Учебное пособие 1144
.pdf
1.9. Обработка экспериментальных данных
По показаниям ртутного термометра с учетом формул (1.3) и (1.4) определить истинную температуру воды в термостате.
При определении температуры воды по пирометру использовать кривую прибора (или переводную таблицу). Если во время испытания температура холодного спая поддерживается равной 0
, то температуру определять
с помощью градуировочной кривой (или переводной таблицы) по показанию потенциометра. Если же во время испытания температура холодного спая поддерживалась выше 0
, то согласно уравнению (1.5) привести показания
потенциометра к условиям градуировки, а затем уже по кривой определить температуру.
Температуру воды по термометру сопротивления определять из градуировочной кривой прибора по показаниям моста или непосредственно по логометру.
Показания манометрического термометра снимать по шкале прибора. Определить температуру абсолютную и по шкале Фаренгейта с использо-
ванием формул (1.1) и (1.2).
Провести сравнительный анализ температуры воды в термостате, измеренной различными способами.
Литература
[1, с. 56 — 229].
Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ЦИЛИНДРА
2.1. Цель работы
Определить коэффициент теплопроводности изоляционного материала (асбеста, шлаковаты) и его зависимость от температуры материала.
2.2. Краткие теоретические сведения
Интенсивность переносов теплоты в твердом теле определяется температурным градиентом и значением коэффициента теплопроводности. Последний является физическим параметром: он характеризует способность материала проводить теплоту. Для различных материалов коэффициенты теплопроводности различны и зависят от структуры, массы, влажности и температуры [3].
Одним из методов определения коэффициента теплопроводности является так называемый метод цилиндра (трубы).
11
Исследуемому материалу придается форма цилиндрического слоя, его помещают на поверхность круглой трубы, которая изнутри равномерно прогревается. При установившемся тепловом режиме системы все количество теплоты, выделяющееся внутри трубы, проходит через слой материала и определяется следующим уравнением:
, |
(2.1) |
где λ — коэффициент теплопроводности исследуемого теплоизоляцион- |
|
ного материала, Вт/(м*град); — длина трубы, м; |
— соответственно |
внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя материала, м; соответственно средняя температура внутренней и внешней поверх-
ностей теплоизоляционного слоя, 
.
Если измерить |
, то из уравнения (2.1) можно опреде- |
лить значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м•град).
При качественно выполненном эксперименте и высокой точности измерительных приборов относительная погрешность в определении λ не превышает 3…5 %.
Еще одним достоинством данного метода является то, что экспериментально можно определить коэффициент теплопроводности сложной теплоизоляционной конструкции, состоящей из нескольких слоев, что чаще всего встречается на практике.
2.3. Принципиальная конструктивная схема экспериментальной установки
Установка (рис. 2.1) состоит из трубы 1 диаметром 38 мм и длинной 1 м. Внутри трубы находится электронагреватель 2, создающий тепловой поток. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 5, а измеряется ваттметром 4. Для уменьшения потерь теплоты торцы трубы изолируются. Испытуемый материал (асбест, шлаковата, стекловата) наносится на трубу и
принимает форму полого цилиндра внутренним диаметром |
и |
|
наружным |
. Температура испытуемого материала |
измеряется |
термопарами, установленными на внутренней и наружной поверхности теплоизоляционного слоя, как показано на схеме (рис. 2.1). Одна из термопар выведена на самопишущий потенциометр с целью наблюдения выхода работы установки на стационарный тепловой режим. Остальные термопары выведены через переключатель 6 на потенциометр 7 с общим холодным спаем, помещенным в сосуд Дьюара 8 (при отсутствии тающего льда холодный спай термопар может находиться на открытом воздухе при температуре окружающей среды помещения).
12
Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки:
1 – труба с изоляцией; 2 – электронагреватель; 3 – термопары; 4 – ваттметр; 5 – автотрансформатор; 6 – переключатель; 7 – потенциометр; 8 – сосуд Дьюара
13
2.4. Порядок проведения экспериментальных исследований
Проверить схему включения установки в сеть и подключение измерительных приборов. Прогрев установки требует длительного времени (2-3 часа), поэтому установка включается заранее. Испытание проводится только при установившемся тепловом режиме, о чем судят по показаниям самопишущего потенциометра. Когда запись будет представлять собой прямую линию, о чем свидетельствует постоянство температуры, следует провести измерение всех величин 3 раза через три минуты.
Следующие испытания проводить при другом температурном режиме. Для этого по указанию преподавателя следует изменить силу тока, питающего нагреватель, дождаться установившегося температурного режима и снять показания приборов.
2.5. Обработка экспериментальных данных
Коэффициент теплопроводности исследуемого материала вычисляется по уравнению теплопроводности для цилиндрической стенки:
|
λ |
, |
|
(2.2) |
где |
— соответственно внутренний и внешний диаметры испытуе- |
|||
мого слоя изоляции, м; — длина испытуемого слоя, м; |
температура |
|||
внутреннего слоя, определяемая как средняя из показаний термопар; |
тем- |
|||
пература наружного слоя, определяемая как средняя по показаниям термопар. Количество теплоты определяется по расходу электроэнергии и численно
равно мощности электронагревателя: |
|
, Вт. |
(2.3) |
Полученное в уравнении (2.2) значение коэффициента теплопроводности следует отнести к средней температуре исследуемого материала:
. (2.4)
Определить несколько значений коэффициента при разных температурах и построить график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры исследуемого материала:
(2.5)
Полученные результаты занести в табл. 2.1, сравнить с имеющимися данными [3] и подсчитать относительную ошибку.
14
Номер
опыта
1
2
3
Время
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|||
|
Показания термопар, мВ |
|
Мощ- |
|
Размеры трубы, м |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
ность, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Литература
[2, с. 8 – 34]; [3, с. 36 – 43].
Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ
ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ
3.1. Цель работы
Определить коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности горизонтальной трубы к окружающей среде.
3.2. Краткие теоретические сведения
Коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы при естественной конвекции определяется по формуле Ньютона [3]:
, |
(3.1) |
где 
к — количество теплоты, отданное при конвективном теплообмене наружной поверхностью трубы воздуху, определяется как разность между пол-
ным количеством теплоты |
и количеством теплоты, отданным лучеиспус- |
|
канием, по формуле |
. |
(3.2) |
|
||
Полное количество теплоты определяется по расходу электроэнергии:
, |
(3.3) |
где 
— сила тока в нагревателе, А; 
— напряжение в сети, В.
Это значение численно равно мощности электронагревателя, расположенного внутри трубы.
Количество теплоты, отданное трубой лучеиспусканием, определяется по формуле
, |
(3.4) |
15
где — коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный
5,7 Вт/( |
); — степень черноты поверхности трубы, зависящая от мате- |
риала трубы и состояния ее поверхности.
При известных значениях Q, 
, 
, 
определяется экспериментальное значение коэффициента 
.
Расчетное значение коэффициента
определяется по формуле
, |
(3.5) |
где — наружный диаметр трубы, м.
Число Нуссельта вычисляется из критериального уравнения для естественной конвекции горизонтальной трубы:
. (3.6)
Критерий Грасгофа определяется по формуле
, |
(3.7) |
где 
= 
– температурный коэффициент объемного расширения воздуха,
1/ ; 
= 
— 
— температурный напор, 
Значения
, ,
определяютсяпотабл. П. 1 приложенияпритемпературеtср.
3.3. Принципиальная конструктивная схема экспериментальной установки
Установка (рис. 3.1) для определения коэффициента теплоотдачи 
со-
стоит из горизонтальной |
трубы |
1, электронагревателя (ЭН) 2, латра |
3 регулирования мощности |
ЭН. |
Система измерений включает медно- |
константановые термопары 4 для измерения температур в четырех точках поверхности трубы, ваттметр 5 для измерения теплового потока от ЭН, вольтметр 6, потенциометр 7, переключатель термопар 8 и термометр 9. Холодный спай термопар помещается в сосуд с тающим льдом (при отсутствии тающего льда холодный спай термопар может находиться на открытом воздухе при температуре помещения).
3.4. Порядок проведения экспериментальных исследований
Подключить установку к сети и установить необходимую мощность ЭН; по истечении 20…30 мин, когда значение температур во времени не будут
меняться, снять показания ваттметра, потенциометра по 4 термопарам, термометра, измеряющего температуру воздуха на расстоянии от трубы. С интервалом в 3 минуты испытания повторить 3 раза.
16
Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки:
1 – труба; 2 – электронагреватель;
3 – латра регулирования мощности электронагревателя; 4 – медь-константановые термопары; 5 – ваттметр;
6 – вольтметр; 7 – потенциометр; 8 — термометр; 9 – сосуд Дьюара
17
Результаты измерений записать в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Номер |
Время |
Мощность |
Температура стенки, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
опыта |
|
ЭН, Вт |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3.5. Обработка экспериментальных данных
Обработку результатов испытаний произвести следующим образом:
— определить среднюю по показаниям четырех термопар температуру наружной поверхности трубы по формуле
, где 
,
– температура в соответствующих точках поверхности трубы, 
;
— по формуле (3.4) определить величину |
, при значениях |
; |
|
— определить площадь поверхности теплоотдачи по формуле |
|
||
F = |
, |
; |
|
— по формуле (3.2) определить величину 
, имея в виду, что значения определено по показаниям ваттметра;
—по формулам (3.1), (3.7), (3.6) и (3.5) определить значения 
, 
, 
, 
;
—сопоставить экспериментальное и расчетное значения и определить погрешность
Литература
[2, с. 34 – 38, 63 – 69, 101 — 110]; [3, с. 121 – 163].
Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
В ВОДО-ВОДЯНОМ (ВОДО-ВОЗДУШНОМ) ТЕПЛООБМЕННИКЕ
4.1 Цель работы
Исследовать работу водо-водяного (водо-воздушного) теплообменника типа «труба в трубе» при различных схемах включения (прямоток, противоток).
Определить коэффициент теплопередачи.
18
4.2. Краткие теоретические сведения
Устройство, служащее для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, называется теплообменным аппаратом или теплообменником.
По принципу действия теплообменные аппараты разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
Врекуперативных теплообменниках горячий и холодный теплоносители протекают одновременно, и тепло передается через разделяющую их стенку. В регенеративных одна и та же поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путём непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей.
Вработе исследуется действие рекуперативного теплообменника типа «труба в трубе». Если горячий и холодный потоки движутся параллельно и в одном направлении, то такая схема движения теплоносителей называется прямотоком. Если потоки движутся параллельно, но в прямо противоположном направлении, — противотоком. Если потоки протекают в перекрестном направлении – перекрестным током.
При проектировании новых теплообменных аппаратов целью расчета является определение площади поверхности нагрева. Если же последнее известно, то целью расчета является установление режима работы аппарата и определение конечной температуры теплоносителей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются уравнение теплопередачи [3]
(4.1)
и уравнение теплового баланса |
|
Q = m1 Cp1 (t1' – t1») = m2 Cp2 (t2» – t2'), |
(4.2) |
где нижний индекс 1 означает, что величины относятся к горячей среде, а индекс 2 – к холодной. Штрих « 
» обозначает температуру при входе, а штрих
« 
» — на выходе теплоносителя из аппарата.
F – |
поверхность нагрева, м2; К – коэффициент |
теплопередачи, |
Вт/м2 |
— массовый расход теплоносителя, кг/ч; |
— массовая изо- |
барная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг град); t – температура теплоноси-
телей.
В общем случае температура теплоносителя в теплообменниках изменяется вдоль поверхности. Поэтому в формулу (4.1) при расчетах подставляется среднее значение температурного напора.
Определение среднего температурного напора производится по формуле
. (4.3)
19
В тех случаях, когда |
, т. е. температура рабочих жидкостей вдоль |
поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднеарифметический из крайних напоров:
. |
(4.4) |
При расчете теплообменных аппаратов большие трудности возникают с определением коэффициента теплопередачи К, который является количественной характеристикой процесса теплопередачи и численно равен количеству теплоты, переданной в час от одного теплоносителя другому через поверхность в 1м2 при разности температур между ними в 1 градус.
Для плоской однослойной стенки коэффициент теплопередачи определяется по формуле
, |
(4.5) |
где — коэффициент теплопередачи от греющей среды к стенке, |
; |
— коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде, |
; |
— толщина стенки, м; 
— коэффициент теплопроводности стенки, .
В случае отсутствия холодной воды исследования можно проводить с использованием воздуха и при расчете использовать объемную изобарную теплоемкость .
4.3. Принципиальная конструктивная схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рис. 4.1) представляет собой водо-водяной (водо-воздушный) теплообменник «труба в трубе» 1. По внутренней трубе течет горячая вода, которая нагревается в термостате 2. Холодная вода (воздух) из водопровода подается в пространство между внутренней и внешней трубой и, нагреваясь, сливается в канализацию.
Коэффициент теплопередачи определяется из основного уравнения теплопередачи
. |
(4.6) |
Тепловой поток определяется из уравнения теплового баланса |
|
. |
(4.7) |
Для этого измеряем массовый расход холодной воды с помощью водомера 3. Температуры горячей и холодной воды на входе в теплообменник и на выходе из него измеряются ртутными термометрами 4.
20