министерство образования и науки республики казахстан

(1)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСТАНСКО-НЕМЕЦКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖИНИРИНГА И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Утверждено на заседании Учебно-методического

Совета Университета от «26» февраля 2021г. (протокол № 7) Председатель УМС ________ А.А. Ажибаева

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению виртуальных лабораторных работ

по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена»

Алматы 2021

(2)

Составитель: магистр технических наук Шавдинова М.Д., к.ф.-м.н.

Борисова Н.Г. Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники»,

«Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена» для студентов второго курса направления подготовки «6B071 Инженерия и инженерное дело», ОП «Энергетическая и экологическая техника». – Алматы:

КНУ, 2021. – 42 с.

Рецензент: Шарипов Р.Ж., кандидат технических наук, доцент факультета Инжиниринга и информационных технологий Казахстанско-Немецкого Университета.

Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ рекомендованы при изучении дисциплин, «Теоретические основы теплотехники», «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена», являющихся постреквизитами и пререквизитами.

Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ составлены в соответствии с силлабусами дисциплин «Теоретические основы теплотехники», «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена» для студентов второго курса по направлению подготовки

«6B071 Инженерия и инженерное дело», ОП «Энергетическая и экологическая техника» и включают описания 10 лабораторных работ. В них приведены общие методические рекомендации и указания к выполнению лабораторных работ, оформление отчетов, содержание и варианты заданий, контрольные вопросы, а также список рекомендованной литературы.

Ил. 9, библиограф. 10 назв.

Методические указания утверждены на заседании УМС КНУ (Протокол

№7 от «26» февраля 2021 г.) и рекомендованы к использованию в учебном процессе.

(3)

3

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ... 4 1 Методика проведения виртуальных лабораторных работ ... 6 2 Лабораторная работа №1. Изучение теплоотдачи при вынужденном конвективном теплообмене ... 9 3 Лабораторная работа №2. Изучение теплоотдачи при свободном конвективном теплообмене ... 12 4 Лабораторная работа №3. Изучение теплоотдачи при конденсации водяного пара ... 14 5 Лабораторная работа №4. Изучение теплоотдачи при кипении жидкости ... 17 6 Лабораторная работа №5. Исследование математической модели маслоохладителя ... 18 7 Лабораторная работа №6. Исследование математической модели мазутоподогревателя ... 23 8 Лабораторная работа №7. Исследование математической модели трубчатого воздухоподогревателя ... 27 9 Лабораторная работа №8. Исследование интенсификации воздухоподогревателя ... 30 10 Лабораторная работа №9. Исследование методов расчета конденсатора паровой турбины ... 34 11 Лабораторная работа №10. Исследование интенсификации конденсатора ... 37 Заключение ... 41 Список литературы ... 42

(4)

4

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплины «Теоретические основы теплотехники» и «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена» играют важную роль в подготовке специалистов-теплоэнергетиков. Для усвоения данных дисциплин, нужно не только глубоко изучить теоретический материал, получить навыки в решении задач, но и приобрести опыт выполнения лабораторных работ. Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ разработаны с целью углубленного освоения учебного материала, проведения различного рода вычислительных экспериментов.

Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ разработаны для двух дисциплин, так как они являются постреквизитами или пререквизитами друг другу. Дисциплина «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена» является постреквизитом дисциплины

«Теоретические основы теплотехники».

Методические указания к выполнению виртуальных лабораторных работ содержат задания по следующим разделам:

− дисциплина «Теоретические основы теплотехники»: «Конвективный теплообмен», «Фазовые переходы»;

− дисциплина «Специальные вопросы технической термодинамики и тепломассообмена»: «Теплообменные аппараты», «Интенсификация теплообменных аппаратов».

Описание каждой работы содержит задание, краткое теоретическое введение, методику и порядок выполнения работ, способы обработки результатов вычислительного эксперимента, информацию о форме и содержании отчета, контрольные вопросы.

В результате выполнения виртуальных лабораторных работ студенты должны:

знать:

− механизмы процессов конвективного теплообмена, фазовых переходов;

− виды процессов конвективного теплообмена и фазовых переходов;

− критерии подобия конвективного теплообмена и фазовых переходов;

− виды теплообменных аппаратов и принцип их действия;

− алгоритм проведения теплового поверочного расчета теплообменных аппаратов;

− методы интенсификации теплообменных аппаратов.

уметь:

− записывать критериальные уравнения для видов конвективного теплообмена и фазовых переходов;

− пользоваться таблицами для определения теплофизических свойств веществ в зависимости от температуры;

− проводить тепловой поверочный расчет теплообменных аппаратов;

− рассчитывать показатели эффективности теплопередачи;

− применять методы интенсификации к теплообменным аппаратам;

(5)

5

− сопоставлять результаты натурного и вычислительного эксперимента с теоретическими данными.

владеть:

− навыками проведения вычислительного эксперимента;

− методом интерполяции для нахождения параметров, не входящих в таблицы;

− компьютерными технологиями для обработки результатов измерений;

− методами моделирования теплотехнологических процессов, установок и систем;

− приемами создания и редактирования файлов в редакторах Word и Excel;

− правилами оформления письменных работ стандартом КНУ

«Методические рекомендации по оформлению письменных работ (бакалавриат)».

При выполнении работ в компьютерном классе необходимо строго соблюдать правила техники безопасности и использования средств вычислительной техники в учебной лаборатории.

(6)

6

1 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Вычислительный эксперимент и расчеты приводятся на персональном компьютере с использованием программного продукта «Конвективный теплообмен, Теплообменные аппараты, Интенсификация» («КТИ»).

Программный продукт реализован в табличном редакторе Microsoft Excel.

В его структуру входят следующие модули:

− информационно-справочная база по конвективному теплообмену;

− информационно-справочная база по теплообмену при фазовых переходах;

− алгоритмы тепловых расчетов и методов интенсификации энергетических теплообменных аппаратов;

− приложения.

Первый модуль – информационно-справочная база по конвективному теплообмену включает в себя: классификацию конвективного теплообмена, справочные данные и расчет задач конвективного теплообмена.

Классификация видов конвективного теплообмена проведена по: виду протекания процессов; режиму течения; форме тел; средам; граничным условиям.

В справочные данные занесены формулы конвективного теплообмена в соответствии с выбранной классификацией. В MS Excel даны описания и графическое представление систем с заданием параметров и режимов течений.

Программа позволяет изменять параметры, находить значения чисел подобия, решать задачи для заданного вида КТО, т.е. проводить вычислительный эксперимент [1], [2]. На основе первого модуля программного продукта «КТИ» составлены лабораторные работы №1 и №2.

Второй модуль – вспомогательный – информационно-справочная база по фазовым переходам включает те же разделы, что и информационно-справочная база по конвективному теплообмену, а именно: классификация фазовых переходов, справочная база и расчет задач фазовых переходов [1], [2].

Использование данного модуля реализовано в лабораторных работах №3 и №4.

Третий модуль – теплообменные аппараты энергетических установок, в который входят: тепловые расчеты аппаратов, методы их интенсификации, а также расчеты показателей эффективности теплообменных аппаратов [1], [2].

В программном продукте представлены математические модели следующих теплообменных аппаратов: маслоохладителя, мазутоподогревателя, воздухоподогревателя, конденсатора, испарителя, подогревателя высокого давления. На разработанных моделях можно исследовать методы интенсификации теплообмена.

В лабораторных работах №№ 5 – 10 студенты смогут ознакомиться с этими математическими моделями, провести вычислительные эксперименты, сделать выводы по полученным результатам.

(7)

7

В четвертый модуль программного продукта «КТИ» входят приложения, в которых даны зависимости теплофизических свойств веществ от температуры, а также программа интерполяции экспериментальных данных [1], [2].

Выполнение виртуальных лабораторных работ вполне доступно любому пользователю с элементарными знаниями ПК.

Выполнение виртуальных лабораторных работ может производиться по алгоритму, представленному на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Порядок выполнения виртуальной лабораторной работы К работе можно приступить, получив допуск.

Оформление отчета по работе

Отчет по проделанной работе представляется в электронном виде – документ Microsoft Word.

Отчет включает:

Виртуальная лабораторная работа

Теоретическая и методическая часть

Допуск к выполнению работы

Проведение вычислительного эксперимента

Обработка результатов эксперимента

Подготовка отчета Ответы на контрольные

вопросы

(8)

8

− цель и краткое содержание работы;

− задание;

− результаты вычислительного эксперимента;

− ответы на контрольные вопросы;

− выводы;

− список литературы.

Требования к оформлению отчета

Каждая страница отчета оформляется со следующими полями: верхнее и нижнее – 2 см, левое – 3 см, правое – 1,5 см.

Основной текст при наборе на компьютере печатается в текстовом редакторе WORD стандартным шрифтом TimesNewRoman, кегль 14, межстрочный интервал – одинарный. Оформление рисунков, графиков, таблиц, формул согласно требованиям КНУ [3].

(9)

9

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Изучение теплоотдачи при вынужденном конвективном теплообмене Цель: изучение процессов теплоотдачи при вынужденном конвективном теплообмене тел различной формы, сравнение полученных результатов.

2.1 Краткое теоретическое введение

Конвективный теплообмен или теплоотдача представляет собой процесс передачи тепла между твердым телом и теплоносителем – движущейся средой.

В зависимости от причин движения жидкости различают теплоотдачу при свободной, вынужденной и смешанной конвекции.

На рисунке 2.1.1 показана классификация конвективного теплообмена по:

виду протекания процесса; режиму течения; форме тел; средам; граничным условиям.

При вынужденной конвекции движение вызвано воздействием поверхностных внешних сил. При этом действуют две силы – давление жидкости, зависящее от скорости потока, и сила трения, обусловленная вязкостью жидкости. Влияние этих сил на теплоотдачу жидкости характеризуется безразмерным параметром – критерием Рейнольдса [4].

Теплоотдача при вынужденном движении имеет место в различных теплообменных устройствах.

Значение числа Нуссельта при вынужденном конвективном переносе определяется уравнением

, Pr Re^m ⁿ C

Nu =   (2.1.1)

где C, m и n – константы для данного типа потока и геометрии системы.

Искомый коэффициент теплоотдачи α связан с числом Нуссельта так

Nu = αl/λ (2.1.2)

(10)

10

Рисунок 2.1.1 – Классификация конвективного теплообмена 2.2 Задания

Перед выполнением лабораторной работы ознакомиться с литературой [3], [4], [8].

2.2.1 Вычислить значения местных коэффициентов теплоотдачи пластины на различных расстояниях от передней кромки пластины x=0,1l0; x=0,2l0; x=0,5l0; x=1,0l0 для случаев обтекания жидкой и газообразной средой при граничных условиях 1-го рода tc = const.

Построить график зависимости коэффициента теплоотдачи от относительного расстояния x/l0.

Исходные данные по вариантам приведены в таблице 2.2.1.

2.2.2 Записать формулу среднего коэффициента теплоотдачи для плоской горизонтальной пластины конечной длины и сделать рисунки:

− при ламинарном режиме течения, при граничных условиях qc = const);

− при турбулентном режиме течения, при граничных условиях tc = const).

2.2.3 Записать формулу теплового потока для тел вращения: диск, конус, цилиндр, сфера.

(11)

11

Таблица 2.2.1 – Исходные данные к заданию 2.2.1

№ Среда Характерный размер

системы, х, м Длина

пластины, l0, м Длина обогреваемого

участка, l1, м

Температура окружающей среды, tж, ⁰С

Температура

стенки, tст, ⁰С Скорость движения среды,

w, м/с

1 вода 1,0 1,2 0,7 20 60 8

2 воздух 0,8 1,3 0,4 24 70 3

3 вода 1,1 1,4 0,8 22 65 6

4 вода 1,0 1,3 0,75 20 50 5

5 воздух 1,0 1,5 0,8 22 60 8

6 воздух 0,9 1,6 0,4 23 70 8

7 вода 0,7 1,4 0,65 25 55 3

8 воздух 1,2 1,8 0,7 22 60 2

9 вода 0,8 1,1 0,5 24 70 4

10 вода 1,4 2,0 0,8 22 65 8,5

11 вода 1,3 1,5 0,6 25 70 2,5

12 воздух 1,2 1,6 0,9 30 60 5,5

13 вода 1,2 1,8 0,5 20 55 2

14 вода 1,3 2,0 0,9 24 70 5

15 вода 0,8 1,1 0,4 23 60 4

16 вода 1,4 1,8 0,8 20 55 6

17 вода 1,2 1,8 0,5 22 70 3

18 вода 1,0 1,4 0,8 24 50 2,5

19 воздух 1,0 1,5 0,6 20 60 3,5

20 воздух 0,9 1,3 0,4 25 65 4,5

(12)

12

2.3 Порядок выполнения работы 2.3.1 Открыть файл ВЛР1.

2.3.2 Открыть модуль «КТО», подраздел «Справочные данные ВК» в файле программного продукта «КТИ».

2.3.3 Для нахождения теплофизических свойств веществ использовать Приложения в файле программного продукта «КТИ».

2.3.4 Выполнить задания п. 2.2 в файле ВЛР1. Математические формулы должны быть набраны в Microsoft Equation Editor.

2.3.4 Подготовить отчет.

2.3.5 Написать выводы.

К отчету прилагается файл ВЛР1в Microsoft Excel, на который делается в тексте гиперссылка.

2.4 Контрольные вопросы

2.4.1 Что называют конвективным теплообменом, и какие виды конвективного теплообмена вы знаете? Приведите примеры.

2.4.2 Условие подобия для вынужденного конвективного теплообмена.

2.4.3 Что такое местные и средние коэффициенты теплоотдачи?

2.4.4 Чему равны и что характеризуют критерии подобия (числа) Рейнольдса, Нуссельта?

2.4.5 Уравнение теплообмена при обтекании сфер жидким металлом.

2.4.6 Как изменится толщина гидродинамического пограничного слоя (ГПС) и теплового пограничного слоя (ТПС) вдоль пластины?

Изучение теплоотдачи при свободном конвективном теплообмене Цель: изучение теплоотдачи при свободном конвективном теплообмене для тел различной формы и расположения.

Свободный конвективный теплообмен – теплообмен, при котором движении жидкости происходит под действием массовой силы – силы тяготения и обусловлено различием плотности отдельных нагретых участков жидкости. Свободная конвекция имеет место у нагретых стен печей, трубопроводов, у батарей центрального отопления, в холодильниках при охлаждении и др. [4].

Cреднее число Нуссельта при свободной конвекции можно связать с числами Грасгофа и Прандтля соотношением [4]

m с ж

Gr n

C

Nu )

Pr (Pr Pr)

(  



= (3.1.1)

(13)

13

где C, m и n – константы для данного типа потока и геометрии системы.

3.2 Задания

3.2.1 В учебной лаборатории имеется установка для изучения теплоотдачи при свободной конвекции воды около горизонтальной электрически обогреваемой трубы. Диаметр трубы d, ее длина l, а температура воды tж. При какой мощности электронагревателя средняя температура наружной поверхности трубы будет равна tст. Исходные данные представлены в таблице 3.2.1.

Исследовать при тех же параметрах теплоотдачу при свободной конвекции воды около: а) вертикальной трубы; б) горизонтального цилиндра. За характерный размер системы Х, м взять ширину поверхности b, м. Сделать рисунки к каждому условию.

3.2.2 Записать формулу среднего коэффициента теплоотдачи для двух параллельных вертикальных пластин с различной температурой.

3.2.3 Записать формулу теплового потока для тел при омывании воздухом:

− для горизонтальной трубы в неограниченном пространстве;

− для вертикальной трубы в неограниченном пространстве.

№

Длина (высота) поверхности, l (h),

мм

Ширина (диаметр)

поверхности b (d), мм Температура смешения

tж, ⁰С

Температура стенки tст, °C

1 300 20 25 35

2 320 21 22 37

3 340 22 30 39

4 310 23 32 41

5 330 24 26 43

6 350 25 36 45

7 305 26 34 30

8 312 27 24 32

9 325 28 20 37

10 345 29 25 42

11 300 30 34 36

12 335 29 26 38

13 355 28 32 40

14 330 27 30 31

15 305 26 22 33

16 325 25 24 34

17 320 24 20 35

18 310 23 25 41

19 330 22 22 43

20 345 21 36 45

(14)

14

3.3.2 Открыть модуль «КТО», подраздел «Справочные данные СК» в файле программного продукта «КТИ».

К отчету прилагается файл ВЛР2 в Microsoft Excel, на который делается в тексте гиперссылка.

3.4.1 Что называют свободным конвективным теплообменом?

3.4.2 Как связаны коэффициент теплоотдачи и число Нуссельта?

3.4.3 Чему равны и что характеризуют числа Грасгофа, Релея?

3.4.4 Как определяется среднее число Нуссельта для вертикально расположенных цилиндра, пластины при свободной конвекции?

3.4.5 Что такое смешанный конвективный теплообмен?

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 Изучение теплоотдачи при конденсации водяного пара

Цель: изучение теплоотдачи при пленочной конденсации водяного пара для труб различного расположения.

Конденсация – переход вещества из газовой фазы в жидкую или твердую.

Различают два вида конденсации: пленочную и капельную. Когда конденсированная фаза образуется на поверхности в виде устойчивой пленки, то такая конденсация называется пленочной, когда поверхность покрывается отдельными каплями – капельной [4].

При пленочной конденсации пар отделен от стенки тонким слоем конденсата, который создает значительное термическое сопротивление тепловому потоку. При капельной конденсации возможен непосредственный контакт пара со стенкой и поэтому теплообмен протекает во много раз интенсивнее пленочной конденсации [4].

На рисунке 4.1.1 приведена классификация фазовых переходов.

(15)

15

Рисунок 4.1.1 – Классификация фазовых переходов 4.2 Задания

Перед выполнением лабораторной работы ознакомиться с литературой [4], [5].

4.2.1 На наружной поверхности вертикальной трубы высотой Н, м происходит пленочная конденсация сухого насыщенного водяного пара.

Давление пара р, кПа. Температура поверхности трубы tc, ºC. Определить толщину пленки конденсата δх и значение местного коэффициента теплоотдачи αх в зависимости от расстояния х до верхнего конца трубы. Построить график изменений δх и αх по высоте трубы. При расчете считать режим течения пленки конденсата ламинарным по всей высоте трубы. Расчет выполнить по приближенным формулам Нуссельта. Исходные данные приведены в таблице 4.2.1

4.2.2 Записать локальное число Нуссельта при пленочной конденсации на вертикальных поверхностях.

4.2.3 Записать уравнения среднего коэффициента теплоотдачи при пленочной конденсации: на наклонной поверхности и горизонтальной трубе.

Таблица 4.2.1 – Исходные данные для задания 4.2.1

№ Высота трубы,

Н, м Расстояния, х, м Давление пара, р,

кПа Температура

поверхности трубы, tc, ⁰С

1 2 3 4 5

1 1,0 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 250 123

2 4,0 1; 2; 2,5; 3; 4,0 230 120

3 5,0 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 5,0 200 127

(16)

16

1 2 3 4 5

4 3,5 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,5 180 125

5 1,5 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1,5 220 120

6 2,0 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,0 240 123

7 3,2 1,0; 1,4; 1,8; 2,2; 3,2 260 127

8 2,5 0,8; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5 230 118

9 3,7 0,7; 1,7; 2,7; 3,0; 3,7 200 120

10 1,6 0,4; 0,8; 1,2; 1,4; 1,6 210 122

11 4,0 1; 2; 2,7; 3; 4,0 200 120

12 5,0 1,5; 2,5; 3,5; 4,8; 5,0 205 125

13 1,0 0,2; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 220 123

14 3,5 0,5; 1,5; 1,5; 2,0; 3,5 180 122

15 1,5 0,1; 0,5; 0,5; 0,7; 1,5 240 118

16 2,0 0,4; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0 232 120

17 3,2 1,0; 1,4; 1,8; 2,5; 3,2 215 127

18 2,5 0,8; 1,2; 1,6; 2,1; 2,5 255 128

19 3,7 0,7; 1,7; 2,7; 3,2; 3,7 204 125

20 1,6 0,4; 0,8; 1,3; 1,4; 1,6 214 117

4.3.2 Открыть модуль «ФП», подраздел «Справочные данные (Конденсация)» в файле программного продукта «КТИ».

4.4.1 Что представляет собой процесс конденсации?

4.4.2 В чем отличие капельной и пленочной конденсации?

4.4.3 Сравнить коэффициенты теплоотдачи при капельной и пленочной конденсации.

4.4.4 Почему интенсивность теплоотдачи при конденсации намного больше, чем при течении пара или воды (однородной среды)?

4.4.5 Понятие и значение минимального радиуса образования капли.

4.4.6 Чему равняется и что характеризует число С.С. Кутателадзе?

4.4.7 Как определяется критерий конденсации?

(17)

17

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 Изучение теплоотдачи при кипении жидкости

Цель: изучение теплоотдачи при пленочном и пузырьковом кипении жидкости.

Кипение – процесс образования пара в объеме жидкости до температуры выше температуры насыщения. Характерной особенностью процесса является образование пузырьков пара. Различают кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена и кипение в объеме жидкости. Процесс кипения на твердой поверхности может возникнуть тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Объемное кипение может происходить при перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении [4].

Различают пузырьковое и пленочное кипение. Увеличение температурного напора сопровождается ростом числа пузырьков пара, и их движение после отрыва вызывает интенсивное перемешивание жидкости. Наступает режим развитого пузырькового кипения. При некотором значении температурного напора отдельные пузырьки пара начинают соединяться и образуют паровую пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности нагрева, а затем отделяет полностью жидкость от поверхности нагрева. Пленка периодически разрушается и уходит от поверхности в виде больших пузырей.

Вместо разрушившейся пленки возникает новая. Такое кипение называется пленочным [4].

5.2 Задания

5.2.1 Найти коэффициент теплоотдачи и температуру поверхности нагрева при пузырьковом кипении воды в большом объеме. Исходные данные представлены в таблице 5.2.1.

5.2.2 Записать число Нуссельта или коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении на горизонтальной, вертикальной, сферической поверхностях. Сделать соответствующие рисунки.

№ Давление, р,

МПа Тепловая нагрузка, q,

МВт/м² № Давление,

р, МПа Тепловая нагрузка, q, МВт/м²

1 2 3 4 5 6

1 5,0 0,2 11 5,25 0,1

2 5,1 0,15 12 5,35 0,12

(18)

18

1 2 3 4 5 6

3 5,2 0,1 13 5,45 0,32

4 5,3 0,25 14 4,98 0,3

5 5,4 0,3 15 5,5 0,22

6 5,5 0,35 16 5,0 0,18

7 4,9 0,22 17 4,8 0,32

8 4,8 0,18 18 4,9 0,35

9 4,5 0,32 19 5,2 0,2

10 5,0 0,24 20 5,1 0,15

5.2.3 Записать минимальное значение плотности теплового потока для переходного режима от пузырчатого кипения к пленочному:

− для горизонтальных плоских поверхностей;

− для горизонтальных цилиндров.

Сделать соответствующие рисунки.

5.3.2 Открыть модуль «ФП», подраздел «Справочные данные (Кипение)» в файле программного продукта «КТИ».

5.4.1 Что представляет собой процесс кипения жидкости?

5.4.2 Виды кипения и их отличия.

5.4.3 Что такое удельная теплота фазового перехода?

5.4.4 Чему равна максимальная плотность теплового потока при пузырьковом кипении?

5.4.5 Как определяется критерий кипения?

5.4.6 Что такое кризис кипения?

6 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 Исследование математической модели маслоохладителя

Цель: провести исследование эффективности работы маслоохладителя МБ-63-90 на его математической модели.

(19)

19

Маслоохладители с соответствующими трубопроводами образуют систему охлаждения масла.

В системах маслоснабжения ПТУ преимущественное распространение получили вертикальные маслоохладители с поверхностью из гладких трубок.

Существуют два типа охладителей МА и МБ, рассчитанных на использование охлаждающей воды с начальной температурой соответственно 20 и 33 °С. Они широко используются также для охлаждения масла в системах разных гидроприводов, маслонапорных установок гидравлических турбин, турбозубчатых агрегатов судовых установок, трансформаторных установок и др. [6].

Маслоохладитель МБ-63-90 (рисунок 6.1.1) представляет собой вертикальный кожухотрубный теплообменник, в котором охлаждающая вода движется внутри трубок, а охлаждаемое масло — в межтрубном пространстве.

Направление движения масла задается системой перегородок типа

«диск―кольцо». Характер омывания трубок маслом приближается к поперечному. Зазоры между наружными кромками кольцевых перегородок и внутренней поверхностью корпуса не превышает 0,5 мм. Вода и масло подводятся снизу. Компенсация температурных расширений трубной системы относительно корпуса обеспечивается с помощью мембраны 2, установленной в верхней части корпуса [6].

Математическая модель маслоохладителя МБ-63-90 представлена в программном продукте «КТИ» в модуле «Теплообменные аппараты».

(20)

20

1 – верхняя водяная камера; 2 – мембрана; 3 – корпус; 4 – трубная система; 5 – нижняя водяная камера; А, Г – патрубки входа масла; Б – патрубок входа воды

Рисунок 6.1.1 – Маслоохладитель МБ-63-90 [6]

6.2 Задания

Перед выполнением лабораторной работы ознакомиться с литературой [6].

6.2.1 Провести тепловой расчет маслоохладителя МБ-63-90. Исходные данные представлены в таблице 6.2.1. Схема движения теплоносителей – перекрестная, Тип оребрения – гладкие трубы, конструкция перегородок – типа

"диск-кольцо", тип зазоров – неуплотненные, число ходов воды – 4, шаг труб по глубине пучка s2 = 0,0173 м, число шестиугольников в пучке труб zx = 10, средняя расчетная площадь сечения для прохода масла в одном ходе fм = 0,032 м², площадь проходного сечения для воды в одном ходе fв = 0,022 м². Расход масла Gм = 90 м³/ч.

6.2.2 Рассчитать параметры эффективности использования теплоты в маслоохладителе.

6.2.3 Построить зависимость коэффициента теплопередачи k от расхода масла Gм. Значения расхода масла взять в диапазоне от 50 до 150 м³/ч.

(21)

21

6.3.3 Выполнить задания п. 6.2 в файле ВЛР5.

6.4.1 Принцип работы маслоохладителя МБ-63-90.

6.4.2 Что означают цифры «63» и «90» в марке маслоохладителя МБ-63- 90?

6.4.3 Как ведется подбор маслоохладителей для определенных видов турбин?

6.4.4 Какие меры необходимо принять для предотвращения загрязнения водоемов маслопродуктами?

6.4.5 Что означает цифра «57» в марке турбинного масла Т-57?

6.4.6 Какие марки охладителей масла, кроме МБ-63-90, Вы знаете? Каковы их достоинства и недостатки?

6.4.7 Опишите математическую модель маслоохладителя.

6.4.8 Каким требованиям должна удовлетворять математическая модель, чтобы результаты вычислительного эксперимента были достоверными?

(22)

22

№ Марка масла

Начальная температур а масла, t1м,

0С

Номиналь- ная конечная температур а масла, t2м,

0С

Номинальная температура

воды на входе, t1в, ⁰С

Крат- ность охлаж- дения, m

Материал труб Число труб, n,

шт.

Наружны й диаметр

труб, dн, м

Внутрен- ний диаметр труб, dвн,

м

Площадь поверхности

теплообме- на, F, м²

1 Т-46 55 40 33 1,6 латунь 600 14 12 63

2 Т-22 50 48 33 1,2 сталь кремнистая 570 12 10 63

3 Тп-22 48 40 33 1,4 сталь нержавеющая 700 18 16 63

4 ОМТИ 52 42 33 1,2 сталь углеродистая 500 16 14 63

5 Т-22 53 43 33 1,8 латунь 550 14 12 63

6 Т-46 55 45 33 1,4 сталь углеродистая 650 16 14 63

7 Тп-22 57 47 33 1,2 сталь кремнистая 680 18 16 63

8 ОМТИ 50 45 33 1,6 латунь 580 20 18 63

9 Т-46 55 40 33 1,4 сталь углеродистая 680 14 10 63

10 Т-22 50 45 33 1,8 сталь нержавеющая 590 16 14 63

12 Т-46 48 40 33 1,6 латунь 620 12 10 63

14 Тп-22 53 43 33 1,8 латунь 600 12 10 63

15 ОМТИ 50 40 33 1,4 сталь нержавеющая 700 20 18 63

18 Тп-22 54 44 33 1,8 латунь 700 16 14 63

19 Т-22 55 42 33 1,2 сталь кремнистая 600 14 12 63

20 ОМТИ 50 44 33 1,6 сталь нержавеющая 570 12 10 63

(23)

23

Исследование математической модели мазутоподогревателя

Цель: провести тепловой расчет мазутоподогревателя ПМР-64-30 на его математической модели, найти его показатели эффективности.

Мазут на станциях используется как резервное топливо.

Мазутоподогреватель – рекуперативный поверхностный теплообменный аппарат, предназначенный для подогрева мазута. Назначение подогревателей мазута в технологических схемах паротурбинных установок – подогрев мазута для обеспечения необходимого температурного режима и вязкости по всему топливному тракту [7].

По конструктивным признакам подогреватели мазута делятся на:

кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U – образными трубами; кожухотрубные секционные; секционные «труба в трубе»;

кожухотрубные с оребренными трубами.

В кожухотрубных подогревателях с оребренными трубами типа ПМР используется схема с двусторонним обогревом рабочей среды. Топливо (рабочая среда) протекает в коаксиальных каналах нагревательных элементов, которые образуются кольцевыми трубами [7].

Аппараты типа ПМР-64-30 (рисунок 7.1.1) предназначены для замены гладкотрубных подогревателей типа ПМ-40-30.

Подогреватель имеет горизонтальное исполнение и фланцевый разъем на корпусе, что обеспечивает выемку пучка внутренних труб для очистки и ремонта. Для интенсификации теплопередачи в кольцевом канале на поверхности внутренней трубы установлены продольные пластинчатые ребра.

Эти аппараты предназначены для нагрева любых вязких жидкостей, в том числе мазута и нефтепродуктов, конденсирующимся водяным паром или горячей водой. Они выпускаются на два рабочих давления вязкой жидкости: 1,3 и 6,4 МПа и рассчитаны на использование греющего пара с давлением до 1,6 МПа и температурой до 300 ⁰С [7].