Лабораторная работа 4

Определение тепловых потерь и эффективности

Тепловой изоляции трубопровода

С помощью тепломера

Цель работы: ознакомление с методом теплового контроля эффективности изоляции трубопроводов в промышленных условиях, определение тепловых потерь с 1 м²наружной поверхности и 1 погонного метра длины изолированного трубопровода, а также коэффициента теплопроводности и критического диаметра изоляции с помощью тепломера.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Для проверки эффективности тепловой изоляции трубопроводов в промышленных условиях служит тепломер. В основу работы тепломера положен метод дополнительной стенки. Он заключается в том, что на поверхность изоляции, тепловые потери с которой необходимо определить, плотно крепится дополнительная стенка известной толщины_с^допс известным коэффициентом теплопроводности_с^доп(рис. 4.1.).

Измерив температурыt_с2иt_с3на поверхности дополнительной стенки или их разность, можно определить удельный тепловой поток, проходящий через нее, по формуле

(4.1)

Е

Рис.4.1. Постановка задачи в общем виде к описанию процесса переноса теплоты в основной и дополнительной плоских стенках.

сли термическое сопротивление теплопроводности дополнительной стенки мало по сравнению с термическим сопротивлением теплопроводности основной стенки (тепловой изоляции), то при установившемся тепловом состоянии этот же удельный тепловой потокq_Fпройдет и через исследуемую стенку. Для уменьшения термического сопротивления дополнительной стенки, ее выполняют небольшой толщины и из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Это приводит к значительному уменьшению температурного перепада в дополнительной стенкеи соответственно к проблеме точности его измерения.

Повысить точность измерения перепада температур в дополнительной стенке позволяет многоспайная дифференциальная термопара. Она представляет собой большое количество термопар, соединённых между собой в специальной последовательности. В этом случае даже небольшому перепаду температур соответствует значительная электродвижущая сила, которая достаточно точно измеряется простым гальваметром.

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная лабораторная установка, представленная на рис. 4.2, состоит из металлической трубы 1 с нанесённой на неё тепловой изоляцией 2. Торцы этой изолированной трубы 6 также теплоизолированы.

Внутри трубы расположен электронагреватель 5. Тепловая мощность, выделяемая электрическим нагревателем, регулируется лабораторным трансформатором 12. Величина этой мощности определяется по показаниям амперметра А и вольтметра V.

Рис.4.2. Схема экспериментальной установки и измерений для определения тепловых потерь с поверхности изолированного трубопровода с помощью тепломера: 1 - труба;

2 - тепловая изоляция трубы; 3 - охранные пояса дополнительной стенки;

4 - измерительный пояс (тепломер) дополнительной стенки; 5 - электронагреватель;

6 - тепловая изоляция торцов; 7 – переключатель термопар (тумблер);

8 - милливольтметр; 9 – термопары; 10 - контрольная лампочка; 11 - выключатель;

12 - лабораторный трансформатор; 13 – многоспайная дифференциальная термопара; 14 – потенциометр.

К внешней поверхности слоя изоляции плотно прикреплён, в виде дополнительной стенки, измерительный пояс 4 (тепломер). Он представляет собой резиновый пояс толщиной 3 мм, шириной 60мм и длиной окружности 425мм. С целью устранения неучтённых потерь теплоты с торцов измерительного пояса, с обоих сторон, вплотную к этим торцам, установлены охранные пояса 3. Они отличаются от измерительного пояса только меньшей шириной.

Для измерения перепада температуры по толщине тепломера в него вмонтировано 100 термоэлементов (термопар), соединённых между собой последовательно по схеме дифференциальной термопары 13. При этом чётные спаи термоэлементов расположены на одной стороне тепломера, а нечётные – на другой стороне. Термическое сопротивление теплопроводности тепломера можно считать постоянным. С учётом этого, согласно уравнению (4.1), величина определяемого удельного теплового потокаq_Fимеет прямо пропорциональную зависимость от измеряемого перепада температуры. Если тепломер изготовлен в заводских условиях, то шкала его вторичного прибора тарируется непосредственно в единицах измеренияq_F, т.е. в Вт/м². В рассматриваемой лабораторной установке температурный перепад измеряется потенциометром ПП-63 в милливольтах. Для перехода кq_Fслужит график зависимостиq_F = ƒ(Δt_c^доп), расположенный на стенде.

Измерение температуры на внутренней и наружной поверхности слоя тепловой изоляции служат термопары 9, подключённые через переключатель 7 к милливольтметру 8.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить готовность установки к работе: включение установки по контрольной лампочке, подключение тепломера к потенциометру, работу лабораторного трансформатора и переключателя термопар, показания приборов.

2. Приготовить протокол измерений. Форма протокола приводится ниже.

3. Установить с помощью трансформатора заданную преподавателем силу тока, питающего электронагреватель. Показания амперметра и вольтметра занести в протокол измерений.

4. Через 15 – 20 минут начать измерения разности температур в тепломере (измерительном поясе) с помощью потенциометра ПП – 63, а также температуры на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции с помощью милливольтметра. Для измерения температуры окружающей среды использовать соответствующий стеклянный термометр. Измерения повторять через каждые 5 минут.

5. После достижения стационарного температурного режима, когда показания температур на протяжении последних 3 – х замеров остаются неизменными, измерения и записи их результатов закончить.

Внимание!Включение и выключение тока, как и изменение его величины, выполняется в присутствии и под наблюдением преподавателя.

Протокол измерений к лабораторной работе 4

Опыт№___________Время начала__________Время окончания__________Дата_______

№ изме- рения

Режим работы электронагревателя

Температура окруж. среды

Перепад температуры в тепломере

Температура поверхности изоляции

Ток J, A

Напряжение V, B

tж, ^0С

tж, мВ

Δt,мВ

Внутренней tc1, ^0С

Наружной tc2, ^0С

1

2 3 ….

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для обработки используются только такие результаты измерений, которые получены при установившемся тепловом состоянии экспериментальной установки.

Экспериментальная величина удельного теплового потока q_F, проходящего через тепломер, определяется из графикаq_F = ƒ(Δt) по измеренному в лабораторной работе температурному перепадуΔtв милливольтах (см. протокол измерений). График находится на стенде. При установившемся тепловом состоянии величинаq_Fравна тепловым потерям с 1м²поверхности тепловой изоляции.

В практике часто используется понятие линейных тепловых потерь. Пересчёт тепловых потерь с 1м²поверхности изоляции на 1 погонный метр длины цилиндрического слоя этой изоляции выполняется по формуле

q_l =q_F·π·d₂, (4.2)

где d₂– наружный диаметр тепловой изоляции (d₂=135мм).

Рассмотренная в данной лабораторной работе экспериментальная установка, кроме тепловых потерь, позволяет экспериментально определять величину коэффициента теплопроводности тепловой изоляции. Для этого используется следующая формула

, (4.3)

где d₁– внутренний диаметр тепловой изоляции (d₁= мм);t_c1иt_c2– измеренная температура соответственно на внутренней и наружной поверхности тепловой изоляции.

Для полной оценки эффективности тепловой изоляции трубопровода знаний о величине тепловых потерь q_Fи коэффициента теплопроводности λ_изнедостаточно. Чтобы их дополнить, сначала, с использованием полученных результатов измерений, необходимо найти коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изоляции в окружающую среду. В данном случае известное уравнение Ньютона – Рихмана принимает вид

α₂ =q_F/(t_c2 – t_ж), (4.4)

где α₂– коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изоляции в окружающую среду;t_ж– температура окружающей среды.

После этого вычисляется критический диаметр тепловой изоляции по формуле

. (4.5)

Для окончательного заключения об эффективности исследованной тепловой изоляции необходимо сравнить величину с внутренним диаметром изоляцииd₁. Если меньше или равняетсяd₁, то наложенная тепловая изоляция эффективна. В противном случае, т.е. при большеd₁, нанесённая на трубопровод тепловая изоляция может увеличивать тепловые потери, а не уменьшать их, как должно быть. Следовательно, либо полностью, либо частично затраты в тепловую изоляцию могут быть бесполезными.

Основные результаты измерений эксперимента заносятся в таблицу по прилагаемой форме.

Таблица 4.1

Основные измерения и результаты эксперимента

№ опыта	J, A	V, B	, мВ	qF, Вт/м^2	ql, Вт/м	λиз, Вт/(мК)	α2, Вт/(м^2К)	, мм
1 2 3 …

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

1. название лабораторной работы;

2. цель работы;

3. основные понятия и формулы;

4. схему экспериментальной установки и измерений;

5. протокол измерений;

6. обработку результатов эксперимента;

7. заключение об эффективности изоляции.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Чем отличаются физические процессы теплопроводности и теплоотдачи?

2. Чем отличаются между собой количество теплоты, тепловой поток и плотность теплового потока?

3. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности и его размерность?

4. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи и его размерность?

5. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

6. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов?

7. Напишите формулы частных и полных термических сопротивлений однослойных плоских и цилиндрических стенок.

8. Напишите формулы частных и полных термических сопротивлений многослойных плоских и цилиндрических стенок.

9. Что называется критическим диаметром изоляции?

10. Какие тепловые потери в лабораторной работе измеряет тепломер?

11. Напишите и объясните условие эффективности применения тепловой изоляции на трубопроводах.

12. Какие факторы влияют на величину критического диаметра изоляции?

Для подготовки к выполнению лабораторной работы 4 и отчётeрекомендуются следующие разделы из приведённого в методических указаниях списка литературы: [1] – с.17 – 44; [2] – с.7 – 40; [3] – с.5 – 34.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цветков Ф.Ф. Тепломассообмен/ Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. Учебное пособие для вузов. М.: Изд – во МЭИ, 2005.505 с.

2. Исаченко В.П. Теплопередача/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

3. Антропов Г.В. Теплопроводность/ Г.В. Антропов, Ю.И. Акимов, А.В. Васильев. Учебное пособие по курсу «Тепломассообмен». Саратов: РИЦ СГТУ, 1995. 82с.

4. Клименко А.В. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ А.В. Клименко, В.М. Зорин и др. М.: Изд – во МЭИ, 2001, 564 с.

5. Арленинов И.К. Теплотехнические измерения и приборы/ И.К. Арленинов, А.М. Чертыков, С.В. Новичков. Саратов: РИЦ СГТУ, 2005. 40с.

6. Солодов А.П. Практикум по теплопередаче/ А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков, А.В. Елисеев и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 296 с.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение	2
Методы определения коэффициента теплопроводности	3
Измерение физических величин	4
Определение погрешности эксперимента	6
Лабораторная работа 1. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методы трубы	8
Лабораторная работа 2. Определение коэффициента теплопроводности сыпучих материалов методом шара	13
Лабораторная работа 3. Определение коэффициента теплопроводности металлического стержня	19
Лабораторная работа 4. Определение тепловых потерь и эффективности изоляции трубопровода с помощью тепломера	27

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Тепломассообмен»

Составили: МЕДВЕДЕВ Валерий Алексеевич

СИЗОВ Владимир Алексеевич

МОТОРИН Никита Борисович

36