лабы по теплотехнике

то среднелогарифмический температурный напор можно заменить среднеарифметическим (с ошибкой не более 3%)

При перекрестном токе и сложных схемах движения теплоносителей средний температурный напор вычисляется по формуле:

где t – средний температурный напор, подсчитанный для противотока;

– поправочный коэффициент, который зависит от схемы движения теплоносителей и определяется по номограммам, приведенным в литературе.

3 ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ На лабораторной установке (рисунок 2.2) исследуется теплообмен для двух

случаев движения теплоносителей (воды) – прямотока и противотока. Установка состоит из теплообменника 4, бака 14 с электронагревателями 15, насоса 12 с электромотором, трубопроводов и измерительных приборов.

Теплообменник состоит из внутренних труб 5 диаметром d2/d1=10/7,6 мм и длиной l=800 мм, помещенных в стальную наружную трубку.

Рисунок 2.2 Схема установки для исследования теплообменных аппаратов.

1, 2 – ротаметры; 3, 6, 8, 9, 10,

11 – вентили; 4 и 5 – корпус и внутренние трубки теплообменника; 7 – термометры; 12 – насос; 13 – терморегулятор; 14

– бак; 15 – нагреватель.

Горячая вода под действием насоса 12 протекает по внутренним трубам 5 теплообменника, охлаждается и поступает в бак 14, где вновь подогревается. Для подогрева воды в баке смонтированы электронагреватели 15. Мощность электронагревателя регулируется автоматически терморегулятором 13 с контактным термометром ТСП-100 так, чтобы во время опыта температура воды на входе в теплообменник поддерживалась постоянной.

Холодная вода поступает из водопровода в теплообменник через вентили 9 и 10 и может быть направлена в левую или правую часть теплообменника, а затем, через ротаметр 1 сливается в канализацию.

При открытии вентилей 10 и 3 получается прямоток, а вентилей 9 и 6 – противоток.

Расход холодной и горячей воды измеряется ротаметрами 1 и 2, установленными на вертикальных трубопроводах, и регулируется вентилями 11 и 8.

11

Температуры горячей и холодной воды при входе и выходе ее из теплообменника измеряются лабораторными термометрами 7, установленными в заполненных маслом гильзах.

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1Ознакомьтесь с установкой, проверьте наличие воды в баке.

4.2Открыв вентили 10 и 3, подготовьте установку к испытанию на прямотоке. Включить электродвигатель водяного насоса.

4.3По указанию преподавателя установить расход холодной и горячей воды

спомощью вентилей 11 и 8 и получить установившийся тепловой режим (постоянство температуры и расходов теплоносителей). Установившийся режим обычно достигается через 5…8 мин после пуска установки или через 3…5 мин после изменения расхода жидкости.

4.4Выполнить 3 измерения температур и расходов с интервалами 2…3 мин и занести в таблицу наблюдений.

4.5Изменив расход одного из теплоносителей, получите установившийся тепловой режим и повторите измерения п. 4.4 для 4-х различных расходов.

4.6Открыв вентили 6 и 9 и закрыв 3 и 10, подготовить установку к испытанию на противотоке. Расходы горячей и холодной воды должны быть такими же, как и на противотоке.

4.7При установившемся режиме выполните по 3 измерения для 4-х расходов при противотоке по п. 4.4 и 4.5.

4.8После окончания испытаний выключите электронагреватели и насос. Закройте кран холодной воды.

4.9Обработайте результаты испытаний и постройте графики изменений коэффициента теплопередачи в зависимости от расхода жидкости для прямотока и

противотока в одних и тех же осях координат.

4.10Сделайте выводы по результатам лабораторной работы о том - как и почему изменяется коэффициент теплопередачи К при увеличении

расходов жидкости;

-какую схему движения теплоносителя выгоднее принять в условиях опыта

ипочему;

-неточности измерений каких параметров сильно влияют на погрешности результатов опыта и как повысить точность опыта.

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА Для обработки можно использовать лишь данные, полученные при устано-

вившемся тепловом режиме теплообменника. Расчеты ведут по средним значениям измеряемых величин.

Тепловой поток Ф определяется по правой части уравнения теплового баланса 2.2 (по холодному теплоносителю).

Коэффициент теплопередачи К определяют из зависимости 2.3, где А – расчетная поверхность теплообмена, м2; А= dln;

d – расчетный деаметр внутренних труб, м; d=0,5(d1+d2);

l – длина, м; d1, d2 и l см. пункт 3; n – число внутренних труб; n=7.

12

Средний температурный напор вычисляется по формуле (2.4) или, если выполняется условие (2.5) по формуле (2.6).

Относительная погрешность в определении коэффициента теплопередачи находится по зависимости:

1Назначение теплообменных аппаратов.

2Отличие схем движения теплоносителей – прямотока от противотока.

3В каких случаях пользуются среднеарифметической и среднелогарифмической разностью температур?

4Преимущества схемы движения теплоносителей противотоком перед прямотоком.

5Как увеличить коэффициент теплопередачи теплообменника?

6Признаки установившегося теплового режима в теплообменнике.

7Сколько измерений необходимо сделать в каждом тепловом режиме и сколько режимов необходимо получить для каждой схемы движения теплоносителей в данной работе?

8Как уменьшить погрешность в определении коэффициента теплопередачи на данной установке?

14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТОДОМ

МОНОТОННОГО НАГРЕВА

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить физический смысл и метод определения теплопроводности. Изу-

чить зависимость теплопроводности от температуры. 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплопроводностью называется процесс теплообмена между микрочастицами тела при их непосредственном соприкосновении.

В чистом виде теплопроводность наблюдается в однородных твердых телах и неподвижных (в тонких слоях и порах) жидкостях и газах. Основной закон теплопроводности (закон Фурье) устанавливает: поверхностная плотность теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорциональна теплопроводности вещества и градиенту температуры.

где q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м²;- теплопроводность, Вт/(м К);

dndt - градиент температуры – отношение элементарного изменения темпера-

туры к изменению расстояния по нормам к изотермной поверхности, К/м. Изотермная поверхность – это поверхность, состоящая из точек с одинако-

вой температурой.

Из уравнения (3.1) следует, что теплопроводность численно равна плотности теплового потока при температурном градиенте, равной единице (1 градус на 1 метр пути теплового потока).

Теплопроводность является физическим параметром вещества и зависит от структуры, пористости, влажности, температуры материала. Газы имеют минимальную теплопроводность, равную 0,01…0,6 Вт/(м·К).

Теплообмен теплопроводностью объясняется передачей энергии между движущимися микрочастицами: в газах – столкновением при движении атомов и молекул; в жидкостях и неметаллических твердых телах – упругим колебанием молекул и кристаллов; в металлах– движением свободных электронов, упругие колебания кристаллической решётки в теплопроводности металлов имеют второстепенное значение.

Тепловой поток и количество теплоты, передаваемый теплопроводностью, определяются по зависимостям:

где Ф - тепловой поток, Вт;

Q - количество теплоты, Дж;

А - площадь сечения, перпендикулярная направлению распространения теплоты, м²;

- время, с.

15

Экспериментально теплопроводность материала можно определить методом монотонного (с постоянной скоростью) нагрева образца.

3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ Установка ИТ–λ–400 состоит из блока питания и регулирования (БПР),

блока измерительного (БИ) и микровольтметра.

БПР обеспечивает монотонный, со скоростью 0,1 градус в секунду, нагрев измерительной ячейки.

БИ имеет измерительную ячейку (рисунок 3.1), верхняя часть которой может подниматься по направляющей и отводится поворотом на 90º в сторону. Это позволяет заменить испытуемый образец. В конструкции предусмотрены каналы и отверстия для подачи жидкого азота при охлаждении ядра ячейки в область отрицательных температур.

На медном основании 1 установлены пластины термометра 2, пластина контактная 3 и образец 4. Образец сверху прижимают медным стержнем 5. Температуры измеряются хромель-алюмелевой термопарами 9, которые защищены стальными трубками.

Тепловой поток поступает от основания 1 через пластины 2, 3, образец 4 и поглощается стержнем 5.

Рисунок 3.1 Схема измерительной ячейки прибора 1 – основание тепломера; 2 – пластина тепломера; 3 – пластина контактная; 4 –

образец; 5 – стержень; 6 – колпак охранный; 7 – прижим; 8 – нагреватели; 9 – термопары; 10 – тепловая изоляция (фольга); Ф, Фп, Фо - тепловые потоки основания, пластины, образца.

Одновременно нагревателем разогревается охранный колпак 6 и поддерживаются адиабатические условия (нулевая разница температур и отсутствие теплопотери боковыми поверхностями) между деталями 2…5 и колпаком 6. размеры деталей подобраны так, чтобы тепловые потоки, аккумулируемые образцом, были в 10…30 раз меньше теплового потока, поглощаемого стержнем.

В этом случае, температурное поле образца 4 оказывается близким к линейному, стандартному и тепловой поток Ф0, проходящий через сечение образца, можно записать:

16

где 0 - перепад температур на образце, К; А - площадь поперечного сечения образца, м²;

R0 - тепловое сопротивление образца, (м²·К)/Вт;

Rк - тепловое сопротивление контактов между образцом и стержнем, образцом и пластиной, заделки термопар, (м²·К)/Вт;

mo и mc - массы образца и стержня, кг;

co и cc - удельные теплоемкости образца и стержня, Дж/(кг·К)

t - скорость разогрева измерительной ячейки, К/с.

Тепловой поток Фт, проходящий через среднее сечение пластины тепломера

2:

где т - перепад температуры на пластине тепломера, К; кТ - тепловая проводимость пластины тепломера, Вт/К;

mТ и mк - массы пластин тепломера и контактной пластины, кг;

сТ и сК - удельные теплоемкости пластин тепломера и контактной,

Дж/(кг·К).

Тепловой поток тепломера можно определить из Ф0, введя поправку на разогрев образца - :

Поправка обычно не превышает 5…10%, поэтому, ее можно определить по ориентировочным данным теплоемкости образца:

где n0 и nТ - перепады температур на образце и тепломере в делениях шкалы. Величины КТ и RК - являются постоянными установки (приведены в таблице

3.2) и определяются по градуировочным экспериментам с образцовыми эталонами теплопроводности из меди и кварцевого стекла.

Теплопроводность образца равна:

где - теплопроводность, Вт/(м·К); ho - высота образца, м.

Значения теплопроводности относится к средней температуре образца:

где tС - температура измерения теплопроводности, С;

At - чувствительность хромель-алюмелевой термопары, К/мВ; n0/ - перепад температуры на образце, переведенный в мВ.

Для экспериментального определения теплопроводности методом монотонного нагрева образца, на фиксированных уровнях температуры измеряются в делениях перепады температур на образце n0 и пластине тепломера nТ.

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1.Ознакомьтесь с конструкцией установки. Оттяните рукоятку движка автотрансформатора блока БПР на себя (для расцепления зубчатого привода) и поверните ее против часовой стрелки в исходное положение. Установите переклю-

чатель "ИЗМЕРЕНИЕ" в положение «tc» и переключатель "ТЕМПЕРАТУРА" в положение 50ºС.

4.2.Поднимите верхнюю половину корпуса измерительной линейки и отведите ее поворотом в сторону. Плоскости образца смажьте тонким слоем масла, установите образец на контактную пластину тепломера и стержень (цифровой меткой к себе) на иглы термопары. Отпустите верхнюю половину корпуса измерительной ячейки так, чтобы вилка вошла в гнезда.

4.3. Включите блок питания включателем "СЕТЬ". Оттяните рукоятку автотрансформатора на себя и установите по вольтметру начальное напряжение 40 В. Включите кнопкой "НАГРЕВ" основной нагреватель. При достижении заданной температуры (при прохождении стрелки прибора через нулевую отметку), пере-

ключая рукоятку "ИЗМЕРЕНИЯ" в положение nТ и nО снимите значения перепадов температур в делениях шкалы и вновь поставьте рукоятку переключателя в

положение «tc» установите переключатель "ТЕМПЕРАТУРА" в следующее (согласно таблице 3.3) положение.

4.4.При достижении верхнего уровня температуры испытания, выключите "НАГРЕВ", установите "ИЗМЕРЕНИЕ" в положение "УСТ.0", выключите блок питания и регулирования. Откройте измерительную ячейку и проведите охлаждение ее до комнатной температуры.

4.5.Рассчитайте теплопроводность образца (см. пункт 5), постройте зависи-

мость теплопроводности от средней температуры =f(t). Сделайте выводы о характере и причинах изменения теплопроводности от температуры и о путях повышения точности эксперимента.

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА Рассчитайте поправку на теплоемкость, тепловое сопротивление, теплопро-

водность и среднюю температуру образца по формулам (3.7), (3.9), (3.10), (3.11). Удельная теплоемкость медного стержня cС, постоянные лабораторной ус-

тановки КТ и RК, чувствительность термопары Аt принимаются из таблицы (3.2) по текущей температуре. Масса стержня равна 42,40 грамм. Характеристики образца определяются измерениями диаметра, высоты и массы.

Относительная погрешность определения теплопроводности:

где h, n, d, m - абсолютные погрешности высоты, перепада температур, диаметра, массы принимаются равными половине цены деления соответствующих измерительных приборов.

Погрешности определения постоянных установки принимаются:

Определите приборы, дающие существенную часть общей ошибки измерения. Для повышения точности опыта необходимо эти приборы заменить на другие приборы более высокого класса точности.

Таблица 3.1 Технические параметры установки

Измеритель Микроамперметр теплопроводности

Тип (марка) Пределы измерения Единицы измерения Цена одного деления

Таблица 3.2 Данные для расчета теплопроводности

Таблица 3.3 Результаты наблюдения и обработки данных

1.Понятие теплопроводности.

2.Понятие температурного градиента.

3.Объясните механизм теплопроводности в газах, жидкостях и твердых те-

лах.

4.Понятие монотонного нагрева.

5.Объясните, как установить образец в измерительную ячейку.

6.Объясните, устройство измерительной ячейки лабораторной установки.

19

7. Объясните, последовательность измерения температуры стержня и перепадов температур на тепломере и образце.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить понятие и сущность коэффициента теплопередачи, структуру

полного термического сопротивления и влияние различных факторов на интенсивность теплопередачи.

Получить экспериментальную зависимость коэффициента теплопередачи от скорости движения воздуха.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Передача теплоты от одной подвижной среды к другой через разделяю-

щую их твердую стенку называется теплопередачей.

Теплопередача - сложный процесс, включающий в себя теплоотдачу от горячей среды к стенке и от стенки к холодной среде. Здесь и далее под жидкостью понимается любая подвижная среда (газ, пар, жидкость, движущийся сыпучий материал). Рассмотрим процесс теплопередачи через плоскую однослойную стенку толщиной δ с теплопроводностью λ, в установившемся тепловом режиме (рисунок 4.1). Через эту стенку передаётся тепловой поток Ф от горячей жидкости с температурой Т1 - холодной – с температурой Т2:

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К); А - поверхность стенки, м2;

∆T - температурный напор, К (0С); ∆T=Т1-Т2=t1-t2.

Рисунок 4.1 Изменение температуры в процессе теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи равен количеству теплоты, передаваемой через единицу площади перегородки от одной подвижной среды к другой за единицу времени, при разнице температур в один градус.

Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением или термическим сопротивление теплопередачи

R.

Для однослойной плоской стенки:

20