Теоретические основы теплотехники

Рисунок 13.2 − Процессы изменения состояния водяного пара в паровом канале

Всостоянии 2, с давлением, равным атмосферному, и известной температурой, пар поступает на экспериментальный участок. Здесь от основного нагревателя (3) к нему изобарно подводится энергия в количестве, измеряемом с помощью амперметра

ивольтметра. На выходе участка (состояние 3) температура пара измеряется термопарой № 2 (6). Для исключения влияния потерь энергии пара в окружающую среду рабочий участок парового канала (5) снаружи омывается охранным потоком пара (4), который далее направляется в конденсатор (7), где вода переходит в жидкое состояние и собирается в мерной емкости (9). Объем воды в мерной емкости,

собранный за время эксперимента, позволяет найти массу сконденсировавшегося пара. Плотность воды, требуемую для этого, можно принять равной ~ 1000 кг/м3.

Витоге получаем все данные для расчета искомой величины теплоемкости

Порядок проведения работы:

1.Изучить теоретический материал и заготовить протокол наблюдений в форме таблицы 13.1.

212

Таблица 13.1 − Протокол наблюдений и результатов расчета изобарной массовой средней теплоемкости перегретого водяного пара при атмосферном давлении

Параметры окружающей среды: температура tо.с = _____ оС,

барометрическое давление В = ____ мм. рт. ст. =

________ Па.

2.Ознакомиться с экспериментальной установкой, распределить функции между членами бригады.

3.С разрешения преподавателя в присутствии инженера включить установку и провести наблюдения в следующей последовательности:

3.1.установить исходные падения напряжения на нагревательных элементах;

3.2.зафиксировать показания термопар по достижении стационарного состояния. Показания термопары № 1 должны превышать температуру насыщения воды при атмосферном давлении. Температура измеряется с помощью хромель-копелевых термопар в комплекте с милливольтметром, показания которого переводятся в градусы в соответствии с зависимостью t = f(U);

3.3.собрать конденсат в мерный сосуд при неизменных показаниях приборов (U, I = const) за фиксированное время опыта (τ).

4.По согласованию с инженером изменить мощности нагревателей (о чем судят по показаниям амперметров) и для нового режима повторить измерения.

5.Совместно с инженером выключить установку.

Обработка результатов измерений

1.Определить массу конденсата (Gп), приняв плотность воды 1000 кг/м3 и определив объем конденсата в мерном сосуде.

2.Определить количество теплоты, полученное паром в процессе 2−3 на экспериментальном участке, Дж

3.Определить экспериментальное значение изобарной массовой средней теплоемкости перегретого водяного пара при атмосферном давлении согласно формуле (13.1). Полученное значение занести в таблицу 13.1.

4.Определить значения энтальпии перегретого пара в т. 2 и т. 3 (i3 и i2, соответственно) по программе или таблице “Вода и перегретый пар”, по диаграммам или из расчета по соответствующей программе.

5.Определить расчетное значение изобарной теплоемкости перегретого водяного пара при атмосферном давлении, удельной массовой, средней в интервале температур t1−t2, зная экспериментальные значения температур в точках процесса 2−3

6.Сопоставить полученные значения теплоемкостей, проанализировать причины расхождения их значений.

7.Процессы, изображенные на рисунке 13.2 в is– диаграмме, постройте в Тs– и pv− диаграммах.

213

5. «Тепломассообмен» - лабораторные работы

Лабораторные работы подготовлены Малевичем Ю.А., Лосюком Ю.А.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ТП-1

1.НАЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.

Целью работы является изучение конвективного теплообмена (теплоотдачи) между горизонтальной трубой и окружающим воздухом при естественной конвекции, освоение методики экспериментального определения интенсивности теплообмена и обработки опытных данных с помощью чисел подобия.

2.ЗАДАНИЕ:

1.Усвоить понятия:

–конвективный теплообмен;

–конвекция, теплопроводность;

–свободное и вынужденное движение;

–коэффициент теплоотдачи;

–средний и локальный (местный) коэффициент теплоотдачи;

–теплоотдача в ограниченном пространстве.

2.Ознакомиться с влиянием на процесс теплообмена таких параметров как форма тела и его размеры, расположение в пространстве, температура поверхности нагрева, температура и физические свойства окружающей среды [1].

3.Экспериментально (с помощью лабораторной установки) определить средний коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободном движении воздуха в неограниченном пространстве.

4.Установить зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности нагрева.

6.Сравнить полученную критериальную зависимость с обобщающей зависимостью, представленной в [1].

7.Оформить отчёт по выполненной работе.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса тепла между поверхностью твёрдого тела и жидкой средой (жидкостью или газом). При этом перенос тепла осуществляется одновременно действием теплопроводности и конвекции.

Явление конвекции – элементарный вид распространения тепла, который неразрывно связан с переносом самой среды. Поэтому конвекция возможна лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут легко перемещаться.

По природе возникновения различают два вида движения: свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее в следствии разности

214

отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью в 1 градус.

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и локальный или местный соответствующий единичному элементу поверхности.

По изучению интенсивности теплообмена в условиях свободного движения проведены многочисленные исследования с различными телами и различными жидкостями. В результате обобщения опытных данных получены критериальные зависимости для средних значений коэффициента теплоотдачи. В общем виде закономерность теплоотдачи может быть представлена в виде

α– средний коэффициент теплоотдачи, м2ВтК;

d– определяющий размер, м;

λ– коэффициент теплопроводности жидкости, мВтК;

С– коэффициент пропорциональности;

n– показатель степени.

Значения С и n зависят от режима движения среды и представлены в таблице 1

[1].

Значения постоянных С и n от режима движения среды

4.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ.

Внастоящей лабораторной работе методика исследования сводится к определению среднего коэффициента теплоотдачи от экспериментальной теплообменной трубы и состоит в измерении с помощью лабораторного оборудования:

–количества тепла, передаваемого нагретой горизонтальной трубой диаметром 0,02

216

м и длинной 0,874 м в окружающую среду, (Q, Вт);

–температур стенки трубы и окружающей среды (tст и tж, °С);

и последующего вычисления коэффициента теплоотдачи конвекцией из формулы:

где α – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный по формуле Ньютона и представляющий собой суммарный коэффициент теплоотдачи, так как теплота с поверхности теплообменной трубы отдается конвекцией и излучением

ε = 0,26 – степень черноты поверхности экспериментальной трубы;

Q– тепловой поток от поверхности нагрева в окружающую среду, Вт.

Впринятой для исследования схеме нагрева теплообменной трубы тепловой поток является постоянным и на большей части рабочего участка (за исключением зоны, прилегающей к токопроводящим шинам) направлен от поверхности трубы в окружающую среду. Его величина определяется по электрической мощности, затрачиваемой на нагревание рабочего участка (теплообменной трубы).

Q = W = U I = U2 , R=0,068 Oм,

R

где U – падение напряжения на нагревателе, В;

I– ток в цепи нагревателя, А;

Всвязи с этим при осреднении температуры по поверхности трубы показания крайних термопар не учитываются.

5.ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА РАБОТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Функциональная схема установки (рис. 1) состоит из трёх систем рабочего

217

элемента (экспериментальной теплообменной трубы), системы задания и отсчёта напряжения, подаваемого на рабочий элемент, и системы измерения температуры поверхности рабочего элемента.

Рабочий элемент экспериментальной установки (рис. 2) представляет собой

218

Рис. 1. Схема функциональная (Экспериментальная установка по изучению теплоотдачи горизонтального цилиндра при 224 естественной конвекции)

ной 0,874 м. Имея значительное электрическое сопротивление (0,068 Ом), труба при пропускании через неё тока является тепловым нагревателем. С этой целью через токоподводящие зажимы 2 на концы трубы подаётся напряжение. Элекроизоляция зажимов от корпуса установки выполнена с помощью гетинаксовых прокладок.

3.Торцы трубы закрыты фторопластовыми заглушками 4. На поверхности трубы методом припайки заделаны 12 термопар типа ТХК (хромель-копелевая термопара).

Система задания и отсчёта напряжения состоит из автотрансформатора Т1, показывающего прибора Р1, а также арматуры управления и сигнализации: S1 – кнопка снятия напряжения с рабочего элемента ("ВЫКЛ."); S2 – кнопка подачи напряжения на рабочий элемент ("ВКЛ"); Н2 – лампы сигнальной, фиксирующей подачи напряжения на рабочий элемент ("НАГРЕВ"); Н3 – лампы сигнальной, фиксирующей снятие напряжения

срабочего элемента при отключении напряжения кнопкой S1 или срабатывании автоматической защиты в случае превышения напряжения на рабочем элементе выше допустимого 2,5 В ("ПЕРЕГРУЗКА"); S3 – переключателя вида измерений, позволяющего включать электросхему установки на измерение напряжения или тока в цепи нагревателя ("ИЗМЕРЕНИЕ"). В качестве показывающего прибора использован прибор с цифровой индикацией Щ4313.

Система измерения температуры состоит из 12 термопар ТХК В1 – В12, установленных в рабочем, элементе, показывающего прибора Р2 и переключателя термопар S4 ("БТ-01"). В качестве показывающего прибора использован пирометрический узкопрофильный миливольтметр МВУ–6–41А, отградуированный в градусах С. Для автоматической компенсации погрешности измерения, вызванной отклонением температуры "холодных спаев" от градуировочной температуры, что возможно в связи с колебанием окружающей температуры, миливольтметр снабжён блоком управления БУ–

11(на схеме показан). Переключатель термопар ПТИ–М–20 предназначен для поочерёдного подключения к показывающему прибору первичных измерительных преобразователей (датчиков термопары) – 12 термопар ТХК.

Включение установки осуществляется с помощью автоматического выключателя Q1 типа АК–50–2М. Сигнальная лампа Н1 ("СЕТЬ") фиксирует подачу и снятие сетевого напряжения (50 Гц, 220 В) на экспериментальную установку.

Общий вид установки с указанием установленного оборудования показан на рис. 3. Экспериментальная установка состоит из лабораторного стола 1, на котором установлен рабочий элемент 2, блок контроля мощности 3, блок контроля температуры 4. В левой стойке 5 под обшивкой размещена панель реле, в правой стойке 6 – панель разъёмов. На лицевой панели левой стойки установлены выключатель автоматический 7 и сигнальная лампа 8 ("СЕТЬ"). На лицевой панели блока, контроля мощности размещены: цифровой комбинированный прибор 9, кнопка 10 ("ВКЛ"), кнопка 12 ("ВЫКЛ"), лампа сигнальная

11("НАГРЕВ"), лампа сигнальная 13 ("ПЕРЕГРУЗКА"), переключатель 14 ("ИЗМЕРЕНИЯ"), ручка автотрансформатора 14. На лицевой поняли блока контроля температуры размещены: милливольтметр 16 ("ТЕМПЕРАТУРА") переключатель 17 подачи напряжения на милливольтметр ("ПИТАНИЕ"), переключатель термопарный 18 (БТ–01), переключатель 19 контроля светового луча на нулевом делении ("УСТ О"). Подключение установки к однофазной электросети лаборатории осуществляется при помощи гибкого кабеля 20 с трёхполюсной вилкой 21.

225