Бийский технологический институт (филиал)

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

М.А. Ленский, А.И. Жигульский

ТЕПЛОТЕХНИКА.

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения всех специальностей

 

 

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

2009

УДК 621.1016 (076.5)

Л46

 

Методические рекомендации разработаны в соответствии с госу-дарственными образовательными стандартами специальностей и на основании рабочих программ дисциплин.

 

Рецензент: к.х.н. профессор БТИ АлтГТУ Попенко Е.М.

 

 

Ленский, М.А.

Л46 Теплотехника. Сборник лабораторных работ: методические  реко-

мендации по выполнению лабораторных работ для студентов всех

форм  обучения  всех  специальностей / М.А. Ленский,  А.И. Жигуль-

ский; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 56 с.

 

Методические рекомендации предназначены для студентов технических вузов всех форм обучения и специальностей, содержат основные лабораторные работы по курсу теплотехнических дисциплин. В приложении представлен необходимый справочный материал для расчетов.

 

                                                УДК 621.1016 (076.5)

                         

                 

                    Рассмотрены и одобрены

                                   на заседании кафедры ТГВ ПАХТ

                            Протокол № 3 от 24.03.2009 г.

 

 

                                © М.А. Ленский, А.И. Жигульский, 2009

                           © БТИ АлтГТУ, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ.. 4

Содержание отчета по лабораторной работе.. 5

1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ТЕПЛОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 6

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ПОСТРОЕНИЕ

ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ПОРШНЕВОГО

КОМПРЕССОРА…………………………………………………………10

3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА

ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ДВУХТРУБНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

ТИПА « ТРУБА В ТРУБЕ » ……………………………………………….19

4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА 32

5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ КОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 41

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАБОТ.. 52

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Теплофизические свойства веществ. 53

ЛИТЕРАТУРА.. 55

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью выполнения лабораторных работ является теоретическое и практическое ознакомление студентов с методами получения, преоб-разования, передачи и использования тепловой энергии принципами действия, конструктивными особенностями тепловых устройств и систем; обучение студентов методологии проведения расчета различ-ных устройств и систем.

В результате выполнения лабораторных работ студенты должны:

ü знать теплотехническую терминологию, законы получения и преобразования энергии, методы анализа эффективности использования теплоты области применения и потенциальные возможностей основного теплоэнергетического оборудования (теплообменников, паровых котлов, тепловых двигателей и др.);

ü уметь правильно формулировать и решать разнообразные прикладные задачи с использованием основных законов термодинамики и тепломассообмена, связанных с профилем инженерной деятельности.

Содержание отчета по лабораторной работе

 

Отчет по лабораторной работе должен включать следующие структурные элементы:

ü титульный лист;

ü цель работы;

ü краткую теоретическую часть;

ü схему и описание установки;

ü отчетную таблицу;

ü математическую обработку опытных данных;

ü графическое изображение полученных результатов;

ü вывод по работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. ТЕПЛОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

Цель работы: экспериментально определить тепловой эквивалент электрической энергии.

 

Задание

 

1. Определить электрическую энергию, подводимую к нагревателю.

2. Определить количество тепла, полученного от нагревателя водой.

3. Вычислить значение теплового эквивалента электрической энергии.

4. Сделать выводы по работе.

 

Теоретическая часть

 

Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамических системах.

Закон формулируется следующим образом: подведенная к изолированной системе теплота расходуется на изменение внутренней энергии и совершение внешней работы, или без подвода теплоты внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы.

Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Из него следует, что уменьшение какого-либо вида энергии в одной системе, состоящей из одного или нескольких тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.

Способность превращения механической энергии или работы в тепловую известна из жизненного опыта с древних времен. Практичес-кое же доказательство возможности превращения теплоты в работу было дано на первых паровых машинах, работающих за счет теплоты, получаемой при сгорании топлива в топке парового котла.

Количество теплоты, как всякого другого вида энергии, измеряемо; его технической единицей служит джоуль – количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 °С. Технической единицей работы также является джоуль.

Согласно закону сохранения энергии, теплота и работа эквивалентны и могут переходить одна в другую. Так как количество теплоты Q и работа L измеряются в одних и тех же единицах, то

                                                                                              (1.1)

где Q – количество тепла, превращенное в работу, Дж;

L – работа, полученная за счет теплоты, Дж.

Или

                                       (1.2)

Постоянный коэффициент A = Q / L носит название теплового эквивалента работы. Тепловой эквивалент работы – величина размер-ная и зависит от системы единиц, выбранной для теплоты и работы.

Промышленной единицей электрической энергии является киловатт-час. Киловатт – промышленная единица электрической мощности. Согласно этому количество тепла, эквивалентное одному киловатт-часу электрической энергии носит название теплового эквивалента электрической энергии.

                                                  .                          (1.3)

Опытами установлено, что 1 кВт·ч = 3,6·10⁶ Дж, т.е. = 3,6·10⁶ Дж/кВт·ч; 1 эрг = 10^-7 Дж; 1 термохим. кал (кал_ТХ) = 4,18400 Дж.

В установленном соотношении теплоты и работы говорится не только об их эквивалентности, т.е. о количественном постоянстве энергии, но и об изменении качества самой энергии.

 

Экспериментальная часть

Экспериментальная установка (рисунок 1) представляет собой термостат 1, заполненный водой, которая перемешивается с помощью мешалки 6. Внутрь термостата помещен электронагреватель 2, мощность которого регулируется переключателем 3.

При включении нагревателя в сеть тепло от него передается воде, залитой в термостат. Температура воды определяется по показаниям термометра 4, а уровень – с помощью водомерного стекла 5.

Количество электрической энергии  в кВт·ч, подводимая к нагревателю, измеряется по показаниям электросчетчика 7 за опреде-ленный промежуток времени, отмеряемый секундомером.

Следует отметить, что не вся теплота от нагревателя отдается воде, часть ее идет на нагревание стенок калориметра, мешалки и нагрев воздуха, окружающего калориметр.

 

1 – термостат; 2 – электронагреватель; 3 – переключатель;

4 – термометр; 5 – водомерное стекло; 6 – электродвигатель (мешалка);

7 – электросчетчик

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

Для практических расчетов на данной установке можно принять, что 90 % теплоты, выделенной электрическим нагревателем, идет на нагревание воды. Т. е. количество электрической энергии, воспринятое водой, будет

                                         .                                          (1.4)

Теплоту, полученную водой, можно определить, зная количество воды в калориметре , кг, удельную теплоемкость воды , Дж/(кг × К) и средние температуры воды в калориметре в начале и в конце процесса нагревания   и  ( кг,   Дж/ (кг ×К)).

 

Теоретическая часть

 

Компрессорами называют машины, предназначенные для сжатия и нагнетания газа. Они являются одним из основных элементов газотур-бинных двигателей, холодильных установок и т.п.

По принципу действия компрессоры разделяют на объемные и лопаточные.

В объемных компрессорах повышение давления газа происходит в результате принудительного уменьшения его объема. К объемным относятся поршневые, ротационные и винтовые компрессоры.

В лопаточных компрессорах давление газа увеличивается от действия инерционных сил, возникающих при вращении колеса компрессора. Иначе их называют турбокомпрессорами и разделяют на центробежные и осевые.

Поршневые компрессоры используют для сжатия до больших давлений (0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 20,0 МПа и выше) при невысоких производительностях. Турбокомпрессоры, напротив, предназначены для подачи больших количеств газа при сравнительно невысоких давлениях (0,15–1,5 МПа).

На рисунке 2 изображена схема одноцилиндрового поршневого компрессора простого действия.

Он состоит из цилиндра 1, снабженного охлаждающей рубашкой 2, передвигающегося в нем поршня 3. Поршень соединен шатуном 4 с коленчатым валом 6 компрессора через кривошип 5 и совершает возвратно-поступательное движение. В крышке цилиндра имеются клапаны: всасывающий 7 и нагнетательный 8.

Поршень имеет два крайних положения, называемые верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Расстояние между этими положениями, умноженное на площадь поршня F, называется рабочим объемом компрессора:

                                                 .                            (2.1)

 

1 – цилиндр компрессора; 2 – охлаждающая рубашка; 3 – поршень;

4 – шатун; 5 – кривошип; 6 – коленчатый вал;

7 – всасывающий клапан; 8 – нагнетательный клапан

Рисунок 2 – Схема одноцилиндрового компрессора

Объем между крышкой цилиндра и ВМТ поршня называют вредным пространством. Обозначают его . Величина вредного пространства составляет . Отношение объема вредного пространства к рабочему объему называют относительным объемом вредного пространства:

                                                  . (2.2)

Из-за вредного пространства производительность компрессора уменьшается.

Совокупность процессов, происходящих в любой работающей поршневой машине, изображает так называемая индикаторная диаграмма. Ее получают с помощью особого прибора – индикатора. В настоящей работе для этой цели используется специальная установка.

Индикаторная диаграмма представляет собой замкнутый контур, состоящий из ряда отдельных процессов, каждый из которых дает графическое изображение характера изменения давления и объема рабочего тела в различные периоды работы машины. Длина индика-торной диаграммы дает в некотором масштабе объем, описываемый поршнем при его ходе из крайнего положения в другое.

Индикаторная диаграмма поршневого компрессора представлена на рисунке 3.

 

1–2 – сжатие рабочего тела; 2–3 – выталкивание сжатого газа;

3–4 – расширение оставшегося во вредном пространстве сжатого газа;

4–1 – всасывание рабочего тела (воздуха или другого газа)

Рисунок 3 – Индикаторная диаграмма компрессора

Опишем работу поршневого компрессора, используя его индика-торную диаграмму.

При движении поршня от НМТ впускной клапан 7 закрыт и воздух, имеющийся в цилиндре, сжимается. В точке 2 давление в цилиндре оказывается равным давлению воздуха в нагнетательном патрубке. Однако давление в цилиндре повышается дополнительно, что обеспечивает открытие клапана 8 и выталкивание воздуха в нагнетательный  патрубок  (в воздушный  ресивер  с  давлением  Р₂). По мере приближения поршня к ВМТ скорость его движения уменьшается, перепад давлений между цилиндром и ресивером также уменьшается, и при достижении ВМТ давление в цилиндре и ресивере сравнивается.

При движении поршня в обратном направлении давление в цилиндре падает, клапан 8 закрывается и воздух, сжатый в объеме V_с вредного пространства, расширяется (процесс 3–4).

В точке 4 давление в цилиндре оказывается равным давлению Р ₁ окружающей среды, и при дальнейшем движении поршня в цилиндре образуется некоторое разряжение, обеспечивающее открытие впускного клапана 7 и всасывание воздуха в цилиндр из окружающей среды. В точке 1 впускной клапан закрывается и при обратном движе-нии поршня сжимается новая порция воздуха.

 

Экспериментальная часть

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 4.

1 – двухпоршневой компрессор; 2 – манометр; 3 – вакуумметр;

4 – кран; 5 – колесо; 6 – шкала; 7 – стрелка колеса компрессора

Рисунок 4 – Схема экспериментальной установки

Установка для построения индикаторной диаграммы состоит из двухпоршневого компрессора 1, манометра 2, вакуумметра 3 и крана 4.

Привод компрессора осуществляется вручную с помощью колеса 5. Для определения хода поршня компрессора служит шкала 6. Положение поршня в цилиндре указывает стрелка 7, закрепленная на колесе.

Цифры на крышке компрессора показывают номера цилиндров: 1 – первый цилиндр; 2 – второй цилиндр.

Буквы и цифры ВМТ 1, НМТ 1, ВМТ 2 и НМТ 2 обозначают нахождение поршней компрессора в верхней и нижней мертвых точках.

Так, если стрелку колеса компрессора совместить с отметкой ВМТ 1, то при этом поршень первого цилиндра находится в верхней мертвой точке.

Если стрелку колеса компрессора совместить с отметкой НМТ 1, то поршень первого цилиндра находится в нижней мертвой точке

Обозначения с цифрой два показывают положение поршня второго цилиндра.

 

Порядок выполнения работы

 

Сначала определяют момент открытия всасывающего клапана. Для этого устанавливают стрелку колеса компрессора против риски ВМТ 2 и покачивая колесо компрессора по часовой стрелке, по началу отклонения стрелки вакуумметра от нулевого положения определяют момент открытия всасывающего клапана. Расстояние, которое проходит при этом поршень, определяют по углу от риски ВМТ 2 до найденного момента открытия клапана.

После этого определяют разряжение, создаваемое компрессором. Для этого устанавливают стрелку колеса компрессора против риски ВМТ 2 и делать резкий оборот колесом. По показанию вакуумметра 3 определяют разряжение, создаваемое компрессором.

Затем определяют давление, которое создает компрессор. Предварительно нужно найти момент открытия нагнетательного клапана.

При этом необходимо перекрыть кран 4, установить стрелку колеса компрессора против риски НМТ1 и, резко покачивая колесо компрессора по часовой стрелке, по началу отклонения стрелки манометра 2 от нулевого положения, установить момент открытия нагнетательного клапана.

После этого опять устанавливают стрелку колеса компрессора против риски НМТ1 и резко делают оборот колесом. По показанию манометра определяют давление, создаваемое компрессором.

Углы начала открытия всасывающего и нагнетательного клапанов, разряжение и давление, создаваемое компрессором, определяют 3–4 раза.

Результаты измерений необходимо занести в таблицу 2 и рассчитать средние значения полученных величин за пять измерений.

 

 

Таблица 2 – Результаты экспериментальных измерений

Номер измерения	Момент открытия всасывающего клапана, º	Ход поршня до начала открытия всасывающего клапана, мм	Показания вакуумметра, Па	Момент открытия нагнетательного клапана, º	Ход поршня до начала открытия нагнетательного клапана, мм	Показания манометра, Па
1
2
…
n

 

Теоретическая часть

 

Уравнение теплового баланса

 

При работе теплообменных аппаратов в результате теплообмена происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и повышение энтальпии холодного теплоносителя.

Методика определения количества отданного и поглощенного тепла (тепловой нагрузки) зависит от агрегатного состояния теплоносителей.

Так, при нагревании и охлаждении без изменения агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса для непрерывных процессов имеет вид:

                          , (3.3)

где  – количество горячего и холодного теплоносителей, про-ходящих через аппарат за единицу времени, кг/с;

c₁, с₂ – удельная теплоемкость горячего и холодного теплоноси-телей, ;

, – начальная и конечная температуры горячего теплоноси-теля, °С;

, – начальная и конечная температуры холодного теплоноси-теля, °С;

 – потери тепла в окружающую среду за единицу времени, Вт.

При нагревании жидкости или газа сухим насыщенным паром уравнение теплового баланса имеет вид:

                                 , (3.4)

где D – количество пара, прошедшего через аппарат, кг/с;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

 

Экспериментальная часть

 

Установка для проведения экспериментальных работ состоит: из теплообменника 1 (рисунок 8), паропровода 2, линии отвода конден-сата 4, контрольно-измерительных приборов (ротаметр 5, манометры 6, термометры 7), холодильника 8, насоса 9, емкости для пищевых жидких сред 10. Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из четырех расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы размером 32×2 мм и концентрически расположенной внутри нее трубы размером 16×1 мм. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно при помощи съемных калачей. Наружные трубы также связаны между собой. Общая рабочая длина трубы l = 1,5 м.

Греющий пар подают в межтрубное кольцевое пространство теплообменника. Конденсат отводится через конденсатоотводчик в линию конденсата. Расход воды устанавливают при помощи расходомера-ротаметра. Давление конденсирующего пара регулируют вентилем по показанию манометра, присоединенного к верхней части теплообменника, температуру на входе и выходе воды измеряют ртутными термометрами.

1 – теплообменник; 2 – паропровод; 3 – вентиль; 4 – линия отвода

конденсата; 5 – ротаметр; 6, 7 – манометры; 8 – холодильник;

9 – насос; 10 – емкость

 

Рисунок 8 – Схема установки

 

Порядок проведения работы

Устанавливают расход воды, заданный преподавателем, и только затем продувают паром межтрубное (кольцевое) пространство теплообменника в течение 5…10 минут. После продувки определяют заданный расход пара и постоянное (избыточное) давление пара
(не менее 0,3 атм). Через каждые 2…5 минут записывают показания термометров. Измеренные величины заносят в таблицу 3. Замеры заканчивают, когда начальная и конечная температуры нагреваемой среды примут постоянные значения.

 

Таблица 3 – Опытные данные

Измеряемая величина

Время замера