым гладким трубам, составляет 2300. В диапазоне 2300<Re<10000 принято говорить о переходном режиме. Устойчивый турбулентный режим наблюдается при Re > 10000 [1,2].

Установление экономически выгодных режимов эксплуатации трубопроводов обязательно требует знания гидродинамических режимов движения потоков в них.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Закрепить теоретические знания по вопросам гидродинамических режимов движения жидкостей (газов) в условиях внутренней задачи.

2. Путём визуального наблюдения за характером движения подкрашенной струйки установить качественное изменение гидродинамического режима при изменении скорости жидкости в трубе и, определив значение критерия Рейнольдса Re для этого случая, сравнить его с критическим Reкр для прямых гладких труб.

3. Объяснить причину наблюдаемого в эксперименте качественного изменения гидродинамического режима движения потока.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ (рис.)

Рабочей жидкостью является вода, поступающая в бак 1 из водопровода через вентили 2 и 3. Для контроля за уровнем воды в баке 1 служит водомерное стекло 4, а постоянный уровень обеспечивается переливной трубой 5. Опорожнение бака 1 после окончания работы осуществляется через сливную трубу при открытом вентиле 6.

В рабочую ёмкость 7 вода из бака 1 поступает по трубе 8 с вентилем 9. Сливная труба с вентилем 10 служит для опорожнения рабочей ёмкости 7. Постоянный уровень воды в рабочей ёмкости 7 обеспечивается переливной трубой 11. Рабочая ёмкость имеет смотровое окно. Внутри её установлена перегородка из металлической сетки, назначение которой - погасить возмущения на входе в стеклянную трубу 12, обусловленные потоком воды, поступающей из бака 1 в рабочую ёмкость 7. Температура воды в ёмкости 7 измеряется термометром 22.

Стеклянная труба 12 внутренним диаметром 27 мм с двумя пъезометрами 13 и 14 одним концом заделана в сетчатую перегородку рабочей ёмкости 7.

Для измерения воды служит ротаметр 15 (РС-04Ж). Расход регулируется с помощью вентиля 16.

Индикатор режима движения потока в трубе - подкрашенная марганцовкой струйка воды подаётся из специального бачка 19 через регулирующий вентиль 20 по трубке 21 на вход в стеклянную трубу 12 (по оси).

ПОРЯДОК РАБОТЫ

После изучения руководства и ознакомления с установкой приступить (с разрешения преподавателя) к работе.

Открыв вентили 2 и 3 (при закрытых вентилях 6 и 9), наполнить бак 1 (контроль за выполнением - по водомерному стеклу). Приготовить и залить в бачок 19 индикаторную жидкость (производится лаборантом). После заполнения водой бака 1 открыть вентиль 9, подав тем самым воду в рабочую ёмкость 7 (при закрытых вентилях 10, 16). Вентиль 3 прикрыть таким образом, чтобы во время эксперимента уровень воды в баке 1 оставался практически постоянным (следить и регулировать вентилем 3 во время работы). После заполнения ёмкости 7, о чём свидетельствует перелив лишней воды из неё по трубе 11 (устанавливается визуально и по характерному звуку сливающейся воды), можно начинать эксперимент.

Осторожно открыв вентиль 16, по ротаметру установить небольшой расход воды (5-10 делений) и подать индикаторную жидкость в трубу, открывая кран 20 таким образом, чтобы струйка индикаторной жидкости не размывалась в потоке. Следует иметь в виду, что любое изменение расхода воды или индикаторной жидкости возмущает поток и тем самым сказывается на поведении подкрашенной струйки. Поэтому, установив определенный расход, нужно выждать некоторое время (3-5 мин). Термометром 22 замерить температуру воды в ёмкости 7 (t, 0C).

Результаты наблюдения за поведением струйки подкрашенной жидкости в потоке записать, сделав небольшой схематический рисунок наблюдаемой картины. Охарактеризовать поток: ламинарный, переходный, турбулентный.

После этого, больше открывая вентиль 16, увеличить расход воды (на 5-10 делений по ротаметру, согласовав предварительно с преподавателем), записать показания ротаметра и результаты наблюдения за поведением индикаторной струйки жидкости.

Таким путём постепенно довести расход воды до максимально возможного в условиях данной установки (при полном открытии вентиля 16), каждый раз фиксируя показания ротаметра, характер движения потока и температуру воды.

По окончании работы закрыть вентили 3 и 20, открыть вентили 6 и 10 до полного слива воды из системы, после чего закрыть вентили 6, 10 и 16. Установку сдать учебному мастеру (лаборанту).

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. По тарировочному графику для ротаметра (помещён непосредственно на установке) определить расход воды V, м3/с.

2. По уравнению расхода определить среднюю скорость движения воды в трубе:

W = V / рd2/4, м/с.

3. По справочной литературе определить плотность (с, кг/м3) и вязкость (м, н.с/м2) воды при фиксированных в эксперименте температурах.

4. Определить значения чисел Рейнольдса для каждой скорости потока:

Re = W d с / м.

5. Установить значение критического числа Рейнольдса по результатам эксперимента - Reкр.оп.

6. Сравнить полученное значение Reкр.оп. с известным по литературе Reкр = 2300.

7. Результаты представить в виде таблицы:

№ опыта	Расход воды n,V, дел. м3/с ротаметра	W, м/с	t, 0C	м, н.с/м2	Re, расчетное значение (опытное)	Характер потока схеламатимичес на- кий

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе оформляется на листах формата А4 (297х210). Титульный лист должен соответствовать титульному листу методических указаний к работам с указанием кафедры, названия работы, её номера, фамилии, и.о. студента, группы, специальности и фамилии, и.о. преподавателя, принявшего работу.

В отчёте должны быть представлены:

- описание цели работы,

- схема лабораторной установки,

- описание работы установки,

- методика проведения работы,

- полученные экспериментальные данные,

- результаты обработки опытных данных,

- выводы.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. До начала работы:

- проверить наличие (отсутствие) воды в баке 1;

- убедиться в наличии индикаторной жидкости в бачке 19.

2. Во время работы:

- строго руководствоваться данными указаниями;

- следить за уровнем воды в баке 1;

- не оставлять работающую установку без наблюдения.

3. По окончании работы:

- закрыть вентиль 3 на линии подачи воды в бак 1;

- закрыть вентиль 20 подачи индикаторной жидкости;

- открыть вентили 6 и 10 на линиях слива воды из бака 1 и рабочей ёмкости 7 до полного опорожнения последних;

- сдать установку дежурному рабочему мастеру (лаборанту).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Какова цель предстоящей лабораторной работы?

2. Из каких элементов состоит лабораторная установка и каково назначение каждого из них?

3. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

4. Какие экспериментальные данные фиксируются при выполнении данной работы?

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ НА ЗАЩИТЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. От чего и как зависят вязкости жидкостей и газов?

2. В чём различие между динамической и кинематической вязкостями? Какова размерность динамической вязкости в системе СИ и как перевести вязкость в сантипаузах в единицы системы СИ?

3. Кем и когда (хотя бы примерно) было проведено впервые систематическое изучение гидродинамических режимов движения жидкостей?

4. Какие гидродинамические режимы движения жидкостей внутри каналов принято различать? Каковы их качественные характеристики?

5. Каким критерием принято характеризовать гидродинамический режим движения жидкости и каков его физический смысл?

6. Каковы величины критических значений Re для потока жидкости в прямых гладких трубах?

7. Как изменяются значения критических чисел для потока жидкости в изогнутых каналах (змеевика)?

8. Как влияет гидродинамический режим течения жидкости (газа) на характер распределения локальных скоростей в поперечном сечении потока?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. - М.: Химия, 1995.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

Работа № 18

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В АППАРАТЕ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

В данной работе изучается передача тепла от охлаждаемого продукта (воды), движущегося по трубкам аппарата воздушного охлаждения к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи. К установившемуся процессу перехода теплоты от одной среды к другой применимо общее уравнение теплопередачи:

Q = K?F?Иср,(1)

где Q - количество теплоты, переданное через поверхность теплообмена, Вт; K - коэффициент теплопередачи, Вт/м2?с; Иср - средний температурный напор, 0C; F - поверхность теплообмена, м2.

Количество теплоты Q определяется из уравнений теплового баланса:

Q = Qпр = Qв, Вт,(2)

Qпр = Gпр?Спр (Т1 - Т2), Вт,(3)

Qв = Gв? Св (t2 - t1), Вт,(4)

где Qпр - количество теплоты, отдаваемое охлаждаемым продуктом (водой), Вт; Qв - количество теплоты, получаемое охлажденным воздухом, Вт; Gпр - расход охлаждаемого продукта (воды), кг/сек; Gв - расход воздуха, кг/сек; Т1 - начальная температура охлаждаемого продукта (воды), 0C; Т2 - конечная температура охлаждаемого продукта (воды), 0C; t1 - начальная температура охлаждающего воздуха, 0C; t2 - конечная температура охлаждающего воздуха, 0C; Спр, Св - соответственно средние теплоемкости охлаждающего продукта и воздуха, Дж/кг?0С.

Коэффициент теплопередачи

В условиях переноса тепла от продукта (воды), движущегося в трубках аппарата воздушного охлаждения, к воздуху, обдувающему эти трубы снаружи, процесс теплообмена определяется совместным действием конвекции (от продукта к стенкам трубы и от стенок трубы к воздуху) и теплопроводности (через стенку трубы и слой загрязнений). Лучеиспусканием в условиях сравнительно низких температур воздуха можно пренебречь.

В аппаратах воздушного охлаждения поверхность труб, обдуваемая воздухом, выполняется оребренной. Делается это с целью интенсификации теплоотдачи с той стороны, где коэффициент теплоотдачи мал (бвозд = 10…50 Вт/м2 град для гладких труб) по сравнению с коэффициентом теплоотдачи с другой стороны (продукта). Выравнивание теплоотдачи с обеих сторон трубы достигается увеличением с помощью ребер наружной поверхности теплообмена.

Коэффициент теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения может быть отнесен к различной поверхности теплообмена. Если расчет вести на единицу полной поверхности оребренной трубы, то расчетное уравнение для коэффициента теплопередачи имеет следующий вид:

K = 1 / 1/бв?Fп/Fв + rм?Fп/Fср + 1/бнп + rзв?Fп/Fв + rзн,

где бв - коэффициент теплоотдачи со стороны продукта, Вт/м2?0С; бнп - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, отнесенный к полной поверхности трубы, Вт/м2?0С; Fп - полная поверхность оребренной трубы, м2; Fв - поверхность трубы внутренняя, м2; Fср - поверхность трубы по среднему диаметру, м2; rм - тепловое сопротивление материала стенок трубы, м2?0С/Вт; rзв - тепловое сопротивление загрязнений со стороны продукта, м2?0С/Вт; rзн - тепловое сопротивление загрязнений со стороны воздуха, м2?0С/Вт.

В обычных эксплуатационных условиях загрязнения со стороны воздуха отсутствуют, т.е. rзн = 0. С достаточной степенью точности коэффициент теплопередачи, отнесенной к полной поверхности оребренной трубы, можно рассчитывать по формуле

K = 1 / 1/бв?Ш + 1/бнп + rзв?Ш,(5)

где Ш = Fп/Fв - коэффициент увеличения поверхности.

Средний температурный напор

При расчете аппаратов воздушного охлаждения средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителей по всей поверхности теплообмена, зависит от схемы движения теплоносителей. Наиболее общим случаем для аппаратов воздушного охлаждения является перекрестный ток теплоносителей, а также смешанный при соблюдении общего противоточного направления потоков.

Наличие поперечного оребрения на трубах препятствует перемешиванию потока в межтрубном пространстве. Это приводит к увеличению температурного напора. Вычисление среднего температурного напора при перекрестном (смешанном) токе приводит к сложным математическим формулам, поэтому для наиболее часто встречающихся случаев по этим формулам составлены расчетные графики.

Определение среднего температурного напора производится следующим образом: вычисляется среднелогарифмический температурный напор для противоточного аппарата:

иґср = и1 - и2 /2,3 lg и1/и2,(6)

затем вычисляются вспомогательные величины:

R = T1 - T2/t2 - t1,(7)

P = t2 - t1/T1 - t1.(8)

По этим данным находят поправочные коэффициенты еДt, умножая которые на значение среднелогарифмического температурного напора (при противотоке), получаем средний температурный напор:

иср = еДt?иґср.(9)

Расчетные графики для определения R по P и при однократном перекрестном токе (один ход продукта) без перемешивания теплоносителей имеются в справочной литературе [1].

При числе ходов от 2-х до 4-х поправочный коэффициент находят по формуле:

еДtn = еДt n=1 + 1 - еДt/4 (n - 1).(10)

Здесь n = 2…4 - число ходов продукта. При большем числе ходов рекомендуется принимать еДt = 1, т.е. аппарат рассчитывается как чисто противоточный.

Средние температуры потоков и поверхности стенок труб

Существенное значение для расчетов коэффициентов теплоотдачи имеет выбор определяющих температур потоков охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей, к которым относят физические константы продуктов. Примем за определяющую температуру средние температуры потоков.

Средняя температура охлаждаемого продукта (воды)

Tср = T1 + T2 /2.(11)

Средняя температура воздуха

tср = t1 + t2/2.(12)

Температура наружной поверхности стенки трубы

tст.н. = tср + Kп?иср/бнп.(13)

Температура внутренней поверхности стенки трубы

Тст.в. = Тср - Кп?иср/бв ?Ш(14)

где Ш = Fп/Fв - коэффициент увеличения поверхности; Fп - полная поверхность оребренной трубы, м2; Fв - внутренняя поверхность трубы, м2.

Коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды)

Коэффициент теплоотдачи со стороны продукта (внутри труб) определяется по известным формулам, применяемым для расчета других видов теплообменных аппаратов:

а) при турбулентном режиме движения продукта (воды) внутри трубы коэффициент теплоотдачи

бв = 0,021 л/aв?Ref?Prf (Prf / Prw);(15)

б) при развитом турбулентном режиме коэффициент теплоотдачи определяется более простой формулой

бв = 0,023 л/aв?Ref0,8?Prf0,4;(16)

в) для переходного режима движения (2200 ? Re ? 10000) при определении коэффициента теплоотдачи в вышеуказанные формулы необходимо вводить поправочный коэффициент цRe, который определяется по графику [1];

г) при ламинарном режиме (Re < 2200) коэффициент теплоотдачи

бв = 0,17 л/aв ?Ref0,33?Prf0,43?Grf0,1 (Prf / Prw)0,25?(17)

Здесь Re = w dв/ н - критерий Рейнольдса;

Pr = н cp с/л - критерий Прандтля;

Gr = в g aв3 Дt / н2 - критерий Грасгофа;

в - коэффициент объемного расширения, 1/0С; Дt - разность температур продукта и стенки, 0С.

Индексы: f - показывает, что физические параметры берутся при средней температуре продукта; w - показывает, что физические параметры берутся при температуре стенки.

В данной работе экспериментально определяют коэффициент теплопередачи K, используя зависимость (1). Определив по одной из зависимостей (15-17) коэффициент теплоотдачи при охлаждении продукта (воды) и используя уравнение (5), определяем коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, который зависит от многих переменных величин: геометрических, гидродинамических и теплофизических. При вынужденном турбулентном движении газа (воздуха) обобщенная критериальная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид

Nu = C ? Ren,(18)

где Nu = бн?dн/л - критерий Нуссельта;

Re = щ dн с/м - критерий Рейнольдса.

Здесь бн - коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха, Вт/м2?0С; dн - наружный диаметр трубы, м; л - теплопроводность воздуха, Вт/м 0С; щ - скорость воздуха в узком сечении межтрубного пространства, м/сек; с - плотность воздуха, кг/м3; м - вязкость воздуха, н ? сек/м2.

Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха определяют по уравнению

Q = Qпр = Qв = бн ? F (tст.н. - t1).(19)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное определение коэффициента теплопередачи в аппарате воздушного охлаждения для воздуха при различных его расходах и получение обобщенной расчетной зависимости между критериями Nu и Re для воздушного потока.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка состоит из кожухотрубчатого 2-ходового теплообменника 1, аппарата воздушного охлаждения 2, паропровода 3, водопровода 4-5, линии отвода конденсата 6, контрольно-измерительных приборов (ротаметр 7, манометр 8 и термометры T1, T2, t1, t2).

Теплообменник 1 в данной работе служит для приготовления горячей воды, которая по трубопроводу горячей воды 5 поступает на охлаждение в теплообменную поверхность аппарата воздушного охлаждения (АВО). Техническая характеристика теплообменника 1 приведена в работе № 7 «Исследование процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике».

Аппарат воздушного охлаждения представляет собой ребристую батарею общей поверхностью 150 м2, изготовленную из медных труб диаметром 15х2,5 мм с насаженными на них ребрами из дюралюминия. Теплообменная поверхность специальным коллектором разделена на две части (два хода). Число трубок в одном ходе N = 3 шт. Длина всех трубок L = 206 м. Общая поверхность трубок по наружному диаметру Fн = 9,7 м2. Коэффициент увеличения поверхности Ш = Fп / Fн = 150/9,7 = 15,4. Площадь свободного сечения трубного пучка F = 0,6 м2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - теплообменник; 2 - аппарат воздушного охлаждения; 3 - паропровод; 4 - водопровод холодной воды; 5 - водопровод горячей воды; 6 - линия для отвода конденсата; 7 - ротаметр; 8 - манометр; 9 - заслонка; 10 - вентиляторы.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Ознакомившись с установкой и с инструкцией и получив задание от преподавателя, при пуске установки в работу устанавливают примерный расход воды (10-15 делений по шкале ротаметра), вентиль В4 при этом должен быть открыт. Открыв вентиль ВП на паропроводе, продувают паром межтрубное пространство теплообменника 1 и конденсатоотводник на линии конденсата 6, открывая слегка В2, вентиль В3 для этой операции должен быть открыт полностью. При продувке необходимо следить, чтобы давление пара в межтрубном пространстве теплообменника не превышало 1,5 атм по манометру 8. После продувки устанавливают необходимый расход воды.