Кафедра механизации животноводства и переработки

ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ

Кафедра механизации животноводства и переработки

Сельскохозяйственной продукции

 

 

Теплотехника

 

 

рабочая тетрадь

для лабораторных работ

 

 

 

СТУДЕНТ ________________________________

(Ф.И.О разборчиво)

 

ГРУППА ___________________

 

Новосибирск 2015

Кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной  продукции

 

УДК 621.1

ББК 31.3

 

Теплотехника: рабочая тетрадь для лабораторных работ / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т; сост: А.Г. Христенко,  Е.А. Пшенов, Д.С. Рудаков. – Новосибирск, 2015 – 32с.

 

Рецензент, доцент, канд. техн. наук Е. А. Булаев.

 

Рабочая тетрадь предназначена для студентов очной и заочной формы обучения, по направлениям:

 Агроинженерия;

Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов;

Технология транспортных процессов;

Профессиональное обучение (по отраслям);

Продукты питания животного происхождения;

Технология продукции и организация общественного питания.

 

 

Утверждены и рекомендованы к изданию методическим советом Инженерного института НГАУ (протокол № 2 от 29 сентября 2015 г.)

 

© Новосибирский ГАУ, 2015

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ, КОЭФФИЦИЕНТА

АДИАБАТЫ, ЭНТАЛЬПИИ И ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ВОЗДУХА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментальное определение объемной изобарной теплоемкости воздуха, позволяющей рассчитать все виды теплоемкостей, зависимость их от температуры, а также родственные им величины: внутреннюю энергию, энтальпию и показатель адиабаты.

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА. Схема установка показана на (рис.1).

Включение калориметра в электрическую сеть производится совместно с вентилятором.

Количество воздуха, проходящего через калориметр, регулируется воздушной заслонкой, установленной на воздухоподводящем вентиляторе.

Мощность электрического тока, проходящего через электронагреватель, регулируется латром.

Силу тока и напряжение замеряют соответственно амперметром и вольтметром.

Динамический напор воздуха определяется микроманометром, подсоединенным к лабораторной установке.

Температура на входе и выходе из калориметра измеряется с помощью датчиков подключенных к электронному термометру.

Опыт проводят при трех режимах до установившихся температур в каждом из них. Показания приборов записывают в табл. 1.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Убедиться установке датчиков температуры на входе и выходе калориметра и включить электронный термометр.

2. Установить показание микроманометра, от которого начинать отсчет.

3. Воздушную заслонку прикрыть до конца.

4. Включить установку в сеть.

5. Плавно открывая заслонку добиться показаний микроманометра   L = 1мм.

6. Установить напряжение U = 200 В.

7. Через 5 мин снять показания измеряемых параметров и записать в табл.1:

- длину столба жидкости микроманометра L, м;

- температуру воздуха на входе в прибор t_вх, ^oC;

- температуру воздуха на выходе из прибора t_вых, ^oC;

- силу электрического тока I, А;

8. Установить воздушную заслонку в среднее положение, через 5 мин записать показания в табл. 1.

9. Установить воздушную заслонку в полностью открытое положение, через 5 мин записать показания в таблицу 1.

10. По окончании испытания отключить установку.

11.  По получению экспериментальных данных рассчитать для воздуха:

а) динамический напор;

б) массовую среднюю изобарную теплоемкость;                        

в) массовую среднюю изохорную теплоемкость;                         

г) показатель адиабаты;                                                                      

д) энтальпию;

е) внутреннюю энергию.

ж) Сравнить полученные значения с табличными [6].

12. Построить кривые зависимости С_р и С _v от средней температуры.

 

 

Рис. 1. Схема установки для определения теплоемкости воздуха:

1 - заслонка; 2 - вентилятор; 3 - термометр; 4 - проточный калориметр; 5 - электроспираль; 6 - микроманометр; 7 - вольтметр; 8 - амперметр; 9 - латр.

Таблица 1 – Исходные данные

Номер точки	I, А	U, В	tвх, ^o C	tвых, ^оС	L, м
1
2
3

Таблица 2 – Расчетные величины

Номер опыта	tcp	кДж/м^3×К	кДж/кг×К	кДж/кг×К	k	h, кДж/кг	D U, кДж/кг
1
2
3

13. Построить графики зависимости Сp и Cv от средней температуры Сp=f(t) и Cv=f(t)

 

Ср, Сv

                                                                                                    t_{cp ,} ^o _C

Рис. 2 Графики зависимости Сp=f(t) и Cv=f(t)

Выводы: _________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Работу выполнил:       ________ Работу принял: _________

    (подпись)                                       (подпись)

Лабораторная работа № 2

 

ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение процесса теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой при свободно её движении.

ВВЕДЕНИЕ. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя имеет место при нагревании воздуха помещений нагревательными приборами. В технике этот вид теплообмена встречается в различных тепловых установках.

Количество тепла, отданное телом воздуху при конвективном теплообмене, может быть определено по формуле Ньютона – Рихмана:

 Вт,                                    (1)

где a – коэффициент теплоотдачиВт/(м²ЧК);

F – теплоотдающая поверхность тела, м²;

D t – температурный напор (разность между средней температурой теплоотдающей поверхности и средней температурой жидкости), К.

Коэффициент теплоотдачи a зависит от многих факторов: температуры и шероховатости тела, температуры и скорости движения воздуха и др.

Чтобы исследовать влияние на процесс конвективного теплообмена какого – либо одного фактора, остальные необходимо сохранить неизменными, что затруднительно из-за большого числа переменных. Эти трудности разрешает теория подобия, с помощью которой размерные физические величины объединяют в безразмерные комплексы.

Таким образом, нет необходимости искать зависимость коэффициента теплоотдачи от всех указанных выше факторов, а достаточно найти зависимость между отдельными безразмерными комплексами величин, характерными для данного случая теплообмена. Эти комплексы называются критериями подобия.

Такими критериями подобия для случая естественной конвекции являются следующие.

1. Критерий Нуссельта или критерий теплоотдачи:

 ,                                             (2)

где a – коэффициент теплоотдачи,Вт/(м^2··К);

l – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К);

d – диаметр трубы, м.

2. Критерий Грасгофа, или критерий подъемной силы:

 ,                                              (3)

где g –ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с²);

b – температурный коэффициент объемного расширения жидкости, К^-1

для воздуха β = 1/ T_cp, здесь T_cp = 0,5(Т_ст+Т_в) - определяющая температура;

n – кинематическая вязкость, м²/с

D Т=Т_ст – Т_в – расчетный температурный напор (разность температуры стенки и воздуха), К; 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Перед началом опыта проверяют правильность включения измерительных приборов.

Нагреватель включают в электрическую сеть и затем наблюдают за тепловым режимом трубы, для чего через каждые 5 мин. записывают значения всех показателей исходных данных приборов в таблицу 3.

- температуру на поверхности трубы в 4 точках t, ^oC;

- силу электрического тока I, А;

- напряжение электрического тока U, В.

- температуру окружающего воздуха t _в, ^оC;

При установившемся тепловом состоянии, характеризующимся неизменностью показаний приборов во времени делают не менее трех замеров через каждые 5 мин. Температуру измеряют, поочередно подключая датчики при помощи переключателя к электронным термометрам. Для обработки результатов опыта используют средние значения показания приборов.

Таблица 3 – Исходные данные  

Номер опыта	Номер замера	Время, мин.	Температура стенки t, ^oC				I, А	U, В	t в, ^0С
			1	2	3	4
1	1
	2
	3
2	1
	2
	3

Затем латром увеличивают мощность, потребляемую нагревателем, и при новом установившемся тепловом режиме проводят необходимые измерения.

Количество опытов при различных тепловых режимах должно быть не менее двух.

По окончании испытания отключить электрический нагреватель

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Включить электрический водонагреватель.

2. Снять показания измеряемых параметров:

- разность давлений до и после диафрагмы D Н, м вод. ст.;

- температура воды на входе в прибор t ', ^oC;

- температура воды на выходе из прибора t ^", ^oC;

- температура окружающего воздуха t _в, ^оC;

- средняя температура воды t = 0,5(t ^' + t ^"), ^оС.

Значения всех показателей исходных данных записать в таблицу 6.

3. Снимать показания для точек следует после каждого повышения температуры на входе прибора t ^' на 10…15 ^оС.

4. Опыт повторить 4 раза.

5. По окончании испытания отключить электрический водонагреватель.

Таблица 6 – Исходные данные 

№	D Н, м вод. ст.	t^', ^oC	t^", ^oC	t в, ^оС	t, ^oC
1
2
3
4

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

При испытании установки на прямотоке выполняют следующие операции:

Открывают последовательно кран 1,2,3 для пуска холодной воды в установку. Расход холодной воды меняют вентилем 3. Для первой точки установить 70, для второй – 90, третей – 120, четвертой – 150 кг/ч (табл. 9).

Рис. 6. Схема водяного теплообменника:

1-водонагреватель; 2-линия горячей воды; 3-дачики термометра; 4-кран; 5-ротаметр; 6-теплообменик; 7-линия холодной воды.

 

Расход на отводящей трубе линии горячей воды при помощи вентиля 2 устанавливают постоянным, равным 90 кг/ч (20 делений по ротаметру). Прогревают установку до наступления установившегося режима, характеризующегося постоянством во времени температур первичного и вторичного теплоносителя на входе. При этом температура горячей воды на входе в подогреватель должна быть в пределах 60…70 ⁰С. При испытании установки снимаются следующие измеряемые параметры:

 

- температура холодной воды на входе t^'₁   ^o C;

- температура холодной воды на выходе t ^" ₁ ^o C;

- средняя температура холодной воды t₁ = 0,5(t^'₁ +   t ^"₁);

 - температура горячей воды на входе t^'₂ ^o C;

- температура горячей воды на выходе t ^" ₂ ^o C;

- средняя температура горячей воды t₂ = 0,5(t^'₂  + t^"₂);

- температура стенки внутренней трубы t_c = 0,5(t₁ + t₂);

- расход холодной воды G₁ кг/ч;

- расход горячей воды G₂ кг/ч.

 

Таблица 9 – Тарировочная таблица

Показания ротаметра	Расход, кг/ч
10	70
20	90
30	120
40	150
50	170
60	240

Как только будет достигнут установившийся режим работы установки на противотоке, с интервалом 1 мин, проводят 4 опыта. 

По окончании испытания на противотоке отключают электронагреватель 1. Закрывают вентили 2, 3 и 1. Значения показателей всех величин, измеренных в течение опыта, заносят в таблицу 10.

Таблица 10 – Исходные данные

Номер опыта	t^'1 ^oC	t^"1 ^oC	t1 ^oC	t^'2 ^oC	t^"2 ^oC	t2 ^oC	tc ^oC	G1, кг/ч	G2, кг/ч
1
2
3
4

Физические параметры холодной и горячей воды выбирают из таблицы 8 в зависимости от среднеарифметических температур.

Лабораторная работа № 5

Описание установки

Установка для снятия характеристик центробежного вентилятора показана на (рис. 1)

 

 

Рис. 1. Схема вентиляционной установки

1 – всасывающий воздуховод (диаметр D _в = 100 мм);

2 - заслонка;

3 - U – образный манометр;

4 - центробежный вентилятор;

5 - электродвигатель;

6 – мерная диафрагма (диаметр d = 80 мм);

7 - напорный воздуховод (диаметр D_н = 100 мм);

8 - заслонка (D_вых устанавливается от 50 до 100 мм);

9 - амперметр;

10 - вольтметр;

11 - латр;

12 - термометр.

Напор во всасывающем и нагнетательном воздуховодах измеряется при помощи U - образных манометров, заполненных водой, соединённых с трубкой пито.

Производительность вентилятора определяется методом мерной диафрагмы 6, а меняется с помощью заслонки 8. Температура воздуха в воздуховодах измеряется термометрами 12.

Методика проведения работы

1. Включить питание установки;

2. Установить заслонкой 8 наибольший диаметр;

3. Установить напряжение V = 10 В;

4. Установить заслонкой 8 наименьший диаметр;

5.  Снять показания измеряемых параметров и записать в таблицу 1:

- показания пьезометра в всасывающем воздуховоде h _в, м;

- показания пьезометра в нагнетательном воздуховоде h _н, м;

- перепад давления на мерной диафрагме ΔН, м.;

- температура воздуха во всасывающем воздуховоде Т_В, °С (перевести в К);

- температура воздуха в нагнетательном воздуховоде Т_Н, °С (перевести в К);

- сила тока I, А, потребляемая электродвигателем;

- диаметр сменная мембрана D_вых, м.

Последующие испытания проводятся аналогично, по окончании испытания отключить установку.

6. По полученным экспериментальным данным определить:

а) напор центробежного вентилятора;

б) мощность вентилятора;

в) к.п.д. вентилятора.

6. Построить характеристики вентилятора: напорную, мощностную и к.п.д., т.е.

                               Н = f (Q _вен), N = f (Q _вен), η = f (Q _вен).

Таблица 1 Исходные данные                                                                                           

Номер опыта	h в, м.	hн, м.	ΔН, м.	Тв, К	Тн, К	I, А	U, В	D вых, м
1
2
3
4

ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ

Кафедра механизации животноводства и переработки