Воскресенский В.Ю., Канатников Ю.А., Логинов М.В. Лабораторный практикум по термодинамике, тепломассообмену и теплотехнике - файл n1.doc

Воскресенский В.Ю., Канатников Ю.А., Логинов М.В. Лабораторный практикум по термодинамике, тепломассообмену и теплотехнике
скачать (11791.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc11792kb.06.11.2012 19:06скачать

n1.doc



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
( образован в 1953 году

_____________________________________________________
КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНЫХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ




Холод.-1.11.0702 зчн.плн., Холод.-1.11.0702 зчн.скр., Холод.-1.11.0702 дн.скр. Холод.-2.11.0702 зчн.плн., Холод.-2.11.0702 зчн.скр., Холод.-2.11.0702 дн.скр.

Холод.-3.11.0702 зчн.плн., Холод.-3.11.0702 зчн.скр., Холод.-3.11.0702 дн.скр. Холод.-1.11.1706 зчн.плн., Холод.-1.11.1706 зчн.скр., Холод.-1.11.1706 дн. плн.

Холод.-2.11.1706 зчн.плн., Холод.-2.11.1706 зчн.скр., Холод.-2.11.1706 дн. плн. Холод.-3.11.1706 зчн.плн., Холод.-3.11.1706 зчн.скр., Холод.-3.11.1706 дн. плн.

Холод.-1.11.2701 зчн.плн., Холод.-1.11.2701зчн.скр., Холод.-1.11.2701 дн.плн. Холод.-2.11.2701 зчн.плн., Холод.-2.11.2701зчн.скр., Холод.-2.11.2701 дн.плн.

Холод.-3.11.2701 зчн.плн., Холод.-3.11.2701зчн.скр., Холод.-3.11.2701 дн.плн. Холод.-1.11.2703 зчн.плн., Холод.-1.11.2703 зчн.скр., Холод.-1.11.2703 дн.плн.

Холод.-2.11.2703 зчн.плн., Холод.-2.11.2703 зчн.скр., Холод.-2.11.2703 дн.плн. Холод.-3.11.2703 зчн.плн., Холод.-3.11.2703 зчн.скр., Холод.-3.11.2703 дн.плн.

Холод.-1.11.2704 зчн.плн., Холод.-1.11.2704 зчн.скр., Холод.-1.11.2704 дн.плн. Холод.-2.11.2704 зчн.плн., Холод.-2.11.2704 зчн.скр., Холод.-2.11.2704 дн.плн.

Холод.-3.11.2704 зчн.плн., Холод.-3.11.2704 зчн.скр., Холод.-3.11.2704 дн.плн. Холод.-1.11.2705 зчн.плн., Холод.-1.11.2705 зчн.скр., Холод.-1.11.2705 дн.плн.

Холод.-2.11.2705 зчн.плн., Холод.-2.11.2705 зчн.скр., Холод.-2.11.2705 дн.плн. Холод.-3.11.2705 зчн.плн., Холод.-3.11.2705 зчн.скр., Холод.-3.11.2705 дн.плн.

Холод.-1.11.2707 зчн.плн., Холод.-1.11.2707 зчн.скр., Холод.-1.11.2707 дн.плн. Холод.-2.11.2707 зчн.плн., Холод.-2.11.2707 зчн.скр., Холод.-2.11.2707 дн.плн.

Холод.-3.11.2707 зчн.плн., Холод.-3.11.2707 зчн.скр., Холод.-3.11.2707 дн.плн. Холод.-1.11.2708 зчн.плн., Холод.-1.11.2708 зчн.скр., Холод.-1.11.2708 дн.плн.

Холод.-2.11.2708 зчн.плн., Холод.-2.11.2708 зчн.скр., Холод.-2.11.2708 дн.плн. Холод.-3.11.2708 зчн.плн., Холод.-3.11.2708 зчн.скр., Холод.-3.11.2708 дн.плн.

Холод.-1.11.2710 зчн.плн., Холод.-1.11.2710 зчн.скр., Холод.-1.11.2710 дн.плн. Холод.-2.11.2710 зчн.плн., Холод.-2.11.2710 зчн.скр., Холод.-2.11.2710 дн.плн.

Холод.-3.11.2710 зчн.плн., Холод.-3.11.2710 зчн.скр., Холод.-3.11.2710 дн.плн. Холод.-1.11.2712 зчн.плн., Холод.-1.11.2712 зчн.скр., Холод.-1.11.2712 дн.плн.

Холод.-2.11.2712 зчн.плн., Холод.-2.11.2712 зчн.скр., Холод.-2.11.2712 дн.плн. Холод.-3.11.2712 зчн.плн., Холод.-3.11.2712 зчн.скр., Холод.-3.11.2712 дн.плн.

Холод.-1.11.3511 зчн.плн., Холод.-1.11.3511 зчн.скр., Холод.-1.11.3511 дн.плн. Холод.-2.11.3511 зчн.плн., Холод.-2.11.3511 зчн.скр., Холод.-2.11.3511 дн.плн.

Холод.-3.11.3511 зчн.плн., Холод.-3.11.3511 зчн.скр., Холод.-3.11.3511 дн.плн.






ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ТЕРМОДИНАМИКЕ,

ТЕПЛОМАССООБМЕНУ

И ТЕПЛОТЕХНИКЕ
Пособие для студентов механических и технологических специальностей всех форм обучения



www.msta.ru


4989
Москва – 2005

УДК 621.1.01(075.8)

Воскресенский В.Ю., Канатников Ю.А., Логинов М.В. П/ред. В.Ю.Воскре-сенского. Лабораторный практикум по термодинамике, тепломассообмену и теплотехнике.– М.,МГУТУ, 2005
Учебное пособие предназначено для студентов механических и технологических специальностей, изучающих по системе дистанционного обучения дисциплины «Термодинамика» «Тепломассообмен», и. «Теплотехника» Излагаются краткие теоретические сведения по темам лабораторных работ, описание лабораторных стендов и методика проведения измерений. Студенты могут при необходимости воспользоваться рекомендованной литературой.
Пособие предназначено для студентов факультетов Управления и информатизации (спец.0702 и 1706) и Технологического менеджмента (спец.2701-2712, 3511) 3-го курса полной и 2-го курса сокращенной форм обучения


Авторы: Воскресенский В.Ю., Канатников Ю.А., Логинов М.В. П/ред. В.Ю.Воскресенского.

Рецензенты:

Редактор Свешникова Н.И.
ISBN 5 – 89933 – 032 – 5


 Московский государственный университет технологий и управления, 2005

109004 М., Земляной вал, 73




С о д е р ж а н и е





1. Определение коэффициента теплопередачи водо–воздушного теплообменника

4

2.Определение кпд воздушного нагревателя

12

3.Определение удельной теплоемкости воздуха при постоянстве давления

18

4.Исследование процессов теплоотдачи конвекцией и излучением

24






















































































































































































ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

ВОДО–ВОЗДУШНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА









1–термостат

2–теплообменники

3–ротаметр

4–панель управления





Цель работы:

Практическое освоение учебного материала дисциплины по темам «Коэффициент теплопередачи» и «Основы теплового расчета теплообменников»
1.Теоретическая часть

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2.К), является важнейшей характеристикой теплообменного аппарата, указываемой в его техническом паспорте наряду с площадью теплообменной поверхности F, тепловой мощностью аппарата Q, кВт, наименованием охлаждаемой и нагреваемой сред и их расходом - массовым G, кг/с, или объемным V, м3/с. Величины Q, F и k связаны соотношением

Q = Fk m, (1)

где m,0С – температурный напор между горячей и холодной жидкостями, осредненный по всей теплообменной поверхности (см.рис.1).



Рис.1. Схематичное изображение графика изменения температуры горячей и холодной жидкостей, текущих вдоль теплообменной поверхности F (случай прямотока).  m,0С - средний температурный напор; GГ, GX , кг/с – расход (поток) горячей и холодной жидкостей.

Средний температурный напор m связан с концевыми температурными напорами max и min, также изображенными на рис.1. Если эти концевые напоры известны, то средний температурный напор вычисляют по среднелогарифмической формуле
(2)


Для приближенных вычислений используют среднеарифметическую формулу

(3)

Коэффициентом теплопередачи k определяется теплопередающая способность теплообменной поверхности – как самой стенки, разделяющей горячую и холодную жидкости, так и пограничных слоев, примыкающих к стенке со стороны горячей и холодной жидкости.

Наиболее просто физическое содержание коэффициента теплопередачи определяется, если теплообменная поверхность F в формуле (1) является поверхностью плоской стенки, не имеющей оребрений. Тогда коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2К), выражается формулой

, (4)

где 1 ,  2 , Вт/(м2 К) – коэффициенты теплоотдачи через горячий и соответственно холодный пограничные слои, , Вт/(м К) – коэффициен6т теплопроводности материала стенки, , м – толщина стенки.

В данной лабораторной работе выполняется поверочный тепловой расчет теплообменника.

Необходимо при известной площади теплообменной поверхности F определить фактическое значение коэффициента теплопередачи k по результатам измерения мощности теплового потока Q, Вт, и среднего температурного напора m0С.Если стенка не плоская, например, цилиндрическая или оребренная, то расчетной теплообменной поверхностью F в формуле (1) может служить или внутренняя поверхность трубы, или ее наружная поверхность, или даже поверхность оребрения. Каждой расчетной теплообменной поверхности F1, F2 или FОР одного и того же теплообменника отвечает свой коэффициент теплопередачи k1, k2 или kОР. Его определяют по формуле (1), представленной в виде

, или . (5)
Здесь мощностью теплового потока Q, Вт, определяется по удельной энтальпии греющей воды –

(6)

где G, кг/с – расход воды, , Вт/(кг*К) – удельная теплоемкость воды. Средний температурный напор определяется по формуле (2). Результатом лабораторной работы является определение одного из таких коэффициентов теплопередачи заданного теплообменника.

2.Описание лабораторного стенда.



Рис.2. Принципиальная схема лабораторной установки. Водо-воздушные теплообменники 2 и 3 - гладкотрубные, 4 – оребренный с внешней стороны.
Вода из термостата (1) (см. рис.2),нагретая до заданной температуры, прокачивается через один из трех водо–воздушных теплообменников (2,3,4). Теплообменники подсоединяются к водяному контуру с помощью кранов Kl — K3. Расход воды регулируется кранами Kl — K4. Теплообменники (2) и (3) представляют собой гладкие трубы из меди и нержавеющей стали, третий теплообменник— труба (4) с круглыми ребрами из углеродистой стали. Расход воды измеряется ротаметром (5). В установке предусмотрено измерение температуры потока воды на входе Tl и выходе Т2 теплообменника, а также в точке 'I'3, равноудаленной от входа и выхода. В случае теплообменника с ребрами предусмотрено измерение температуры на ребре в точке Т4. Температура определяется по прибору УКТ-38.

В исходном положении (фото 3) все краны должны быть открыты, т.е. находиться в горизонтальном положении, переключатели– в нижнем положении. При включении: перевести выключатель «сеть» (поз. 2) в верхнее положение, включить УКТ-38 переключателем «ИТ» (поз.5), включить выключатель «насос» (поз. 3), включить выключатель «нагреватель» (поз. 4).

Внимание! Включение термостата произвести только после перевода переключателя «нагреватель» в верхнее положение.

Для пуска термостата (фото 4) необходимо установить переключатель (поз.1) в положение «=» (поз.2), напротив красной метки; при этом загорается красная лампочка (поз. 3). Работу можно начинать после автоматического отключения термостата, когда гаснет красная лампочка (фото 4, поз. 3). Это означает, что в термостате вода подогрета до заданной температуры и по шлангам прокачивается в теплообменники. Расход воды измеряется ротаметром.











На панели управления (фото 3) размещены:

– выключатель «ИТ» (поз. 5), прибор УКТ-38 (поз. 6).

Внимание! Кран К4 (фото 3 поз.7) всегда должен быть открыт.

На стенде расположены три теплообменника (фото. 2). Теплообменники (2) и (3)– гладкие трубы из меди и нержавеющей стали, третий (1) - труба с круглыми ребрами из углеродной стали.

Кран К1, перекрывает подачу воды в теплообменник (1),

кран (К2) – в теплообменник (2), кран (К3) – в теплообменник (3).
Измерения проводятся на одном из теплообменников, например, с круглыми ребрами (фото 2,поз.1). Краны К2 и К3 (фото 3). Закрываются поворотом по часовой стрелке на 90о. Устанавливается с помощью ротаметра расход воды через теплообменник. Регулируя кран К1 (фото3) подводят шарик ротаметра к отметке 50 и определяют по графику расход воды через теплообменник. Значения температур определяют по показаниям прибора УКТ – 38 . Для этого необходимо перевести УКТ-38 (фото 5) в режим сканирования каналов однократным нажатием на кнопку СТОП (1). Высвечиваются оба индикатора (2 и 3) и первый канал (4). Верхний индикатор (2) показывает температуру, нижний (3) – номер канала (термопары). В режиме сканирования прибор последовательно отображает номер термопары и ее температуру. Для перевода УКТ-38 в ручной режим нажать на кнопку СТОП (1). На нижнем индикаторе (3) высветится «100.0», на верхнем индикаторе (2) отображается температура. Нажимая на кнопку (▲) поз. 5 или (▼) поз. 6 выбирают термопару, для измерения температуры.

Аналогичные операции проводятся для других теплообменников.

Расположение термопар на теплообменниках

№ термопары

Канал на УКТ - 38

Местонахождение термопар

Теплообменник

фото 2

1.

2.

3.

4.

1

2

3

4

Вход.

Выход.

Ребро.

Равноудаленные точки.

Поз. 4.

5.

6.

5

6

Вход.

Выход.

Поз. 2.

7.

8.

7

8

Вход.

Выход.

Поз. 3.

3.Последовательность выполнения лабораторной работы


  1. Измеряются температуры Т1 и Т2 воды на входе и выходе теплообменника, а также температура воздуха, охлаждающего наружную поверхность теплообменника. По полученным данным строится в масштабе график изменения температур вдоль теплообменной поверхности (по образцу рис.1). Вычисляются концевые температурные напоры 1 и 2 , а по ним – средний температурный напор m, следуя формулам (2) или (3).

  2. Выбирается расчетная теплообменная поверхность - F1, F2 или FОР и вычисляется ее величина в м2 по известным геометрическим размерам теплообменника.

  3. Вычисляется мощность теплового потока Q, Вт, через теплообменную поверхность; для этого

а) измеряется по ротаметру расход воды G через теплообменник, результат выражается в кг/с.

б)по формуле (6) определяется убыль энтальпии воды между входом и выходом теплообменника.

  1. По формуле (5) вычисляется искомое значение коэффициента теплопередачи для выбранной расчетной теплообменной поверхности теплообменника.


4.Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать: 1)чертеж – схематический разрез заданного теплообменника с указанием необходимых размеров, 2)протокол измерений температур воды и воздуха, а также расхода воды, 3)расчеты: а) площади расчетной теплообменной поверхности, б)среднего температурного напора, в)мощности теплового потока, г) искомого коэффициента теплопередачи.

5.Контрольные вопросы


1.Теплообменная мощность теплообменника достигается увеличением его теплообменной поверхности, соответственно его габаритов, массы, следовательно, цены. Можно ли увеличить теплообменную мощность теплообмен-ника одним только увеличением его коэффициента теплопередачи?

Да-Нет. Ответ обосновать формулой (1).

2.Снижение коэффициента теплоотдачи ведет ли к снижению и коэффициента теплопередачи?

Да-Нет. Ответ обосновать формулой (2).

3.Можно ли изменить средний температурный напор теплообменника, изменяя скорость потоков горячей и холодной жидкостей, но сохраняя их входные температуры?

Да-Нет. Ответ обосновать анализом рис.1

4.Влияет ли расход жидкости через теплообменник на величину среднего температурного напора?

5.Изменяется ли температура горячей жидкости при ее течении вдоль теплообменной поверхности конденсатора?

Да-Нет. Ответ сопоставить с рис.1

6.Изменяется ли температура холодной жидкости при ее течении вдоль теплообменной поверхности испарителей?

Да-Нет. Ответ сопоставить с рис.1

7.Может ли теплообменник иметь одновременно два разных коэффициента теплопередачи?

Да-Нет. Ответ обосновать формулами (5).

8.Может ли коэффициент теплопередачи через гладкую (неоребренную) плоскую стенку быть больше коэффициента теплоотдачи одной из поверхностей этой стенки?

Да-Нет. Ответ обосновать формулой (4), (6), (8).

9.Изменяется ли коэффициент теплопередачи теплообменника в процессе его эксплуатации вследствие загрязнений на теплообменной поверхности?

Да-Нет.


Список рекомендуемой литературы





ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ВОЗДУШНОГО НАГРЕВАТЕЛЯ




1.U - образный манометр

2.Сосуд Дьюара (объем 2л)

3.Панель управления

К1, К2, К3 – краны


Цель работы:

Практическое освоение учебного материала дисциплины по темам «Теплоемкомть», «Работа сил давления» и «Первый закон термодинамики»
1.Теоретическая часть

Рассматривается процесс: воздух в замкнутой емкости нагревается от спирали электронагревателя. Подведенная к спирали электроэнергия W, Дж, превращается частично в тепловой поток Q, Дж, поглощаемый непосредственно нагревающимся воздухом, а частично в тепловые потоки Q*, поглощаемые стеклянными стенкам емкости и самой спиралью, нагревающимися одновременно с воздухом:

.

Соответственно отношением

(1)

определяется КПД нагрева воздуха электрическим нагревателем в рассматриваемых условиях.

Подведенная электроэнергия равна произведению измеряемых в опыте величин:

, (2)

где IЭ, амперы - электрический ток через спираль нагревателя, UЭ, вольты - электрическое напряжение, поданное на спираль, , секунды - продолжительность нагрева.

Поглощаемый воздухом тепловой поток Q, как известно из Первого закона термодинамики, расходуется на увеличение внутренней энергии U, Дж, воздуха и на совершение работы L, Дж, сил давления, если воздух расширяется. Соответствующая аналитическая формулировка первого закона термодинамики для теплового потока q, Дж/К, поглощенного 1 кг рабочего тела -

q = u + l.

Эта формулировка принимает в случае равновесных процессов идеального газа, имеющего удельную теплоемкость газа в изохорном процессе сV, Дж/(кг.К), вид

.

или

q = cV(t2t1) + p v, (3)

где сVсреднее значение удельной теплоемкости газа при его нагревании в изохорном процессе в интервале температур от t1 до t2, а р, Па – среднее значение давления в процессе увеличения удельного объема v, м3/кг.
Чтобы воспользоваться формулой (3) для определения теплового потока Q, Дж, поглощенного заданным объемом V, м3, газа, при его нагревании в ин-


Рис.1. График процесса при нагревании газа с изменением объема и давления.
тервале температур от t1 до t2, необходимо:

, (4)

где R=287 Дж/(кг.К) – газовая постоянная воздуха, р, V, T – абсолютное давление, Па, объем, м3, и абсолютная температура, К, воздуха в емкости в любом его равновесном состоянии;



Тогда согласно формуле (3) тепловой поток, Дж, может быть определен по формуле

, (5)

где давление р – среднее абсолютное давление в процессе.

Остается вычислить по формулам (1) и (2) искомое значение КПД при нагревании воздуха электронагревателем.

2. Описание лабораторного стенда.

Рис.1 Принципиальная схема установки

1-Сосуд Дьюара, 2. U-образный водяной манометр; 3. Нагреватель; 4.микрокомпрессор; К1, К2, К3 (поз.5) - краны







На панели управления (фото 3) размещено следующее оборудование:

  1. Выключатель «сеть» поз. 1.

  2. Прибор MY-67 поз. 2.

  3. Переключатель «нагрев» поз.З (каждому положению соответствует
    свое значение напряжения и тока на нагревателе).

  4. Выключатель «компрессор» поз. 4.

  5. Тумблер выбора позиции измерений (поз. 5): в верхнем положении «U» замеряется напряжение в вольтах, в нижнем «I» - ток в А. Результаты измерений отображаются на приборе mV - 67 (фото 4, поз.3.).

  6. Выключатель «термометр» поз.6.

  7. Индикатор температуры (поз. 7);используются показания, отображаемые на левой половине экрана (поз. 8).

3. Последовательность выполнения лабораторной работы:

Перед включением установки, т.е. до перевода тумблера «сеть» (фото 3, поз.1) в верхнее положение все переключатели должны находиться в выключенном положении (поз. 1,4,5,6 в нижнем положении, поз.3 на нуле). Краны: К1, К2, К3 (фото 2)— закрыты.

При повторном проведении опыта необходимо удалить нагретый воздух из сосуда Дьюара с помощью микрокомпрессора. Для этого надо установить переключатель «нагрев» на «0»,открыть краны К1 и К2, закрыть кран К3 и включить компрессор.

Внимание. При включенном компрессоре кран К3 (рис.1 поз.5)

должен быть закрыт.

Если стенд подготовлен к опыту, то необходимо:

  1. Включить «сеть» поз.1 (фото 3).

  2. Включить прибор mV - 67 (фото 4) нажатием на красную кнопку (поз.4)
    и перевести переключатель (поз. 1) в положение V~ (поз 2)

  3. Включить «термометр» (поз. 6).

  4. Открыть кран К3 (фото 2).

  5. Записать показания термометра и показания на левом колене U – образного манометра.

  6. Перевести переключатель «нагрев» (фото 3 поз. 3) в положение 1 и одновременно включить секундомер. Измерить ток и напряжение на нагревателе. Результаты измерений занести в протокол.

7. Довести уровень в левом колене U – образного манометра до отметки «300» (красная метка). Выключить нагреватель и одновременно секундомер. Продолжительность нагрева ? в секундах и разность уровней манометра в делениях занести в протокол.

4.Содержание отчета по лабораторной работе


Отчет содержит:

5.Контрольные вопросы


Да-Нет. Иметь ввиду, что 1мм вод. ст.  10 Па.



Список рекомендуемой литературы





  1. Воскресенский В.Ю.,Мороз Т.Г., Фадеев В.В. Теплотехника. Учебно-практическое пособие - М.: МГУТУ, 2004г.

  2. Воскресенский В.Ю. Краткий курс технической термодинамики. Учебное пособие – М.: МГУТУ, 2000г.

  3. Теплотехника. П/ред. А.П.Баскакова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.


«ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ

ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯНСТВЕ ДАВЛЕНИЯ»







1. U - образный манометр поз. 1.







2.Капилляр поз. 2.







3.Сосуд Дьюара (объем 2л.) поз. 3.







4.Панель управления поз. 4.








Цель работы:

Практическое освоение учебного материала дисциплины по теме «Теплоемкость газов в изохорном и изобарном процессах».
1.Теоретическая часть

Теплоемкость тела есть его свойство, определяемое величиной теплопритока к телу при изменении температуры тела на один градус. Практическое значение имеют удельные теплоемкости тел. Различают удельные теплоемкости с, с’ и с :

с, кДж/(кг.К) -теплоемкость тела массой в 1кг, или массовая теплоемкость,

с’, кДж/(м3.К) – теплоемкость тела объемом в 1м3, или объемная теплоемкость,

с, кДж/(кмоль.К) – теплоемкость тела в количестве 1кмоля, или молярная теплоемкость.

Величина этих удельных теплоемкостей в случае, если телом является газ, зависит от вида процесса нагревания-охлаждения – изобарного процесса или изохорного. При этом теплоемкость изобарного процесса р=const обозначается как сР, сР’ или сР, соответственно теплоемкость изохорного процесса v=const – cV, сV‘ или сV.

В общем случае теплоемкость зависит от температуры и давления газа. Однако на практике часто можно пренебречь зависимостью теплоемкости и от температуры, и от давления, то есть условно принимать ее величиной постоянной. Например, теплоемкость воды условно принимают равной сH2O=4,2 кДж/(кг.К), теплоемкости воздуха - изобарная сР=1 кДж/(кг.К), изохорная cV=0,72 кДж/(кг.К).

При необходимости более точных расчетов надо учитывать зависимость теплоемкости от температуры и пользоваться таблицами теплоемкости. Имеются два вида таблиц – таблицы средней теплоемкости и таблицы истинной теплоемкости.

В таблицах средней теплоемкости сm t приведены значения средних значений удельной теплоемкости газов в интервале температур 00С…t0C. Соответственно теплоприток при нагревании 1 кг газа от t’ до t” определится по формуле

q = cm t” t” – cm t’ t’ (1)
Например, в таких таблицах могут быть представлены средние теплоемкости для интервалов 0…2000, 0…3000 и т.д. Обозначение таких теплоемкостей – сm200, c m300 и т.д. Соответственно теплоприток при нагревании от 2000 до 3000С определится по формуле

q = c m300.3000 - сm200.2000.
Для расчета теплопритоков при малых изменениях температуры газа используют таблицы истинной теплоемкости:

q = c (t” – t’). (2)

Здесь с – удельная теплоемкость, взятая по таблице истинной теплоемкости при средней температуре процесса

t  (t” + t’)/2. (3)

В частности, если процесс изобарный и известен массовый G, кг/с, или объемный V, м3/с, расходы, то теплоприток Q, Вт, определяют по формулам

Q = G cP (t” – t’), [cP]=кДж/(кг.К), (4)

или

Q = V cP’ (t” – t’), [cP‘]=кДж/(м3 К). (5)

Следует иметь ввиду, что объемный расход газа V, м3/c, должен быть приведен к нормальным условиям – давлению рН=760 мм рт. ст. и температуре ТН=293 К.

При необходимости максимально точных расчетов, когда учитывается влияние также и давления на теплоемкость, теплопритоки q вычисляют по точным формулам, вытекающим непосредственно из первого закона термодинамики. Например, при изобарном процессе

q = h”- h’, кДж/кг. (6)
где значения удельных энтальпий находят в таблицах термодинамических свойств рабочих тел.


2.Описание лабораторного стенда

Проточный калориметр (см. рис.1) представляет собой сосуд Дьюара, теплоизолированный от внешней среды. В калориметре размещен электронагреватель, через калориметр пропускается поток воздуха, расход которого измеряется расходомером. На входе и выходе потока воздуха из калориметра установлены датчики температуры, позволяющие определить прирост температуры при данном расходе

воздуха при данной мощности теплового потока, подведенного к потоку воздуха от электронагревателя. Устройство калориметра призвано обеспечить выполнение условия: вся измеренная мощность электронагревателя будет передана только потоку проходящего через калориметр воздуха. При этом условии повышение температуры воздуха, проходящего через калориметр, определяется только его теплоемкостью. Соответственно по приросту температуры может быть определена теплоемкость воздуха, если известен его расход и подведенная к нему тепловая мощность.



Рис.1. Принципиальная схема лабораторной установки.

3- U-образный манометр для измерения перепада давления на капиллярной трубке; 9-выходная трубка для воздуха, поступающего в калориметр через отверстие в пробке, закрывающей калориметр; 10 - спираль электрического нагревателя; 11- дифференциальная термопара для измерения прироста температуры в потоке воздуха, проходящего через калориметр 13- внешние стенки калориметра (сосуд Дьюара); 12-капиллярная трубка для измерения расхода воздуха по перепаду давления в ней;





На панели управления (фото 2) размещено следующее оборудование:

  1. Выключатель «сеть» поз. 1.

  2. Прибор MY-67 поз. 2.

  3. Переключатель «нагрев» поз.3 (каждому положению соответствует
    свое значение напряжения и тока на нагревателе).

  4. Выключатель «компрессор» поз. 4.

  5. Тумблер выбора позиции измерений (поз. 5) верхнее U - замеряем
    напряжение в вольтах, нижнее I - замеряем ток в амперах. Результаты
    измерений отображаются на приборе mV - 67. Фото 3, поз.З.

  6. Выключатель «термометр» поз.6.

  7. Индикатор температуры поз. 7.


3. Последовательность выполнения лабораторной работы

Перед включением установки, т.е. перевода тумблера, «сеть» (фото 2, поз.1) в верхнее положение все переключатели должны находиться в выключенном положении (поз. 1,4,5,6 в нижнем положении, поз.3 на нуле).

  1. Включить сеть поз. 1

  2. Включить прибор mV - 67 (фото 3) нажатием на красную кнопку
    (поз.4) и перевести переключатель (поз. 1) в положение V~ (поз 2)

  3. Перевести переключатель «нагрев» (фото 2 поз. 3) в положение 1.

  4. Включить «термометр» (поз. 6).

  5. После прогревания калориметра записать показания термометра (поз.7): в верхнем индикаторе отображается температура воздуха на выходе из сосуда, на нижнем–на входе в сосуд.

  6. Замерить ток и напряжение на нагревателе и вычислить его мощность.

  7. Записать показания U-образного манометра и определить по графику расход воздуха.

Внутренний диаметр трубки U-образного манометра=4,2мм. Длинна капилляра=99мм., диаметр=2мм.

Примечание. Если требуется исследовать зависимость теплоемкость от температуры, то необходимо устанавливать переключатель «нагрев» последовательно в поз 2,3…и выполнять аналогичные замеры.

8.Вычислить теплоемкость воздуха в изобарном процессе по результатам измерений расхода воздуха через калориметр, теплопритока к воздуху в калориметре и изменению температуры потока воздуха от входа до выхода из калориметра.

9.Установить сходимость результатов измерения с данными таблиц по теплоемкости воздуха.

4. Контрольные вопросы


1.Познакомьтесь с таблицами теплоемкости. Встречаются ли газы с одинаковыми значениями удельных теплоемкостей сР и cV ?

2.Имеются ли одинаковые числовые значения удельных теплоемкостей воздуха сР и сР ‘?

3.Одинаковы ли единицы измерения у удельных массовых теплоемкостей изобарного и изохорного процессов?

4.Проанализируйте формулу (4). Пусть задан не расход газа G, кг/с, в потоке, а масса газа G, выраженная в кг и заполняющая некоторую емкость. Можно ли применять формулу (4)?

5.В каких единицах выразится теплоприток Q, если G выразить в кг?

6.К каких единицах выразится теплоприток Q, если V в формуле (5) выразить не в м3/кг, а в м3 ?

5. Содержание отчета по лабораторной работе


Отчет должен содержать: 1)принципиальную схему лабораторной установки; 2)результаты измерения и вычислений расхода воздуха через проточный калориметр; 3)результаты измерения и вычисление мощности электронагревателя; 4)результаты измерения температуры воздуха на входе в калориметр и на выходе; 5)вычисления теплоемкости воздуха; 6)сопоставление с табличными данными по теплоемкости воздуха.




Список рекомендуемой литературы


1.Воскресенский В.Ю., Мороз Т.Г., Фадеев В.В. Теплотехника. Учебно-практическое пособие. – М.МГУТУ, 2004г.

2.Теплотехника. П/ред. А.П.Баскакова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООТДАЧИ

КОНВЕКЦИЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЕМ»








1.горизонтально расположенная труба диаметром 25 мм из нержавеющей стали







2. панели управления








Цель работы:

Практическое освоение учебного материала дисциплины по двум темам -«Теплоотдача при естественной, или свободной конвекции» и «Теплоотдача излучением».

1.Теоретическая часть

Тепловой поток Q, проходящий сквозь поверхность F образца, вызывается разностью температур. Его величина, измеряемая в ваттах, определяется температурным напором и физическими свойствами среды, в которой совершается теплообмен. В расчетах принято использовать также величину, называемую плотностью теплового потока q. Она измеряется в Вт/м2 и выражает тепловой поток, проходящий через единицу поверхности. Зная плотность теплового потока q, можно определить весь тепловой поток Q через заданную поверхность. Например, если F , м2 – площадь цилиндрической поверхности образца, а q - средняя плотность теплового потока через эту стенку, то общий тепловой поток через стенку равен

Q=qF. (1)

В общем случае, при неравномерной плотности теплового потока,

Q=q dF

Известны три основных явления теплообмена и соответственно три закона теплообмена, по которым определяют плотность теплового потока в зависимости от физических свойств среды, в которой протекает теплообмен.

q=- grad t. (2)

q=(tc - tж). (3)

q=T4. (4)
В закон Фурье (2) входит коэффициент теплопроводности, измеряемый в Вт/(м К). Его величина выбирается из таблиц теплопроводности. Например, для различных видов стали =20...40 Вт/(м К), для кирпичной стенки 0,7...0,8 Вт/(м К), для неподвижного слоя воды 0,55...0,68, для пористых теплоизоляционных материалов 0,07...0,08, для неподвижного слоя воздуха 0,02...0,03 Вт/(м К) в зависимости от его температуры. Градиент температуры grad t зависит от вида температурного поля в теле. Например, в простейшем случае плоской стенки с толщиной  имеем grad t = (tС1tС2)/ где tс1tс2 - перепад температур по толщине стенки.

В закон Ньютона-Рихмана входит разность температур по толщине пограничного слоя жидкости, омывающей стенку: tС - температура пограничного слоя со стороны стенки, равная температуре поверхности стенки, а tж - температура жидкости за пределами пограничного слоя, то есть на удалении от поверхности образца. Способность самого пограничного слоя проводить тепловой поток зависит от многих факторов - формы стенки, вида жидкости (газа), его температуры и скорости движения вдоль стенки. Все разнообразие этих факторов учитывается величиной коэффициента конвективной теплоотдачи измеряемого в Вт/(м2 К). Он вычисляется по критериальным формулам теории подобия вида Nu=f(Re, Gr, Pr), где

Nu=L/- число Нуссельта, (5)

Re= wL/- число Рейнольдса, (6)

Gr=g(tСtЖ)L3/2- число Грасгофа, (7)

Pr=a/ число Прандтля. (8)

Эти безразмерные числа подобия, выраженные числами Нуссельта, Рейнольдса, Грасгофа и Прандтля содержат известные величины и одну неизвестную - искомый коэффициент конвективной теплоотдачи Известными являются, во-первых, измеряемые в опыте величины: L – определяющий размер, например, диаметр трубки или высота стенки, w- скорость потока жидкости, tС, tЖ - температуры, во-вторых, теплофизические свойства жидкости, приводимые в таблице в учебном пособии по дисциплине (- коэффициент теплопроводностиомывающей жидкости, - ее кинематический коэффициент вязкости,  - ее коэффициент объемного расширения).

Конкретный вид критериальных формул, связывающих числа подобия, также приводится в учебном пособии и других пособиях по теплообмену. Причем, одна и та же критериальная формула используется для расчета коэффициента конвективной теплоотдачи во многих подобных друг другу явлениях теплоотдачи, отличающихся размерами стенок, видом и скоростью жидкости или газа, обтекающих стенку, а иногда и формой стенки. Например, при вынужденном турбулентном течении жидкости или газа в трубе или канале различного сечения выбирают для расчета критериальную формулу

NuЖ= 0,021 ReЖ 0,8PrЖ 0,43 . (PrЖ/PС)0,25 . (9)

А при свободной, или естественной конвекции жидкости или газа вблизи горизонтальной трубы диаметром L выбирают критериальную формулу

NuЖ= 0,5(GrЖ PrЖ)0.25 . (PrЖ/PС)0,25 . (10)

По толщине пограничного слоя температура, а, следовательно, и теплофизические свойства жидкости меняются. Эти изменения учитываются нижними индексами. Они указывают температуру, по которой следует вычислять числа подобия: «ж» - по температуре tЖ вдали от стенки, то есть за пределами пограничного слоя, «с»- по температуре tС на поверхности стенки.

Мы будем измерять среднюю температуру поверхности пластины tc и температуру tж окружающего воздуха на удалении от трубки, то есть за пределами пограничного слоя. Число Грасгофа мы вычислим, имея ввиду, что ускорение свободного падения g=9,81 м/с2, коэффициент объемного расширения воздуха, омывающего нагретую стенку, можно вычислить по формуле

Т (11),

где Т - среднеарифметичесая температура пограничного слоя в кельвинах, tc - tж - разность температур по толщине пограничного слоя воздуха, омывающего стенку, L – наружный диаметр трубы в метрах, - кинематический коэффициент вязкости воздуха при среднеарифметической температуре пограничного слоя воздуха, определяемый по таблице физических свойств сухого воздуха. По этой же таблице определяется и непосредственно число Прандтля Pr воздуха в пограничном слое.

Вычислив коэффициент конвективной теплоотдачи  определяют по формуле Ньютона-Рихмана плотность конвективной теплоотдачи на поверхности образца и общий конвективный поток QКОНВ с поверхности образца.
В закон Стефана-Больцмана входятконстанта 5,67*10-8Вт/(м2К4) - постоянная Стефана -Больцмана и Т - температура в кельвинах. Формула определяет собственное излучение с одного кв.м. абсолютно черного тела. Более слабое фактическое собственное излучение реальных тел учитывается коэффициентом, называемым степенью черноты :

q = T4 , (12)

Степень черноты различных реальных поверхностей всегда меньше единицы и приводится в учебных пособиях в соответствующих таблицах. По ним должна быть определена степень черноты панели в лабораторном опыте.

Известно, что все поверхности с температурой Тс не только сами излучают, но и частично поглощают встречное тепловое излучение, поступающее от окружающих тел с температурой Т0. Поэтому теплоотдача излучением определяется плотностью результирующего теплового потока излучением, отдаваемого нагретой поверхностью, и вычисляется по формуле Стефана-Больцмана

qрез= пр5,67[(Tc/100)4-(T0/100)4] (13)

В эту формулу вводят приведенную степень черноты, вычисляемую по формуле

пр=1/(1/с +(Fc/F0)(1/0 - 1)) (14)

где с - табличное значение степени черноты излучающего нагретого тела с температурой Tc, 0 - степень черноты излучения окружающих твердых стен (холодный воздух в лучистом теплообмене не участвует) с температурой T0.

Очевидно, что если поверхность образца Fc значительно меньше суммарной поверхности F0 всех окружающих стен, то дробь Fc/F0 в формуле (13) обращается в нуль.

Суммируя вычисленные по формулам (3) и (13) плотности теплового потока при теплоотдаче конвекцией и при теплоотдаче излучением, определяют суммарную плотность теплоотдачи в Вт/м2. Зная площадь F опытного образца, определяют по формуле (1) суммарную мощность, отводимую от него в окружающую среду, то есть общий поток теплоотдачи, который должен быть равен измеренной мощности электрического нагревателя с учетом неизбежных погрешностей, допускаемых при измерениях и вычислениях.

2.Описание лабораторного стенда

Рис.1.Принципиальная схема установки.

1-термометр для измерения температуры воздуха; 2-опытный образец; 3-торцевые теплоизоляторы; 4-спираль нагревателя опытного образца с регулируемым электрическим током IН и регулируемым напряжением UН .

Опытным образцом настоящей лабораторной работе является горизонтально расположенная трубка в условиях свободной конвекции окружающего воздуха:

диаметр трубки равен 25мм,

длина трубки равна 430 мм,

материал трубки – нержавеющая сталь.

Внутри трубки вмонтирован электрический нагреватель (см.рис.1), имеющий регулятор тока и напряжения. При пропускании электрического тока образец нагревается и его цилиндрическая поверхность вступает в теплообмен с окружающей более холодной средой за счет теплоотдачи конвекцией и теплоотдачи излучением. Теплоотдачу через торцевые поверхности образца подавляют установкой торцевых теплоизоляторов. Температура нагреваемого образца будет расти до тех пор, пока мощность теплоотдачи вовне, возрастая с ростом температуры, не сравняется с практически постоянной мощностью, выделяемой электронагревателем внутри трубки. В результате установится стационарный теплообменный режим между поверхностью трубки и окружающей средой. Этот теплообмен представляет собой сочетание двух явлений, имеющих разную природу - конвективная теплоотдача к воздуху в вертикальном коробе и лучистый теплообмен со стенками короба. Природа и количественная характеристика этих двух составляющих теплообмена исследуется в данной лабораторной работе.




Описание лабораторного стенда.





На панели управления (фото 2) размещены:

прибор УКТ 38 (1) —многоканальный измеритель температуры,

прибор mY - 37 (2) — для измерения тока -I и напряжения - U;

переключатель П1 (3);

выключатель «сеть» (4);

выключатель «нагрев» (5);

переключатель (6) - выбор режима измерений. В положении 1 – измеряется ток (А), проходящий через нагреватель, в положении U-измеряется напряжение (В) на нагревателе.

Последовательность включения установки:

Выключатель «сеть» (4) перевести в верхнее положение.

Выключатель «нагрев» (5) перевести в верхнее положение.

Перевести переключатель П (3) в положение 1 (работа выполняется последовательно в трех положениях – 1, 2 и 3).

Включить прибор mY-67 (фото 3). Нажать на красную кнопку (4) и перевести переключатель (1) в положение V~ (2).

Включение и работа прибора УКТ – 38:

  1. Перевести УКТ-38 (фото 3) в режим сканирования каналов однократным нажатием на кнопку СТОП (1). Высвечиваются оба индикатора (2 и 3) и первый канал (4). Верхний индикатор (2) показывает температуру, нижний (3) – номер канала (термопары).

  2. Работа УКТ-38 в автоматическом режиме (режим сканирования). В этом режиме прибор последовательно отображает номер термопары и температуру на ней.

  3. Работа в ручном режиме. Для перевода в ручной режим нажать на кнопку СТОП (1). На нижнем индикаторе (3) высветится «100.0», на верхнем индикаторе (2) отображается температура. Нажимая на кнопку (▲) поз. 5 или (▼) поз. 6 выбираем термопару на которой надо измерить температуру. Номер термопары соответствует номеру канала поз. 4.

Расположение термопар на трубе: три термопары расположены в равноудаленных точках от концов трубы по окружности, две на концах трубы и две на равных расстояниях между равноудаленными и концевыми термопарами

Нумерация термопар на стендах:

Стенд 4 №1–


●5

●4

●1

●2

●3

●6

●7

Стенд 4 №2–

●1

●3

●5

●6

●7

●4

●2

Для выхода на рабочий режим требуется 5ч7минут.

Замеряем ток и напряжение на термопарах в трех положениях переключателя П1. Результаты заносим в таблицу.

3.Последовательность выполнения работы.


Электрическим током нагреть до заданного уровня температуры опытный образец в форме горизонтально расположенного цилиндра заданного размера .

Измерить тепловую мощность QЭЛ электрического нагревателя образца.

Вычислить по формулам конвективной теплоотдачи и теплоотдачи излучением суммарную тепловую мощность QКОНВ+QИЗЛ,, отводимую от поверхности образца в окружающую среду.

Установить сходимость результатов измерения тепловой мощности QЭЛ с результатами ее вычисления по формулам QКОНВ+QИЗЛ..

4.Контрольные вопросы


1.Сравните полученные Вами в отчете значения составляющих теплоотдачи. Всегда ли QКОНВ должно быть больше, чем Q ИЗЛ ?

2.Как можно добиться увеличения QКОНВ?

3.Как можно добиться увеличения Q ИЗЛ ?

4.В каких случаях полезно увеличивать составляющие теплоотдачи?

5.В каких случаях полезно уменьшить составляющие теплоотдачи?

6.Одинаковы ли единицы измерения теплового потока и плотности теплового потока?

7.Одинаковы ли единицы измерения коэффициента теплопроводности и коэффициента теплоотдачи?

Список рекомендуемой литературы


1.Воскресенский В.Ю.,Мороз Т.Г., Фадеев В.В. Теплотехника. Учебно-практическое пособие. Изд.МГУТУ, 2004г.

2.Воскресенский В.Ю. Тепло- и массообмен. Вып.I.Учебно.- практическом пособие. МГУТУ,2004.

3.Воскресенский В.Ю. Тепло-и массообмен. Вып.II.Учебно- практическом пособие. МГУТУ, 2004

4.Теплотехника. П/ред. А.П.Баскакова. – М.: Энергоатомиздат, 1991.

5.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учебник для вузов – М.: Энергоиздат, 1981.

6.Бараненко А.В. и др. Практикум по холодильным установкам – С-Пб.: Профессия,2001.



Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации