МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»
Теплоенергетичний факультет
Кафедра атомних електричних станцій і інженерної теплофізики
„ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ ТЕПЛОФІЗИЧНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ”
Методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
для студентів напряму підготовки 6.050601 «Теплоенергетика»
програми професійного спрямування «Теплофізика»
Рекомендовано вченою радою теплоенергетичного факультету
Київ
НТУУ «КПІ»
2013
Технічні засоби теплофізичного експерименту: Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів напряму підготовки 6.050601 «Теплоенергетика», програми професійного спрямування «Теплофізика» денної форми навчання/ Уклад.: О.С.Алексеїк – К.: НТУУ «КПІ», 2013. – 25 с.
Гриф надано вченою радою ТЕФ
(проток ол № від травня 2013 р.)
Електронне навчальне видання
«Технічні засоби теплофізичного експерименту»
Методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
для студентів напряму підготовки 6.050601 «Теплоенергетика»,
програми професійного спрямування «Теплофізика»
Укладачі: Чорнобай Вадим Олексійович, к.т.н.
Алексеїк Ольга Сергіївна, асистент
Відповідальний редактор: Кравець Володимир Юрійович, к.т.н., доц.
Рецензент: Фуртат Ірина Едуардівна, к.т.н., доц.
За редакцією укладачів
ЗМІСТ
Лабораторна робота №1 4
ВИЗНАЧЕННЯ ГРАНИЧНОГО ЗНАЧЕННЯ ВАКУУМА ДЛЯ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ 4
Лабораторна робота №2 8
ВИЗНАЧЕННЯ ШВИДКОСТ ВІДКАЧКИ ВАКУУМНИХ НАСОСІВ 8
Лабораторна робота №3 11
ТАРУВАННЯ ПРИЛАДУ ДЛЯ БЕЗКОНТАКТНОГО ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ /БВТ-2/ 11
Лабораторна робота №4 14
ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ПОСТІЙНОЇ ЧАСУ ТРЬОХЕЛЕКТРОДНОЇ ТЕРМОПАРИ 14
Лабораторна робота №5 17
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ТЕПЛОВІДДАЧІ У ТЕРМОСИФОНІ 17
Лабораторна робота №6 22
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІЧНОГО ОПОРУ ТЕРМОСИФОНУ 22
Мета лабораторних робіт: дати можливість докладно ознайомитися з роботою та характеристиками приладів і обладнання, які є об’єктом лабораторної практики: навчити техніці проведення експериментального дослідження фізичних моделей та промислових зразків теплофізичного устаткування; виробити вміння оцінити робочі характеристики та ступінь придатності досліджуваного обладнання для вирішення завдань.
До виконання лабораторних робіт студенти допускаються після засвоєння відповідного матеріалу та складання конспектів-звітів, які повинні мати опис схеми дослідної установки; короткі теоретичні відомості та таблиці для запису результатів досліду. Перед виконанням наступної роботи студенти повинні завершити оформлення попередньої роботи та здати ї на перевірку викладачеві. Студенти, які не здали звіт, до чергової роботи не допускаються. Захист звітів проводиться після завершення циклу робіт в строки, вказані викладачем.
Лабораторна робота №1
ВИЗНАЧЕННЯ ГРАНИЧНОГО ЗНАЧЕННЯ ВАКУУМА ДЛЯ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ
Мета роботи: ознайомитися із лабораторною вакуумною установкою; ознайомитися із правилами та порядком її включення, роботи і зупинки, а також із технікою вимірювання вакууму за допомогою вакуумметра ВІТ-2; визначити граничне значення вакууму, що створюється механічним форвакуумним насосом ВН-416М та пароструменевим дифузійним насосом ЦВЛ-100С.
1.1 Теоретична підготовка
Вивчити по конспекту та технічній літературі розділи, в якій описані методи створення та вимірювання вакууму. Потрібно знати схеми, конструкції, принципи роботи механічних та пароструменевих дифузійних вакуумних насосів, а також термопарних іонізаційних вакуумметрів.
1.2 Основні поняття
В фізиці та техніці прийнято називати вакуумом стан газу, коли його тиск менший атмосферного. Для вимірювання тиску використовують різноманітні одиниці виміру:
1 Н/м2 = 1Па = 1·10-5 бар =1,01972·10-5 кгс/см2 = 0,98692·10-5 мм.рт.ст. = 750,06·10-5 торр
Весь діапазон тиску від атмосферного до найменшого, який можна досягти, розподіляється на чотири області: низький (105…102 Па), середній (102…10-1 Па); високий(10-1…10-5 Па) та надвисокий (нижче 10-5 Па) вакуум.
Для успішного проведення експерименту в умовах вакууму інженер-теплофізик повинен вміти створити, тривалий час підтримувати та контролювати вакуум в експериментальному устаткуванні. Це складне технічне завдання, яке потребує уміння працювати із вакуумною установкою. Створення високого вакууму полягає в швидкому видаленні газу з об’єму за допомогою вакуумних насосів. Створений вакуум необхідно підтримувати тривалий час, що є достатньо складною задачею, оскільки відбувається натікання газу у систему крізь нещільні з’єднання, а також через газовиділення із конструкційних матеріалів.
Під час роботи вакуумної установки потрібно зменшувати тиск від 105 до 10-3…10-4 Па, тобто змінити тиск на 8-9 порядків. Таку значну зміну тиску виконують, як правило, в два кроки. Спочатку зменшують тиск від атмосферного до 1…10-1 Па за допомогою механічного насосу попереднього вакууму. Далі зниження тиску здійснюється пароструменевим дифузійним насосом. Для одержання більш низького тиску потрібно застосовувати спеціальні вакуумні насоси та пастки.
При проектуванні вакуумних систем потрібно вірно обирати насоси. Для цього треба знати параметри цих насосів. Одним із основних параметрів вакуумних насосів є граничний тиск. Граничним тиском насоса називають такий найменший тиск, який можна досягти в насоів при його роботі без навантаження, тобто коли на вхід насосу не поступає ззовні газ або пара. Неможливість необмеженого зниження тиску обумовлена тим, що кожний реальний насос має невелике натікання (зворотній потік) газів до власного входи. Зворотній потік може складатися з пари робочої рідини, газів, які виділяються з конструкційних матеріалів або натікають з навколишнього середовища через нещільності. З пониженням тиску потік газу, що відкачується насосом зменшується, в той же час зворотній потік залишається майже незмінним. Тому настає час, коли ці потоки стають однаковими і тиск на вході залишається незмінним. Це і є граничне значення вакууму, якого може досягти вакуумний насос.
Кожна вакуумна система повинна відповідати основній вимозі – забезпечувати можливість одержання потрібного тиску в об’ємі, що відкачується. Для вимірювання низького тиску застосовують спеціальні манометри, які використовують різноманітні фізичні закономірностиі, пов’язані із тиском або густиною газу. наприклад, ВІТ-2 має два манометри: термопарний, принцип дії якого заснований на пропорційності теплопровідності і тиску газу при низькому тиску, і іонізаційний, в основі дії якого лежить пропорційність при низькому тиску (нижче 10-1 Па) між тиском і іонним струмом (при незмінному електронному струмі).
1.3 Опис лабораторної вакуумної установки
Вакуумна одно постова установка ВОУ-1А призначена для вакуумування різноманітних приладів, розпилення у високому вакуумі, відтінення електронно-мікроскопічних об’єктів.
Установка дозволяє отримувати вакуум під ковпаком не вище 6·10-3 Па без пастки та не вище 6·10-5 Па при використанні азотної пастки.
Лабораторна вакуумна установка (див. рис.1.1) складається із вакуумного ковпака 1, іонізаційного 2 та теплоелектричного 3 манометрів (вони складають іонізаційно-термопарний вакуумметр ВІТ-2), азотного уловлювача 4, дифузійного насосу ЦВЛ-100С 5, форвакуумного бачка 6, форвакуумного насоса ВН-461М та п’яти кранів А, Б, В, Г, Д.
1 – вакуумний ковпак; 2 – іонізаційний манометр; 3 – термоелектричний манометр; 4 – азотна пастка; 5 – дифузійний насос; 6 – форвакуумний бачок; А, Б, В, Г, Д - крани
Рисунок 1.1 – Вакуумна установка
Установка зроблена в каркасній конструкцій. На столі змонтовані вакуумметр ВІТ-2, електровимірювальні прилади, сигнальні лампи та тумблери управління установкою. В правій тумбі змонтована вакуумна частина установки, управління кранами виведено на лицьову панель. В лівій тумбі змонтовані трьохфазний вимикач, регулятор напруги печі дифузійного насосу та трансформатор.
1.4 Включення вакуумної установки
Перед початком роботи на вакуумній установці студент повинен отримати дозвіл викладача на роботу з неї.
КАТЕГОРИЧНО ЗАБОРОНЕНО включати вакуумну установку без викладача або лаборанта, включати іонізаційний манометр, якщо тиск вище 10-1 Па, а також запускати дифузійний насос без попередньої подачі води. Перед включенням установки потрібно повернути рукою колесо приводу механічного вакуумного насосу на 2-3 обороти, а також перевірити відповідність положення кранів. Після цього:
включити трьохфазний вимикач, загориться лампа;
включити ВІТ-2, виставити потрібний струм, потім ручку перевести в положення «Вимірювання».діапазон тиску приладу від 20 до 1·10-5 Па. Шкала термопарної частини вакуумметра визначена в мілівольтах і тиск знаходять по спеціальному графіку або таблиці. Шкала іонізаційного манометру визначена в одиницях струму. Тиск в вакуумній системі, що відповідає іонному струм іонізаційного перетворювача, знаходять за формулою:
де К=1,16·104 Па/А – чутливість перетворювача, І – іонний струм, А.
тумблер «Фор. насос» перевести в положення «Вкл» (починає працювати форвакуумний насос), загориться лампа «Фор. насос»;
відкрити крани Б та Г, відкачати повітря із системи та з-під ковпака;
при досягненні в системі тиску 5 Па пустити воду в дифузійний насос, тумблер «Диф.насос» поставити в положення «Вкл» (загориться лампа «Диф. насос». Регулятором напруги нагрівача дифузійного насосу встановити потрібну напругу. Через 35 хвилин після розігрівання дифузійного насосу, установка готова до роботи;
якщо потрібно, залити азотом уловлювач через воронку у верхній частині установки;
кран Г закрити, кран А відкрити («високий вакуум»)
при досягненні вакуума 10-2 Па включити тумблер «Накал» іонізаційної частини вакуумметра ВІТ-2. Перемикач роду роботи поставити в положення «прогрівання». Прогрівати 10 хвилин;
після прогрівання перемикач встановити в положення «Обезгажування», витримати протягом 10 хвилин;
перемикач встановити в положення «Прогрівання» і ручкою «Установка 0» встановити стрілку приладу на нуль;
поставити перемикач роду роботи в положення «Установка емісії» та встановити струм емісії 50 мА;
перевести перемикач в положення «Вимірювання» та, добираючи відповідне положення перемикача, визначити іонізаційний струм.