Звіт по роботі

1. Короткі відомості з теорії.

2. Принципова схема установки із зазначенням її елементів.

3. Протокол досліджуваних даних.

4. Розрахунки з обробки результатів досліду.

5. Висновки.

Контрольні питання

1. Що являє собою процес теплопередачі?

2. З яких етапів складається процес теплопередачі?

3. Що характеризує коефіцієнт тепловіддачі? Вкажіть найбільш простий спосіб його збільшення.

4. Що таке конвективний теплообмін?

5. Фактори, що впливають на конвективний теплообмін.

6. Що таке граничні умови?

7. Як задаються граничні умови третього роду?

8. Як записується рівняння теплопередачі?

9. Фізичний зміст коефіцієнта теплопередачі.

10. Що таке загальний термічний опір плоскої стінки, і від яких параметрів він залежить?

11. Як досягається стаціонарний тепловий режим на лабораторній установці?

Література [1],[3],[5],[7]

Лабораторна робота

Визначення термічного коефіцієнту корисної дії електричної печі опору.

Мета роботи: експериментальне визначення тепломісткості металу після його нагрівання, зміни температури і густини теплового потоку та розрахунок ККД печі, ознайомлення з методами і технікою виконання експерименту та обробки експериментальних даних.

Короткі відомості з теорії

Електронагрів досить широко використовується в промисловості, сільському господарстві та побуті, що обумовлено енергетичними, технологічними, соціальними та екологічними перевагами, притаманними цьому виду теплогенерації. Електричні печі, установки та агрегати різноманітні за призначенням, конструктивним виконанням, розмірами і характерними ознаками. Електричні печі класифікуються за способом перетворення електричної енергії в теплову, за схемою підведення тепла і режиму теплової обробки, наступним чином:

- печі опору;

- індукційні печі;

- установки діелектричного нагрівання;

- дугові печі;

- електронно-променеві установки;

- лазерні установки.

Нормальна робота електричної печі можлива тільки в комплексі з силовим і допоміжним електроустаткуванням і відповідною апаратурою. Все це входить в поняття "електропічна установка" як комплекс теплотехнічного обладнання, що складається з трьох частин:

1. власне печі, в якій відбувається перетворення електричної енергії в теплову і нагрівання металу;

2.пічної електричної підстанції, де розміщується необхідне електрообладнання та апаратура;

3.пульта управління, на який виводять кнопки та ручки управління електропічною установкою і допоміжними механізмами печі, а також прилади контрольно-вимірювальної апаратури.

Основними параметрами електропічної установки є:

1. потужність перетворювача електричної енергії або пропорційна їй теплова потужність, що вводиться в піч,

2. розміри печі (наприклад, об’єм чи визначальний лінійний розмір);

3. місткість печі, тобто кількість металу, що видається піччю періодичної дії за один цикл або за одну плавку. Для печей безперервної дії в якості параметра приймають годинну продуктивність, що характеризує масову швидкість нагріву.

На машинобудівних заводах електричні печі використовують для плавлення, витримки і дозованого розливання чавуну, сталі, кольорових металів і сплавів при одержанні з них фасонного лиття (у ливарних цехах), для нагріву заготовок перед пластичною деформацією (в ковальських цехах), для термохімічної обробки деталей та виробів (в термічних цехах). Найбільш широке застосування знайшли печі опору, наприклад для сушіння стрижнів і форм у ливарних цехах.

Печі опору діляться на кілька груп:

- печі прямої дії (підведення енергії здійснюється прямо в зону технологічного процесу);

- печі непрямої дії (теплогенерація відбувається в нагрівальних елементах, що володіють необхідними електрофізичними властивостями);

- вакуумні печі опору (нагрівання у вакуумі або у атмосфері інертних газів);

- плавильні печі опору (печі для плавки - тигельні, камерні, барабанні).

При роботі електропічної установки мають місце два види втрат енергії - теплові втрати (у робочому просторі печі) і електричні втрати (в складових частинах електропічної установки). Це призводить до необхідності складати додатково до теплового балансу ще й енергетичні баланси. Таким чином, енергія витрачається на: проведення технологічного процесу; нагрівання футеровки і конструкції в робочому просторі печі; компенсацію теплових втрат з робочого простору печі; компенсацію електричних втрат в складових частинах електропічної установки.

Важливим критерієм оцінки ефективності роботи печі є коефіцієнт корисної дії печі (ККД). Розрізняють електричний, термічний і загальний ККД.

Термічний ККД представляє собою відношення теплоти, витраченої на корисну роботу, до всієї теплоти, отриманої піччю:

, (7.1)

де – корисне тепло, Дж. Це тепло, яке витрачалося на нагрів зразка:

(7.2)

де m - маса металевого дослідного зразка, кг;

- відповідно, кінцева і початкова температура металу, °С;

- масова теплоємність металу, відповідно, при кінцевій і початковій температурах, Дж/(кг∙°С);

- відповідно, кінцева та початкова тепломісткість (ентальпія) металу, Дж/кг;

- теплота, отримана піччю за час її роботи, Дж.

Для електричних печей, в яких електрична енергія перетворюється в теплову, підведене тепло визначається за формулою:

(7.3)

де I - сила струму, А;

U - напруга, В;

τ - час проходження струму, с.

Для паливних печей, в яких спалюється газове паливо, визначають за формулою:

(7.4)

де В - витрата палива, м³/с;

- нижча робоча теплота згоряння палива, Дж/м³;

- час роботи пристрою для спалювання палива, с.

Тепло, витрачене на нагрівання металу, можна не тільки розрахувати за формулами, але і визначити дослідним шляхом. Для цього використовують спеціальні пристрої - калориметри. Вони являють собою посудини з водою, мають добру теплоізоляцію, пристрій для перемішування води і термометр для вимірювання температури води.

Тепло, отримане металом в печі, передається ним у калориметрі воді, внаслідок чого її температура підвищується. Цю кількість теплоти можна визначити за формулою з урахуванням теплоти, витраченої на нагрів калориметра:

(7.5)

де - маса води в калориметрі, кг;

С_в - теплоємність води, Дж/(кг∙° С);

t_k t_П - відповідно, кінцева і початкова температура води і посудини калориметра, °С;

m_c - маса посудини калориметра, кг;

С_с - теплоємність матеріалу посудини, Дж/(кг∙°С).

Відповідно до закону збереження енергії повинно бути рівним Q_K. Однак на практиці через похибки при вимірюваннях і використання середніх величин може бути відмінним від Q_K.

При нагріванні металу відзначається нерівномірність нагрівання його як по перерізу, так і з плином часу. Це пояснюється зміною теплофізичних властивостей металу зі зростанням температури. Тому практичний інтерес представляє визначення залежності швидкості підвищення температури металу і густини теплового потоку від часу. Важливо також визначити, як змінюється ККД печі в процесі нагріву.

Як вже зазначалося вище, більшу частину втрат тепла в електричних печах опору становлять втрати тепла теплопровідністю через кладку печі, втрати тепла на нагрівання кладки печі, втрати тепла випромінюванням через відкриті вікна і щілини в кладці печі, втрати з гарячим повітрям або захисним газом, які виходять через нещільності в печі. У зв'язку з цим термічний ККД електричних печей опору в залежності від виду печі коливається в широких межах:

- печі прямої дії - η_Т ≈ 0,85 .. .0,95;

- печі непрямої дії - η_Т ≈ 0,15 ... 0,7;

- вакуумні печі - η_Т ≈ 0,25 .. .0,4;

- плавильні печі - η_Т ≈ 0,15 ... 0,4