Определение тепловых потерь и эффективности

ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДА

С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОМЕРА

 

Цель работы: ознакомление с методом теплового контроля эффективности изоляции трубопроводов в промышленных условиях, определение тепловых потерь с 1 м² наружной поверхности и 1 погонного метра длины изолированного трубопровода, а также коэффициента теплопроводности и критического диаметра изоляции с помощью тепломера.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Для проверки эффективности тепловой изоляции трубопроводов в промышленных условиях служит тепломер. В основу работы тепломера положен метод дополнительной стенки. Он заключается в том, что на поверхность изоляции, тепловые потери с которой необходимо определить, плотно крепится дополнительная стенка известной толщины d_с^доп с известным коэффициентом теплопроводности l_с^доп (рис. 4.1.).

Измерив температуры t_с2 и t_с3 на поверхности дополнительной стенки или их разность , можно определить удельный тепловой поток, проходящий через нее, по формуле

(4.1)

Если термическое сопротивление теплопроводности дополнительной стенки мало по сравнению с термическим сопротивлением теплопроводности основной стенки (тепловой изоляции), то при установившемся тепловом состоянии этот же удельный тепловой поток q_F пройдет и через исследуемую стенку. Для уменьшения термического сопротивления дополнительной стенки, ее выполняют небольшой толщины и из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Это приводит к значительному уменьшению температурного перепада в дополнительной стенке и соответственно к проблеме точности его измерения.

Повысить точность измерения перепада температур в дополнительной стенке позволяет многоспайная дифференциальная термопара. Она представляет собой большое количество термопар, соединённых между собой в специальной последовательности. В этом случае даже небольшому перепаду температур соответствует значительная электродвижущая сила, которая достаточно точно измеряется простым гальваметром.

 

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

Экспериментальная лабораторная установка, представленная на рис. 4.2, состоит из металлической трубы 1 с нанесённой на неё тепловой изоляцией 2. Торцы этой изолированной трубы 6 также теплоизолированы.

Внутри трубы расположен электронагреватель 5. Тепловая мощность, выделяемая электрическим нагревателем, регулируется лабораторным трансформатором 12. Величина этой мощности определяется по показаниям амперметра А и вольтметра V.

 

 

 

Рис.4.2. Схема экспериментальной установки и измерений для определения тепловых потерь с поверхности изолированного трубопровода с помощью тепломера: 1 - труба;

2 - тепловая изоляция трубы; 3 - охранные пояса дополнительной стенки;

4 - измерительный пояс (тепломер) дополнительной стенки; 5 - электронагреватель;

6 - тепловая изоляция торцов; 7 – переключатель термопар (тумблер);

8 - милливольтметр; 9 – термопары; 10 - контрольная лампочка; 11 - выключатель;

12 - лабораторный трансформатор; 13 – многоспайная дифференциальная термопара; 14 – потенциометр.

 

К внешней поверхности слоя изоляции плотно прикреплён, в виде дополнительной стенки, измерительный пояс 4 (тепломер). Он представляет собой резиновый пояс толщиной 3 мм, шириной 60мм и длиной окружности 425мм. С целью устранения неучтённых потерь теплоты с торцов измерительного пояса, с обоих сторон, вплотную к этим торцам, установлены охранные пояса 3. Они отличаются от измерительного пояса только меньшей шириной.

Для измерения перепада температуры по толщине тепломера в него вмонтировано 100 термоэлементов (термопар), соединённых между собой последовательно по схеме дифференциальной термопары 13. При этом чётные спаи термоэлементов расположены на одной стороне тепломера, а нечётные – на другой стороне. Термическое сопротивление теплопроводности тепломера можно считать постоянным. С учётом этого, согласно уравнению (4.1), величина определяемого удельного теплового потока q_F имеет прямо пропорциональную зависимость от измеряемого перепада температуры . Если тепломер изготовлен в заводских условиях, то шкала его вторичного прибора тарируется непосредственно в единицах измерения q_F, т.е. в Вт/м². В рассматриваемой лабораторной установке температурный перепад измеряется потенциометром ПП-63 в милливольтах. Для перехода к q_F служит график зависимости q_F = ƒ(Δt_c^доп), расположенный на стенде.

Измерение температуры на внутренней и наружной поверхности слоя тепловой изоляции служат термопары 9, подключённые через переключатель 7 к милливольтметру 8.

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Проверить готовность установки к работе: включение установки по контрольной лампочке, подключение тепломера к потенциометру, работу лабораторного трансформатора и переключателя термопар, показания приборов.

2. Приготовить протокол измерений. Форма протокола приводится ниже.

3. Установить с помощью трансформатора заданную преподавателем силу тока, питающего электронагреватель. Показания амперметра и вольтметра занести в протокол измерений.

4. Через 15 – 20 минут начать измерения разности температур в тепломере (измерительном поясе) с помощью потенциометра ПП – 63, а также температуры на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции с помощью милливольтметра. Для измерения температуры окружающей среды использовать соответствующий стеклянный термометр. Измерения повторять через каждые 5 минут.

5. После достижения стационарного температурного режима, когда показания температур на протяжении последних 3 – х замеров остаются неизменными, измерения и записи их результатов закончить.

Внимание! Включение и выключение тока, как и изменение его величины, выполняется в присутствии и под наблюдением преподавателя.

 

Протокол измерений к лабораторной работе 4

 

Опыт№___________Время начала__________Время окончания__________Дата_______

 

№ изме- рения	Режим работы электронагревателя	Температура окруж. среды	Перепад температуры в тепломере	Температура поверхности изоляции
Ток J, A	Напряжение V, B	tж, ^0С	tж, мВ	Δt , мВ	Внутренней tc1, ^0С	Наружной tc2, ^0С

….

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Для обработки используются только такие результаты измерений, которые получены при установившемся тепловом состоянии экспериментальной установки.

Экспериментальная величина удельного теплового потока q_F, проходящего через тепломер, определяется из графика q_F = ƒ(Δt ) по измеренному в лабораторной работе температурному перепаду Δt в милливольтах (см. протокол измерений). График находится на стенде. При установившемся тепловом состоянии величина q_F равна тепловым потерям с 1м² поверхности тепловой изоляции.

В практике часто используется понятие линейных тепловых потерь. Пересчёт тепловых потерь с 1м² поверхности изоляции на 1 погонный метр длины цилиндрического слоя этой изоляции выполняется по формуле

 

q _l = q_F·π·d₂, (4.2)

 

где d₂ – наружный диаметр тепловой изоляции (d₂=135мм).

 

 

Рассмотренная в данной лабораторной работе экспериментальная установка, кроме тепловых потерь, позволяет экспериментально определять величину коэффициента теплопроводности тепловой изоляции. Для этого используется следующая формула

 

, (4.3)

 

где d₁ – внутренний диаметр тепловой изоляции (d₁= мм); t_c1 и t_c2 – измеренная температура соответственно на внутренней и наружной поверхности тепловой изоляции.

Для полной оценки эффективности тепловой изоляции трубопровода знаний о величине тепловых потерь q_F и коэффициента теплопроводности λ_из недостаточно. Чтобы их дополнить, сначала, с использованием полученных результатов измерений, необходимо найти коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изоляции в окружающую среду. В данном случае известное уравнение Ньютона – Рихмана принимает вид

 

α₂ = q_F/(t_c2 – t_ж), (4.4)

 

где α₂ – коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изоляции в окружающую среду; t_ж – температура окружающей среды.

После этого вычисляется критический диаметр тепловой изоляции по формуле

. (4.5)

 

Для окончательного заключения об эффективности исследованной тепловой изоляции необходимо сравнить величину с внутренним диаметром изоляции d₁. Если меньше или равняется d₁, то наложенная тепловая изоляция эффективна. В противном случае, т.е. при больше d₁, нанесённая на трубопровод тепловая изоляция может увеличивать тепловые потери, а не уменьшать их, как должно быть. Следовательно, либо полностью, либо частично затраты в тепловую изоляцию могут быть бесполезными.

Основные результаты измерений эксперимента заносятся в таблицу по прилагаемой форме.

 

 

Таблица 4.1

Основные измерения и результаты эксперимента

 

№ опыта	J, A	V, B	, мВ	qF, Вт/м^2	q l, Вт/м	λиз, Вт/(мК)	α2, Вт/(м^2К)	, мм
…

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

 

Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

1) название лабораторной работы;

2) цель работы;

3) основные понятия и формулы;

4) схему экспериментальной установки и измерений;

5) протокол измерений;

6) обработку результатов эксперимента;

7) заключение об эффективности изоляции.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

 

1. Чем отличаются физические процессы теплопроводности и теплоотдачи?

2. Чем отличаются между собой количество теплоты, тепловой поток и плотность теплового потока?

3. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности и его размерность?

4. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи и его размерность?

5. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

6. Какие факторы влияют на величину коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов?

7. Напишите формулы частных и полных термических сопротивлений однослойных плоских и цилиндрических стенок.

8. Напишите формулы частных и полных термических сопротивлений многослойных плоских и цилиндрических стенок.

9. Что называется критическим диаметром изоляции?

10. Какие тепловые потери в лабораторной работе измеряет тепломер?

11. Напишите и объясните условие эффективности применения тепловой изоляции на трубопроводах.

12. Какие факторы влияют на величину критического диаметра изоляции?

 

Для подготовки к выполнению лабораторной работы 4 и отчётe рекомендуются следующие разделы из приведённого в методических указаниях списка литературы: [1] – с.17 – 44; [2] – с.7 – 40; [3] – с.5 – 34.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Цветков Ф.Ф. Тепломассообмен/ Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. Учебное пособие для вузов. М.: Изд – во МЭИ, 2005.505 с.

2. Исаченко В.П. Теплопередача/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

3. Антропов Г.В. Теплопроводность/ Г.В. Антропов, Ю.И. Акимов, А.В. Васильев. Учебное пособие по курсу «Тепломассообмен». Саратов: РИЦ СГТУ, 1995. 82с.

4. Клименко А.В. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ А.В. Клименко, В.М. Зорин и др. М.: Изд – во МЭИ, 2001, 564 с.

5. Арленинов И.К. Теплотехнические измерения и приборы/ И.К. Арленинов, А.М. Чертыков, С.В. Новичков. Саратов: РИЦ СГТУ, 2005. 40с.

6. Солодов А.П. Практикум по теплопередаче/ А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков, А.В. Елисеев и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 296 с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Методы определения коэффициента теплопроводности
Измерение физических величин
Определение погрешности эксперимента
Лабораторная работа 1. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методы трубы
Лабораторная работа 2. Определение коэффициента теплопроводности сыпучих материалов методом шара
Лабораторная работа 3. Определение коэффициента теплопроводности металлического стержня
Лабораторная работа 4. Определение тепловых потерь и эффективности изоляции трубопровода с помощью тепломера

 

 

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Тепломассообмен»

Составили: МЕДВЕДЕВ Валерий Алексеевич

СИЗОВ Владимир Алексеевич

МОТОРИН Никита Борисович