Определение плотности теплового потока, передаваемого от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку

Определение плотности теплового потока, передаваемого от одного теплоносителя к другому через разделяющую их плоскую стенку.

Расчетное исследование интенсификации теплопередачи.

Задание.

В теплообменном аппарате вертикальная плоская стенка толщиной = 6,0 мм., длиной l = 1,4 м., и высотой h = 0,9 м., выполнена из стали коэффициентом теплопроводности  = 45 Вт/(м К). С одной стороны она омывается продольным вынужденным потоком горючей жидкости со скоростью  = 0,5 м/с, и температурой t_ж1 = 70^оС (вдали от стенки), с другой – свободным потоком атмосферного воздуха с температурой t_ж2 = 0^оС.(рис.1).

Решение.

I. Определяется плотность теплового потока q:

коэффициент теплопередачи

1. Определяется коэффициент теплоотдачи

1) Выбирается уравнение подобия для конвективной теплоотдачи.

Так как плоская стенка омывается вынужденным потоком жидкости, то уравнение подобия будет иметь вид

2) Определяется число Рейнольдса  

      Определим величину  по температуре t_ж1 из таблицы физических параметров жидкости:

 .

3) Находится определяемое число Нуссельта Nu_l,ж:

а) По величине  из таблицы определяем с = 0,037;

                                                                              n₁ = 0.8;

                                                                              n₂ = 0.43.

б) Задаемся , где (для воды).

                    ^оС.

в) По величинам t_ж1 и t_c1 из таблицы физических параметров жидкости определяем:

                     P_rж1 = 2,55 при t_ж1 = 70^оС

                      P_rc1 = 2.55  при t_c1 = 70^оС.

4) Определяется коэффициент теплоотдачи  :

 .

2. Определяется коэффициент теплоотдачи .

1) Выбирается уравнение подобия для конвективной теплоотдачи.

Так как движение атмосферного воздуха – естественная конвекция (горячие слои поднимаются вверх, холодные – опускаются вниз), то при его свободном движении вдоль вертикальной поверхности стенки уравнение подобия будет иметь вид:

2) Определяется число Грасгофа Gr_ж2,h:

К^-1

g = 9.8 м/с²

 ^оС

а)  К.

б) Величина  находится по t_ж2 из таблицы физических параметров воздуха.

в) Принимаем t_c2 = t_c1.

3) Определяется число Релея:

4) Находится определяемое число Нуссельта Nu_ж2,h:

а) По величине числа  находятся из таблицы значения:

с = 0,15

n = 0.33

б) Для газов  

5) Определяем :

6) Проверка правильности принятых для расчета температур t_c2 и t_c1 по формуле:

 ^оС

^оС.

Проверка показала правильность выбора температур т.к. отличие при проверки не превышает 10 %.

Полученные результаты сводим в таблицу 1.

II. Интенсификация теплопередачи.

Проводим расчетное исследование вариантов интенсификации теплопередачи при неизменной разности температур между горячим и холодным теплоносителями.

1)  Определяем коэффициент теплопередачи при:

а)  Увеличении в 5,10,15 раз коэффициентов теплоотдачи .

Оребрение слева:

,

Оребрение справа.

,

б) Заменяем стальную стенку на латунную , алюминиевую  и медную  с коэффициентами теплопроводности соответственно  ,

,  .

Результаты расчетов подставляем в таблицу 2.

в) Определяем степень увеличения коэффициента теплопередачи при изменении каждого из варьируемых факторов Z_i.

Результаты расчета сводим в таблицу 3.

г) Проанализируем полученные данные.

Из полученных данных ясно видно, что при увеличении в 5,10,15 раз коэффициентов теплоотдачи :

1) Увеличение коэффициента теплоотдачи со стороны жидкости не привело к изменению коэффициента теплопередачи (k), т.е. до интенсификации

 и после интенсификации осталось прежним  .

2) Увеличение коэффициента теплоотдачи  со стороны воздуха привело к значительному изменению коэффициента теплопередачи (k), т.е. до интенсификации  и после интенсификации резко изменилось (например при увеличении в 5 раз)  .

3) При замене стальной стенки на латунную , алюминиевую  и медную  с коэффициентами теплопроводности соответственно  ,

,  , коэффициент теплопередачи не изменился 

.

На основе табличных данных построим график.