Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

О.І. Чепрасов

Г.М. Рижков

ТЕРМОДИНАМІКА І ТЕПЛОТЕХНІКА

Методичні вказівки

до лабораторного практикуму

для студентів ЗДІА спеціальності АУТП

денного та заочного відділення

Запоріжжя

2004

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

О.І. Чепрасов

Г.М. Рижков

ТЕРМОДИНАМІКА І ТЕПЛОТЕХНІКА

Методичні вказівки

до лабораторного практикуму

для студентів ЗДІА спеціальності АУТП

денного та заочного відділення

Рекомендовано до видання

на засіданні кафедри теплоенергетики,

протокол № 2 від 08.09.04

Запоріжжя

2004

Термодинаміка і теплотехніка. Методичні вказівки до лабораторного практикуму для студентів ЗДІА спеціальності АУТП денного та заочного відділення (7.090501) / Укл. О.І. Чепрасов, Г.М. Рижков.- Запоріжжя: Видавництво ЗДІА, 2004.– 41 с.

Укладачі:

О.І.Чепрасов – канд. тех. наук, доцент

Г.М.Рижков - канд. тех. наук, доцент

Відповідальний за випуск –

завідувач кафедри теплоенергетики,

канд. тех. наук, доцент І.Г.Яковлєва

ВСТУП

Теплотехніка – загальноінженерна дисципліна, яка вивчає методи отримання, перетворення, передачі та використання теплоти. Окрім того в теплотехніці вивчаються апарати та обладнання, що пов’язані з цими процесами.

На сьогодні енергетична ефективність багатьох технологічних процесів занадто низька, тому що технологи, які розробляли відповідні процеси, не приділяли уваги питанням економії палива. Зараз екологічні та економічні фактори примушують різко збільшити ступінь використання енергетичних ресурсів.

Технічна термодинаміка разом з теорією теплообміну складають теоретичний фундамент теплотехніки. На їх основі здійснюють розрахунки та проектування всього тепло технологічного обладнання. Сьогодні високі ціни на паливо стимулюють розробку енергозберігаючих технологій, які не можливо створити без глибокого знання основних законів теплотехніки.

Методичні вказівки до лабораторного практикуму для студентів спеціальності АУТП по курсу „Термодинаміка і теплотехніка” передбачають виконання п’яти лабораторних робіт. Виконання кожної лабораторної роботи складається з таких етапів:

• підготовка до лабораторної роботи:

• перевірка готовності студента до виконання лабораторної роботи;

• проведення експерименту з записом результатів;

• обробка результатів і оформлення звіту з лабораторної роботи;

• підготовка до захисту та захист лабораторної роботи.

На етапі підготовки до лабораторної роботи студент повинен вивчити методичні вказівки до роботи, яку передбачається виконувати, та відповідний матеріал підручника чи лекційного курсу. Корисно скласти план наступних експериментів, виявити основні завдання та перелік показників, що підлягають вимірюванню, розібрати принципову схему лабораторної установки.

Підготовка експериментальної установки в лабораторних роботах №1, №2 та №3 на один з робочих режимів здійснюється до початку лабораторних занять. На виконання цих робіт відводиться по 4 академічні години.

Студенти знайомляться з експериментальною установкою, перевіряють наявність необхідних приборів, розподіляються по робочих місцях, та з дозволу викладача роблять потрібні вимірювання. Після закінчення експериментів протокол спостережень кожного студента повинен бути підписан викладачем для підтвердження вірогідності результатів експерименту.

Обробка результатів експериментів і оформлення звіту виконується у відповідності зі вказівками до кожної лабораторної роботи. Обчислення фізичних величин виконують у системі СІ.

Кожний студент оформляє індивідуальний звіт про виконану роботу. Звіт має містити: ціль роботи, необхідні теоретичні зведення, схему експериментальної установки, таблиці вимірів та результатів, основні розрахунки. Особливу увагу потрібно звернути на мотивовані висновки.

Під час захисту лабораторної роботи студент повинен показати достатні теоретичні знання та розуміння фізичної суті явищ, які вивчаються в лабораторній роботі, вміти пояснити виконані ним розрахунки, пояснити конструкцію експериментальної установки, порядок вимірів величин, прокоментувати побудовані графіки та зробити ґрунтовний аналіз результатів виконаної роботи.

Лабораторна робота №1

1 Дослідження охолодження тіла при різних умовах

Ціль роботи - визначити залежність сумарного коефіцієнта тепловіддачі від температури поверхні тіла при природному та змушеному охолодженні.

1.1 Теоретичні зведення

Природне охолодження зовнішніх поверхонь огороджень високотемпературних установок, паропроводів і іншого устаткування відбувається за рахунок природної конвекції.

При прискореному охолодженні з обдуванням металу повітрям або спеціальною захисною атмосферою, що циркулює в печі під муфелем, основну роль грає примусова (змушена) конвекція.

Охолодження тіл при різних умовах має місце в металургії під час охолодженні металу при термообробці (колпакові печі, печі з викатним подом, камерні термічні печі) і таке інше.

Закон теплообміну при охолодженні тіла можна записати у виді:

,

де q - питомий тепловий потік, що віддається тілом у навколишнє середовище, Вт/м²;

_- сумарний коефіцієнт тепловіддачі тіла в навколишнє середовище, Вт/(м²К);

t_п, t_окр - температура поверхні тіла і навколишнього середовища, відповідно, С.

Сумарний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К):

, (1.1)

де _л, _к - відповідно промениста і конвективна складова коефіцієнта тепловіддачі, Вт/(м²К).

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням _л визначається по формулі, Вт/(м²К):

(1.2)

де С₀=5,67 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м²К⁴);

 - ступінь чорності замкнутої системи сірих тіл, приймаємо  0,7;

Т_окр, Т_п – абсолютна температура, відповідно навколишнього середовища і поверхні тіла, К. (Увага! Т=t+273, К).

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією _к визначають по різних формулах, для кожного конкретного випадку в залежності від режиму руху середовища й умов охолодження: природне або змушене.

1. Природне охолодження

При природному охолодженні рух повітря щодо охолоджуваного зразка забезпечується під’ємною силою, що виникає через різницю густини нагрітого і холодного повітря. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією _к визначається по формулі , Вт/(м²К):

(1.3)

де  - коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/(мК), визначається по додатку А;

d - діаметр охолоджуваного зразка, м;

Gr - критерій Грасгофа, що представляє відношення піднімальних сил до сил в’язкого тертя середовища:

(1.4)

де g = 9,81 - прискорення вільного падіння, м/c²;

- коефіцієнт об'ємного розширення, К^-1;

 - кінематичний коефіцієнт в'язкості навколишнього середовища (повітря), м²/с, визначається по додатку А;

У якості визначальної прийнята температура навколишнього середовища.

2. Змушене охолодження

При змушеному охолодженні нагрітого тіла повітрям у каналі (турбулентний режим руху при Re = 10⁴…510⁶) коефіцієнт тепловіддачі конвекцією _к визначається по формулі, Вт/(м²К):

, (1.5)

де _ =ε_t·ε_ι – поправочний коефіцієнт, що враховує неізотермічність повітря (коефіцієнт ε_t ) і вплив початкової ділянки (коефіцієнт ·ε_ι ) ; за даними [8] приймаємо ε_t =1,45 та ε_ι =1,5;

 - коефіцієнт теплопровідності повітря, Вт/(мК); визначається по додатку А;

d_экв - еквівалентний діаметр каналу, який визначається по формулі, м:

(1.7)

де F - площа поперечного прохідного переріза каналу, що визначається виходячи з розмірів каналу й охолоджуваного тіла, м²;

П - периметр переріза каналу, м;

Re - критерій Рейнольдса, що представляє відношення сил інерції до сил в’язкого тертя середовища:

(1.6)

де W - середня швидкість руху повітря в каналі, м/с; визначається по таблиці 1.1;

 - кінематичний коефіцієнт в'язкості навколишнього середовища, м²/с, визначається по додатку А.