Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Teplo_Koval

.pdf
Скачиваний:
10
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
410.69 Кб
Скачать

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

МИКОЛАЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЙ ТА ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ

ТЕПЛОТЕХНІКА ТА ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

методичні рекомендації для виконання лабораторних студентами денної форми навчання напряму підготовки 6.100101 "Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі"

Миколаїв 2011

УДК 621.1 (075.8) ББК 31.3873

Т34

Методичні рекомендації підготував: Коваль С.В., к.ф-м.н., доцент

Розглянуто на засіданні кафедри електротехнологій та електропостачання. Протокол №_6_ від "_07_"_грудня_ 2011 р.

Рецензенти:

доцент кафедри фізики Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, кандидат технічних наук Ушкац Михайло Вікторович;

доцент кафедри енергетики аграрного виробництва, кандидат фізикоматематичних наук Вахоніна Лариса Володимирівна.

Методичні рекомендації складенні у відповідності з програмою курсу "Теплотехніка та теплопостачання" для студентів денної форми навчання напряму підготовки 6.100101 "Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі". / Уклад.: [С.В. Коваль] – Миколаїв: МДАУ, 2011.

Друкується згідно з рішенням методичної ради факультету механізації сільського господарства Миколаївського державного аграрного університету протокол № _4_ від "_15_"_грудня_ 2011 р.

© Миколаївський державний аграрний університет

2

Вступ

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт складені відповідно до програми дисципліни "Теплотехніка та теплопостачання" для студентів денної форми навчання напряму підготовки 6.100101 "Енергетика та електротехнічні системи в агропромисловому комплексі.

Перед виконанням робіт необхідно вивчити основні теоретичні положення, ознайомитися зі стендами, записати основні технічні характеристики лабораторного устаткування (тип, діапазон використання, споживана потужність) і метрологічні характеристики використовуваних засобів вимірювання (тип, діапазон виміру, ціна поділки, клас точності або похибку, що припускається), ознайомитися з порядком проведення лабораторних робіт, підготувати таблиці за відповідною формою для запису результатів експериментів і розрахунків.

Після завершення лабораторних робіт кожний студент повинен скласти звіт, у якім приводяться основні теоретичні положення, малюнок лабораторної установки, за результатами дослідів слід виконати розрахунки й супроводити їх необхідними поясненнями, дати оцінку похибки вимірювання кожного параметра, а чисельні значення похибок занести в таблиці для запису результатів вимірів і розрахунків. Звіт завершується аргументованим висновком. Методи оцінки результатів вимірів і розрахунків наведені в описі робіт.

Наведені в лабораторних роботах методики можуть використовуватися при оцінці показників якості води для наступних цілей водокористування: для господарсько-питного водопостачання; при підготовці додаткової води для електростанцій, що працюють на органічнім паливі; при підготовці додаткової води для електростанцій, що працюють на ядернім паливі; при підготовці додаткової води для парових котлів різного призначення, для підживлення теплових мереж.

Виконання лабораторних робіт і обробка результатів дослідів дозволяють оцінити якість води. У реальних умовах експлуатації знання характеристик використовуваної води, необхідно для організації оптимальних режимів роботи теплоенергетичного обладнання.

3

Лабораторна робота № 1. "Визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря."

Мета роботи: Робота призначена для поглиблення знань з теорії конвекції, ознайомлення з методикою дослідного визначення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря і набуття практичних навичок в проведенні експерименту.

Основні теоретичні положення

Конвективним теплообміном, або тепловіддачею, називається процес переносу теплової енергії між поверхнею твердого тіла й середовищем (рідиною або газом). При цьому процес переносу теплової енергії невід’ємно пов’язаний з переміщенням середовища, яке взаємодіє із твердим тілом.

За природою виникнення розрізняють вільний й вимушений конвективний рух середовища. Вільним рухом теплоносія називають рух, що відбувається внаслідок різниці густин нагрітих і холодних елементарних об’ємів рідини або газу в гравітаційнім полі (у цьому випадку діє так звана підйомна сила). Вимушеним називають рух середовища, що виникає під дією сторонніх сил (насоса, вентилятора та інш.).

Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі залежить від різниці температур між тілом і середовищем, фізичних властивостей середовища й геометричних факторів (форми, розмірів, положення тіла в просторі), а також ряду інших факторів.

Установка для дослідного визначення коефіцієнта тепловіддачі (рис. 1.1) складається з мідної труби (2). На зовнішній поверхні труби вмонтовані 6 хромель-копєлєвих термопар (1). Перші п'ять термопар вмонтовані на верхній (кормовій) твірній трубі на однаковій відстані одна від одної, симетрично щодо торців труби. Шоста термопара вмонтована на нижній (лобовій) твірній трубі в середній її точці, що дозволяє проконтролювати різницю в температурах на поверхні труби в лобових і кормових її точках. Термо-ЕРС термопар вимірюється по черзі шеститочковим електронним потенціометром 4 типу ЭПП-09 М, шкала якого проградуйована в °С. Нумерація друкованих на діаграмному папері потенціометра точок відповідає нумерації термопар на стенді.

Для нагрівання труби всередині неї розміщений електронагрівач (3), який представляє собою ніхромову спіраль, навиту з постійним кроком. Тепловий потік, що виділяється нагрівачем, регулюється

4

автотрансформатором (7) (ЛАТР-2), що дозволяє встановлювати різні значення температури на поверхні труби і, відповідно, створювати різний температурний напір.

1

4

3

5

2

 

7

8

6

Рис. 1.1 Схема експериментальної установки

Для визначення кількості теплового потоку, що підводиться до стінки труби в коло нагрівача ввімкнений багатограничний ватметр (5) типу Д 539.

В установці для визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі ср виділено робочу ділянку труби довжиною lр = 350 мм, на якому розташовані чотири середні. Крайні термопари встановлені для контролю температури на поверхні труби, поблизу до її торцям.

dFp

cp

F

 

.

(1.1)

 

 

 

 

Fp

 

Таким чином, в даному випадку знаходиться коефіцієнт тепловіддачіср, усереднений за площею робочої ділянки теплообміну Fр

де – місцеве значення коефіцієнта тепловіддачі.

Для експериментального визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції від горизонтальної труби використовуємо рівняння Ньютона-Рихмана у вигляді:

5

cp

 

Qk

 

, (Вт/(м2 К))

(1.2)

F

t

ст

t

пов

 

p

 

 

 

 

Де tсm – середня температура стінки робочої ділянки труби, С; tпов – температура повітря, °С;

Qk – кількість теплоти, яка передана повітрю за рахунок вільної конвекції з робочої ділянки труби за одиницю часу, Вт;

Fp – площа робочої ділянки труби, м2.

З наведеної залежності видно, що величини, які входять до правої частини рівняння, можуть бути змінені в досвіді.

Тепловий потік Qk визначається з рівняння теплового балансу:

Qk Q Qпр , (Вт)

(1.3)

де: Q – загальний тепловий потік, переданий повітрю з робочої ділянки труби, Вт;

Qпр – тепловий потік, переданий навколишньому середовищу шляхом випромінювання з робочої ділянки, Вт.

Величину Q визначаємо з умови рівномірного тепловиділення по всій довжині труби:

l

 

 

Q W lp

, (Вт)

(1.4)

де: W– потужність електричного нагрівача, Вт; l – загальна довжина труби, дорівнює 0.9 м;

lp – довжина робочої ділянки труби, дорівнює 0.35м.

Промениста складова у виразі (1.4) визначається з співвідношення:

Qпр 5.67

t

 

273

4

t

 

273

4

 

Fp

ст

100

 

 

пов

 

 

, (Вт)

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

де – ступінь чорноти робочої поверхні, дорівнює 0,2.

Робоча поверхня теплообміну для труби Fp обчислюється з виразу:

Fp dзн lp , (м2)

(1.5)

(1.6)

де: dзн – зовнішній діаметр труби, дорівнює 0,03 м.

Температура стінки tст знаходиться як середнє арифметичне значення показників термопар, встановлених на робочій ділянці труби.

Таким чином, розрахункова формула для визначення ср має вигляд:

6

cp

Qk

 

, (Вт/(м2 К))

(1.7)

dзн lp tст tпов

 

 

 

При первинній обробці результати дослідів представляються у вигляді графіків залежності ср=f( t);

де t tст tпов .

Остаточну обробку дослідних даних необхідно уявити в логарифмічних координатах у вигляді критеріальної залежності:

 

 

 

 

Nuпов f (Grпов Prпов ) ,

(1.8)

Для цього за дослідними даними і фізичними параметрами повітря

підраховуються критерії:

 

Nu

 

ср dн

– критерій Нуссельта;

 

 

 

 

 

 

пов

 

Gr

g t d 3

 

 

 

н

– критерій Грасгофа;

 

 

 

 

 

 

 

vпов2

 

Pr vпов – критерій Прандтля;

kпов

де g – прискорення сили тяжіння, 9,81 м/с2;

 

1

– коефіцієнт об'ємного розширення середовища, 1/К.

273 tпов

Фізичні параметри рідини (повітря): коефіцієнт теплопровідності пов, коефіцієнт кінематичної в'язкості пов, коефіцієнт температуропровідності kпов, необхідно брати при температурі навколишнього середовища з таблиць в довідниковій літературі.

За визначеними значеннями критеріїв будується графік, в якому по осі ординат відкладається lg(Nuпов), а по осі абсцис – lg(Grпов Prпов). В зазначених координатах дослідні дані описуються прямолінійною залежністю:

lg(Nuпов ) lg C n lg(Grпов Prпов ) .

(1.9)

Значення "n" характеризує кутовий коефіцієнт отриманої прямої:

 

n

lg(Nu 2 ) lg(Nu1 )

 

 

.

(1.10)

lg(Gr Pr)2 lg(Gr Pr)1

7

Рівняння (1.10) дозволяє знайти сталу "С" виходячи з визначеного раніше значення сталої "n". Отже, на основі дослідних даних виходить розрахункове критеріальне рівняння для тепловіддачі:

Nu

пов

C(Gr

Pr )n .

(1.10)

 

пов

пов

 

Порядок проведення досліду

1. Перед проведенням досліду необхідно встановити ціни поділки шкали ваттметра, діаграмної стрічки потенціометра, визначити барометричний тиск і температуру навколишнього середовища по кімнатному барометру та термометру. Ціна поділки шкали ваттметра визначається за наступною формулою:

CW

I U

,

(1.11)

N

 

 

 

де I – сила струму, А; U – напруга, В;

N – границя вимірювання шкали ваттметра, дорівнює 150 поділкам.

Також потрібно визначити класи точності всіх приладів, які використовуються в роботі, для знаходження похибки досліду. Далі необхідно заготовити протокол для запису вимірюваних величин, перевірити правильність включення вимірювальних приладів і включити установку.

2.Рукоятку автотрансформатора встановити обертанням її проти годинникової стрілки в положення "0".

3.Приєднати установку до мережі живлення електрострумом, потім поворотом ручки пакетного вимикача 8 в положення "вкл" подати напругу мережі (при цьому загоряється сигнальна лампочка).

4.Включить потенціометр, для чого відкрити його дверцята і поставити тумблер включення приладу в положення "вкл.".

5.Повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити по ватметру необхідну потужність нагрівача (температуру стінки) для першого досліду. При цьому необхідно протягом всього досліду стежити за показанням ваттметра. У випадку відхилення його показань від обраної потужності повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити початкове значення.

6.Стежити за зміною температури на поверхні труби по шести контрольних точках термопар, що друкуються на діаграмному папері

8

потенціометра. При настанні стаціонарного теплового режиму (значення температур термопар постійні в часі і точки 1, 2,...6, які друкуються на діаграмній папері, протягом 5 хвилин утворюють вертикальні лінії), провести вимірювання і занести до протоколу потужності нагрівача за шкалою ваттметра, значення температур за шкалою потенціометра, а також значення температури навколишнього повітря за шкалою лабораторного термометра.

7.Дослід повторити при 3 різних потужностях нагрівача трубки (3-х температурах стінки) відповідно до пунктів 4, 5, 6. При цьому температури стінки вибирати такими, щоб їх значення відносно рівномірно розташовувалися на шкалі потенціометра, яка визначає температурну здатність установки. Результати показань занести в таблицю.

8.Обробка результатів досліду.

Відхилення дослідних точок від розрахункової залежності не повинно перевищувати максимально можливої похяибки вимірювання.

Максимальну відносну похибку непрямого визначення можна знайти за формулою:

 

cp

100%

 

Q

 

d

зн

 

lр

 

t

ст

t

пов

 

100% , (1.12)

 

 

 

Q

d

 

l

 

t

t

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cp

 

 

 

k

 

 

зн

 

 

р

 

 

ст

 

пов

 

 

де: Qk, dзн, lр, tст, tпов – відповідно, абсолютні похибки вимірюванн конвективного теплового потоку, діаметра, довжини робочої ділянки труби, температури стінки труби і температури навколишнього середовища.

Абсолютні похибки визначаються по класу точності використовуваних у вимірах приладів. Зокрема: dзн= 0,01 мм, тому що діаметр вимірюється мікрометром, абсолютна похибка якого 0,01 мм, довжина вимірюється лінійкою з ціною поділки 1 мм, тому lр = 1мм. Величини tст та tпов визначити по класу точності приборів, які використовуються для вимірювання цих величин.

Величина максимальної відносної похибки конвективного теплового потоку, переданого повітрю з робочої ділянки труби Qk/Qk, визначається з виразу:

Q

Q

 

Qпр

 

 

k

 

 

 

,

(1.12)

Q

Qпр

Qk

 

 

 

9

 

Q

 

W

 

lp

 

l

 

Qпр

 

d

 

lp

 

T

T

де

Q

 

W

 

 

 

 

l

,

 

 

d

 

зн

 

 

4

T ст 4

T пов

l

p

Q

 

l

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пр

 

 

зн

 

 

ст

пов

Tст, Tпов – термодинамічні температури поверхні труби та оточуючого середовища.

9. За результатами проведеного експерименту виконати звіт, який має налічувати:

мета роботи; принципова схема установки; основні розрахункові співвідношення;

протокол запису показань вимірювальних приладів;

обробка результатів досвіду і графік залежності = f( t);

графік зіставлення дослідних результатів у критеріальному вигляді з розрахунковою рекомендацією; визначення максимально можливої похибки вимірювання коефіцієнта тепловіддачі.

висновки.

Контрольні питання

1.Фізична природа процесу конвективного теплообміну.

2.Описати механізм виникнення вільного потоку рідини.

3.Режими течії рідини.

4.Рівняння Ньютона-Ріхмана.

5.Фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі.

6.Критерії подібності та їх зміст.

7.Критеріальні рівняння при вільному русі рідини.

8.Критеріальні рівняння при вимушеній конвенції

9.Основні джерела похибки при експериментальному визначенні коефіцієнта тепловіддачі.

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]