Основные теоретические понятия

В сложных теплообменных устройствах всегда имеет место процесс передачи тепла от горячего теплоносителя (газа, жидкости), циркулирующего в трубе, к стенке трубы, либо от нагретой стенки к омывающему её холодному потоку газа (жидкости).

Обмен теплом между подвижной средой и неподвижной стенкой называется теплоотдачей. Этот процесс передачи тепла осуществляется всегда совместно конвекцией и теплопроводностью и носит название конвективного теплообмена.

Количество тепла, переданного в конвективном теплообмене, определяется по закону Ньютона-Рихмана:

Q_н = α (T_ст - Т_г)F,                                                     (1)

где: α - коэффициент теплоотдачи, Вт/м² · К;
        F - поверхность теплообмена, м²;
        Т_СТ - температура поверхности теплообмена, K;
        Т_Г - температура воздуха, K.

Коэффициент теплоотдачи - величина, зависящая от характера движения среды, природы его возникновения, теплофизических свойств среды (теплопроводности, вязкости, теплоёмкости), граничных температур (стенки и среды), формы и линейных размеров омываемой поверхности. Он представляет собой количество тепла, которым обмениваются в единицу времени подвижная среда и неподвижная стенка с площадью поверхности 1м² при разности температур среды и стенки в 1К.

Определяется коэффициент теплоотдачи, главным образом, экспериментально. Для изучения теплоотдачи и гидравлического сопротивления сложных теплообменных устройств часто пользуются методом моделей (моделирования). В этом случае работа, как отдельного элемента устройства, так и всего агрегата в целом изучается с учетом реальных условий их положения и омывания потоком подвижной среды (жидкости или газа), но на уменьшенной модели. Исследования на моделях просты, надежны и требуют значительно меньше времени, чем исследование теплообменных устройств в эксплуатационных условиях.

Изготовление модели и проведение опытов должно производиться в соответствии с правилами теории моделирования. Согласно этим правилам, необходимыми и достаточными условиями являются:

• геометрическое подобие модели и образца;
• гидродинамическое подобие движения жидкости (газа) в теплообменном устройстве;
• тепловое подобие - подобие температурных полей на границах, в сходственных сечениях;
• подобие физических параметров (вязкости, плотности, теплопроводности, теплоемкости).

Условия геометрического и гидродинамического подобия выполняются путем изготовления модели, точно копирующей образец как в части внутренней конфигурации, условий входа и выхода рабочей среды, так и соблюдения равенства режимов движения потока и характера омывания поверхности теплообмена.

При вынужденном движении газов теплоотдача определяется, в основном, режимом движения потока и характером омывания поверхности нагрева. Поэтому допускается тепловое подобие для всего объёма устройства (образца) осуществлять как подобие температур на входе и выходе одной трубки модели, имитирующей трубку газохода реального образца.

Обычно в модели движение потока газа осуществляется при постоянной температуре (условно). В этом случае условия подобия реализуются лишь для какой-то средней температуры.

Подобие физических параметров можно выполнять приближенно.

Обмотка электронагревателя размещается равномерно, что обеспечивает постоянное тепловыделение по длине калориметрической трубки. Для измерения температуры стенки калориметра служат термопары, концы которых выведены на переключатель.

Э.Д.С. термопар измеряют потенциометром.

Расход воздуха регулируется с помощью задвижки, установленной на выходном патрубке модели. Температура воздуха на входе в модель воздухоподогревателя и на выходе из него измеряется с помощью ртутных термометров. Скорость движения воздуха определяется с помощью двух трубок, установленных на воздуховоде перед моделью (рис. 2), и микроманометра с наклонной шкалой. Одна из трубок направлена против потока и служит для измерения полного давления (Трубка Пито). На некотором расстоянии от конца этой трубки имеется отверстие в трубопроводе, в которое входит вторая трубка, служащая для измерения статического давления. Присоединив одновременно к микроманометру трубки, показывающие полное и статическое давление измеряют их разность - динамический напор, по которому затем определяют скорость воздуха в канале V . Из уравнения Бернулли динамический напор:

                                               (2)

где ρ - плотность воздуха при температуре Т = Т_т и давлении P = 0,1 МПа (см. приложение 1).

Для микроманометра с наклонной шкалой

                                                (3)

где: l - длина столбика рабочей жидкости (спирта), отсчитываемая по шкале микроманометра, мм,

                                               (4)

                                                   (5)

Гидравлическое сопротивление газохода воздухоподогревателя определяется по разности статических давлений, измеренных до и после модели:

                                                 (6)

Основные геометрические размеры газоходов приведены в таблице 1.