13037

Теплотехника. Методические указания к выполнению лабораторных работ

Книга

Физика

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине Теплотехника для студентов специальностей Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с программой по дисциплине Теплотехника для студентов специальнос

Русский

2013-05-07

639.5 KB

29 чел.

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Теплотехника» для студентов специальностей

Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с программой по дисциплине «Теплотехника» для студентов специальностей 190601 (150200) Автомобили и автомобильное хозяйство, 130503 (090600) Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых скважин, 130501 (090700) Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ, 130504 (090800) Бурение нефтяных и газовых скважин, 260202 (270300) Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий, 260504 (270800) Технология консервов и пищеконцентратов, 260301 (270900) Технология мяса и мясных продуктов, 260303 (271100) Технология молока и молочных продуктов, 260501 (271200) Технология продуктов общественного питания. В них приведены исходные рекомендации к выполнению лабораторных работ.


Лабораторная работа №1

Определение коэффициента теплопроводности
сыпучих материалов методом трубы

1.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплопроводности исследуемого материала методом трубы и установление зависимости величины коэффициента теплопроводности от температуры, а также физической сущности процесса.

1.2. Теоретическое обоснование

Интенсивность передачи тепла в твердых телах, в соответствии с законом Фурье, обуславливается температурным градиентом и величиной коэффициента теплопроводности, который характеризует собой способность материалов проводить тепло.

(1.1)

В общем случае коэффициент теплопроводности зависит как от химической природы тела, обуславливающей все его свойства, так и от параметров его состояния (температура, давление и т.д.). Значения коэффициента теплопроводности отдельных материалов определяются опытным путем.

Для испытания теплопроводности сыпучих материалов наиболее подходящим является метод трубы. При этом исследуемому материалу придается форма цилиндрического слоя, на внутренней и внешней поверхностях которого поддерживаются некоторые средние значения температур, соответственно  и , причем . При установившемся тепловом режиме количество тепла, проходящего через исследуемый слой сыпучего материала, можно определить по известной формуле для теплового потока через цилиндрическую стенку:

,

(1.2)

где L и λc – длина и коэффициент теплопроводности исследуемого материала.

Определение по этой формуле коэффициента теплопроводности по известным остальным величинам не представляет трудности.

1.3. Аппаратура и материалы

Экспериментальная установка (рис.1.1) состоит из двух труб – наружной (d1) и внутренней (d2), между которыми помещен исследуемый сыпучий материал, коэффициент теплопроводности которого надо определить.

Основные геометрические характеристики лабораторной установки:

– наружный диаметр наружной трубы d3 = 90 мм,

– внутренний диаметр наружной трубы d2 = 82 мм,

– внутренний диаметр внутренней трубы d1 = 32 мм,

– длина установки (каждой трубы) L = 1500 мм.

Во внутренней трубе размещен электронагреватель (4), тепловой поток которого распространяется в радиальном направлении через слой сыпучего материала и наружную трубу, в окружающую среду. Это количество тепла определяется по расходу электроэнергии на электрический нагреватель. Потребляемая нагревателем мощность регулируется автотрансформатором (7). Для возможности расчета мощности нагревателя, в его электрическую цепь подключен амперметр (5) и вольтметр (6).

Рис. 1.1 – Схема лабораторной установки

Благодаря хорошему контакту исследуемого сыпучего материала с внутренней и внешней поверхностями трубы можно считать, что соответствующие соприкасающиеся поверхности материала и трубы имеют одну и ту же температуру.

В наружную поверхность внутренней и наружной трубы зачеканено по три термопары соответственно (1) и (2), соединительные провода которых подключены к потенциометру (3).

Для учета искажения температурного поля по длине исследуемого материала эти термопары расположены равномерно по длине труб – три на внутренней поверхности трубы и три на наружной поверхности трубы. Для того чтобы тепловой поток распространялся только в радиальном направлении, торцы установки имеют тепловую изоляцию.

1.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры  «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

1.5. Методика и порядок проведения работы

Коэффициент теплопроводности исследуемого сыпучего материала определяется из общего выражения для теплового потока через цилиндрическую двухслойную стенку, состоящую из слоя материала и наружной трубы

,

(1.3)

где tвс – температура внутренней поверхности сыпучего материала (наружной поверхности внутренней трубы), ºC,

tнт – температура наружной поверхности наружной трубы, ºC;

Q – тепловой поток, проходящий через двухслойную цилиндрическую конструкцию в радиальном направлении, Вт,

c и тр – соответственно коэффициенты теплопроводности исследуемого сыпучего материала и наружной трубы, Вт/(м К).

Из выражения (1.3) искомая величина коэффициента теплопроводности сыпучего материала будет равна:

.

(1.4)

Геометрические характеристики установки (d1, d2, d3, L) – известны из описания установки (п. 1.3.), тр = 23 Вт/(м·К). Т.о. необходимо опытным путем определить только значение теплового потока и значения температур внутренней и наружной поверхности цилиндрического слоя материала.

Значение теплового потока не сложно подсчитать по затрачиваемой мощности электронагревателя Q = W = I  U, Вт.

Значения внутренних и наружных температур определяются с помощью соответствующих термопар и потенциометра, к которому они подключены. Затем полученные значения температур усредняются для наружной и внутренней поверхности соответственно.

, ºC   и   , ºC,

где t2, t4, t6  – показания внутренних термопар, ºC,

t1, t3, t5  – показания наружных термопар, ºC;

Полученное таким образом значение коэффициента теплопроводности следует относить к средней температуре исследуемого материала:

,

где tнс – температура наружного слоя сыпучего материала, т.е. внутренней стенки наружной трубы, определяемая по известной величине c из рассматриваемого процесса теплопроводности только через цилиндрический слой исследуемого сыпучего материала.

На основании формулы (1.2) получим

, ºС.

Все приведенные вычисления справедливы только для стационарного (равновесного) теплового режима, когда количество тепла воспринятого внутренней поверхностью равно количеству тепла отданного наружной поверхностью. Поэтому, прежде чем снимать показания приборов, необходимо убедиться в том, что внутренние и наружные температуры с течением времени перестали меняться и остаются постоянными. Экспериментальные величины необходимо свести в таблицу 1.1.

В связи с тем, что все тепловые процессы инерционны, в данной работе для установления стационарного теплового режима требуется существенное время. Поэтому за время занятия рекомендуется провести всего два-три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.

Таблица 1.1 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений.

режима

U,
В

I,
А

t1,

С

t2,

С

t3,

С

t4,

С

t5,

С

t6,

С

1

2

3

4

5

Результаты обработки экспериментальных данных по всем режимам необходимо представить в виде таблицы 1.2 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.

Таблица 1.2 – Результаты обработки опытных данных.

режима

U,

В

I,

А

W,

Вт

tвс,

C

tнт,

C

tнс,

C

с,

Вт/(мК)

tср,

C

1

2

3

4

5

Затем, на основании проверенных расчетных данных надо построить график функциональной зависимости .

Известно, что изменение коэффициента теплопроводности от температуры для подавляющего большинства материалов подчиняется линейному закону. Следовательно, вид функции имеет следующий вид:

,

где 0 – значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала при нуле ºС; b –постоянная, численно равная тангенсу угла наклона линии изменения с к оси температуры. Величины 0 и b определяются из графика.

При возможности, расчеты и построение графика также рекомендуется выполнять в Excel. Кроме того, инструменты точечной диаграммы Excel позволяют автоматически рассчитывать эмпирические коэффициенты 0 и b.

Данная лабораторная работа считается выполненной, кода студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.

1.6. Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

–  тема работы,

–  цель работы,

–  краткое описание работы,

–  принципиальную схему опытной установки,

–  протокол записи показаний измерительных приборов и таблицу результатов обработки опытных данных,

–  подробные расчеты с краткими пояснениями для первого опыта,

–  график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры,

–  определение опытных величин b и 0 и сопоставление результатов опыта с литературными данными,

–  выводы по данной лабораторной работе.

1.7. Вопросы для защиты работы

1. Физическая сущность процесса теплопроводности.

2. Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам простой геометрической формы.

3. Коэффициент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину.

4. Устройство опытной установки, осуществление предпосылок теории.

5. Дать определение градиента температуры.

6. Единица измерения количества теплоты.

7. Как описывается температурное поле?

8. Как определяется тепловой поток в лабораторной работе?

9. Назвать основные виды теплообмена.

10. Определить тепловой поток через поверхность 5 м паропровода с внутренним диаметром dв=220 мм, изолированного изоляцией толщиной из=50 мм. Коэффициент теплопроводности трубы т =58 Вт/(мК), изоляции из =0,047 Вт/(мК). Температура на внутренней поверхности трубы tв=170ºС, и на наружной поверхности изоляции tн =50 ºС.

11. Определить значение коэффициента теплопроводности для tc=500ºС, используя уравнение его линейной зависимости от температуры (по результатам эксперимента в лабораторной работе).

12. Определить коэффициент теплопроводности кирпичной стенки печи толщиной = 38 мм, если температура на внутренней поверхности стенки tв=900ºС и на наружной tн = 110 ºС. Потери теплоты через стенку q=300 Вт/м2.

13. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стальной стенки парового котла, если стенка покроется слоем накипи
н = 5 мм с коэффициентом теплопроводности н = 0,23 Вт/(мК). Толщина стального листа  с =12 мм, коэффициент теплопроводности с = 45 Вт/(мК).

14. Размерность коэффициента теплопроводности.

15. Размерность коэффициента термического сопротивления.

16. Связь между температурами измеренными по шкале Цельсия и по шкале Кельвина.

17. Связь между удельным и абсолютным тепловым потоком, их размерности.

18. Термическое сопротивление многослойной плоской стенки.

19. Указать параметры неустановившегося температурного поля.

20. Уравнение закона Фурье.

21. Формула для определения линейной плотности теплового потока для многослойной цилиндрической стенки.

22. Формула для определения теплового потока через многослойную плоскую стенку.

23. Через плоскую металлическую стенку топки котла толщиной
с = 7 мм от газов к воде проходит удельный тепловой поток q = 2500 Вт/м2. Коэффициент теплопроводности стали  c = 32 Вт/(мК). Определить перепад температуры на поверхностях стенки.

24. Что такое температурный напор?

1.8  Список рекомендуемой литературы

1. Теплотехника: Учебник для вузов/ В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.: Под ред. В.Н. Луканина. –М.: Высш. шк., 1999. –671с.

2. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. - М.:Стройиздат, 1991.-480 с.


Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

2.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплоотдачи для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха в зависимости от температурного напора, а так же определение значений эмпирических коэффициентов С и n критериального уравнения, описывающего процесс теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции.

2.2. Теоретическое обоснование

Свободным называется также движение жидкости, которое обуславливается разностью плотностей нагретых и холодных ее частиц и всецело определяется наличием теплообмена.

В соответствии с законом Ньютона-Рихмана количество переданного тепла пропорционально поверхности тела и разности температур поверхности и жидкости (температурному напору).

Для рассматриваемого случая теплообмена плотность воздуха и подъемная сила определяются температурным напором, а зона распространения процесса – поверхностью исследуемой трубы. Таким образом, теплоотдача тела определяется, в первую очередь, разностью температур тела и окружающей среды, т.е. температурным напором.

Как известно, процесс теплообмена при свободном движении жидкости зависит от режима ее движения около тепловоспринимающей (теплоотдающей) поверхности.

Применительно к теплообмену на горизонтальных трубах этот процесс имеет ряд особенностей. На нижней половине периметра трубы вследствие увеличения толщины ламинарной пленки, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Это происходит до тех пор, пока увеличение толщины пленки не приводит к ее срыву, разрушению и началу турбулизации среды. Турбулизация, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи до некоторого значения, которое в дальнейшем остается постоянным.

В зависимости от диаметра трубы переход от ламинарного режима к турбулентному происходит по разному. При диаметре горизонтальной трубы 20÷30 мм, ламинарный характер потока сохраняется до некоторой высоты над поверхностью трубы, после чего начинается турбулентный режим движения. При большом диаметре горизонтальных труб (200÷300 мм) ламинарное движение среды переходит в турбулентное еще до верхней кромки трубы. Имеющие аналитические решения задачи конвективного теплообмена при свободном движении среды выполнено при целом ряде упрощающих предпосылок и мало соответствует действительным условиям протекания процесса. Поэтому на практике широко используется экспериментальный метод с привлечением теории подобия.

Критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве, имеет вид

,

(2.1)

где Nuкритерий Нуссельта

,

(2.2)

Gr – критерий Грасгофа

,

(2.3)

Pr – критерий Прандтля

,

(2.4)

В аналитические выражения критериев теплообмена (2.2 – 2.4) входят следующие физические величины:

–коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К);

d – определяющий размер (диаметр трубы), м;

–коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

= 1/Tпогр –коэффициент объемного расширения, 1/K;

– определяющая температура (температура пограничного слоя), K;

g – ускорение силы тяжести, м/с2;

– температурный напор, К;

a –коэффициент температуропроводности, м2/с;

ν – кинематическая вязкость воздуха, м2/с;

Значение физических параметров, входящих в выражения критериев теплообмена, принимаются по температуре пограничного слоя ().

Таблица 2.4 – Физические параметры сухого воздуха

t,
º
C

,
кг/м3

102, Вт/(мК)

а106, м2/c

ν106, м2/с

Pr 

10

1,247

2,51

20,0

14,16

0,705

20

1,206

2,59

21,4

15,06

0,703

30

1,165

2,67

22,9

16,00

0,701

40

1,123

2,76

24,3

16,96

0,699

50

1,093

2,83

25,7

17,95

0,698

60

1,060

2,90

26,2

18,97

0,696

70

1,029

2,96

28,6

20,02

0,694

80

1,00

3,05

30,2

21,09

0,692

90

0,972

3,13

31,9

22,10

0,690

100

0,946

3,21

33,6

23,13

0,688

120

0,896

3,34

36,8

25,45

0,686

140

0,854

3,49

40,3

27,80

0,684

160

0,815

3,64

43,9

30,09

0,682

Значения коэффициентов С и n, входящих в уравнение (2.1), определяются в зависимости от режима движения из таблицы 2.1.

Таблица 2.1 – Численные значения коэффициентов С и n для различных режимов движения

п/п

Режим движения

С

n

1

110-3 ÷ 5102

ламинарный режим

1,48

1/8

2

5102 ÷ 2107

переходный режим

0,54

1/4

3

2107 ÷ 11013

турбулентный режим

0,135

1/3

2.3. Аппаратура и материалы

Экспериментальная установка размещена в достаточно большой комнате, размеры которой значительно больше габаритов опытной трубы. Поэтому можно считать, что процесс теплообмена протекает в неограниченном пространстве.

Объектом исследования является горизонтальная труба (4) длиной l=1500 мм и диаметром d=32 мм. Труба выполнена из нержавеющей стали. Внутри трубы имеется электрический нагреватель (2), обеспечивающий равномерный нагрев по ее длине. С торцов труба закрыта теплоизоляционной пробкой для уменьшения тепловых потерь в осевом направлении. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 2.1.

Количество выделяемого и передаваемого в окружающую среду тепла определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая электронагревателем мощность может регулироваться автотрансформатором (7). Определение мощности производится с помощью амперметра (6) и вольтметра (5). Температура теплоотдающей поверхности (стенки трубы) определяется с помощью потенциометра (4) и четырех хромель-алюмелевых термопар (1), зачеканенных по всей длине. В целях достаточно полного усреднения (с учетом характера изменения теплоотдачи по периметру трубы) термопары укреплены на трубе по винтовой линии.

Рис. 2.1 – Схема лабораторной установки

2.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры  «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

2.5. Методика и порядок проведения работы

Среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется из уравнения:

,

(2.5)

где L – длина трубы, м;

d – диаметр трубы, м;

ΔT = Tст Tж –температурный напор, К;

, К;

, К.

Qк – мощность теплового потока, передаваемого опытной трубой в окружающую среду путем конвекции, Вт.

Мощность конвективного теплового потока определяется из уравнения

,

(2.6)

где Qп – полное количество тепла, которое выделяется электронагревателем и передается путем конвекции и лучеиспускания (оно численно равно мощности электронагревателя Qп = W = U  I) , Вт,

Qл – количество тепла, передаваемого трубой в окружающую среду посредством лучеиспускания, Вт.

,

(2.7)

где ε – степень черноты поверхности трубы, принимаемая для установки, равной 0,7; C0 = 5.67 Вт/(м2К) – коэффициент излучения абсолютного черного тела; f – поверхность трубы, м2.

После установления стационарного теплового режима необходимо записать показания приборов (напряжение, сила тока и температуры поверхности трубы) в форме таблицы 2.2.

Таблица 2.2 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений

№ реж

U, B

I,
A

Q, Вт

t1, ºC

t2, ºC

t3, ºC

t4, ºC

t5, ºC

t6, ºC

tов, ºC

Tст, ºC

Tж, ºC

ΔТ, ºC

1

2

3

4

5

В связи с тем, что в данной лабораторной работе тепловые процессы обладают существенной инерционностью, рекомендуется провести только три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.

Обработку экспериментальных данных по всем режимам представить в виде таблицы 2.3 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.

Таблица 2.3 – Результаты обработки экспериментальных данных

№ реж

Qлуч, Вт

Qк, Вт

, Вт/(м2К)

Gr

Pr

Gr·Pr

C

n

режим движен

1

2

3

4

5

На основании проверенных расчетных данных построить график функциональной зависимости , где  – среднее значение коэффициента теплоотдачи от исследуемой горизонтальной трубы к окружающему воздуху, Вт/(м2К).

Затем, представить зависимость  в виде критериального уравнения 2.1, которое описывает процесс конвективного теплообмена для случая свободного движения воздуха около исследуемой трубы. С этой целью вычисляют значение критериев Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr). Критерий Прандтля может быть непосредственно принят по таблице 2.4. Вычисление указанных величин выполняется для всех опытов и сводится в таблицу 2.3. После этого строится график зависимости в соответствии с формулой (2.1). Логарифмируя зависимость (2.1), получаем уравнение вида

.

(2.8)

Следовательно, в логарифмической системе координат эта зависимость имеет вид прямой линии.

Откладывая по оси абсцисс величину lg(Gr·Pr)m, а по оси ординат lgNum, получаем линейную зависимость в соответствии с уравнением (2.8).

Показатель степени n в уравнении (2.1) будет равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс. Постоянная C находится из соотношения для любой точки прямой.

.

(2.9)

Расчеты и построения рекомендуется выполнять с использованием редактора электронных таблиц Excel.

Если для построения зависимости 2.8 использовать электронные инструменты точечной диаграммы Excel, то коэффициенты lgC и n будут рассчитаны автоматически в процессе построения.

Полученные экспериментальные значения коэффициентов сравнивают с литературными данными.

Данная лабораторная работа считается выполненной, кода студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.

2.6. Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

–  тема работы,

–  цель работы,

–  краткое описание работы;

–  принципиальную схему опытной установки;

– протокол записи показаний измерительных приборов,

–  обработку результатов опыта (по форме таблицы 2.3);

–  графические зависимости:

а)    коэффициента теплоотдачи от температурного напора;

б) критерия Нуссельта от произведения критериев Грасгофа и Прандтля (в логарифмическом виде);

–  сопоставления результатов опыта с литературными данными.

2.7. Вопросы для защиты работы

1. Физическая сущность процесса конвективной теплоотдачи. В чем состоит принципиальная разница между процессом конвективного теплообмена и процессом теплопроводности.

2. Закон Ньютона-Рихмана; коэффициент теплоотдачи.

3. Влияние на интенсивность теплообмена температурного напора, физических свойств жидкости, расположения опытной трубы в пространстве.

4. Теплоотдача при различных видах движения среды и изменения ее агрегатного состояния.

5. Теория подобия; критерии подобия.

6. Обработка опытных данных в числах и критериях подобия, их анализ; общие условия подобия физических процессов.

7. Лучистый теплообмен: основные понятия и законы теплового излучения.

8. Излучение и поглощение энергии газами.

9. Лучистый теплообмен между телами; экраны для защиты от излучения.

13. Закон Стефана-Больцмана.

14. Как зависит коэффициент теплоотдачи от диаметра одиночной трубы при свободной конвекции?

15. Как определяется тепловой поток при выполнении лабораторной работы?

16. Критерий Нуссельта. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

17. Критерий подобия Грасгофа. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

18. Критерий подобия Прандтля. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

19. Критерий подобия Рейнольдса. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

20. Назвать гидродинамические режимы при вынужденном движении жидкости. Указать граничные значения критерия, характеризующего эти режимы.

21. Общий вид критериального уравнения для вынужденного конвективного теплообмена.

22. Общий вид критериального уравнения для свободного конвективного теплообмена.

23. Размерность коэффициента теплоотдачи.

24. Что является движущей силой жидкости при свободной и при вынужденной конвекции?

2.8 Список рекомендуемой литературы

1. Теплотехника: Учебник для вузов/ В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.: Под ред. В.Н. Луканина. –М.: Высш. шк., 1999. –671с.

2. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. - М.:Стройиздат, 1991.-480 с.


Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

3.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплопередач и теплового напряжения рабочей поверхности отопительного прибора для различных типов приборов и схем их присоединения к теплосети, а также при различных температурах и расходах теплоносителя через прибор.

3.2. Теоретическое обоснование

Основные характеристики отопительных приборов.

Отопительными приборами называются устройства для передачи тепла от теплоносителя непосредственно к отапливаемому помещению. Через стенки прибора происходит теплообмен между протекающим внутри отопительного прибора теплоносителем (как правило, это нагретая вода или водяной пар) и воздухом помещения.

Отопительные приборы должны удовлетворять теплотехническим, технико-экономическим, санитарно-гигиеническим и эстетическим требованиям.

Основной теплотехнической характеристикой отопительного прибора является его коэффициент теплопередачи. Обычно наиболее эффективными являются отопительные приборы, имеющие более высокий коэффициент теплопередачи. Для теплотехнической оценки и сравнения различных типов отопительных приборов вводится понятие «эквивалентный квадратный метр» поверхности отопительного прибора (экм).

Эквивалентным квадратным метром называют условную наружную поверхность отопительного прибора, имеющую теплоотдачу (тепловой поток) мощностью 506 Вт, при средней разности температур горячей воды и воздуха в помещении равной 64,5 ºС и стандартной (открытой) установке прибора с подачей горячей воды по схеме «сверху вниз».

При этих показателях расход воды в приборе на 1 экм составит

,.

(3.1)

коэффициент теплопередачи, соответствующий 1 экм прибора, равен

.

(3.2)

Измерение теплоотдающей поверхности в эквивалентных метрах есть сравнение данного прибора с эталонным. За эталонный принят чугунный секционный радиатор типа Н-136 (строительная глубина 136 мм, монтажная высота 500 мм). Через 1 м2 внешней физической поверхности эталонного радиатора (площадь четырех секций) при испытании в стандартных условиях передается в помещение тепловой поток, равный 506 Вт. Следовательно, эквивалентная площадь теплоотдающей поверхности секции эталонного радиатора равна его физической площади.

Сопоставление площади поверхности одного элемента какого-либо отопительного прибора в эквивалентных квадратных метрах, с площадью его поверхности в квадратных метрах, дает возможность судить об относительной теплотехнической эффективности прибора.

Для сравнительной теплотехнической характеристики разных типов отопительных приборов вводится «коэффициент пересчета», который равен отношению теплоотдачи 1м2 действительной поверхности нагрева отопительного прибора к теплоотдаче 1 экм его поверхности при одинаковых условиях работы прибора.

Технико-экономические характеристики отопительного прибора определяются его первоначальной стоимостью, отнесенной к единице тепла, отдаваемого помещению при оценке отопительных приборов, изготовленных из одного и того же материала, технико-экономическим критерием может служить тепловое напряжение материала.

Под тепловым напряжением материала понимают количество тепла, создаваемого прибором в течение 1ч при разности температур теплоносителя и окружающего воздуха в 1ºC, отнесенного к 1кг массы нагревательного прибора, Вт/(кгК)

,

(3.3)

где Q – мощность теплового потока, от прибора, Вт;

G – масса прибора, кг;

tпр  – средняя температура поверхности прибора, ºС;

tв – температура внутри помещения, ºС.

Чем больше тепловое напряжение, тем экономичней отопительный прибор по расходованию металла на его изготовление.

Повысить тепловое напряжение можно, как это видно из уравнения (3.3), путем повышения коэффициента теплопередачи, обеспечивающего увеличение мощности теплового потока, уменьшения массы прибора, отнесенной к 1м2 поверхности нагрева, снижением массы экм, либо путем соответственного изменения обоих факторов.

Санитарно-гигиеническая оценка отопительного прибора характеризуется конструктивным решением прибора, облегчающего содержание его в чистоте, удобством регулирования теплоотдачи, долей тепла лучеиспусканием (лучистые системы отопления имеют наивысшую санитарно-гигиеническую характеристику).

Отопительный прибор должен отдавать помещению расчетное количество тепла, определяемое величиной теплопотерь здания.

Отопительные приборы должны иметь красивую форму и быть достаточно компактными. Кроме упомянутого, прибор должен удовлетворять монтажно-строительным требованиям: обладать возможно меньшими строительными габаритами (длиной и глубиной для возможности установки приборов без ниш), допускать возможность компоновки прибора, требуемой поверхности нагрева путем сборки из отдельных элементов.

Виды отопительных приборов.

Отопительные приборы делятся на пять основных видов: радиаторы секционные и панельные, гладкотрубные приборы (три вида приборов этого типа имеют гладкую внешнюю поверхность), конвекторы, ребристые трубы (имеют ребристую поверхность). К приборам с ребристой внешней поверхностью относятся также калориферы, применяемые для нагревания воздуха в системах вентиляции и воздушного отопления.

По материалу, из которого изготавливаются отопительные приборы, различают металлические, комбинированные и неметаллические приборы. Металлические приборы выполняют в основном из серого чугуна и стали (листовой стали и стальных труб). Применяют также медные трубы, листовой алюминий и другие материалы.

По тепловой инерции приборы можно разделить на малоинерционные и инерционные. Малоинерционные приборы имеют небольшую массу и вмещают малое количество воды. Такие приборы, выполнены на основе металлических труб малого диаметра, быстро изменяют теплопередачу в помещение при регулировании количества теплоносителя. Теплоинерционные приборы – массивные, вмещающие значительное количество воды, медленно изменяют теплопередачу в помещении.

Таблица 3.1 – Технические характеристики ребристых чугунных труб

Длина, м

Поверхность нагрева

Коэффициент пересчета м2/экм

Масса одной трубы, кг

м2

экм

0,5

1

0,69

0,69

18,0

0,75

1,5

1,03

0,69

26,2

1

2

1,37

0,69

37,5

1,5

3

2,07

0,69

56,5

2

4

2,76

0,69

75,2

Таблица 3.2 – Технические характеристики чугунных секционных радиаторов

Наименование прибора

Поверхность нагрева секции (панели)

Коэф. пере-счета, м2/экм

Высота

Ширина

Глубина

Масса одной секции, кг

полная

монтажная

м2

экм

М-140

0,254

0,310

1,22

582

500

96

140

7,60

РД-90

0,203

0,275

1,35

582

500

96

90

6,96

М-140-АО

0,299

0,35

1,17

585

500

96

140

7,52

М-140-АО-300

0,17

0,217

1,276

382

300

96

140

5,29

РД-90-С

0,203

0,275

1,35

582

50

96

90

6,95

Таблица 3.3 – Технические характеристики конвекторов плинтусного типа без кожуха с оребрением.

Наименование показателя

Тип конвектора

15 КП

16 КП

17 КП

18 КП

19 КП

Высота, мм

80

80

80

80

80

Глубина (ширина), мм

60

60

60

60

60

Длина секции, мм

750

1000

1250

1500

1750

Масса элемента, кг

2,6

3,4

4,2

5,0

5,9

Поверхность нагрева, м2

0,55

0,73

0,95

1,14

1,37

Поверхность нагрева (однорядная установка) экм

0,34

0,46

0,6

0,7

0,86

Таблица 3.4 – Технические характеристики стальных панельных радиаторов

Наименование прибора

Поверхность нагрева секции (панели)

Коэффи-циент пересчета, м2/экм

Высота

Ширина

Глубина

Масса одной секции, кг

Полная

Монтажная

м2

экм

М3-500-1

0,64

0,83

1,3

564

500

518

25

7,5

М3-500-2

0,96

1,25

1,3

564

200

766

25

11,0

М3-500-3

1,20

1,56

1,3

564

500

952

25

13,8

М3-500-4

1,60

2,08

1,3

564

500

1260

25

18,8

М3-500-5

1,92

2,40

1,25

564

500

1510

25

22,6

М3-350-1

0,425

0,60

1,4

406

350

518

25

5,97

М3-350-2

0,637

0,89

1,4

406

350

766

25

8,65

М3-350-3

0,797

1,2

1,4

406

350

952

25

10,8

М3-350-4

0,062

1,49

1,4

406

350

1262

25

14,4

Таблица 3.5 – Технические характеристики конвекторов типа “Комфорт”

Диаметр трубы, мм

Шаг пластин, мм

Поверхность нагрева в экм при длине конвектора, м

Высота, мм

Глубина, мм

0,71

0,11

1,51

кожуха

полная

15

7,5

0,76

1,27

1,70

215

275

62

15

7,5

0,985

1,64

2,30

215

315

124

15

5,0

1,24

2,06

2,87

215

315

124

20

7,5

1,53

2,55

3,57

215

315

124

3.3. Аппаратура и материалы

Схема экспериментальной установки для определения теплотехнических и технико-экономических характеристик отопительных приборов представлена на рис.3.1 и на панели щита управления лабораторной установки.

Основной конструктивной частью экспериментального стенда являются четыре металлических отопительных прибора различных типов: конвектор 1, ребристая труба 2, чугунный радиатор секционного типа 3, стальной панельный радиатор 4.

Рис. 3.1 – Схема лабораторной установки

«Обвязка» нагревательных приборов по отношению к источнику теплоносителя осуществлена по схеме параллельного подключения. Запорные вентили, установленные на входе и выходе каждого прибора, позволяют регулировать подачу теплоносителя в пределах от нуля до максимального значения и отключить прибор.

Нагрев и подача теплоносителя в систему отопительных приборов осуществляется с помощью термостата 5 (рис. 3.1). Термостат «может подавать» воду комнатной температуры (нагрев отключен). Заданная температура теплоносителя поддерживается периодическим автоматическим включением нагревателей термостата. Запуск насоса 9 подачи теплоносителя и включение нагревательных элементов осуществляется со щита управления установкой. Контроль температуры теплоносителя на выходе и входе каждого отопительного прибора осуществляется с помощью термометров сопротивления, установленных на подводящих и отводящих патрубков приборов. Показание температуры по каждой «точке» регистрируется потенциометром 6. «Сигнал» на потенциометр поступает через переключатель 7. Расход питательной воды измеряется при помощи ротаметра 8. Контроль температуры окружающего воздуха в лаборатории tв ведется с помощью термометра.

3.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры  «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

3.5. Методика и порядок проведения работы

1. Включить нагреватели термостата и установить требуемый температурный режим теплоносителя (t0) по заданию преподавателя (60÷95ºС).

2. Подключить к сети теплоснабжения испытуемый отопительный прибор, открыв входной и выходной вентили и установить требуемый (по заданию преподавателя) расход теплоносителя (10÷50 кг/час).

3. Добиться стационарного (установленного) теплового режима при фиксированном расходе (М = const) и температуре теплоносителя (t0 = const). Контрольные замеры температур на входе (tвх) и выходе (tвых) отопительного прибора производить через каждые 5 минут 3-4 раза. О получении установившегося режима свидетельствует неизменность показаний температур двух последних замеров.

4. Показания температур и значения расхода при установившемся ре-жиме занести в сводную таблицу 3.6 результатов экспериментов: каждое наблюдение следует производить в течение пяти минут и повторять несколько раз, а расход теплоносителя в два раза – в начале и в конце наблюдения.

5. Установить новый температурный режим на термостате и провести наблюдения аналогично первому; третье наблюдение (на очередном температурном режиме термостата) проводится по аналогии с первым и вторым.

Таблица 3.6 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений

№ режима

t0, ºC

tвх, ºC

tвых, ºC

tв, ºC

M, кг/ч

1

2

3

Обработка результатов эксперимента.

Заготавливаются формы протокола для записи наблюдений и результатов обработки экспериментальных данных в соответствии с таблицами 3.6 и 3.7.

После окончания опыта вычислить средние температуры и величины расхода по каждой графе таблицы 3.6 для каждого наблюдения.

Коэффициент теплопередачи определяется для каждого наблюдения по формуле

,

(3.4)

где М – расход теплоносителя, кг/ч;

Cр – удельная теплоемкость воды при средней температуре теплоносителя, равная 4,187103 Дж/(кгºC);

F – действительная поверхность нагрева испытуемого прибора, м2.

Результаты расчетов заносятся в таблицу 3.7.

Для каждого наблюдения определяется теплоотдача 1м2 испытуемого отопительного прибора по формуле

, Вт/м2,

(3.5)

где , ºC;

K – значение коэффициента теплопередачи, Вт/(м2К);

Тепловое напряжение металла отопительного прибора определяется по формуле (3.3).  Тепловой поток отопительного прибора (от теплоносителя к воздуху) определяется по формуле , Вт.

Результаты расчетов по каждому наблюдению заносятся в таблицу 3.7.

Таблица 3.7 – Результаты обработки экспериментальных данных

№ наблюдения

K,
Вт/(м
2ºC)

q,
Вт/м
2

Δt,
º
C

g,
Вт/(кг
ºC)

Q,
Вт

1

2

3

По результатам расчетов строится график .

3.6. Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

–  тема работы,

–  цель работы,

– краткое описание работы;

– принципиальную схему лабораторной установки;

– протокол записи экспериментальных данных по форме таблицы 3.6;

– результаты обработки экспериментальных данных по форме таблицы 3.7;

– график зависимости ;

– выводы по результатам исследований.

3.7. Вопросы для защиты работы

1. Характеристика потребителей тепла и типы теплоисточников.

2. Характеристика отопительных приборов, и их виды.

3. Методика проведения эксперимента и обработки полученных данных.

4. Основные положения методики расчёта теплообменных аппаратов.

5. Автомобильный радиатор передает от охлаждаемой воды в окружающую среду Q = 70 кДж/с. Средняя температура охлаждающей жидкости в радиаторе tож = 98 ºС, а охлаждающей среды – воздуха tв = 35 ºС. Теплорассеивающая поверхность радиатора F = 8 м2. Определить коэффици-ент теплопередачи.

6. Виды тепловой нагрузки.

7. Виды теплоносителей.

8. Как определяется расчетная температура наружного  воздуха на отопление?

9. Материалы, применяемые для отопительных приборов.

10. Назвать основные виды отопительных приборов.

11. Назначение оребрения в отопительных приборах.

12. Определение понятия "эквивалентный квадратный метр".

13. Определить плотность теплового потока q через плоскую стенку металлического водонагревателя, если заданы: температура греющих газов tг = 300 ºС, температура воды в баке tв = 90 ºС, коэффициенты теплоотдачи соответственно 1 = 4700Вт/(м2К) и 2 =3000 Вт/(м2К), толщина стенки
с = 10 мм и коэффициент теплопроводности материала с = 32 Вт/(мК).

14. Определить поверхность F для нагрева V = 310 м3/ч воздуха от температуры t1 =5 ºС до t2 = 25 ºС, если температура воды на входе в калорифер tвх = 95 ºС, на выходе tвых = 60 ºС; коэффициент теплопередачи принять равным К = 2100 Вт/(м2К). Теплоемкость воздуха
Св =1,2 кДж/(кгК), плотность воздуха = 1,15 кг/м3.

15. Предельные температуры поверхностей отопительных приборов для различных типов зданий.

16. Средний температурный напор отопительного прибора.

17. Схема рекуперативного теплообменника, включенного по прямотоку и противотоку.

18. Формула для определения среднего температурного напора рекуперативного теплообменника.

19. Что такое умягчение и деаэрация воды? Для чего производятся эти операции?

20. Коэффициент теплопередачи для плоской стенки.

21. Основное уравнение теплопередачи, определяющее количество теплоты, передаваемое от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

22. Размерность коэффициента теплопередачи.

23. Способы задания удельной теплоемкости.

3.8 Список рекомендуемой литературы

1. Теплотехника: Учебник для вузов/ В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.: Под ред. В.Н. Луканина. –М.: Высш. шк., 1999. –671с.

2. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. - М.:Стройиздат, 1991.-480 с.

4. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений /Под ред. Ю.П. Соснина – М.: Высшая школа, 2001- 415 с.


Лабораторная работа № 4

СОсТАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

4.1. Цель и содержание

Целью настоящей работы является опытное определение КПД лабораторной установки и установление оптимального значения коэффициента избытка воздуха (a), при котором КПД достигает максимума.

4.2. Теоретическое обоснование

Тепловой баланс лабораторной установки дает представление о распределении введенного в топку тепла, в частности о том, какая его часть используется на нагрев воды, и какая безвозвратно теряется с уходящими дымовыми газами, от химической и механической неполноты сгорания топлива и в окружающую среду через стенки установки.

Проанализировав данные теплового баланса, можно разработать необходимые технологические мероприятия, направленные на улучшение показателей работы установки. Например, выявить оптимальное значение коэффициента избытка воздуха (a), при котором экономичность работы лабораторной установки будет наивысшей.

Тепловой баланс составляется на 1 кг топлива для установившегося теплового режима котла. Уравнение теплового баланса имеет вид:

,

(4.1)

где  – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Q1 – полезное тепло, затраченное на получение горячей воды, кДж/кг; Q2 – потери тепла с дымовыми газами, кДж/кг; Q3 – потери тепла от химической неполноты сгорания, кДж/кг; Q4 – потери тепла от механической неполноты сгорания, кДж/кг; Q5 – потери тепла в окружающую среду, кДж/кг.

Если левую и правую часть уравнения (4.1) разделить на  и умножить на 100%, то получим уравнение теплового баланса в процентах от низшей теплоты сгорания топлива, то есть:

,

(4.2)

где ;   и т. д.

Величина q1 по смыслу и числовому значению совпадает с коэффициентом полезного действия котлоагрегата, то есть:

.

(4.3)

Следовательно, коэффициент полезного действия можно определить из уравнения:

.

(4.4)

Принимая в этой формуле потерю от механического недожога топлива, равной нулю (q4=0), а потерю в окружающую среду для водогрейного котла (q5) равной 5%, получим коэффициент полезного действия котла в зависимости только от q2 и q3. Эти два вида потерь, при заданной производительности и параметрах воды, при прочих равных условиях, зависят только от коэффициента избытка воздуха (a). С повышением a потери от химической неполноты сгорания (q3) будут уменьшаться, а потери с уходящими газами (q2) – увеличиваться.

4.3. Аппаратура и материалы

Вода из верхней емкости (1) самотеком поступает через змеевик водонагревателя (3) в нижнюю емкость (4). Снизу под змеевиком установлена керосиновая горелка (7). Дымовые газы, проходя через змеевик нагревают протекающую в нем воду, затем удаляются наружу через дымовую трубу (8) под действием силы естественной тяги. Возникновение естественной тяги обусловлено разностью плотностей сред с разной степенью нагретости. Для анализа состава дымовых газов имеется химический газоанализатор (5). Температура дымовых газов определяется с помощью термопары (12) и потенциометра (11).

2 – кран на водяном контуре,

6 – соединительные шланги водяного контура,

9 – шланг отбора дымовых газов,

10 – соединительные провода.

Рис. 4.1 – Схема лабораторной установки

4.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры  «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

4.5. Методика и порядок проведения работы

В данной работе необходимо сравнить значения КПД установки, определенные по прямому и обратному балансу.

I. Определить КПД установки по прямому балансу, это значит найти отношение величин количества тепла полезно воспринятого и тепла выделившегося в камере сгорания.

(4.5)

1. Определяем количество затраченной тепловой энергии, т.е. тепло выделяющееся при сгорании топлива. Эту величину несложно подсчитать, зная удельную теплоту сгорания топлива qт (кДж/кг) и его расход Gт (кг).

, кДж

(4.6)

Удельная теплота сгорания керосина определяется по справочным данным [5]. Для керосина она составит 43 МДж/кг

Расход топлива можно определить путем взвешивания керосиновой горелки до и после опыта. Таким образом, разница в весе и составит расход керосина затраченного на горение.

2. Определяем количество полезно воспринятой тепловой энергии, т.е. тепло которое было воспринято нагревающейся в змеевике водой. Для расчета этой величины потребуется знать количество нагретой воды Gв (кг), ее теплоемкость Ср (кДж/(кг·ºC)), а также потребуется знать на сколько градусов была нагрета эта вода ∆t (ºC).

, кДж

(4.7)

Количество воды нагретой в течении опыта можно определить с помощью мерной емкости.

Для определения температурного перепада ∆t, необходимо будет измерить температуру воды на входе в нагреватель tхол (которая как правило остается постоянной в течении всех опытов) и температуру нагретой воды на выходе из нагревателя tгор. Эти температуры могут быть измерены простым спиртовым термометром.

, ºC

(4.8)

Теплоемкость воды Сp определяется по справочным данным как средняя изобарная теплоемкость при средней температуре tср=(tгор+tхол)/2, ºC.

Для экспериментального определения вышеуказанных величин необходимо выполнить опыт в следующей последовательности.

1. Наполнить верхнюю емкость исходной водой, а нижнюю емкость полностью освободить.

2. Взвесить керосиновую горелку и измерить температуру исходной воды.

3. Поджечь фитиль горелки и установить ее на свое место в топочном шкафу под змеевиком.

4. Открыть кран на водяном контуре, чтобы исходная вода, проходя через змеевик, нагревалась и сбрасывалась в нижнюю емкость.

6. Далее, удостоверившись, что опыт проходит нормально, необходимо выждать некоторое время, для того чтобы выгорела некоторая существенная часть керосина, чтобы потом изменение веса можно было зафиксировать на весах с достаточной степенью точности. Это время назначается преподавателем и рекомендуется не менее 15 мин. В течении этого времени, спустя 5миннут от начала опыта, произвести замер температуры уходящих газов и выполнить анализ продуктов сгорания на газоанализаторе.

5. Когда время опыта подходит к концу, необходимо измерить температуру нагретой сбросной воды. Для этого можно взять спиртовой термометр и опустить его вместе со сбросным шлангом в мерную емкость. Использование данного метода измерения рекомендуется, для того чтобы исключить погрешность, связанную с охлаждением воды в сбросной емкости и недогревом воды в первые минуты опыта, когда идет разогрев установки.

6. По истечении назначенного времени опыта необходимо потушить горелку и перекрыть кран на водяном контуре.

7. С помощью мерной емкости измерить объем нагретой воды и используя значение ее плотности () рассчитать ее вес.

8. Керосиновую горелку снова вытащить и взвесить.

Таким образом, практическая часть опыта закончена. Для удобства вычислений все измеренные величины нужно записывать в протокол опыта, по форме таблицы 4.1. Температуру уходящих газов и результаты газового анализа записать в таблицу 4.4.

Таблица 4.1

№ оп

Вес керосинов. горелки, кг

Температура воды, ºC

Вес нагретой воды, кг

до опыта

после опыта

исходной

нагретой

1

2

3

Таким образом, по выше приведенным рекомендациям необходимо выполнить несколько опытов. Их количество и режим каждого опыта задаются преподавателем.

Затем, чтобы определить значение КПД для каждого опыта, необходимо выполнить соответствующие расчеты, которые рекомендуется сводить в таблицу 4.2. Производимые расчеты для одного любого опыта должны быть подробно представлены с пояснениями.

Таблица 4.2

№ оп

Gт , кг

t, ºC

Gв , кг

Qз , кДж

Qп , кДж

, %

1

2

3

II. Определить КПД установки по обратному балансу, это значит от 100% отнять значения всех потерь тепловой энергии, выделившейся при сгорании топлива.

.

(4.9)

Принимая во внимание, что q4 = 0 и q5 = 5% упростим формулу

.

(4.10)

Определяем долю тепла, которая теряется от химической неполноты сгорания топлива

, %,

(4.11)

где  – теплотворная способность топлива, = 43000 кДж/кг;

Q3 – потеря тепла от неполноты сгорания топлива.

, кДж/кг,

(4.12)

где CP и SP – рабочее содержание углерода и серы в топливе, в % по весу.

Для керосина рабочий состав топлива в % по весу следующий:

 CP=86,0; HР=13,7; SP=0; OP+ NР=0,1;

RO2 – трехатомные газы в % по объему, определяемые газовым анализом, причем, при сгорании керосина SO2=0.

Количество окиси углерода (СО) и азота (N2) определяется на основе полученных данных концентрации кислорода (О2) и углекислого газа (СО2).

, %

(4.13)

, %.

(4.14)

где CO, O2 и N2 – процентное содержание соответствующих газов в продуктах сгорания.

Потеря тепла с уходящими газами q2 равна энтальпии газов удаляемых в атмосферу за вычетом количества тепла, вносимого с топливом и с поступающим в топку воздухом, деленной на теплотворную способность топлива, то есть:

,

(4.15)

где Yyx – энтальпия уходящих газов, кДж/кг; QT – физическое тепло топлива, кДж/кг; QB – энтальпия поступающего в топку воздуха, кДж/кг.

Порядок подсчета величин Yyx, QT, QB приводится ниже.

Энтальпия уходящих газов подсчитывается по уравнению:

,

(4.16)

где  – средние объемные теплоемкости газов при постоянном давлении: значения их приводятся в таблице 4.3 в зависимости от температуры, в кДж/(нм3 ·К); tyx – температура уходящих газов, ºС.

Таблица 4.3. – Значение средних объемных теплоемкостей газов и влажного воздуха при постоянном давлении.

Температура ºС

, кДж/(нм3К)

, кДж/(нм3К)

, кДж/(нм3К)

, кДж/(нм3К)

0

1,593

1,293

1,494

1,319

100

1,713

1,296

1,506

1,324

200

1,796

1,300

1,522

1,332

300

1,871

1,307

1,542

1,342

400

1,929

1,317

1,566

1,354

500

1,997

1,329

1,589

1,368

Объем трехатомных газов подсчитывается по уравнению:

, нм3/кг,

(4.17)

где CP, SP – рабочее содержание углерода и серы в топливе в % по весу.

Объем двухатомных газов определяется по уравнению:

, нм3/кг,

(4.18)

где V0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для сжигания единицы массы топлива, определяемое по уравнению:

, нм3/кг,

(4.19)

где CP, HP, NP, OP – рабочий состав топлива.

Объем водяных паров определяется:

, нм3/кг,

(4.20)

где WP – влажность топлива, для керосина WP= 0.

Объем избыточного воздуха определяется из выражения:

, нм3/кг,

(4.21)

где a – коэффициент избытка воздуха.

Численное значение коэффициента избытка воздуха определяется для каждого режима на основании полученных результатов газового анализа:

,

(4.22)

Таким образом, зная все члены, входящие в уравнение (4.16), подсчитывают величину энтальпии уходящих газов. Температура уходящих газов tyx при испытании котла замеряется термопарой с последующей записью на вторичном приборе. Значения объемных теплоемкостей компонентов составляющих дымовые газы принимаются из таблицы 4.3 в зависимости от температуры tyx.

Затем определяются QT и QB , входящие в состав уравнения (4.15).

, кДж/кг,

(4.17)

, кДж/кг,

(4.10)

где СТ – средняя теплоемкость топлива, принимаемая для газа равной 1,675 кДж/кгК; tТ – температура топлива, принимаемая равной 100С;
a – коэффициент избытка воздуха; V0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива, нм3/кг, СВ , tВ – теплоемкость воздуха и его температура. СВ берется из таблицы 4.3 в зависимости от температуры.

Осуществляя процесс горения с различными коэффициентами избытка воздуха, подсчитывают потери q2 и q3. По полученным значениям a и h для различных эксплуатационных режимов строят графическую зависимость:

 h = f(a).

Зная КПД котла, подсчитывают часовой расход топлива по уравнению:

,

(4.19)

где D – нагрузка котла, то есть  производительность по горячей воде, кг/ч;
iгв , iхв – энтальпия горячей и холодной воды, кДж/кг.

Для температуры до 100 0С значения энтальпии горячей и холодной воды можно принять численно равными произведению удельной теплоемкости воды (СВ = 4,190 кДж/кгК) на ее температуру.

Удельный расход топлива на получение 1 кг горячей воды заданных параметров определяется по формуле:

, кг/кг.

(4.20)

Таблица 4.4.– Экспериментальные значения рабочих параметров и расчетные результаты их обработки.

Измеряемые параметры, расчетные показатели

Обозначение

Единицы измерен.

№ режима

1

2

3

1

2

3

4

Расход нагреваемой воды

D

кг/ч

Температура питательной воды

tпв

0С

Температура горячей воды

tгв

0С

Температура воздуха помещения

tв

0С

Температура топлива (керосина)

tт

0С

Температура уходящих газов

tуг

0С

Состав продуктов сгорания:

Кислород

O2

%

Углекислота

CO2

%

Окись углерода

CO

%

Азот

N2

%

Коэффициент избытка воздуха

a

б/м

Химический недожог

Q3, q3

кДж/кг, %

Потери с уходящими газами

Q2, q2

кДж/кг, %

КПД

%

Расход топлива

B, b

кг/ч, кг/кг

Рассчитанные значения КПД установки по прямому и обратному балансу необходимо сравнить и сделать соответствующие выводы

4.6.  Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

–  тема работы,

–  цель работы,

– краткое описание лабораторной установки;

– принципиальную схему установки с указанием точек замеров рабочих параметров;

– протокол записи показания измерительных приборов и результатов обработки экспериментальных данных;

– график зависимости коэффициента полезного действия котла от коэффициента избытка воздуха.

–  выводы по данной лабораторной работе.

4.7.  Вопросы для защиты работы

1. Общие понятия о котельных установках и элементах парового котла.

2. Виды теплопотерь, их характеристика и влияние на величину КПД котла.

3. Методика расчета энтальпии уходящих газов и коэффициентов избытка воздуха.

4. Методика расчета теоретически необходимого количества воздуха и объемов продуктов сгорания.

1.8 Список рекомендуемой литературы

1. Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы. Снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. М.: Энергоатомиздат, 1996 - 128 с.

2. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. /Под ред. Кузнецова Н. В. и др. Л.: Энергия, 1998. – 296 с., ил.

3. Паровые и водогрейные котлы. Справочник. Изд-во «КНОРУС», 2000

4. Безгрешнов А. Н., Липов Ю. М., Шлейдер Б. М. Расчет паровых котлов в примерах и задачах. Учебное пособие для вузов. /Под общ. ред. Липова Ю. М. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240 с., ил.

5. Роддатис К. Ф. Котельные установки. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1977. – 432 с., ил.

6. Эстеркин Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование. Учеб. пособие для техникумов. Л., Энергоиздат, 1989. – 280 с., ил.

7. Делягин Г. Н., Лебедев В. И., Пермяков Б. А. Теплогенерирующие установки: учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1986.


Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Теплотехника» для студентов специальностей

190601 (150200) Автомобили и автомобильное хозяйство

130503 (090600) Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых скважин

130501 (090700)  Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ

130504 (090800) Бурение нефтяных и газовых скважин

260202 (270300) Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий

260504 (270800) Технология консервов и пищеконцентратов

260301 (270900) Технология мяса и мясных продуктов

260303 (271100) Технология молока и молочных продуктов

260501 (271200) Технология продуктов общественного питания

Составители: Аборнев Д. В., Воронин А. И., Стоянов Н. И.

Редактор:

_________________________________________________________________

Подписано в печать

Формат 60x84 1/16.   Усл. п. л. –  .    Уч.-изд. л. –  .

Бумага газетная.  Печать офсетная.   Заказ   Тираж  200 экз.

ГОУВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета

Отпечатано в типографии СевКавГТУ

_________________________________________________________________


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32591. Учет и распределение общепроизводственных и общехозяйственных расходов 29 KB
  К общепроизводственным расходам относят расходы связанные с организацией производства и управлением отдельной отрасли производства ищи подразделения. К общехозяйственным расходам относят расходы связанные с организацией производства и управлением хозяйства в целом. Учёт данных расходов ведётся на счете 25 Общепроизводственных расходы и счете 26 Общехозяйственные расходы.
32592. Учет доходов и расходов 33.5 KB
  В состав расходов связанных с производством и реализацией продукции работ услуг крестьянские фермерские хозяйства включают: стоимость израсходованных покупных семян кормов запасных частей и материалов удобрений нефтепродуктов сырья услуг других хозяйств агросервисных и других сторонних предприятий и организаций; амортизационные отчисления на полное восстановление основных средств и расходы по всем видам ремонта основного имущества; уплаченные в бюджет налоги кроме налогов относимых на финансовые результаты деятельности;...
32593. Учет расчетов по налогам и сборам 37 KB
  База налогообложения налоговые ставки налоговые льготы сроки уплаты и льготы по налогообложению устанавливаются Налоговым Кодексом РФ и действующим законодательством. Расчет сумм налогов и сборов подлежащих уплате в бюджет производится на основании налоговых деклараций. Расчеты с бюджетом по налогам и сборам – это один из самых ответственных и трудоемких участков работы.
32594. Учет расчетов по социальному страхованию и обеспечению 34 KB
  Для расчетов такого типа предусмотрен счет 69 Расчеты по социальному страхованию и обеспечению. Счет 69 Расчеты по социальному страхованию и обеспечению предназначен для обобщения информации о расчетах по социальному страхованию пенсионному обеспечению и обязательному медицинскому страхованию работников организации. К счету 69 Расчеты по социальному страхованию и обеспечению могут быть открыты субсчета: 691 Расчеты по социальному страхованию 692Расчеты по пенсионному обеспечению; 693 Расчеты по обязательному медицинскому...
32595. Учет расчетов с персоналом по оплате труда 47.5 KB
  Для учета личного состава начисления и выплат заработной платы используют унифицированные формы первичных и учетных документов. В лицевые счета записывают необходимые сведения о работнике все виды начислений и удержаний из заработной платы за каждый месяц. Независимо от формы первичные документы содержат в себе как правило следующие реквизиты: место работы время работы дата наименование и разряд работы операции количество и качество работы фамилии инициалы табельные номера и разряды рабочих нормы времени и расценки за единицу...
32596. Учет расчетов с подотчетными лицами. Бухгалтерские проводки по учету расчетов с подотчетными лицами 39.5 KB
  С 2012 года правила выдачи подотчетных сумм несколько изменятся новшества также предусмотрены Положением № 373П. В частности чтобы получить деньги под отчет работник должен каждый раз писать заявление. Кассир может выдать деньги на основании заявления в котором руководитель сделал надпись о сумме и сроке приказ со списком подотчетных лиц больше издавать не надо.
32597. Учет расчетов с поставщиками и покупателями 47.5 KB
  Предусмотрено наличие на каждом предприятии двух видов журналов учета счетовфактур: журнала учета выдаваемых покупателям счетовфактур и журнала учета полученных от поставщиков счетовфактур. Все счетафактуры хранящиеся в журнале учета счетовфактур должны быть пронумерованы с начала года. Журналы учета полученных и выданных счетовфактур должны быть прошнурованы а их страницы пронумерованы. Для аналитического учета расчетов за поступившие от поставщиков материальные ценности предприятие ведет Реестр учета расчетов с поставщиками и...
32598. Учёт резервов предстоящих расходов 39 KB
  Счет 14 Резервы под снижение стоимости материальных ценностей предназначен для обобщения информации о резервах под отклонения стоимости сырья материалов топлива и т. ценностей определившейся на счетах бух учета от рыночной стоимостирезервы под снижение стоимости материальных ценностей. Образование резерва под снижение стоимости материальных ценностей отражается в учете по кредиту счета14 Резервы под снижение стоимости материальных ценностей и дебету счета 91 Прочие доходы и расходы. В начале периода следующего за периодом в...
32599. Учет собственного и заемного капитала в крестьянском фермерском хозяйстве 34.5 KB
  Учет собственного и заемного капитала в крестьянском фермерском хозяйстве. Собственный капитал сумма уставного резервного и добавочного капитала а также нераспределенная прибыль и целевое финансирование. Учет уставного капитала Уставный капитал это сумма средств первоначально инвестированных собственниками для обеспечения уставной деятельности организации. Величина уставного капитала может по решению учредителей увеличиваться или уменьшатся в процессе финансовохозяйственной деятельности с обязательной регистрацией изменений в...