(Троицкая) Лабораторные Теплотехника 2013

УДК 92

Составитель:

к.т.н., доц. Е.В. Троицкая

Теплотехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ / сост. Е.В. Троицкая // ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». М. : МГСУ, 2013, 32 с.

ISBN 5-7264-0481-5

Методические указания предназначены для подготовки бакалавров и специалистов по направлениям 270800 «Строительство», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 190109 «Наземные транспортно-технологи-

ческие средства» и др. при изучении дисциплин «Термодинамика и теплопередача», «Теплотехника», «Основы гидравлики и теплотехники».

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры теплотехники

и теплогазоснабжения МГСУ. Протокол № 7 от 18.06.2013 г.

ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26

2

Вопросы для подготовки к защите

лабораторных работ № 1, 2

1.Схема установки. Методика измерений.

2.Размерности основных величин. Полученные результаты.

3.Основная схема расчета.

4.Теплоемкость — массовая, объемная, молярная. Истинная и средняя. Теплоемкость в изобарном и изохорном, в политропном процессах. Уравнение Майера. Нормальные физические условия.

5.Влажный воздух — уравнение состояния, газовая постоянная, относительная влажность, влагосодержание, энтальпия.

6.Закон Дальтона. В общем виде и применительно к влажному воздуху.

ипроцессов.

8.Составляющие теплового баланса установки. Расчет параметров эффективности установки (к работе № 2).

9.Определение параметров влажного воздуха с использованием h-d-диаграммы. Температура точки росы, мокрого термометра.

10.Расчет процессов нагревания и сушки с использованием h-d- диаграммы.

лабораторных работ № 3, 4 1. Схема установки. Методика измерений.

2. Основная схема расчета (по экспериментальным данным

ичерез критерии подобия).

3.Полученные результаты. Размерности основных величин.

4.Закон Ньютона-Рихмана.

5.Основные уравнения конструктивного расчета рекуперативного теплообменника: уравнение теплопередачи, уравнение теплового баланса, уравнение массового расхода.

6.Определение коэффициента теплоотдачи. Определение коэффициента теплопередачи для плоской и цилиндрической стенок.

7.Критерии подобия для свободной и вынужденной конвекции.

8.Порядок величины коэффициента теплоотдачи α для свободной и вынужденной конвекции в газах и жидкостях, при конденсации пара.

9.Термическое сопротивление теплопроводности и термическое сопротивление теплоотдачи плоской и цилиндрической стенок.

31

Приложение 3:

Физические свойства воды в состоянии насыщения

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Теплоемкость — количество теплоты, которое необходимо сообщить телу (газу), чтобы повысить температуру какой-либо его количественной единицы (кг, м3, моль) на 1 градус.

Удельная теплоемкость, отнесенная

где — молекулярная масса вещества, кг/моль, (для воздуха = 29 кг/кмоль),

22,4 м3/кмоль — объем моля газа при нормальных физических

Теплоемкость зависит от атомности газа, параметров состояния (давления и температуры) и условий подвода теплоты. Т.к. при невысоких температурах и давлениях теплоемкость идеальных газов с ростом температуры изменяется незначительно, можно считать, что теплоемкость идеальных газов зависит только от условий подвода теплоты и атомности.

Теплоемкость — функция процесса.

Наиболее часто используются:

изобарная теплоемкость ср (при подводе или отводе теплоты при постоянном давлении);

изохорная теплоемкость сv (при подводе или отводе теплоты при постоянном объеме).

3

R = 8 314 — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К).

Кроме того: сp k , где k — показатель адиабаты. сv

Для процессов с постоянной теплоемкостью: k = 1,67 (для одно-

атомных газов); k = 1,4 (для двухатомных газов) — воздух; k = 1,3

(для трех- и многоатомных газов).

Теплоемкость — величина справочная, одним из методов определения которой является метод проточного калориметра, применяемый в данной работе.

Схема экспериментальной установки

Установка (рис.1) состоит из проточного калориметра 1, в котором размещен электрический нагреватель 2, подводящий теплоту к протекающему воздуху. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду калориметр окружен стеклянной оболочкой и изолирован. Воздух между оболочкой и калориметром откачен.

Воздух из помещения прокачивается через систему с помощью компрессора 3, создающего разряжение на выходе из калориметра.

mV

3

4

Приложение 1: Физические свойства сухого воздуха

Приложение 2:

Физические свойства водяного пара в состоянии насыщения

2Определение коэффициента теплопередачи k(теор.)

сиспользованием теории подобия

1.Определить скорость воды в трубе w (8), число Рейнольдса

Re (7), число Нуссельта Nu2 (6), коэффициент теплоотдачи α2 от стенки к воде (5).

2.Определить число К, число Галилея Ga, число Нуссельта Nu1,

используя (9), и коэффициент теплоотдачи α1 от пара к стенке (5).

3.Определить теоретический коэффициент теплопередачи k(теор.) данного теплообменника по формуле (1).

4.Сравнить полученные с использованием теории подобия коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи с соответствующими значениями α(оп.) и k(оп.) (п.2).

Конспект лабораторной работы должен содержать:

‒краткие теоретические сведения (отражаются понятия: ос-

новные уравнения для расчета теплообменников: уравнение теплопередачи (УТП), уравнение теплового баланса (УТБ), уравнение массового расхода (УМР). Коэффициент теплопередачи (определение, формулы). Термические сопротивления (для плоской и цилиндрических стенок). Основные критерии подобия при расчете вынужденной конвекции (Nu, Re, Pr) и конденсации пара (Nu, Ga, K). Порядок значения коэффициента теплоотдачи α при вынужденном движении жидкости в трубах и при конденсации пара);

‒схему экспериментальной установки и ее описание;

‒таблицу результатов эксперимента;

‒методику обработки экспериментальных данных;

‒расчет k(оп.) и k(теор.).

28

Для определения мощности нагревателя Q сила тока I измеряется амперметром 4, напряжение U — вольтметром 5. Электрический ток, подводимый к зажимам нагревателя, регулируется лабораторным автотрансформатором 6.

Измерение количества воздуха V производится газовым счетчиком 7. Вентиль 8 служит для регулирования расхода воздуха, проходящего через калориметр.

Для измерения температур воздуха на входе в калориметр t1 и на выходе из него t2 установлена дифференциальная термопара 9, которая подключается к потенциометру 10.

Порядок проведение лабораторной работы

1.Ознакомиться со схемой установки, проверить правильность включения приборов.

2.Включить компрессор 3, убедиться, что разность температур

t воздуха на входе и выходе отсутствует. С помощью вентиля 8 установить расход воздуха через калорифер.

3. Включить нагреватель, автотрансформатором 6 отрегулировать мощность нагревателя таким образом, чтобы разность температур воздуха t составляла 20—30 градусов.

4. При достижении установившегося режима (стабильности показаний приборов) занести показания приборов в таблицу результатов эксперимента. Измерения проводят 2—3 раза. Определяют средние значения.

Записываются показания: амперметра 4 — сила тока I, А; вольтметра 5 — напряжение U, В; милливольтметра 10 — температура воздуха на входе и выходе, mВ, с пересчетом показаний в °С, газового счетчика 7 — расход воздуха V, м3/с, с определением объема газа (л, м3) за выбранный промежуток времени (за 30 или 60 секунд).

Записать показания барометра и термометра в помещении лаборатории, характеристики приборов (сопротивление вольтметра и нагревателя).

5

Обработка результатов экспериментов

Определив разность температуры воздуха на входе t1 и выходе t2 из калорифера t, полученную при подводе теплоты Q, измерив объемный расход воздуха V, можно рассчитать среднюю объемную теплоемкость при постоянном давлении ср , кДж/(м3·К), из уравнения:

где Q — количество подведенной теплоты, кВт;

V0 — объемный расход воздуха через калорифер, приведенный к нормальным физическим условиям (н.ф.у.), м3/с;

t = t1 – t2 — разность температуры воздуха на входе t1 и выходе t2 из калорифера t, °C.

Количество подведенной теплоты: Q = U Iн, Вт, (6) где U — напряжение на нагревателе, измеренное вольтметром, В;

Iн — ток, протекающий через нагреватель, А.

Для электрической цепи с параллельным включением нагрузки (нагреватель и вольтметр) сила тока, проходящая через нагреватель, может быть определена из условий равенства падения напряжений на параллельных ветвях цепи:

где I — сила тока, измеренная амперметром, А; Rв и Rн — сопротивление вольтметра и нагревателя, соответственно, Ом (см. на стенде).

6

Таблица результатов экспериментов

Обработка экспериментальных данных

Для данного теплообменника:

dнар = 7,9 мм, d вн = 6,5 мм, l = 1,4 м, = 385 Вт/(м·К).

Теплофизические свойства нагреваемой воды и образующегося конденсата ( ж, ж, ж Prж, ср) определяются при средней температуре воды t2 = 0,5 (t2 + t2 ) и пара tп, соответственно, Prст – см. свойства воды при средней температуре стенки – см. Таблицу физических свойств воды (Приложение 3).

Температура насыщения пара tп определяется по таблице (Приложение 2) по давлению пара Рп = Рман + Ратм.

1Определение опытного коэффициента теплопередачи k(оп.)

1.По формуле (4) определить тепловой поток Q.

2.Определить коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 по формулам

(3), (2) и коэффициент теплопередачи k(оп.) (1).

27

Экспериментальная установка (рис.4) представляет собой расположенный горизонтально теплообменник типа «труба в трубе» 1, наружная поверхность которого покрыта слоем тепловой изоляции 2 для уменьшения потерь в окружающую среду. Основные размеры и схема теплообменника приведены на стенде.

Во внутреннюю трубу (dнар = 7,9 мм, d вн = 6,5 мм, l = 1,4 м) подается вода, расход которой измеряется ротаметром 3 и регулируется

вентилем 4. Пар из котла 5 поступает в межтрубное пространство теплообменника, где конденсируется на поверхности внутренней трубы, по которой протекает вода. Тепловой поток от пара, пройдя через стенку внутренней трубы, передается воде.

Давление пара Рман измеряется манометром 6, расход регулируется вентилем 7. Для измерения температур стенки внутренней трубы tc и температуры воды на входе t2 и на выходе t2 из теплообменника установлены шесть термопар 8, подключенных к милливольтметру 9 через переключатель 10. Холодные спаи термопар помещены в термостатированный сосуд 11. Образующийся конденсат удаляется открыванием вентиля 12.

Порядок проведение лабораторной работы

1.Открыв вентиль 4, установить расход воды через теплооб-

менник на уровне М2 = 0,1 кг/с. При достижении давления в котле 0,15—0,2 МПа открыть вентиль 7 и направить пар в теплообменник. Открыть вентиль слива конденсата 12.

2.Регулированием расхода пара и воды (вентиль 7 и 4) установить режим, при котором перепад температур воды на входе и выходе из теплообменника составит не менее 5—10 °С и будет обеспечиваться постоянство температур воды и стенки.

3.Произвести измерение: давления пара Рман (по манометру 6),

расхода воды М2 (по ротаметру 3), температуры воды на входе t2 и

выходе t2 из теплообменника, температуры стенки tc в 4-х точках по показаниям милливольтметра 9 последовательным переключением переключателя 10, с пересчетом показаний из mВ в °С. Записать показания барометра (Ратм) и температуру окружающего воздуха t.

4. Измерения проводить при стационарном режиме (показания приборов неизменны в течение 3 мин). Провести 2—3 замера. Результаты занести в таблицу. Определить средние показатели.

26

Для приведения объемного расхода к нормальным физическим условиям необходимо использовать соотношение:

где P, кПа; V, м3/с; T, К — параметры воздуха в лаборатории; P0, кПа; V0, м3/с, T0, К — параметры воздуха при нормальных физических условиях (2).

Рассчитав по формуле (5) значение средней объемной теплоемко-

сти ср при постоянном давлении, кДж/(м3·К) по формуле (1) опреде-

ляются:

‒ средняя массовая теплоемкость воздуха ср при постоянном давлении P = const (изобарная теплоемкость), кДж/(кг·К):

сp ср 22,4 ,

μ

‒ средняя массовая теплоемкость воздуха сv при постоянном объеме V=const: (изохорная теплоемкость), используя уравнение Майера (3), кДж/(кг·К):

сv = сp – Rг,

где Rг — газовая постоянная воздуха (4).

Сравнить полученные значения теплоемкости воздуха со справочными данными (Приложение 1), определить % расхождения.

ссрасч стеор 100% .

стеор

Конспект лабораторной работы должен содержать:

‒краткие теоретические сведения (должны быть отражены понятия: теплоемкость, удельная теплоемкость, теплоемкость — массовая, объемная, молярная; истинная и средняя, теплоемкость в изобарном и изохорном процессах. Связь между ними. Уравнение Майера);

‒схему и описание установки;

‒таблицу результатов экспериментов;

‒методику расчета;

‒основные расчеты и выводы.

В расчетах указывается: название величины; формула, необхо-

димая для ее расчета; значения подставленных в формулу числовых параметров; размерность полученной величины.

7

Лабораторная работа №2

ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Влажным воздухом называют смесь сухого воздуха и водяного пара.

‒насыщенный влажный воздух — смесь сухого воздуха и сухого насыщенного пара;

‒ненасыщенный влажный воздух — смесь сухого воздуха и перегретого пара;

‒пересыщенный влажный воздух — смесь сухого воздуха и влажного насыщенного пара.

Наибольший интерес для технического использования представляет собой ненасыщенный влажный воздух (смесь с перегретым паром). В нем содержится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, и он способен к дальнейшему движению. Поэтому ненасыщенный влажный воздух используют в качестве сушильного агента в различного рода сушильных установках. Кроме того, знание свойств влажного воздуха необходимо для расчета систем вентиляции, кондиционирования воздуха, процессов горения и др.

Влажный воздух с достаточной для практики степенью точности может рассматриваться как смесь идеальных газов, т.к. свойства перегретого водяного пара близки к свойствам идеального газа, и парциальное давление пара всегда очень мало.

Основной закон смесей идеальных газов — закон Дальтона: давление смеси идеальных газов Р равно сумме парциальных давлений Рi входящих в нее компонентов Р = ∑Рi. Для влажного воздуха:

где В = Р = Рсм — атмосферное (барометрическое) давление влажного воздуха, измеряется барометром;

Рп — парциальное давление пара во влажном воздухе; Рв — парциальное давление сухого воздуха во влажном воздухе.

Влажный воздух и его компоненты подчиняются уравнению Мен- делеева-Клапейрона

PV = mRгT .

С учетом = m/V:

8

gd3

Число Галилея Gaж нар ,

ν2ж

где g = 9,8 — ускорение свободного падения, м/с2.

где r — теплота парообразования, Дж/кг.

Теплофизические свойства конденсата (воды) в формуле (9) (теплопроводность λж, кинематическая вязкость νж, теплоемкость ср, число Prж) принимаются при температуре насыщения tн пара (см. таблицу физических свойств воды — Приложение 3). Свойства пара (теплота парообразования r) — см. таблицу физических свойств водяного пара (Приложение 2).

Для определения Nuж используют различные критериальные за-

висимости:

При движении жидкости в трубах (турбулентный режим)

Prж νж — число Прандтля (теплофизический параметр), a

(величина справочная, см. Приложение 3).

В приведенных формулах:

d — внутренний диаметр трубки, м;

w — скорость движения жидкости, м/с;

ж — кинематическая вязкость, м2/с;ж — теплопроводность жидкости, Вт/(м·К).

В формуле (6) теплофизические свойства жидкости (воды) ( ж,ж Prж) принимаются при средней температуре жидкости (воды) t2; Prст — при средней температуре стенки tс (см. таблицу физических свойств воды — Приложение 3).

Скорость движения жидкости в трубе w определяется из уравне-

где P, V, m, R, T, — параметры (давление, объем, масса, газовая постоянная, абсолютная температура, плотность) компонента влажного воздуха;

индекс «п» относится к параметрам пара во влажном воздухе; индекс «в» — к параметрам сухого воздуха во влажном воздухе.

Основными характеристиками влажного воздуха являются абсолютная и относительная влажность. Абсолютной влажностью ( п) называется концентрация водяного пара — количество водяных паров, содержащихся в 1 м3 влажного воздуха, т. е. плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха. Отношение фактической концентрации пара во влажном воздухе к максимально возможному значению концентрации пара при данной температуре влажного воздуха — относительная влажность , %.

ρп Рп .

ρн Рн

Относительная влажность изменяется от = 0 (сухой воздух), до= 1 (или =100 %) — для насыщенного влажного воздуха.

Парциальное давление насыщенного пара Рн можно определить по h-d-диаграмме, по таблицам термодинамических параметров воды и насыщенного водяного пара, по h-s-диаграмме водяного пара и по формуле:

Отношение массы пара к массе сухого воздуха во влажном воздухе называется влагосодержанием d, для которого с учетом закона Дальтона (1) и уравнения Клапейрона (2) можно получить:

9

где Rп = 8314/ п, Rв = 8314/ в, Дж/(кг·К) — газовые постоянные пара и воздуха соответственно;

п = 18 кг/кмоль, в = 29 кг/кмоль — молярная масса водяного пара и воздуха, соответственно.

Влагосодержание d используется в расчетах как величина безразмерная, на h-d-диаграмме выражена в г влаги/кг сухого воздуха.

Одним из основных параметров влажного воздуха является его энтальпия h (или i), широко используемая при расчетах сушильных установок главным образом для определения теплоты, расходуемой на испарение влаги из подсушиваемых материалов. Это объясняется тем, что теплота q, отдаваемое нагретым воздухом материалу, обратно возвращается воздуху вместе с испаренной влагой, т. е. процесс сушки протекает фактически при h = const. Поскольку в процессе сушки влажность воздуха изменяется, а количество сухого воздуха остается постоянным, то энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара:

где ср 1 кДж/(кг·К) — изобарная теплоемкость воздуха. Приведенные выше формулы позволяют рассчитывать процессы

изменения состояния влажного воздуха и являются основой построения стандартной h-d-диаграммы. Диаграмма строится для среднегодового барометрического давления в центральных районах России

Р= 99,3 кПа (745 мм рт. ст.).

Вh-d-диаграмме наглядно изображаются основные процессы изменения состояния влажного воздуха. В процессе нагревания (например, в калорифере) влагосодержание влажного воздуха не изменяется. В h-d-диаграмме процесс изображается вертикальной прямой d = const. Процесс сушки материалов воздухом в сушилке, не имеющий тепловых потерь, происходит при постоянной энтальпии и в h-d-диаграмме изображается линией h = const.

Схема экспериментальной установки

Основными частями экспериментальной установки являются калорифер, в котором происходит нагревание воздуха для повышения его способности испарить влагу, и сушильная камера, в которой воздух увлажняется за счет влаги, содержащейся в материале ткани. Полезный эффект лабораторной установки состоит в удалении влаги из

10

Коэффициенты теплоотдачи можно определить, используя закон Ньютона-Рихмана Q = αF t, тогда:

‒ коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя (пара) к наружной поверхности трубы:

где Fнар = dнарl — наружная поверхность трубы, м2;

tн = tп, tс — температура пара и стенки, соответственно, °С.

‒коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубы

кхолодному теплоносителю (воде):

где Fвн = dвнl — внутренняя поверхность трубы, м2;

tс, t2 — средняя температура стенки и воды, соответственно, °С.

Тепловой поток Q может быть определен из уравнения теплового баланса в общем виде:

Индексы «1» и «2» — параметры горячего и холодного теплоносителя соответственно.

Индексы « », « » — параметры теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, соответственно.

Для веществ, не меняющих свое агрегатное состояние, изменение энтальпии можно определить как h = cp t. Тогда тепловой поток, воспринятый холодной водой при ее нагревании:

где М2 – массовый расход воды, кг/с;

t 2, t 2 – температура воды на входе и выходе, соотв., °С; ср – средняя изобарная теплоемкость воды, Дж/(кг·К).

Кроме того, коэффициент теплоотдачи можно определить, ис-