Исследование процессов теплопередачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-техническое предприятие «Центр»

Методические указания

Лабораторный стенд НТЦ-74

«Исследование процессов теплопередачи» с МПСО

Могилев, 2007

Требования к технике безопасности

Перед началом работы ознакомиться с инструкциями по технике безопасности и пожарной безопасности № 1, 2, имеющимися в лаборатории.

1. Перед началом работы внимательно ознакомьтесь с порядком выполнения лабораторной работы.

2. Включать установку можно только с разрешением руководителя.

3. Не загромождайте рабочее место оборудованием не относящемся к работе.

По окончании работы получите разрешение от руководителя выключить установку, выключите её и приведите в порядок рабочие место.

Введение

Лабораторные работы являются одной из ключевых составляющих курса «Тепломассообмен». Выполнение лабораторных работ по этому курсу имеет своей целью закрепление теоретических знаний, освоение экспериментальных методик исследования процессов теплопередачи, получение опыта работы с устройствами измерения теплофизических величин; способствует развитию навыков планирования экспериментальных исследований.

Для успешного выполнения лабораторных работ необходимо уверенно ориентироваться в теоретическом описании исследуемых процессов, при этом осознавать то, что теоретическое описание основывается на некоторой идеализации процесса, протекающего на лабораторной установке, и уметь оценивать влияние идеализации на теоретические предсказания. Кроме того, необходимо уметь определять источники погрешностей измерения, связанные с погрешностями средств измерения, несовершенством метода измерений и с условиями измерения физических величин.

Очередная лабораторная работа выдается студенту преподавателем при отсутствии работ, выполненных частично. Выполнение каждой лабораторной работы состоит из трех этапов, каждый из которых отражается в письменном отчете студента.

Первым этапом является подготовка к работе на лабораторной установке. В рамках учебного времени, выделенного на самостоятельную работу по лабораторным работам, студент готовится к проведению эксперимента, пользуясь материалом настоящих указаний и дополнительной литературой. При подготовке необходимо уяснить характер исследуемого теплофизического процесса в общих чертах и в реализации на конкретной установке, разобраться в теоретическом подходе к описанию процесса и быть способным воспроизвести теоретическое описание самостоятельно. Необходимо выяснить, как функционирует и управляется лабораторная установка и каков порядок проведения эксперимента, в том числе:

- какой порядок действий обеспечивает безопасность работы на установке и отсутствие угрозы ее повреждения;

- какие исследования планируются в ходе выполнения работы и какие режимы работы установки необходимы для проведения этих исследований;

- какие условия необходимо соблюдать с целью минимизации погрешностей измерений.

Проделанная работа отражается в первой части письменного отчета, содержащей:

- краткое изложение теоретического описания исследуемого процесса, его основ;

- порядок работы на лабораторной установке;

- таблицу для данных измерений.

В рамках лабораторного занятия преподаватель проверяет готовность к работе на экспериментальной установке и дает допуск к работе. Готовность к выполнению проверяется по первой части письменного отчета, отдельные части которого преподаватель может потребовать изложить устно.

Вторым этапом является собственно работа на установке. Во время работы следует строго следовать порядку проведения эксперимента, в том числе соблюдать условия получения надежных измерительных данных. На данном этапе необходимо получить наглядное представление о характере протекающего процесса. В ходе выполнения измерений следует оценивать корректность получаемых результатов, отмечать возможные аномалии процесса.

Важным условием получения надежных результатов является аккуратное занесение результатов измерения в таблицу. Грубое нарушение правил работы на установке влечет за собой снижение оценки за работу. По завершению работы на установке студент представляет преподавателю вторую часть отчета - заполненную таблицу данных измерений.

Третьим этапом работы является обработка результатов измерений и оформление письменного отчета, проводимое в рамках учебного времени, отведенного на самостоятельную работу по лабораторным работам. Настоятельно рекомендуется проводить этот этап непосредственно после работы на установке. Для углубления понимания процессов, наблюдавшихся в ходе работы на установке, следует найти ответ на основные и дополнительные контрольные вопросы для защиты работы.

Третья часть отчета должна включать:

- результаты обработки опытных данных;

- оценки погрешностей полученных результатов;

- ответы на основные контрольные вопросы к защите работы.

Завершается выполнение работы защитой отчета, в ходе которой студент представляет преподавателю полученные им результаты измерений, промежуточные и конечные результаты их обработки и ответы на контрольные вопросы и обсуждает их с преподавателем.

В ходе защиты оцениваются знания теоретических основ лабораторной работы, корректность проведенных измерений и результатов их обработки, правильность определения погрешностей результатов, ответы на контрольные вопросы. Проводится обсуждение допущенных ошибок.

Оформлять отчеты по лабораторным работам необходимо в отдельной тетради. Все отчеты должны быть выполнены от руки, графики выполняются вручную на миллиметровой бумаге или строятся с помощью компьютерного программного обеспечения и распечатываются, после чего прикрепляются к отчету.

1. Лабораторная работа № 1-2. «Определение коэффициента излучения и степени черноты поверхности тела и определение зависимости степени черноты поверхности от температуры поверхности»

Цель работы

1. Ознакомление с методикой проведения экспериментов по определению степени черноты поверхности тела.

2. Развитие навыков проведения экспериментов.

Задание

1. Определить степень черноты е и коэффициент излучения с поверхностей 2-х различных материалов (окрашенной меди и полированной стали).

2. Установить зависимость изменения степени черноты от температуры поверхности.

3. Сравнить значение степени черноты окрашенной меди и полированной стали между собой.

1.1 Теоретическое введение

конвективный теплообмен теплопроводность теплоотдача

Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.

В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 1.1).

 (1)

Рис. 1.1. Схема распределения лучистой энергии

(2)

где - тепловой поток, падающий на тело,

- количества тепла, поглощаемое телом,

- количества тепла, отражаемое телом,

- количества тепла, проходящего сквозь тело.

Делим правую и левую части на тепловой поток:

Величины называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.

Если , то , т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называется абсолютно черным.

Тела, у которых , т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называются белыми. При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными - если отражение диффузное - абсолютно белыми.

Тела, у которых , т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называются диатермичными или абсолютно прозрачными.

Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.

Кроме того, понятие абсолютно черного тела дает возможность доказать, что в природе не существует таких тел, которые излучают больше тепла, чем черные.

Например, в соответствии с законом Кирхгофа отношение излучательной способности тела и его поглощательной способности одинаково для всех тел и зависит только от температуры, для всех тел, включая и абсолютно черное, при данной температуре:

(3)

Так как поглощательная способность абсолютно черного тела а и и т.д. всегда меньше 1, то из закона Кирхгофа следует, что предельной излучательной способностью обладает абсолютно черное тело. Поскольку в природе абсолютно черных тел нет, вводится понятие серого тела, его степени черноты е, представляющее собой отношение излучательной способности серого и абсолютно черного тела:

Следуя закону Кирхгофа и учитывая, что можно записать:

откуда т.е. степень черноты характеризует как относительную излучательную, так и поглощательную способность тела.

Основным законом излучения, отражающего зависимость интенсивности излучения отнесенную к этому диапазону длин волн (монохроматическое излучение), является закон Планка.

(4)

где - длина волн, [м];

;

и - первая и вторая постоянные Планка.

На рис. 1.2 это уравнение представлено графически.

Рис. 1.2. Графическое представление закона Планка

Как видно из графика, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне длин волн. С возрастанием температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:

(5)

где - длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения.

При значениях вместо закона Планка можно применять закон Релея-Джинса, который носит кроме того название «закон длинноволнового излучения»:

(6)

Интенсивность излучения, отнесенная ко всему интервалу длин волн от до (интегральное излучение), можно определить из закона Планка путем интегрирования:

(7)

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Выражение носит название закона Стефана-Больцмана, который был установлен Больцманом. Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывают в виде:

 (8)

- излучательная способность серого тела.

Теплообмен излучением между двумя поверхностями определяется на основании закона Стефана-Больцмана и имеет вид:

(9)

Если , то приведенная степень черноты становится равной степени черноты поверхности , т.е. . Это обстоятельство положено в основу метода определения излучательной способности и степени черноты серых тел, имеющих незначительные размеры по сравнению с телами, обменивающимися между собой лучистой энергией

(10)

(11)

Как видно из формулы, определения степени черноты и излучательной способности С серого тела необходимо знать температуру поверхности испытуемого тела, температуру окружающей среды и лучистый тепловой поток с поверхности тела . Температуры и могут быть замерены известными способами. А лучистый тепловой поток определяется из следующих соображений.

Распространение тепла с поверхности тел в окружающее пространство происходит посредством излучения и теплоотдачи при свободной конвекции. Полный поток с поверхности тела, таким образом, будет равен:

, откуда ;

- конвективная составляющая теплового потока, которая может быть определена по закону Ньютона-Рихмана:

(12)

В свою очередь, коэффициент теплоотдачи может быть определен из выражения:

(13)

где

Определяющей температурой в этих выражениях является температура пограничного слоя:



Рис. 2 Схема экспериментальной установки

Условные обозначения:

В - включатель;

Р1, Р2 - регуляторы напряжения;

PW1, PW2 - измерители мощности (ваттметры);

НЭ1, НЭ2 - нагревательные элементы;

ИТ1, ИТ2 - измерители температуры;

Т1, Т2 и т.д. - термопары.

1.2 Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис.2, предназначена для определения степени черноты двух тел - окрашенной медной трубы (элемент 1) и полированной стальной трубы (элемент 2).

Медная и алюминиевая трубы имеют одинаковые размеры: диаметр трубы d = 40мм, длинна труб l = 470мм.

В элементах 1 и 2 предусмотрена тепловая защита торцевых поверхностей. Температуры поверхности элементов измеряется с помощью термопар Т1, Т2 и т.д. (рис.2)

Электронагреватели подключены к источнику переменного тока через регуляторы напряжения Р1, Р2. Мощность, потребляемая электронагревателями (тепловой поток Q), определяется по ваттметрам PW1, PW2.

1.3 Проведение опытов и обработка результатов измерений

Опыты проводятся (после изучения устройства опытной установки и ознакомления с измерительной схемой) в следующем порядке.

Включателем В включаются электрические нагревательные элементы НЭ1, НЭ2 и регуляторами напряжения Р1, Р2 устанавливается определенное значение мощности (тепловой поток), определенное по показаниями ваттметров PW1, PW2.

В первом режиме мощность устанавливается в пределах от 30 до 50 Вт. По достижении установившегося теплового режима, при котором показания измерительных приборов сохраняются неизменными во времени, производиться запись показаний приборов в протокол (таблица 1) через равные промежутки времени между замерами (3 минуты).

Другие режимы задаются преподавателем.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

По результатам расчетов производится сравнение степени черноты поверхности окрашенной меди (элемент 1) и полированной стали (элемент 2) с табличными значениями из литературы.

Таблица 1

Наименование величин	Режим 1
	Элемент 1	Элемент 2
	Замеры	1	2	3	Замеры	1	2	3
Тепловой поток Q, Вт
Температура поверхности элементов труб
Средние значения температуры поверхности элементов tw? oC
Температура окружающего воздуха tf , oC

Таблица 2

№	Наименование величины	Определение величин и расчетные соотношения	Первый режим
			Элемент 1	Элемент 2
1.	Критерий Грасгофа
А.	Коэффициент объемного расширения
В.	Определяющая температура
C.	Температурный напор
D.	Коэффициент кинематической вязкости воздуха
2.	Критерий Нуссельта
А.	Критерий Прандтля
В.	Коэффициенты, выбираются из л.р.№2	c
		n
3.	Поверхность трубы
4.	Коэффициент теплоотдачи
А.	Коэффициент теплопроводности воздуха
5.	Конвективная составляющая теплового потока
6.	Величина лучистого теплового потока
7.	Степень черноты
8.	Коэффициент излучения

1.4 Оценка погрешности измерения

Оценка погрешности проводится по максимальной относительной погрешности измерения. В рассматриваемом случае максимальная погрешность определения степени черноты поверхности тела будет:

2. Лабораторная работа № 3-4. «Определение коэффициента теплоотдачи от горизонтальной и вертикальной труб одинакового диаметра, изготовленых из одинакового материала»

Цель работы

1. Дальнейшее изучение конвективного теплообмена.

2. Установление качественной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрического положения, теплоотдающей поверхности (трубы) в пространстве.

Задание

1. Определить коэффициенты теплоотдачи б₁ и б₂ от двух труб одинакового диаметра, изготовленных из одного материала, одна из которых вертикальная (элемент 2), а вторая - горизонтальная (элемент 1). Отметим, что, как и в предыдущих работах, на обе трубы подаётся одинаковая мощность тока, т.е. тепловой поток, поступающий от нагревателя, расположенного внутри трубы, одинаков.

2. Установить, влияет ли расположение труб в пространстве на б. Если да, то как, если нет, то почему?

3. Составить отчёт по работе.

2.1 Теоретическое введение

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или наоборот, от жидкости или газа к поверхности. Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.

Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объемов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.)

Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий:

1. Наличия разности температур, и, следовательно, разности плотностей в объеме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создается между поверхностью трубы и окружающей средой.

2. Наличия поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объеме теплоносителя, имеющего температуру, возник некоторый объем с температурой , то плотность последнего объема становится либо больше (если ), либо меньше () по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объем, имеющий температуру , в силу закона Архимеда будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объема теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.

Одной из важнейших задач расчетов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена. Это количество тепла определяется по закону Ньютона-Рихмана:

Здесь б_К- основная характеристика конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции.

Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность Определение величины б_К представляет значительные трудности, т.к. б_К зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.

Величина б_К определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением:

а в условиях свободной конвекции:

В уравнениях (2), (3), Nu - критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи б_К:

Понятие о критериях подобия , входящих в уравнение (2), (3) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия.

Наименование критерия	Формула	Что характеризует
1. Критерий Нуссельта		Интенсивность теплообмена на границе стенка - жидкость
2.Критерий Рейнольдса		Соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости
3. Критерий Грасгофа		Соотношение подъемных сил и вязкости
4. Критерий Прандтля		Физические свойства жидкости

В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером . Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае трубы, а во втором .

В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя:

- - коэффициент теплопроводности, -коэффициент кинематической вязкости и - коэффициент объемного расширения.

Эти параметры, а также критерийвыбираются из таблиц физических свойств теплоносителей по температуре. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определятся из выражения:

где - температура жидкости вдали от поверхности трубы;

- температура поверхности трубы.

Коэффициенты в критериальных уравнениях

	С	n
Для вертикальной стенки
от 103 до 109	0,54	0,25
от 109 до 1013	0,15	0,33
Для горизонтальной трубы
от 10-3 до 103	1,18	0,125
от 103 до 109	0,5	0,25

Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем конвекции и радиации (излучения).

Коэффициент теплоотдачи б_К вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:

В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей

где- степень черноты поверхности полированной трубы ();

- коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи б_К по классическому уравнению (7) и сравнить его с опытом.

2.2 Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис 1. Исследуемые тела представляют собой трубы(элементы №1 и №2) выполненные из одинакового материала (полированная сталь).Одна труба расположена горизонтально, а другая - вертикально. Внутри трубок размещены электронагреватели из нихромовой проволоки служащие источником тепла. Тепловой поток распределяется равномерно подлине трубы. При стационарном режиме все тепло, выделяемое электронагревателем передается через поверхность трубы в окружающую среду. Тепловой поток с поверхности трубы определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая мощность электроэнергии регулируется автотрансформаторами P1 и Р2 и измеряется ваттметрами PW3 и PW4.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

Элемент 1, 2 выполнены из нержавеющей полированной стальной трубы, наружным диаметром d=40 мм и длинной (высотой) трубы 470 мм.

2.3 Порядок проведения работы

Опыт проводится (после изучения устройства опытной установки и с ознакомлением с измерительной схемой) в следующем порядке.

Выключателем В включается электрические нагреватели НЭ1, НЭ2 элементов 1, 2 и регулятором напряжения Р3, Р4 устанавливается определённое значение мощности, одинаковое для двух элементов 1 и 2. Значение мощности определяется ваттметром PW3, PW4.

В первом режиме мощность устанавливается в пределах от 30 до 50 Вт. По достижении установившегося теплового режима, при котором показания измерительных приборов сохраняются неизменными, производится запись показаний приборов в протокол (таблица 1) через равные промежутки времени между замерами (3 минуты).

По заданию преподавателя могут проводиться опыты при других значениях потребляемой мощности элементов.

Таблица 1.

Наименование величин	Режим 1
	Элемент 1	Элемент 2
	Замеры	1	2	3	Замеры	1	2	3
Тепловой поток Q, Вт
Температура поверхности элементов труб	11				16
	12				17
	13				18
	14				19
	15				20
Средние значения температуры поверхности элементов tw? oC
Температура окружающего воздуха tf , oC

Расчёт коэффициентов конвективной теплоотдачи для элемента 1 (горизонтальная труба) и 2 (вертикальная труба) производится по таблице 2.

Таблица 2

Наименование величин		Расчётные формулы	Режим 1	Режим 2
			Элемент 1	Элемент 2	Элемент 1	Элемент2
Температура поверхности трубы		-
Температура окр. среды		-
Тепловой поток		-
Поверхность трубы
Величина лучистого теплового потока
Конвективная составляющая теплового потока
Коэффициент теплоотдачи опытный	бК
Определение температуры
Коэффициент кинематической вязкости
Критерий Прандтля		-
Коэффициент теплопроводности		-
Коэффициент объемного расширения
Критерий Нуссельта
Критерий Грасгофа
Произведение	-	-
Расчетный критерий Нуссельта
а) показатель	n
б) постоянная выбирается из табл. 6.2	С
Коэффициент теплоотдачи (расчётный)	бр

По результатам расчёта произвести сравнение опытного коэффициента отдачи б_К с расчетным б_р.

2.4 Оценки погрешности измерения

Максимальная погрешность измерения среднего коэффициента теплоотдачи определяется формулой:

Здесь Д отображает абсолютные погрешности применения отдельных величин.

3. Лабораторные работы № 5-6. Определение коэффициента теплопроводности различных строительных материалов методом «Трубы»

Цель работы

1.1 Изучение основного закона теплопроводности и освоение методики измерения коэффициента теплопроводности.

1.2 Изучение теоретических основ метода цилиндрического слоя и реализации метода на экспериментальной установке; измерение температурных полей и определение на их основе коэффициента теплопроводности; анализ погрешностей методики и измерений.

1.3 Получение навыков в проведении эксперимента.

Задание

2.1 Определить коэффициенты теплопроводности для двух видов теплоизоляционного материала - стекловаты и гипса.

2.2 Сравнить полученные экспериментально значения коэффициентов теплопроводности со справочными.

3.1 Теоретическое введение

Рассмотрим стационарный процесс теплопроводности в цилиндрической стенке с внутренним радиусом r = r₁ и внешним радиусом r = r₂. На поверхностях стенки заданы постоянные температуры t_c1 и t_c2.

В заданном интервале температур теплопроводность материала стенки постоянна. Температура стенки изменяется только в радиальном направлении: t = f t(r). Процесс стационарный, объемные источники тепла в цилиндрической стенке отсутствуют.

При данных допущениях уравнение теплопроводности (Лапласа) в цилиндрических координатах имеет вид:

 (2.12)

Граничными условиями уравнения температуры являются:

t (r₁) = t_с1,

t (r₂) = t_с2

Методом разделения переменных находим решение уравнения (2.12):

(2.13)

и из него - радиальную плотность потока тепла:

.

Находим поток тепла на отрезке цилиндрической поверхности длиной l:

(2.14)

который, как и следует, не зависит от радиуса.

Зная геометрические параметры цилиндрической стенки (радиусы r₁, r₂, длину l), температуры внутренней и наружной поверхности и поток тепла, с помощью уравнения (2.14) мы можем определить теплопроводность материала:

. (2.15)

3.2 Описание лабораторной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рис. 2.2.

На стенде поочередно устанавливаются два полых цилиндра, заполненных различными материалами. Полые цилиндры (элемент № 1 и № 2) образованы двумя соосно расположенными металлическими трубами, зазор между которыми заполнен испытуемыми материалами. Во внутренних трубах расположены нихромовые нагревательные элементы.

Мощность, потребляемая электронагревателем измеряется ваттметром и отображается индикатором РН1. Тепловой поток равномерно распределяется по длине цилиндров и при стационарном режиме вся теплота, выделяемая в электронагревателе, проходит через цилиндрическую поверхность исследуемого материала.

Температура внутренней и наружной поверхностей цилиндров измеряются термодатчиками Т1 …. Т8

Рис. 2.2. Принципиальная схема лабораторной установки

РН1 - регулятор напряжения

ИТ - измерители температуры

РW - измеритель мощности (ваттметра)

В - выключатель

НЭ - нагреватели элемента

Т 1…Т8 - термопары

Расчетные размеры элементов (образцов):

- внутренний диаметр полого цилиндра d₁ = 13,3 мм;

- наружный диаметр полого цилиндра d₂ = 37 мм;

- длина экспериментального участка l = 626 мм.

3.3 Порядок работы

По заданию преподавателя выбирается нужный образец для исследования или оба образца.

Установить на рабочую панель из перфорированного стального листа выбранный для работы сменный испытательный модуль. (Модули имеют наклейки с их названием; ручки крепления должны находиться сверху, при установке проверить свободное без натяга подключение кабеля, для фиксации модуля на панели вставить поворотные кулачки ручек в отверстия панели до упора и ручки повернуть навстречу друг другу на 90 градусов). Подсоединить многоконтактный разъем типа ОНЦ30-32 его кабеля к разъему Х1 на лицевой панели стенда.

Проверить исходные положения органов управления стенда: SA1 - выключен, галетные переключатели SA2 и SA3 установлены в «0» (в крайнем левом против хода часовой стрелки положении). Включить стенд автоматическим выключателем QF1 «Сеть». Загорится индикатор включенного состояния стенда HL1. На панели включится индикатор измерителя мощности РН1, индицируя нулевые показания. Включатся измерители температуры Т1 - Т8 , отображая показания подключенных к ним датчиков температуры.

Если на сменном испытательном модуле установлено 5 датчиков, то на табло термометров Т6 - Т8 отобразятся символы «Е02» - отсутствие связи с датчиком, а остальные отображают измеряемую температуру.

Включить тумблер SA1 «Вкл.РН1». Загорится индикатор HL2.

Переключая пару регуляторов SA2 и SA3 установить необходимое значение подводимой к нагревательному элементу мощности от автотрансформатора ЛАТР1. Регулятор SA2 изменяет выходное напряжение Uвых1 с шагом около 5В. Регулятор с обозначением SA3 изменяет выходное напряжение Uвых1 с шагом около 0,5В. Измерение подводимой к нагревателям энергии - отображается на индикаторах микропроцессорной измерительной системы PН1.

Для более быстрого выхода на рабочий режим, рекомендуется установить сначала значение подводимой мощности 25-35Вт, а по ее достижении (40-50^ОС), уменьшить до величины 7-15Вт. Затем подобрать такое значение подводимой мощности, при котором температура почти не меняется.

ВНИМАНИЕ! Во время работы стенда не соприкасаться с токоведущими проводами к контактам нагревательных элементов и их контактами.

По окончании эксперимента вернуть регуляторы в начальное положение «0» (крайнее левое против часовой стрелки). Выключить тумблер SA1 в положение «Выкл.» - погаснет индикатор HL2. Выключить автомат QF1 «Сеть».

После достижения стационарного режима, при котором показания измерительных приборов сохраняются неизменными, производится запись показаний термопар в протокол (таблица 2.2) через равные промежутки времени между замерами (3 минуты).

По заданию преподавателя эксперименты могут проводится на нескольких стационарных режимах.

3.4 Протокол испытаний

Таблица 2.2

Режим 1

Наименование величин

Элемент 1

Элемент 2

Наружная поверхность

Внутренняя поверхность

Наружная поверхность

Внутренняя поверхность

Замеры

1

2

3

Замеры

1

2

3

Замеры

1

2

3

Замеры

1

2

3

Тепловой поток Q, Вт

РW

РW

Температуры поверхностей цилиндров

Т1

Т5

Т1

Т5

Т2

Т6

Т2

Т6

Т3

Т7

Т3

Т7

Т4

Т8

Т4

Т8

Средние значения температур поверхности цилиндров

tс2

tс1

tс2

tс1

Коэффициент теплопроводности

3.5 Расчеты

Коэффициент теплопроводности рассчитывается по формуле (2.15). Тепловой поток определяется по данным электрических измерений.

Температуры стенок определяются путем усреднения показаний термопар для первого элемента:

второго элемента:

Результаты расчета коэффициентов теплопроводности образцов заносятся в таблицу 2.2.

.

3.6 Оценка точности измерений

Относительная погрешность при определении коэффициента теплопроводности методом цилиндрического слоя вычисляется по формуле



где , d, l, t - абсолютные погрешности измерения мощности, диаметра, длины и температуры.

4. Лабораторная работа №7. Исследование цикла холодильной парокомпрессионной установки

Цель работы.

Экспериментальное исследование цикла холодильной установки и определение ее холодопроизводительности и холодильного коэффициента.

4.1 Описание установки

Схема установки приведена на рис.1. Установка содержит компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель. Рабочим телом является фреон Ф12, пары которого сжимаются компрессором до давления р2 и температуры t2 (см. диаграмму p - i на рис.2). В состоянии т.2 на входе в конденсатор температура паров фреона оказывается выше температуры окружающего воздуха, поэтому пары отдают тепло в окружающую среду, а сами охлаждаются до состояния т.3. В дроссельном вентиле давление паров насыщенного фреона понижается до р4 , а температура - до t4 . В этом состоянии пар поступает в испаритель, где испаряется , отнимая тепло от окружающего воздуха. Измерение температуры осуществляется 4-мя датчиками температуры, давление измеряют два датчика давления. Все датчики подключены к компьютеру, что позволяет наблюдать за происходящими процессами в реальном масштабе времени.

4.2 Цикл установки и обработка результатов измерений

Теоретический цикл установки(рис.2) состоит из адиабатного процесса сжатия пара фреона в компрессоре 1 - 2, изобарного охлаждения пара ( в том числе его конденсации) в процессе 2 -3, протекающем в конденсаторе, процесса дросселирования 3 - 4 и изобарного процесса подвода тепла ( парообразования) 4 - 1 в испарителе.

Холодильный коэффициент установки (теоретический)

е= i1 - i4 / i2 - i1 ,

где i1 i2 - энтальпии пара соответственно в начале и конце адиабатного сжатия в компрессоре, кДж/кг, (рис.3);

i3 i4 - энтальпии до и после дроссельного вентиля (i3-i4 ) , кДж/кг.

Энтальпии находятся с помощью диаграммы p - i фреона Ф12 и выводится в расчет с клавиатуры, после чего расчет параметров цикла выполняется в автоматическом режиме и выводится на печать.

Теоретическая удельная затраченная работа на привод компрессора, кДж/кг

А=i2 - i1

Теоретическая удельная холодопроизводительность цикла холодильной установки, кДж/кг

Q_о=i1 - i3

Мощность компрессора, N кВт определяется по показанию ваттметра.

Расход рабочего тела в установке, кг/с

m=N/А

Холодопроизводительность установки, кВт

Q=m*Q_o

4.3 Обработка опытных данных

Результаты измерений заносятся в таблицу 1.

t1	t2	t3	t4	P1	P2	A	Q	N	m

Параметры состояния рабочего тела перед компрессором:

t₁

P₁

i₁

Параметры состояния рабочего тела после компрессора:

t₂

P₂

i₂

Параметры состояния рабочего тела за конденсатором:

t₃

P₃

i₃

Параметры состояния рабочего тела за дросселем:

t₄

P₄

i₄

Удельная холодопроизводительность цикла - разность энтальпий обратного холодильного цикла

Q₁ = i₁-i₄ кДж/кг

Тепло, отданное в окружающую среду

Q₂ = i₃ - i₂ кДж/кг

Удельная работа привода компрессора

А = Q₁ -| -Q₂ | кДж/кг

Холодильный коэффициент парокомпрессионной холодильной установки

е = Q₁/А

Контрольные вопросы для защиты лабораторных работ

1. Способы передачи тепла, количественные характеристики переноса тепла.

2. Теплопроводность, перенос тепла теплопроводностью при стационарном режиме.

3. Теплопроводность плоской стенки.

4. Теплопроводность цилиндрической стенки.

5. Конвекция, основной закон конвекции, вынужденная и свободная конвекция.

6. Распределение скоростей и температур около вертикальной и горизонтальной теплоотдающей поверхности, коэффициент теплоотдачи.

7. Теория подобия, число Рейнольдса, число Прандтля, число Грасгофа, число Нуссельта.

8. Основы расчета коэффициентов теплоотдачи при естественной конвекции.

9. Лучистый теплообмен, закон Планка, закон Стефана - Больцмана, закон Ламберта, закон Кирхгофа.

10. Теплопередача через плоскую стенку.

11. Теплопередача через цилиндрическую стенку.

Рекомендуемая литература

1. Исаченко В.П. Теплопередача. / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 344 с.

2. Цветков Ф.Р. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов / Ф.Р. Цветков, Б.А. Григорьев. - 3-е изд. стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006.- 550 с.

3. А.Ф. Апальков - Теплотехника: учебное пособие, 2008, - Ростов: Издательский дом Феникс.

4. А.П. Баскаков - Теплотехника: учебник, 2010, -М., Бастет.

5. В.И. Ляшков - Теоретические основы теплотехники: учебное пособие, 2008, -М., Высшая школа.

Размещено на Allbest.ru