Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика и теплопередача. Лабораторный практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Епифанов В.С., Степанов А.М.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Лабораторный практикум
Альтаир–МГАВТ
Москва
2015
УДК 62721: 656.615
Епифанов В.С., Степанов А.М.
Техническая термодинамика и теплопередача Лабораторный практикум.— М.:
Альтаир МГАВТ, 2015 — 65 с., ил. 17, табл. 10.
Является руководством по закреплению знаний теоретического курса
«Техническая термодинамика и теплопередача», являющегося составной частью
дисциплин федерального компонента государственного образовательного стандарта по
специальности 180405.65 — Эксплуатация судовых энергетических установок.
Основная задача практикума — дать студентам практические навыки проведения
эксперимента при выполнении лабораторных работ.
Рецензент — кандидат технических наук, профессор Л.Ф. Мокеров.
Издается по решению учебно-методического совета МГАВТ.
Рассмотрен и рекомендован к использованию в учебном процессе на заседании
кафедры Судовых энергетических установок и автоматики (протокол №8 от 10.04.2014 г.).
Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов
несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно-методические материалы
© МГАВТ, 2015
© Епифанов В.С., 2015
© Степанов А.М., 2015
3
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Условные обозначения и сокращения……………………………………….
4
Предисловие………………………………………………………………...…
6
Лабораторная работа № 1. Определение теплопроводности материалов
методом пластины……………………………………………………………...
8
Лабораторная работа № 2. Определение коэффициента теплоотдачи
горизонтальной трубы при свободном движении воздуха…………………………….
17
Лабораторная работа № 3. Исследование теплоотдачи при естественной
конвекции на поверхности горизонтального цилиндра ….……………………
23
Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента теплоотдачи
методом регулярного режима первого рода…………………………………...
31
Лабораторная работа № 5. Определение коэффициента теплоотдачи
методом нестационарного потока……………………………………………...
40
Лабораторная работа № 6. Определение коэффициента теплоотдачи при
вынужденном движении воздуха в трубе……………………..……………….
48
Лабораторная работа № 7. Изучение спектральных характеристик
излучения газов ………………………………………………………………..
56
Список литературы……………………………………………………………
62
4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
— коэффициент теплоотдачи,
Км
Вт
2
;
F
— площадь поверхности теплообмена,
2
м
;
ст
t
— температура стенки,
C
o
;
в
t
— температура воздуха,
C
o
;
æ
t
— температура жидкости,
C
o
;
QW
— тепловой поток, передаваемый от охлаждаемого
электронагревателя через горизонтальную трубу, окружающей
среде,
Вт
;
G
— массовый расход теплоносителя,
с
кг
;
q
— поверхностная плотность теплового потока,
2
/ мВт
;
W
— мощность электронагревателя,
Вт
;
d
— диаметр трубы, м;
р
с
— удельная массовая изобарная теплоемкость,
Ккг
кДж
;
— кинематическая вязкость жидкости (воздуха),
с
м
2
;
а
— температуропроводность,
с
м
2
;
— плотность,
3
м
кг
;
в
р
— давление воздуха в помещении,
кПа
;
— температурный коэффициент объемного расширения,
К
1
;
p
— давление,
МПа
;
t
— разность температур(температурный напор),
C
o
;
ст
t
— средняя температура стенки трубы,
C
o
;
в
t
—средняя температура воздуха в помещении,
C
o
;
пг
t
— средняя температура пограничного слоя,
C
o
;
a
T
— температура окружающей среды,
К
;
Re
— число Рейнольдса;
æ
Nu
— число Нуссельта для жидкости (воздуха) при температуре
пограничного слоя;
5
æ
Gr
— число Грасгофа;
Pr
æ
,
ст
Pr
числа Прандтля, подсчитанные при различных температурах, для
жидкости (воздуха) и стенки;
— коэффициент теплопроводности,
Км
Вт
;
— скорость движения среды (воздуха),
с
м
;
— толщина стенки трубки, м;
0
l
— определяющий линейный размер тела,
м
;
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
СДВС
— судовой двигатель внутреннего сгорания;
ОСТ
— отраслевой стандарт;
ЕСКД
— единая система конструкторской документации;
ЕСТД
— единая система технологической документации;
ЭДС
— электродвижущая сила.
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Лабораторные работы по дисциплине «Техническая термодинамика и
теплопередача» являются заключительным этапом обучения студентов в
изучении курса и направлены:
– на закрепление и расширение теоретических знаний по дисциплине, и
применение этих знаний на практике;
– на овладение методиками эксперимента при решении проектно–
конструкторских и технико–экономических задач при разработке
конструкции теплообменного аппарата дизеля в процессе выполнения
курсовой работы по дисциплине;
– на развитие у студентов навыков самостоятельной работы в реальных
условиях.
Общая направленность тем лабораторных работ по дисциплине связана
с повышением надежности и улучшением технико–экономических
характеристик элементов судовых двигателей. Темы лабораторных работ
носят комплексный характер, в них предусматривается решение технических
вопросов и разработаны на примере решения конкретных задач для СЭУ.
Порядок оформления отчета по лабораторной работе и его защиты.
Отчет должен содержать краткую теоретическую часть работы,
выполненную в процессе самостоятельной работы, методику исследования,
описание эксперимента, расчеты анализ результатов и выводы. Все
результаты исследования должны сопровождаться схемами, эскизами,
графиками и диаграммами, полученными в результате эксперимента. В отчете
по лабораторной работе должны иметь место краткие выводы по работе, и
даны ответы на контрольные вопросы.
В отчете необходимо обосновать, что предлагается для улучшения
теплотехнических свойств исследуемых материалов. За результаты,
полученные при выполнении лабораторной работы, и за их правильность
отвечает студент.
Аналитическая часть отчета должна содержать краткую техническую
характеристику стенда, его описание, аппаратуру и методику эксперимента.
Результаты лабораторной работы включают итоги исследований и
расчета показателей, необходимых для сравнения их с показателями
материалов, аналогичных по назначению.
Использованная литература. В список использованной литературы
включаются источники, рекомендованные студенту и использованные им в
процессе подготовки к проведению работы, с указанием автора,
наименования, издательства, года издания, количества страниц. Как правило,
литература приводится в алфавитном порядке по фамилиям авторов или по
начальным буквам технической и нормативной документации.
Оформление отчета должно соответствовать требованиям Единой
системы конструкторской документации (ЕСКД) и Единой системы
технологической документации (ЕСТД).
7
Типовые расчеты, в целях ликвидации повторений, оформляются в
табличном виде с включением расчетной формулы и количественных
характеристик каждого учитываемого показателя.
Все формулы, помещаемые в отчет, должны иметь сквозные
порядковые номера и расшифровку входящих в них символов.
Текст должен сопровождаться рисунками, схемами, графиками и т.п.
Помещаемые в тексте отчета таблицы и иллюстративный материал должны
иметь раздельную нумерацию.
Данные, на которых основываются расчеты, объяснения, должны иметь
ссылки на источник, оформленные в квадратных скобках.
Выводы и заключение. Здесь содержатся основные выводы по
результатам проведенных исследований в процессе выполнения
лабораторных работ. В выводах отчета дается характеристика основных
показателей, полученных в результате выполнения работы. Кроме того,
необходимо изложить причины, приведшие к отрицательным результатам
(при их наличии), и дать предложения по их устранению.
Руководство лабораторными работами заключается в контроле
безопасности и обеспечении надлежащей организации проведения
лабораторных работ, которое осуществляется через заведующего
лабораторией.
Сроки периодического отчета студентов по выполнению лабораторных
работ устанавливаются преподавателем.
Преподаватель выдает задание на лабораторную работу, руководит
порядком проведения лабораторных работ. Кроме того, он проводит
систематические, беседы со студентом и дает ему дополнительные
консультации, проверяет отчет по лабораторным работам и дает оценку
знаниям студента.
Защите лабораторных работ предшествует период подготовки,
необходимый для оформления законченного отчета, доработки отдельных частей.
8
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
Q
с
Дж
Вт
F
2
м
Q
F
qdF
F
n
t
dF
n
t
F
gradt
F
q
F
Км
Вт
n
t
м
К
3
1
2
2
i
i
x
t
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
МЕТОДОМ ПЛАСТИНЫ
Продолжительность 2 ч
1. Задачи исследования
Экспериментальным путем оценить теплофизические свойства вещества
методом пластины. Кроме того, в результате проведенного эксперимента и расчета
дать заключение о материале, из которого изготовлен испытуемый образец.
2. Краткие теоретические сведения
В теории теплообмена тела рассматриваются как сплошные среды,
наделенные макроскопическими теплофизическими свойствами. К ним
относятся коэффициент теплопроводности
, температуропроводность а и
удельная теплоемкость с. Теплофизические характеристики, входящие в
условия однозначности, должны быть заранее известны как при
аналитическом решении задач теплообмена, так и при обобщении
результатов экспериментальных исследований.
Теплофизические свойства изменяются в широких пределах в
зависимости от природы тела и его термодинамических параметров, поэтому
экспериментальные методы являются практически единственным способом
их получения. Экспериментальные методы определения теплофизических
свойств подразделяют на стационарные и нестационарные.
Методы стационарной теплопроводности [1]. Эти методы основаны
на свойствах стационарного температурного поля, описываемых законом
Фурье (тепловой поток
передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность
=
= –
где коэффициент теплопроводности ,
=–
,
=
— количество теплоты,
или Q= –
,
):
=
∙
,
. Он характеризует способность
вещества проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности;
— градиент температуры,
. Дифференциальное уравнение
теплопроводности в случае стационарного теплообмена имеет вид:
= 0. (1.1)
Существующие методы стационарной теплопроводности
основываются на частных решениях уравнения (1.1) при определенных
условиях однозначности.
9
Так, применительно к одномерным температурным полям плоского,
1
ст
t
2
ст
t
1
ст
t
2
ст
t
F
ld
d
2
1
ln
1
2
21
11
2
1
dd
2
м
1
d
2
d
м
м
Q
Км
Вт
цилиндрического и шарового слоев при граничных условиях первого рода
коэффициент теплопроводности можно определить из соотношения
=КQ/(
–
), (1.2)
где
,
– температура наружной и внутренней поверхности слоя, оС;
К – коэффициент формы исследуемого образца, м–1.
Коэффициент формы для неограниченного плоского и цилиндрического
слоя, а также для шарового слоя определяется по формулам:
К=
где
— толщина плоского слоя, м; F — поверхность плоского слоя,
нормальная к направлению теплового потока,
наружный диаметры цилиндрического и шарового слоя соответственно,
длина цилиндрического слоя,
; К=
; К=
;
, (1.3)
,
— внутренний и
; l —
.
Чтобы определить коэффициент теплопроводности исследуемого
материала, необходимо измерить в стационарном режиме тепловой поток
проходящий через образец, и температуры его изотермических поверхностей.
Уравнение (1.2) описывает распределение температуры в твердых телах, а
также в жидкостях и газах при отсутствии других (кроме теплопроводности)
способов переноса теплоты. В случае зависимости теплопроводности от
температуры уравнением (1.2) можно пользоваться при условии, что в
исследуемом образце будет иметь место небольшой перепад температур. В
этом случае средние теплопроводности будут близки к истинным значениям.
Стационарные методы позволяют экспериментально определить только
коэффициент теплопроводности. Несмотря на свою методическую простоту,
практическое осуществление методов стационарной теплопроводности
сталкивается с трудностями создания одномерного температурного поля в
исследуемых образцах и учета тепловых потерь. Кроме того, стационарные
методы связаны со значительной продолжительностью проведения опыта в связи
с длительностью процесса выхода установки на стационарный тепловой режим.
При исследовании теплоизоляционных материалов, обладающих низкой
,
теплопроводностью (
≤2,3
), широкое распространение получил
метод неограниченн ого п ло ског о слоя, когда о бразцу исследуемого
материала придается форма тонкой круглой или квадратной пластинки. Для
создания перепада температур одна поверхность пластинки нагревается, а
другая охлаждается с помощью устройств, имеющих плоские поверхности,
между которыми зажимается исследуемый образец.
При выборе геометрических размеров исследуемых образцов
материалов с низкой теплопроводностью необходимо выполнять условие
≤(1/7…1/10)D, где D — диаметр круглой пластины (или сторона квадрата),
при котором обеспечивается одномерность температурного поля. Для
10
устранения тепловых потерь с боковых поверхностей образца используют
Gr
Pr
c
QKt
QК
/
2
1
1
К
2
К
t
К
с
Км
Вт
тепловую изоляцию или охранные электрические нагреватели.
К недостаткам метода относят трудности, связанные с устранением
термического сопротивления, возникающие в местах контакта образца с
поверхностями нагревателя и холодильника. Ошибка в определении
теплопроводности за счет контактного сопротивления может достигать
10...20 % при толщине образца 1,5...3,0 мм и становится еще больше при
увеличении теплопроводности исследуемого материала. В целях уменьшения
контактного термического сопротивления поверхности образца и
теплообменников подвергаются тщательной обработке, а для обеспечения
хорошего контакта создают значительные сжимающие усилия.
В зависимости от типа исследуемого нагревателя температура горячей
поверхности может достигать 2000 °С, а температура на холодной стороне при
использовании воды в качестве охлаждающей жидкости до 100 °С.
Метод неограниченного плоского слоя в основном используется для
исследования теплофизических свойств материалов с низкой
теплопроводностью.
В экспериментальных исследованиях теплофизических свойств веществ
широкое распространение получил м ето д не огр ан ич енн ог о
цил ин др ическ ог о слоя . Зд есь о бразец в форме цилиндрической полой
трубы нагревается либо изнутри, либо снаружи цилиндра.
Разновидность метода неограниченного цилиндрического слоя (метод
нагретой нити) широко используется при экспериментальном определении
теплопроводности жидкостей и газов. В этом случае внутри цилиндра,
заполненного исследуемой жидкостью или газом, коаксиально помещается
нагревательная проволока (нить). Во избежание конвекции в качестве наружного
цилиндра используется тонкий кварцевый капилляр. Внутри капилляра
помещается тонкая платиновая нить. Для получения надежных результатов
необходимо, чтобы платиновая нить была всегда натянута и имела строго
концентрическое положение. Одновременно платиновая нить является
нагревателем и измерителем температуры (термометра сопротивления).
Температура наружной поверхности измеряется термометром сопротивления.
Влияние свободной конвекции оценивается расчетным путем. Свободная
конвекция практически отсутствует, если
≤ 700...800.
При учете термического сопротивления стенки кварцевого стекла
уравнение (1.2) для определения коэффициента теплопроводности
=
исследуемого вещества, м
стенки кварцевого капилляра, м
термометрами сопротивления,
кварца,
.
, где
— коэффициент формы цилиндрического слоя
–1
;
— коэффициент формы цилиндрической
–1
;
;
— перепад температуры между
–– коэффициент теплопроводности
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]