Расчёт коэффициента теплоотдачи с наружной стенки для лабораторного стенда при заданных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Астраханский государственный технический университет»

Дмитровский рыбохозяйственный технологический институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения среднего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

(ДРТИ ФГБОУ СПО «АГТУ»)

Направление подготовки

Монтаж и техническая эксплуатация холодильных установок

Расчёт коэффициента теплоотдачи с наружной стенки для лабораторного стенда при заданных условиях

Работа выполнена студентом группы 431 Фомин В.А.

Рыбное 2017

Конденсация -- переход вещества в жидкое состояние из газообразного. Максимальная температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической. [2].

По мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется пленка конденсата. При этом расход пара G" и его скорость в связи с уменьшением массы пара уменьшаются по длине трубы, а расход конденсата G увеличивается. При увеличении скорости пара интенсивность теплоотдачи растет. Это объясняется уменьшением толщины конденсатной пленки, которая под воздействием парового потока течёт быстрее. Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. При конденсации в трубах паровой объем ограничен стенками трубы. Трубы могут быть достаточно длинными и в них может конденсироваться большое количество пара. Возникает направленное движение пара, причем скорости последнего могут быть очень велики (до 100 м/с и более). При конденсации в трубах различают режимы полной и частичной конденсации пара. В первом случае весь поступающий в трубу пар конденсируется целиком, и на выходе из трубы движется сплошной поток конденсата. При частичной конденсации на выходе из трубы течет парожидкостная смесь.

Для возникновения объемной конденсации пар должен быть перенасыщен - его плотность должна превышать плотность насыщенного пара. При этом в паре необходимо наличие мельчайших пылинок (аэрозолей), которые служат готовыми центрами конденсации. Для превращения каждого килограмма насыщенного пара в жидкость необходимо отвести тепло.

Число молекул, вылетающих с единицы площади поверхности жидкости за одну секунду, зависит от температуры жидкости. Число молекул, возвращающихся из пара в жидкость, зависит от концентрации молекул пара и от средней скорости их теплового движения, которая определяется температурой пара. Отсюда следует, что для данного вещества концентрация молекул пара при равновесии жидкости и ее пара определяется их равновесной температурой. Установление динамического равновесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры происходит при более высоких концентрациях молекул пара. При повышении температуры давление насыщенного пара и его плотность возрастают, а плотность жидкости уменьшается из-за теплового расширения. В герметически закрытом сосуде жидкость кипеть не может, т. к. при каждом значении температуры устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром.

Учебно-лабораторные стенды - это необходимая материально-техническая база, востребованная как начальными и средними, так и высшими учебными заведениями. Такая база позволяет наглядно демонстрировать различные процессы, обеспечивая эффективную образовательную деятельность. Лабораторные стенды используются в качестве наглядного пособия, а также помогают лучше усваивать предмет изучения. И помогает в исследовании многих тепловых установок. Так же стенд обеспечивает максимальную наглядность изучаемой схемы и происходящего в ней процесса. Стенды помогают в подготовке высококвалифицированных кадров, вооруженных современными знаниями, практическими навыками. Выполнение учащимися практических работ является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала, а также приобретения практических навыков.

Испарение -- процесс перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости.

Испарение -- эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода -- теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Так же Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение. [1].

Скорость испарения зависит от:

1. температуры (увеличивается), хотя происходит при любой температуре и не требует постоянного притока тепла. При испарении Температура жидкости уменьшается.

2. движения молекул над поверхностью жидкости или газа,

3. рода вещества.

Испарение может происходить не только с поверхности, но и в объеме жидкости. В жидкости всегда имеются мельчайшие пузырьки газа. Если давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению (т. е. давлению газа в пузырьках) или превышает его, жидкость будет испаряться внутрь пузырьков. Пузырьки, наполненные паром, расширяются и всплывают на поверхность. Этот процесс называется кипением. [2].

Интенсификация -- процесс и организация развития производства, в котором применяются наиболее эффективные средства производства, а также расширение производства. Процесс преобразования расхода ресурсов, а также применение нового оборудования позволяет вызвать рост производительности.

Интенсификация теплопередачи представляет собой одну из важнейших технических задач, так как увеличение коэффициента теплопередачи позволяет при заданной тепловой производительности и температурах теплоносителей уменьшить поверхность теплообмена, а значит, снизить массу, размеры и стоимость теплообменного аппарата увеличение значения К в существующих аппаратах позволяет увеличить их тепловую производительность

Во многих отраслях техники задача интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов весьма актуальна. Для интенсификации процессов теплообмена применяют следующие приемы:

· Предотвращение отложений (шлама, солей, коррозионных окислов) путем систематической промывки, чистки и специальной обработки поверхностей теплообмена и предварительного отделения из теплоносителей веществ, и примесей, дающих отложения;

· Продувка трубного и межтрубного пространств от инертных газов, резко снижающих теплообмен при конденсации паров;

· Оребрение поверхности теплообмена, целесообразное как для повышения коэффициента теплопередачи, так и для снижения массы теплообменника. Поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая поверхность несущих трубок, не подвержена одностороннему давлению, а поэтому ребра можно выполнять из более тонкого материала, чем стенки труб, и этим достичь значительного снижения массы аппарата и расхода мета. [3].

Теплообмен при конденсации пара

Если пар соприкасается со стенкой, температура которой ниже температуры насыщения, то пар конденсируется и конденсат оседает на стенке.

При этом различают три типа конденсации: капельную, когда конденсат осаждается в виде отдельных капель, плёночную, когда на поверхности образуется сплошная плёнка жидкости и смешанную. При смешанной конденсации на разных участках поверхности теплообмена одновременно происходит и капельная и пленочная конденсация. Интенсивность теплоотдачи при пленочной конденсации значительно ниже, чем при капельной из-за значительного термического сопротивления пленки конденсата.

Капельная конденсация возможна только в том случае, если конденсат не смачивает поверхность охлаждения. Для организации стационарного процесса конденсации пара оказывается достаточно высокой. Однако если в паре содержится примесь газа (воздуха, например), то скорость конденсации заметно снижается. Газ постепенно накапливается около поверхности, и это затрудняет доступ новых порции пара.

В определенных условиях конденсация может происходить также внутри объёма пара или парогазовой смеси. Так например, выпадение дождя является следствием объёмной конденсации водяного пара из влажного воздуха в естественных условиях.

Капиллярная конденсация -- образование жидкости из воздуха (газа) в капиллярах, порах, микротрещинах твердых тел при давлении пара меньшем, чем давление насыщенного пара над плоской поверхностью. В случае несвязных пористых тел возможна их объемная деформация под действием капиллярных сил - так называемой капиллярная контракция. Так, рост капиллярного давления является причиной значительной усадки таких пористых тел при высушивании. Капиллярная конденсация может быть причиной прилипания частиц пыли к твердым поверхностям, разрушения пористых тел при замораживании сконденсированной жидкости в порах.

Теплообмен -- это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Теплообмен всегда происходит в определенном направлении: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. Когда температуры тел выравниваются, теплообмен прекращается.[4].

Теплообмен может осуществляться тремя способами:

1. теплопроводностью

2. конвекцией

3. излучением

Теплопроводность -- явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы -- она у них в сотни раз больше, чем у воды. Теплопроводность -- это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Конвекция -- это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа

Излучение -- электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре. Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи: она может осуществляться в полном вакууме. Излучают энергию все тела, но чем выше температура тела, тем больше энергии передает оно путем излучения.

Рис. 1 Схема лабораторного стенда: 1 - Испаритель; 2 - Регулирующий вентиль; 3 - Конденсатор; 4 - Байпас; 5 - Направление потока пара; 6 - Направление потока жидкости.

При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. В то же время тела с темной поверхностью охлаждаются быстрее путем излучения, чем тела со светлой поверхностью

Описание работы лабораторного стенда для исследования процесса конденсации на гладкой горизонтальной трубе.

Устройство и принцип работы лабораторного стенда

Из всех способов наибольшее применение получило охлаждение с помощью холодильных машин (машинное охлаждение), при котором используется принцип кипящих жидких газов. Работа холодильной машины полностью автоматизирована, что обеспечивает удобство в эксплуатации, безопасность работы обслуживающего персонала, возможность соблюдения требуемого температурного режима для различных видов продуктов, а также режима экономии. Холодильная машина - «это кольцевая герметически замкнутая система, по которой циркулирует одно и то же количество рабочего вещества (воды).

Конденсатор - это теплообменный аппарат, охлаждаемый с помощью, холодильного агента, который протекает через него. В результате пар соприкасается с стенкой трубы, температура которой ниже температуры насыщения, и пар конденсируется, а конденсат оседает на стенке. Процесс конденсации происходит при постоянном давлении P_к и температуре t_к. Конденсатор имеет водяное охлаждение. На выходе из конденсатора конденсат находится в жидком состоянии. И дальше проходя по системе конденсат попадает в испаритель где Перегретый пар выходит из испарителя, и цикл возобновляется. [5].

Испаритель - теплообменный аппарат для охлаждения непосредственно продукта в результате кипения в нем холодильного агента. Кипение в испарителе происходит при высокой температуре. Здесь хладагент находится в парообразном состоянии с низким давлением и температурой.

Регулирующий вентиль - это один из видов запорной арматуры. Прибор предназначен для того, чтобы перекрывать поток воды и других жидких и газообразных сред в трубах. Он устанавливается на трубах где рабочее давление бывает не более 2500 кг на 1 кв. См. Регулировочный вентиль допускается устанавливать там, где есть возможность перекрывать проходное сечение исключительно в горизонтальной плоскости.

Порядок заправки - Заправляем стенд водой. Подняв крышку испарителя наливаем его на 85-90% от общего объёма испарителя, и плотно задкрываем крышкой сверху.

Запуск стенда - После того как мы закрыли крышку испарителя, затем открываем все вентили по ходу движения воды затем подключаемся к сети электропитания и ждем начала подачи тепловой нагрузки от кипятильника.

Ввод в режим - После начала процесса кипения холодильного агента, и ждем начала процесса испарения а в последствии конденсации на рабочей трубе.

Расчёт режима

Q = 50%; G = 50%.

Q= 0,75х0,5 = 0,375 (Вт) - Полная тепловая нагрузка на конденсатор.

G_max=0,0002х0,5=0,0001 (Кг/c) - Полный массовый расход охлаждающей воды.

t_k = 100 (C⁰) - температура конденсации.

F = - поверхностный теплообмен рабочей трубы.

Где: .

D - внешний диаметр рабочей трубы. (М²)

L - Длина рабочей трубы. (М)

F = 3,14х0,018х0,202= 0,011417

Qк = Q

Q = GGр = W

G_ох = 0,0001 х 0,5 = 0.00005 (Кг/c)

W = 0,00005х 4,2 = 0,00042 (Квт)

Где: G_р = 4,2 ( ) - изобарная теплоемкость.

W - Переменная.

G_maxх 0,5 = G_ох

Q = ; (Квт)

Где: tw₁ - температура на входе в трубу конденсатора.

Tw₂ - температура на выходе из тубы конденсатора.

Q =

Q Wt_w1 = Wt_w2

tw2 =

Где: q - удельный тепловой поток

Tw₂ = 21,8 = 22,69 (C⁰) - температура на выходе из тубы конденсатора.

Q =

d = 0,0156 (м) - наружный диаметр экспериментальной трубы.

Находим внешний диаметр рабочей трубы

D == (М²)

D = 0,018 (м)

L = 0,202 (м) - Длина рабочей трубы.

q = - удельный тепловой поток

q = = 32845,7 ()

q = ()

Определяем температуру стенки:

tст = t_к +

Где: t_k - Температура конденсации холодильного агента.

Считаем поперечное сечение рабочей трубы:

S = 3,14 = 0,00025 (М²)

Считаем объёмный расход жидкости в рабочей трубе:

V = ()

Где: G - полный массовый расход охлаждающей воды.

f = 0,0001884 (М²)

Считаем скорость протока жидкости в рабочей трубе

щ = = ()

Ищем коэффициент теплоотдачи

б =

где: t_ст - температура стенки.

конденсация испарение теплообмен

Список литературы

1. Физика-10 Кл. О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Э.Е. Эвенчик и др.; Под ред. А.А. Пинского.

2. Физика. 10 класс. В.А. Касьянов.

3. Дрейцер Г.А. Современные проблемы интенсификации теплообмена.

4. Алифанов О.М. Обратные задачи в исследовании сложного теплообмена / О.М. Алифанов, Е.А. Артюхин, А.В. Ненарокомов. - М.: Янус-К.

5. Холодильное и климатическое оборудование.

6. Форум про холодильные установки

Размещено на Allbest.ru