805

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

А.Т. Манташов

ПРАКТИКУМ ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ

Учебное пособие

2-е издание, переработанное и дополненное

Пермь

ИПЦ «Прокростъ»

2015

УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7

М-23

Рецензенты:

В.С. Кошман, доцент кафедры «Технологическое и энергетическое оборудование» Пермской государственной сельскохозяйственной академии, канд. техн. наук;

Л.В. Крашевский, доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Пермской государственной сельскохозяйственной академии, канд. техн. наук.

М-23 Манташов, А.Т.

Практикум по теплотехнике: учебное пособие / А.Т. Манташов; федеральное гос. бюджетное образов. учреждение высшего проф. образов. «Пермская гос. с.-х. акад. им. акад. Д.Н. Прянишникова». – 2-е изд., перераб. и доп. – Пермь : ИПЦ «Прокростъ», 2015. – 90 с.

ISBN 978-5-94279-230-5

В учебном пособии рассмотрены устройство и принцип действия ряда теплотехнических приборов, изложены методы измерения физических величин и описаны лабораторные работы по дисциплине «Теплотехника».

Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям подготовки 35.03.06 – «Агроинженерия», 23.03.03 – «Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов», 19.03.02 – «Продукты питания из растительного сырья», 20.03.01 – «Техносферная безопасность» и специальности 23.05.01 – «Наземные транспортно – технологические средства».

УДК 631.371 (075.8) ББК 40.7

Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н. Прянишникова (протокол № 1 от 23 сентября 2014 г.)

ISBN 978-5-94279-230-5

© ИПЦ «Прокростъ», 2015

© Манташов А.Т., 2015

2

Содержание Введение………………………………………………………….. 4

1.Приборы и методы измерения величин в теплотехнических экспериментах……………………………………………………. 5

1.1.Сущность и виды измерений…………………………….. 5

1.2.Приборы…………………………………………………… 6

1.2.1.Измерение давления ………………………………. 6

1.2.2.Измерение температуры……………………………. 8

1.2.3.Измерение расходов ………………………………. 13

1.2.4.Измерение тепловых потоков………………………. 15

1.3.Обработка результатов измерений………………………. 16

1.3.1.Табличный способ обработки …………………….. 16

1.3.2.Графический способ обработки……………………. 19

1.3.3.Определение погрешности измеряемой величины.. 22

2.Лабораторные работы…………………………………………. 26

2.1.Организационно-методические указания к выполнению лабораторных работ …………………………………………….. 26

2.1.3Меры и правила безопасности при работе

влаборатории…………………………………………………….. 29

2.2.Экспериментальная часть ………………………………. 31

Лабораторная работа № 3. Исследование истечения газа из канала……………………………………………………………… 39

Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента теплопроводности металла………………………………………. 43 Лабораторная работа № 5. Исследование теплоотдачи в канале……………………………………………………………. 48

Лабораторная работа № 6. Определение характеристик влажного воздуха ……………………………………………….. 54

Лабораторная работа № 7. Определение показателей поршневого компрессора ……………………………………….. 59 Лабораторная работа № 8. Исследование цикла паровой

компрессорной холодильной машины ………………………… 64

3

Введение

Одним из направлений развития сельскохозяйственного производства на современном этапе является широкое использование в его отраслях ресурсоэнергосберегающих технологий. Важная роль в решении этой задачи отводится повышению качества теплотехнической подготовки выпускников академии инженерного направления. Одной из дисциплин, осуществляющих эту подготовку, является «Теплотехника». Под теплотехникой понимают научную дисциплину и отрасль техники, охватывающие методы и способы преобразования различных видов энергии в теплоту, ее транспортирование и использование в технологических процессах, тепловых машинах и аппаратах.

Целью данного пособия является получение практических навыков будущими специалистами в постановке и проведении теплотехнических экспериментов, грамотной обработки их результатов и правильном оформлении отчетов проводимых исследований.

Настоящее пособие отвечает действующим программам дисциплин «Теплотехника» и «Теплофизика» по направлениям подготовки «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно – технологических машин и комплексов», «Продукты питания из растительного сырья», «Техносферная безопасность» и специальности «Наземные транспортно – технологические средства». Оно состоит из двух разделов и приложения.

В первом разделе рассмотрены устройство и принцип действия ряда теплотехнических приборов и даны методические указания по обработке результатов измерений.

Во втором разделе изложены организационно-методические указания к выполнению лабораторных работ, где акцентировано внимание на мерах и правилах безопасности. Здесь же описаны содержание, порядок выполнения и особенности оформления отчетов по десяти лабораторным работам, включенным в программы дисциплин.

Справочный материал приложения может быть полезен не только при оформлении отчетов по лабораторным работам, но и при решении других теплотехнических задач.

4

1. Приборы и методы измерения величин в теплотехнических экспериментах

1.1. Сущность и виды измерений

Измерить величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной, фиксированной по размеру и принятой по соглашению в качестве основы для количественной оценки за единицу физической величины.

Различают основные и производные единицы физических величин. В качестве основных принимаются единицы, размеры которых устанавливаются произвольно и независимо друг от друга, например, метр, килограмм, секунда и др. Производная единица той или иной величины выводится из физической зависимости (уравнения связи) между этой величиной и величинами, для которых установлены основные или другие производные единицы, например, единица кинематического коэффициента вязкости - квадратный метр на секунду.

Совокупность основных и производных единиц составляет си-

стему единиц, сокращенно СИ. Применяемые в теплотехнике единицы физических величин приведены в приложении (табл. 2).

Измерения, как правило, производятся с помощью специальных технических устройств, которые называются измерительными приборами. В настоящем пособии рассмотрены наиболее распространенные приборы, большинство из них используются при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Теплотехника» и «Теплофизика».

Ввиду многообразия физических величин непосредственно измерить (даже при помощи измерительных приборов) можно лишь немногие из них. Чаще приходится измерять не данную величину, а некоторые вспомогательные параметры, связанные с искомой величиной физическими закономерностями. Исходя из этого, измерения подразделяются на прямые и косвенные. Прямыми называются такие измерения, при которых числовые значения измеряемых величин определяются непосредственно, путем сравнения этих величин с вещественными образцами, принятыми за эталоны. Косвенными называются измерения, при которых значения измеряемых величин вычисляются по результатам прямых измерений других величин, связанных с искомой величиной заранее известными математическими зависимостями.

5

Такого вида жидкостные манометры называют «U-образными». Если U-образный жидкостный манометр используется для из-

Наклон трубки к горизонту повышает точность измерения, так как с уменьшением увеличивается разность уровней столбов жидко-

6

1.2.2. Измерение температуры

Одним из параметров, подлежащих контролю при проведении большинства лабораторных работ, является температура.

В зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения приборы для измерения температуры разделяются на следующие группы:

-термометры расширения;

-манометрические термометры;

-электрические термометры сопротивления;

-термоэлектрические преобразователи (термопары);

-пирометры.

8

Термометры расширения предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).

Ртутные термометры относятся к жидкостным термометрам расширения, которые работают по принципу изменения объема жидкости в зависимости от температуры. Все жидкостные стеклянные термометры состоят из сосуда (шарика), переходящего в капиллярную трубку, запаянную сверху. Сосуд и капилляр изготовляются из одного и того же материала. Шкалу выполняют в виде вложенной шкальной пластинки либо наносят на массивную капиллярную трубку. Промышленностью выпускаются ртутные термометры для измерения температуры от -35 до 600 оС. Для измерения температур в диапазоне от –80 до 80 0С в качестве рабочей жидкости используется этиловый спирт.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия. Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве металлов, сплавов и некоторых полупроводников изменять величину сопротивления с изменением температуры.

Одно из возможных конструктивных исполнений термометра сопротивления показано на рис.1.5. Каркас 1 изготовляется из электроизоляционного материала (фарфор, кварц, слюда и др.). В качестве чувствительного элемента применяется обычно медная проволока 2 толщиной 0,05 - 2 мм, хотя в качестве материала проволоки в зависимости от назначения термометра сопротивления может быть платина, золото, железо, никель, константан и др.

Термометр сопротивления применяется с защитным кожухом 3 или без него.

Для измерения сопротивления такого термометра используется мостовой метод, схема которого аналогична приведенной на рис.1.4.

9

Медные термометры сопротивления применяются для измерения температур в пределах от – 50 до +180, платиновые от

– 200 до +65 градусов Цельсия.

Наряду с термометрами сопротивления из металлических проводников для измерения температуры находят также применение полупроводниковые термометры сопротивления - терморезисторы. Терморезисторы, представляющие непроволочные объемные нелинейные резисторы различной формы (цилиндрические, шайбовые и др.), в отличие от металлических резисторов имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. при нагревании уменьшают свое сопротивление.

Достоинством термометров сопротивления является возможность передачи показа-

Рис. 1.5 ний на расстояние и их автоматической реги-

страции.

Термоэлектрические преобразователи используются при из-

мерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия.

Действие термоэлектрических термометров основано на свойстве металлов и сплавов создавать термоэлектродвижущую силу (термо - э. д. с), зависящую от температуры места соединения (спая) концов двух разнородных проводников (термоэлектродов), образующих чувствительный элемент термометра - термопару.

Существующее представление о механизме образования термо - э. д. с. основывается на том, что концентрация свободных электронов в единице объема межмолекулярного пространства проводника, зависит от материала проводника и его температуры. При соединении одинаково нагретых концов двух проводников из разнородных материалов, из которых в первом количество свободных электронов в единице объема больше, чем во втором, последние будут диффундировать из первого проводника во второй в большем числе, чем обратно. Таким образом, первый проводник станет заряжаться положительно, а второй – отрицательно: появится некоторая разность потенциалов (термо - э.д.с). С увеличением температуры проводников значение этой термо - э. д. с. также увеличивается. Располагая зако-

10