805
.pdfФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»
А.Т. Манташов
ПРАКТИКУМ ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ
Учебное пособие
2-е издание, переработанное и дополненное
Пермь
ИПЦ «Прокростъ»
2015
УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7
М-23
Рецензенты:
В.С. Кошман, доцент кафедры «Технологическое и энергетическое оборудование» Пермской государственной сельскохозяйственной академии, канд. техн. наук;
Л.В. Крашевский, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Пермской государственной сельскохозяйственной академии, канд. техн. наук.
М-23 Манташов, А.Т.
Практикум по теплотехнике: учебное пособие / А.Т. Манташов; федеральное гос. бюджетное образов. учреждение высшего проф. образов. «Пермская гос. с.-х. акад. им. акад. Д.Н. Прянишникова». – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2015. – 90 с.
ISBN 978-5-94279-230-5
В учебном пособии рассмотрены устройство и принцип действия ряда теплотехнических приборов, изложены методы измерения физических величин и описаны лабораторные работы по дисциплине «Теплотехника».
Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям подготовки 35.03.06 – «Агроинженерия», 23.03.03 – «Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов», 19.03.02 – «Продукты питания из растительного сырья», 20.03.01 – «Техносферная безопасность» и специальности 23.05.01 – «Наземные транспортно – технологические средства».
УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7
Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова (протокол № 1 от 23 сентября 2014 г.)
ISBN 978-5-94279-230-5
© ИПЦ «Прокростъ», 2015
© Манташов А.Т., 2015
2
Содержание Введение………………………………………………………….. 4
1.Приборы и методы измерения величин в теплотехнических экспериментах……………………………………………………. 5
1.1.Сущность и виды измерений…………………………….. 5
1.2.Приборы…………………………………………………… 6
1.2.1.Измерение давления ………………………………. 6
1.2.2.Измерение температуры……………………………. 8
1.2.3.Измерение расходов ………………………………. 13
1.2.4.Измерение тепловых потоков………………………. 15
1.3.Обработка результатов измерений………………………. 16
1.3.1.Табличный способ обработки …………………….. 16
1.3.2.Графический способ обработки……………………. 19
1.3.3.Определение погрешности измеряемой величины.. 22
2.Лабораторные работы…………………………………………. 26
2.1.Организационно-методические указания к выполнению лабораторных работ …………………………………………….. 26
2.1.1. |
Цель и порядок проведения лабораторных занятий |
26 |
2.1.2 |
Требования к оформлению отчетов ……………… |
27 |
2.1.3Меры и правила безопасности при работе
влаборатории…………………………………………………….. 29
2.2.Экспериментальная часть ………………………………. 31
Лабораторная работа № 1. Теплотехнические измерения…… |
31 |
Лабораторная работа № 2. Исследование термодинамическо- |
|
го процесса ………………………………………………………. |
34 |
Лабораторная работа № 3. Исследование истечения газа из канала……………………………………………………………… 39
Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента теплопроводности металла………………………………………. 43 Лабораторная работа № 5. Исследование теплоотдачи в канале……………………………………………………………. 48
Лабораторная работа № 6. Определение характеристик влажного воздуха ……………………………………………….. 54
Лабораторная работа № 7. Определение показателей поршневого компрессора ……………………………………….. 59 Лабораторная работа № 8. Исследование цикла паровой
компрессорной холодильной машины ………………………… 64
Лабораторная работа № 9. Испытание отопительно- |
|
вентиляционного аппарата………………………………………. |
68 |
Лабораторная работа № 10. Определение теплоты сгорания |
|
топлив…………………………………………………………….. |
71 |
Библиографический список ……………………………………. |
77 |
Приложение. Справочный материал……………………………. |
78 |
3
Введение
Одним из направлений развития сельскохозяйственного производства на современном этапе является широкое использование в его отраслях ресурсоэнергосберегающих технологий. Важная роль в решении этой задачи отводится повышению качества теплотехнической подготовки выпускников академии инженерного направления. Одной из дисциплин, осуществляющих эту подготовку, является «Теплотехника». Под теплотехникой понимают научную дисциплину и отрасль техники, охватывающие методы и способы преобразования различных видов энергии в теплоту, ее транспортирование и использование в технологических процессах, тепловых машинах и аппаратах.
Целью данного пособия является получение практических навыков будущими специалистами в постановке и проведении теплотехнических экспериментов, грамотной обработки их результатов и правильном оформлении отчетов проводимых исследований.
Настоящее пособие отвечает действующим программам дисциплин «Теплотехника» и «Теплофизика» по направлениям подготовки «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов», «Продукты питания из растительного сырья», «Техносферная безопасность» и специальности «Наземные транспортно – технологические средства». Оно состоит из двух разделов и приложения.
В первом разделе рассмотрены устройство и принцип действия ряда теплотехнических приборов и даны методические указания по обработке результатов измерений.
Во втором разделе изложены организационно-методические указания к выполнению лабораторных работ, где акцентировано внимание на мерах и правилах безопасности. Здесь же описаны содержание, порядок выполнения и особенности оформления отчетов по десяти лабораторным работам, включенным в программы дисциплин.
Справочный материал приложения может быть полезен не только при оформлении отчетов по лабораторным работам, но и при решении других теплотехнических задач.
4
1. Приборы и методы измерения величин в теплотехнических экспериментах
1.1. Сущность и виды измерений
Измерить величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной, фиксированной по размеру и принятой по соглашению в качестве основы для количественной оценки за единицу физической величины.
Различают основные и производные единицы физических величин. В качестве основных принимаются единицы, размеры которых устанавливаются произвольно и независимо друг от друга, например, метр, килограмм, секунда и др. Производная единица той или иной величины выводится из физической зависимости (уравнения связи) между этой величиной и величинами, для которых установлены основные или другие производные единицы, например, единица кинематического коэффициента вязкости - квадратный метр на секунду.
Совокупность основных и производных единиц составляет си-
стему единиц, сокращенно СИ. Применяемые в теплотехнике единицы физических величин приведены в приложении (табл. 2).
Измерения, как правило, производятся с помощью специальных технических устройств, которые называются измерительными приборами. В настоящем пособии рассмотрены наиболее распространенные приборы, большинство из них используются при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Теплотехника» и «Теплофизика».
Ввиду многообразия физических величин непосредственно измерить (даже при помощи измерительных приборов) можно лишь немногие из них. Чаще приходится измерять не данную величину, а некоторые вспомогательные параметры, связанные с искомой величиной физическими закономерностями. Исходя из этого, измерения подразделяются на прямые и косвенные. Прямыми называются такие измерения, при которых числовые значения измеряемых величин определяются непосредственно, путем сравнения этих величин с вещественными образцами, принятыми за эталоны. Косвенными называются измерения, при которых значения измеряемых величин вычисляются по результатам прямых измерений других величин, связанных с искомой величиной заранее известными математическими зависимостями.
5
|
|
|
|
1.2. Приборы |
|
|
|
|
|
1.2.1. Измерение давления |
|
||
|
Приборы, предназначенные для измерений давления жидкости |
|||||
и газов, называют манометрам (гр. manos редкий, неплотный + me- |
||||||
treo |
мерю). |
|
|
|
|
|
|
По принципу действия манометры делятся на жидкостные, |
|||||
деформационные, электрические. |
|
|
||||
|
Жидкостные манометры |
|
|
|||
|
Устройство и принцип действия |
наиболее распространенных |
||||
жидкостных манометров наглядно представлен на рис. 1.1 и 1.2 |
||||||
|
|
|
|
На пластину со шкалой 1 закреп- |
||
|
p бар |
|
p объекта |
ляется прозрачная U-образная трубка |
||
|
|
2, которая заполнена жидкостью 3. В |
||||
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
качестве |
жидкости |
используются |
|
20 |
2 |
|
ртуть, спирт, вода и др. В таком ма- |
||
|
10 |
|
||||
|
|
Объект |
нометре абсолютное давление в объ- |
|||
h |
|
|
||||
0 |
|
|
екте уравновешивается столбом жид- |
|||
|
|
|
||||
|
10 |
|
|
|||
|
3 |
|
кости высотой h с плотностью ρ и ба- |
|||
|
20 |
|
||||
|
|
|
рометрическим давлением p бар |
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
paбс = g h ρ + рбар . |
|
|
|
|
|
|
Величина давления, равная ghρ, есть |
||
|
|
|
|
не что иное, как избыточное, тогда |
||
|
Рис. 1.1 |
|
|
|
pабс = pизб |
+ pбар . |
Такого вида жидкостные манометры называют «U-образными». Если U-образный жидкостный манометр используется для из-
|
|
|
|
P объекта |
Pбар |
мерения разряже- |
||
|
|
|
|
ния, то манометри- |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
|
|
|
|
ческая |
жидкость |
|
90 |
80 |
0 |
0 |
|
будет |
втягиваться |
||
|
|
60 |
|
|||||
Объект |
|
|
|
|
|
внутрь |
объекта, |
|
|
|
|
|
|
рис. 1.2. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
|
paбс = pбар |
рраз , |
|
|
|
|
|
|
|
где рраз – давление |
||
|
|
|
|
|
|
разряжения, |
|
|
Рис. 1.2 |
|
|
рраз |
= g ρ l |
. |
Наклон трубки к горизонту повышает точность измерения, так как с уменьшением увеличивается разность уровней столбов жидко-
6
сти l в коленах трубки.
Из-за малых плотностей манометрических жидкостей такого вида манометры используются для измерения незначительных избыточных давлений или разряжений.
Деформационные манометры
На рис. 1.3 представлены отдельные виды деформационных манометров: а – трубчатый, б – мембранный и в – анероидный.
4 |
p бар |
3 |
2 |
|
1 |
p абс |
P бар |
1 |
|
|
P среды |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
P абс |
P абс |
|
|
а |
б |
в |
|
|
Рис. 1.3 |
Трубчатый |
манометр |
представлен на рис. 1.3, а. При помо- |
щи штуцера 1 манометр присоединяется к объекту, давление в котором необходимо измерить. Чувствительным элементом манометра является изогнутая стальная или латунная трубка 2, выполненная в виде полукольца. Трубка под действием результирующей силы, возникающей от давления, выпрямляется. Конец трубки связан передаточным механизмом 3 со стрелкой 4, которая поворачивается вокруг оси. Угол поворота стрелки линейно зависит от величины давления. Шкалы манометров проградуированы. Для измерения разрежения выпускаются трубчатые вакуумметры. Прибор, объединяющий манометр и вакуумметр, называется мановакууметром.
В мембранном манометре рис.1.3, б чувствительным элементом является мембрана 1. В зависимости от величины pабс мембрана деформируется, что приводит к перемещению стрелки.
Для измерения атмосферного давления широко используются деформационные манометры с анероидной коробкой (барометры), рис.1.3, в. Здесь чувствительным элементом является анероид 1, который выполнен в виде герметичной цилиндрической коробки с двумя гофрированными днищами. При изготовлении внутри анероида создается значительное разряжение. Тарировка шкалы осуществляет-
7
ся при помощи ртутного барометра. Изменение давления окружаю- |
||||||
щей среды приводит к перемещению стрелки прибора. |
||||||
Электрические манометры |
|
|
||||
Для дистанционного измерения давления в основном исполь- |
||||||
зуются электрические манометры. Они состоят из чувствительного |
||||||
элемента (датчика давления), регистрирующего прибора и системы |
||||||
коммутации. |
В датчиках происходит прямое или косвенное преобра- |
|||||
зование давления в электрический параметр. По виду чувствительно- |
||||||
|
|
|
|
го элемента они подразделяются на |
||
1 |
|
|
2 |
датчики |
омического |
сопротивления, |
|
|
|
|
|||
P абс |
|
|
|
пьезоэлектрические, емкостные, иони- |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
зационные. |
|
|
4 |
|
|
|
В качестве примера на рис.1.4 при- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
R 1 |
|
ведена схема электрического манометра |
||
|
|
|
|
с датчиком омического сопротивления. |
||
|
|
|
|
Здесь 1 – датчик давле- |
||
|
|
|
|
ния; 2 – источник питания мостиковой |
||
R 3 |
|
|
|
схемы подключения |
датчика к реги- |
|
|
R 2 |
|
стрирующему устройству 3; R1, R2 и R3 |
|||
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
–калиброванные резисторы; 4 – регули- |
||
|
|
|
|
ровочный резистор. |
|
|
|
Рис. 1.4 |
|
|
Электрические манометры применя- |
||
ются для измерения высоких и сверхвысоких давлений, давлений, |
||||||
изменяющихся в объекте с различными частотами и амплитудами. |
||||||
Удобство их использования заключается в возможности проведения |
||||||
измерений на значительном удалении объекта и автоматической за- |
||||||
писи показаний. |
|
|
|
|
|
1.2.2. Измерение температуры
Одним из параметров, подлежащих контролю при проведении большинства лабораторных работ, является температура.
В зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения приборы для измерения температуры разделяются на следующие группы:
-термометры расширения;
-манометрические термометры;
-электрические термометры сопротивления;
-термоэлектрические преобразователи (термопары);
-пирометры.
8
Термометры расширения предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).
Ртутные термометры относятся к жидкостным термометрам расширения, которые работают по принципу изменения объема жидкости в зависимости от температуры. Все жидкостные стеклянные термометры состоят из сосуда (шарика), переходящего в капиллярную трубку, запаянную сверху. Сосуд и капилляр изготовляются из одного и того же материала. Шкалу выполняют в виде вложенной шкальной пластинки либо наносят на массивную капиллярную трубку. Промышленностью выпускаются ртутные термометры для измерения температуры от -35 до 600 оС. Для измерения температур в диапазоне от –80 до 80 0С в качестве рабочей жидкости используется этиловый спирт.
Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;
Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых полупроводников изменять величину сопротивления с изменением температуры.
Одно из возможных конструктивных исполнений термометра сопротивления показано на рис.1.5. Каркас 1 изготовляется из электроизоляционного материала (фарфор, кварц, слюда и др.). В качестве чувствительного элемента применяется обычно медная проволока 2 толщиной 0,05 - 2 мм, хотя в качестве материала проволоки в зависимости от назначения термометра сопротивления может быть платина, золото, железо, никель, константан и др.
Термометр сопротивления применяется с защитным кожухом 3 или без него.
Для измерения сопротивления такого термометра используется мостовой метод, схема которого аналогична приведенной на рис.1.4.
9
Медные термометры сопротивления применяются для измерения температур в пределах от – 50 до +180, платиновые от
– 200 до +65 градусов Цельсия.
Наряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы. Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление.
Достоинством термометров сопротивления является возможность передачи показа-
Рис. 1.5 ний на расстояние и их автоматической реги-
страции.
Термоэлектрические преобразователи используются при из-
мерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия.
Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо - э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра - термопару.
Существующее представление о механизме образования термо - э. д. с. основывается на том, что концентрация свободных электронов в единице объема межмолекулярного пространства проводника, зависит от материала проводника и его температуры. При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно: появится некоторая разность потенциалов (термо - э.д.с). С увеличением температуры проводников значение этой термо - э. д. с. также увеличивается. Располагая зако-
10