Міністерство освіти та науки України

Первомайський політехнічний інститут

Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова

Литвин С.М., Урсуленко І.О., Манзюк В.М.

Збірник лабораторних робіт

з дисципліни

«Теоретичні основи теплотехніки»

для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форми навчання

Рекомендовано Методичною радою ППІ НУК

м. Первомайськ

2 013

УДК 621.0367

Л 64

Розглянуто на засіданні кафедри ДВЗ (протокол № 9 від 18.10.13) та рекомендовано Методичною радою ППІ НУК (протокол № 4 від 13.11.13)

Методичні вказівки для виконання лабораторних робіт з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки» для студентів напрямків 6.050503 – Машинобудування (спеціальність «Двигуни внутрішнього згоряння»), 6.050501 (спеціальність «Теплоенергетика») та 6.050502 (спеціальність «Інженерна механіка») денної та заочної форми навчання / С.М. Литвин., І.О. Урсуленко.,

В.М. Манзюк,./ ППІ НУК 2013 - 52 стор.

Методичні вказівки розроблені на основі навчального плану з напрямку «Машинобудування» (6.050503) з ОКР «бакалавр» та враховують вимоги навчальних планів 6.050501 (спеціальність «Теплоенергетика») та 6.050502 (спеціальність «Інженерна механіка») і призначені для ознайомлення студентів з порядком підготовки, проведення та захисту лабораторних робіт з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки».

Приведені рекомендації дозволять студентам на основі знань та умінь отриманих під час лекцій та практичних робіт виконати лабораторні роботи з дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки» та отримати практичні навички по даній дисципліні.

Дані методичні вказівки можуть бути корисними і для студентів при подальшому навчанні під час виконання науково-дослідних робіт та при вивченні дисципліни «Випробування ДВЗ»

Підготували викладачі: С.М. Литвин

І.О. Урсуленко

В.М. Манзюк

Рецензенти: к.т.н., доцент Кінжалов О.С.

к.т.н. Анастасенко С.М.

© С.М. Литвин

І.О. Урсуленко

В.М.Манзюк

© Первомайський політехнічний

інститут

Національного університету кораблебудування, 2013

© Видавництво НУК, 2013

Зміст

Вступ
1.Лабораторна робота виготовлення та тарування термопари	5
2.Лабораторна робота тарування термометра опору	10
3.Лабораторна робота дослідження ізохорного процесу	15
4.Лабораторна робота дослідження політропного процесу	18
5.Лабораторна робота дослідження роботи компресора	22
6.Лабораторна робота теплопередача через одно- і багатошарові плоскі стінки при стаціонарному режимі та граничних умовах третього роду.	27
7.Лабораторна робота визначення термічного коефіцієнту корисної дії електричної печі опору.	34
Список літератури	41
Додатки:
Додаток А Співвідношення між основними одиницями тиску.	42
Додаток Б Номінальні статичні характеристики термоелектричних перетворювачів	42
Додаток В Градуювальна таблиця хромель-копелевої термопари	43
Додаток Г Градуювальна таблиця платинородій - платинової термопари	45
Додаток Д Градуювальна таблиця хромель-алюмелевої термопари	48
Додаток Е Теплопровідність деяких матеріалів	50

ВСТУП

Дані методичні вказівки призначені допомогти студентам технічних спеціальностей при виконанні лабораторних робіт з теплотехніки. Так як підготовка фахівців як за напрямком 6.050503 – Машинобудування (спеціальність «Двигуни внутрішнього згоряння») так і 6.050501 (спеціальність «Теплоенергетика») та 6.050502 (спеціальність «Інженерна механіка») у вищих навчальних закладах передбачає оволодіння методологічними основами експерименту в області технічної термодинаміки та тепломасообміну, які є складовими частинами курсу дисципліни «Теоретичні основи теплотехніки».

Метою лабораторних занять є закріплення теоретичних знань, отриманих студентами на лекціях, ознайомлення з конструкцією та принципом дії теплотехнічних пристроїв, набуття навиків експлуатації обладнання та визначення основних характеристик пристроїв.

До початку проведення лабораторних робіт зі студентами проводиться первинний інструктаж з техніки безпеки, перед кожним заняттям проводиться щоденний або цільовий інструктаж.

При підготовці до кожної лабораторної роботи студенту необхідно:

1. Вивчити теоретичний матеріал по відповідній темі за допомогою методичних вказівок та спеціальної літератури, вказаної в списку літератури.

2. Вивчити порядок проведення експерименту

3. Бути готовим дати відповіді на контрольні питання по темі роботи, що буде виконуватися.

4. Оформити заготовку звіту (при її відсутності студент не допускається до виконання лабораторної роботи).

Заготовка звіту оформлюється на окремих листах формату А4 та повинна обов’язково включати в себе назву роботи, мету, схему лабораторної установки та таблицю експериментальних даних.

На лабораторному занятті студенти здають теоретичну підготовку по даній темі, виконують лабораторну роботу та всі необхідні розрахунки, за необхідності будують графіки та роблять висновки.

Лабораторна робота

Виготовлення та тарування термопари

Мета роботи: вивчення установок і приладів для виготовлення і тарування термопар, набуття навичок виготовлення і тарування термопар, вибір матеріалу термопари в залежності від діапазону вимірювання температур.

Короткі відомості з теорії

Для вимірювання температури в машинобудуванні широке розповсюдження отримали термоелектричні термометри, що працюють в широкому інтервалі температур, характеризуються високою точністю і надійністю та надають можливість використання в системах автоматичного управління і регулювання.

Явище термоелектрики було відкрито у 1823 р. і полягає в наступному. Якщо скласти ланцюг з двох різних провідників (або напівпровідників) А і В, з'єднавши їх між собою кінцями, причому температуру t₁ одного місця з'єднання зробити відмінною від температури t₀ іншого, то в ланцюзі з'явиться ЕРС, яка називається термоелектрорушійною силою (ТЕРС), що являє собою різницю функцій температур у місцях з'єднання провідників:

Е_AB (t₁, t₀) = f (t₁) - f (t₀). (1.1)

Подібне з’єднання називається термоелектричним перетворювачем або термопарою; провідники називаються термоелектродами, а місця їх з'єднання - спаями. При невеликому перепаді температур між спаями ТЕРС можна вважати пропорційною різниці температур.

Досвід показує, що у будь-якої пари однорідних провідників, які підпорядковуються закону Ома, величина ТЕРС залежить тільки від природи провідників і від температури спаїв і не залежить від розподілу температур між спаями.

Явище термоелектрики належить до числа явищ, які мають зворотний характер. Зворотній ефект був відкритий в 1834 р. Якщо через ланцюг, що складається з двох різнойменних провідників або напівпровідників, пропустити електричний струм, то тепло виділяється в одному спаї і поглинається в іншому.

Таким чином, визначення температури термопарою базується на використанні термоелектричного ефекту, що виникає при нагріванні місця спаю двох провідників з неоднорідних металів або сплавів. Спай термопари, що знаходиться при температурі t₁ вимірюваного середовища, називають гарячим або робочим; другий, що має температуру t₀ навколишнього середовища, називають холодним або вільним. Результуюча ТЕРС термопари дорівнює різниці ТЕРС її обох спаїв:

Е = f (t₁) - f(t₀). (1.2)

Ця залежність покладена в основу вимірювання температур за допомогою термопар.

Основним питанням при конструюванні термопар є вибір матеріалу провідників термопари та матеріалу захисної оболонки та ізоляції. Зовнішня оболонка термопари повинна захищати її від впливу гарячих, хімічно агресивних газів, які швидко руйнують матеріал термопари. Тому захист повинен бути механічно стійким і жаротривким, газонепроникним та добре проводити тепло. Крім того, при нагріванні він не повинен виділяти газів або парів, шкідливих для термоелектродів. В якості термоелектродів використовується дріт діаметром до 0,5 мм (благородні метали) і до 3 мм (неблагородні метали). Спай на робочому кінці термопари утворюється зварюванням, паянням або скручуванням. Останній спосіб використовується для вольфрам-ренієвих і вольфрам-молібденових термопар.

Для вимірювань використовується термоелектричний прилад, що складається з термопари і мілівольтметра, з'єднаних електричним дротом (рис.1.1).

Р ис.1.1. Схема термоелектричного приладу для вимірювання температури.

1,2-різнорідні провідники(термоелектроди), 3-гарячий спай термопари,

4-холодний спай термопари, 5-мілівольтметр, 6-з’єднувальні провідники.

На рис.1.1 у термоелектродів 1 і 2 спай 3 є гарячим, а спай 4 - холодним. У цьому випадку мілівольтметр 5 покаже різницю ТЕРС гарячого і холодного спаїв. Зазвичай термопару збирають з подовжувальними провідниками 6, виготовленими з міді. Приєднані до термоелектродів подовжувальні дроти не впливають на показання мілівольтметра, якщо їх кінці знаходяться при однаковій температурі. Величина і напрямок ТЕРС залежить від матеріалів термоелектродів.

Позитивним називається той термоелектрод, у напрямку до якого йде струм через гарячий спай термопари.

Термопара і мілівольтметр перед проведенням вимірювань повинні таруватися. Тарування термопари полягає у встановленні залежності ТЕРС від температури гарячого спаю при постійній температурі холодного спаю. Відхилення від заданої залежності для термопари даного типу може бути обумовлено хімічним складом матеріалу термопари в місці спаю, зміною в складі спаяних металів при нагріванні в процесі експлуатації термопари. Мілівольтметр також може давати відхилення, обумовлене станом електричної системи приладу, передавального механізму до стрілки приладу, помилками в самій шкалі та ін. Термопара і мілівольтметр можуть таруватися двома способами - окремо та спільно. Більш точні результати дає їх спільне тарування.

Вибір матеріалу дроту для виготовлення термопари проводиться виходячи з найбільшого значення вимірюваної температури та створеної при цьому величини ТЕРС (табл.1.1, 1.2).

Розміри спаю і діаметр термоелектродних дротів впливають на точність вимірювань. Термопари для теплотехнічних вимірювань зазвичай виготовляють з термоелектродного дроту діаметром 0,1 .. 0,5 мм.

Після зварювання термопари проводиться їх тарування, що встановлює залежність між величиною ТЕРС і перепадом температур між гарячим і холодним спаями. Отримані при таруванні дані і побудований за ним графік використовується для переведення показань термопари в мілівольтах у відповідне їм значення температури в градусах.

Таблиця 1.1 Величина ТЕРС для різних металів і сплавів в парі з платиною

Метал або сплав	Хімічний склад, %	ТЕРС в парі з платиною, мВ	Магнітні властивості	Колір
Хромель	89 Ni; 9,8 Сr; 1 Fе; 0,2Mn	+2,9	не магнітний	темний
Залізо	100 Fе	+1,8	магнітний	світлий
Мідь	100 Сu	+0,75	не магнітний	червоний
Алюмель	94 Ni; 2 Al, 2,5 Мn; 1 Si, 0,5 Fе	- 1,2	магнітний	темний
Константан	60 Сu; 40 Ni	-3,4	не магнітний	світлий
Копель	56Сu; 44Ni	-4,0	не магнітний	світлий

Щоб отримати величину ТЕРС для будь-якої пари металів або сплавів, необхідно обчислити різницю ТЕРС даних металів або сплавів з платиною.

Таблиця 1.2 Температурні межі та значення величини ТЕРС для деяких термопар

Найменування термопари	ТЕРС, мВ/100 K	Верхня температурна межа, К
		при тривалому нагріві	при короткочасному нагріві
Мідь - копель	4,75	650	800
Мідь - константан	4,15	750	900
Залізо - копель	5,8	900	1100
Хромель - копель	6,9	900	1100
Хромель - алюмель	4,1	1200	1400

Після зварювання термопари проводиться її тарування, що встановлює залежність між величиною ТЕРС і перепадом температур між гарячим і холодним спаями. Отримані при таруванні дані і побудований за ним графік використовується для переведення показань термопари в мілівольтах у відповідне їм значення температури в градусах.

В даний час для ряду термопар промисловістю випускаються спеціальні мілівольтметри з градуюванням шкали у градусах Цельсія або Кельвіна.

Термопари зазвичай тарують при температурі холодних кінців t₀ = 0 ⁰С (в посудині з льодом). Точка танення льоду (273,15 K) зручна тому, що вплив різних факторів на її температуру незначний. У тому випадку, якщо холодні кінці термопари мають більш високу температуру, необхідно внести відповідну поправку.

Поправка може бути внесена наступним чином. Температура гарячого спаю t₁, температура холодного спаю t₀. Тоді поправка, яку необхідно додати до температури t₁, щоб отримати дійсну температуру гарячого спаю, може бути написана у вигляді:

; (1.3)

де С - коефіцієнт, що представляє собою відношення середнього температурного градієнта ТЕРС між 0 ⁰С і t₁ до градієнту ТЕРС при даній температурі холодного спаю t₀. Таким чином, виправлене значення виміряної температури t визначається так:

t = t₁ + С·t₀ ; (1.4)

Величина коефіцієнта С залежить від матеріалу термопари і діапазону значень вимірюваної температури (табл. 1.3). Крім того, можливе механічне введення поправки на температуру t₀ холодних кінців термопари, що спрощує процес вимірювання температури. Для цього стрілку мілівольтметра, проградуйованого в градусах Цельсія, необхідно встановити в нульовому положенні на температуру точки, де мідні з'єднувальні дроти від мілівольтметра приєднані до холодних кінців термопари. Поправку на температуру холодного спаю можна вносити при побудові тарувального графіка. У цьому випадку тарувальний графік будується як Е = f(Δt), де Δt = t₁ - t₀.

Таблиця 1.3 Діапазони вимірюваної температури і значення коефіцієнта С

Хромель - алюмель		Залізо - константан			Мідь - константан			Платина -платинородій
t1, 0С	С		t1, 0С	С		t1, 0С	С		t1, 0С	С
0 .. 800 800 .. 1000	1,00 1,05		0 .. 100 100 .. 600 600 .. 1000	1,00 0,95 0,85		0 .. 50 50 .. 80 80 .. 110 110 .. 150 150 .. 200 200 .. 270 270 .. 350	1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70		265 .. 450 450 .. 650 650 .. 1000 1000 .. 1450	0,65 0,60 0,55 0,50