Теплотехника (стр. 8 )

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Что такое теплопроводность?

3. Опишите механизм переноса энергии в различных средах.

4. Какое допущение принимает аналитическая теория теплопроводности относительно молекулярного строения вещества?

5. Что является основным условием теплообмена?

6. Какое изменение температуры является основным предметом аналитического исследования теплопроводности? Приведите формулу.

7. Что такое температурное поле?

8. Что такое изотермическая поверхность?

9. Что такое градиент температуры? Приведите формулу.

10. Как формулируется законом Фурье? Приведите формулу.

11. Что такое коэффициент теплопроводности? Какие факторы на него влияют?

12. Приведите формулу для расчета коэффициента теплопроводности.

13. Какой вид имеет зависимость коэффициента теплопроводности от температуры? Приведите формулу.

14. Из какого материала выполнен образец исследуемый в данной лабораторной работе? С какой целью был выбран именно он?

15. Какие факторы оказывают наибольшее влияние на коэффициент теплопроводности диэлектриков?

Лабораторная работа №9

Определение теплоты сгорания жидкого и газообразного

топлива при помощи калориметра с проточной водой

Цель работы. Ознакомиться с конструкцией калориметра и определить высшую и низшую теплоту сгорания жидкого и газообразного топлива.

Топливо – это органическое вещество, процесс горения которого поддается управлению, а образующиеся продукты сгорания по возможности безвредны для окружающей среды.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия, количество которой тесно связано с химическим составом топлива и условиями его сжигания. Количество тепла, которое выделяется при сжигании топлива, называется теплотой сгорания топлива или его теплотворной способностью.

Теплота сгорания топлива обозначается буквой Q и имеет размерность для твердого и жидкого топлива кДж/кг, а для газообразного топлива – кДж/м3.

Различают понятие высшей и низшей теплоты сгорания топлива. При горении топлива выделяющаяся теплота содержится в продуктах горения и передается соответствующим теплоприемникам.

Если при сжигании единицы топлива продукты сгорания вследствие теплообмена охлаждаются до температуры ниже 373 К, то находящиеся в них водяные пары сконденсируются и выделят дополнительное количество теплоты. При этом вся суммарная выделившаяся теплота (от экзотермических реакций и от конденсации водяных паров) будет характеризовать полную, или высшую, теплоту сгорания рабочего топлива .

Теплота сгорания топлива может быть определена экспериментально при сжигании фиксированного количества топлива в специальной калориметрической установке, а также может быть рассчитана по химическому составу топлива.

Калориметр применяется для определения теплоты сгорания газообразного и жидкого топлива, причем для жидких топлив этот калориметр применим только в том случае, когда температура их кипения не превышает 250 оС; для топлив с точкой кипения выше этого предела применяется калориметрическая бомба.

9.2. Порядок выполнения работы

Устанавливаем прибор и зажигаем горелку, которая прикреплена к одной из чашек весов. Затем снимаем с противоположной чашки весов некоторое количество разновесов таким образом, чтобы перевесила чашка весов с горелкой. При достижении состояния равновесия весов и стационарности процесса подставляем под водосточную и конденсационную трубку измерительные сосуды и одновременно начинаем запись температур. Снимаем навеску (лучше всего заранее отставленную на чашке весов), равную тому количеству топлива, которое хотят сжечь во время опыта. При этом равновесие вновь нарушается, так как резервуар перетянет чашку. Собирание воды (охлаждающей и конденсационной), а также запись температур продолжаем до того момента, пока весы не уравновесятся.

Если вес охлаждаемой воды в граммах будет W, вес сгоревшего топлива – Pг, DТ – разность между средними за время опыта показаниями обоих термометров, то высшая теплота сгорания (, кДж/кг) определится по формуле:

.

Для определения высшей теплотворной способности (, кДж/кг) необходимо знать вес конденсата W1,2, то:

.

9.3. Контрольные вопросы

1. Понятие высшей и низшей теплоты сгорания топлива.

2. Размерность теплотворной способности для жидкого, твердого и газообразного топлива.

3. Как рассчитывается высшая теплота сгорания?

4. Что такое калориметр и для чего он применяется?

5. Устройство калориметра.

Лабораторная работа №10

Определение теплотворной способности твердых и жидких топлив в калориметрах с калориметрической бомбой

Цель работы. Экспериментальное сжигание топлива и определение высшей и низшей теплоты сгорания топлива с помощью калориметра и калориметрической бомбы.

10.1. Краткие теоретические сведения

Топливо представляет собой горючее вещество, при окислении (горении) которого выделяется сравнительно большое количество тепловой энергии, используемой в металлургических технологиях для нагрева и плавления металлов.

При горении любого вида топлива, содержащиеся в нем горючие вещества, окисляясь кислородом, выделяют значительное количество тепловой энергии.

В качестве основной характеристики, однозначно определяющей тепловую ценность любого вида топлива, принята теплота сгорания топлива, под которой понимают количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании единицы массы (для жидкого и твердого топлива).

В зависимости от степени охлаждения продуктов горения и состояния влаги в них различают высшую теплоту сгорания топлива , когда продукты горения, охлаждаясь до температуры ниже 100 оС, оставляют в тепловом агрегате, и теплоту, выделяющуюся в результате конденсации влаги. Если же в продуктах горения влага остается в виде водяного пара, то в этом случае тепловой характеристикой ценности топлива выступает низшая теплота сгорания – .

Теплота сгорания топлива может быть рассчитана по химическому составу топлива, а также экспериментально путем сжигания фиксированного количества топлива в специальных установках – калориметре и калориметрической бомбе.

Калориметр применяется для определения теплоты сгорания газообразного и жидкого топлива, причем для жидких топлив этот калориметр применим только в том случае, когда температура их кипения не превышает 250 оС; для топлив с точкой кипения выше этого предела применяется калориметрическая бомба.

10.2.1. Вносим уголь в калориметрическую бомбу в виде брикета. Для изготовления брикета отвешиваем несколько навесок более 1г угля и прессуем. Брикет взвешиваем еще раз, заворачиваем во взвешенный заранее кусочек бумаги, обвязываем одним концом нитки (которая также должна быть заранее взвешена) и помещаем в чашечку бомбы. Другой конец нити привязываем к мостику, который образуется тонкой железной проволокой (вес проволоки известен), прикрепленный к крючкам платиновой проволоки и трубки.

10.2.2. В стакан наливаем 10 см3 воды. Вода необходима для растворения азотной (HNO3) и серной (H2SO4) кислот, которые образуются в результате горения топлива.

10.2.3. После заполнения бомбы осторожно закручиваем крышку вначале рукой, а затем специальным ключом. Входной вентиль завинченной бомбы соединяем с трубкой, по которой подводится кислород, и закрываем на один оборот оба вентиля. Далее открываем вентиль кислородного баллона, постепенно вытесняем воздух и заполняем калориметрическую бомбу кислородом. Давление в бомбе после заполнения ее кислородом должно быть 20 атм. При достижении этого давления закрываем сначала вентиль кислородного баллона, а затем входной вентиль бомбы. В боковые отверстия крышки ввинчиваются винты. В калориметр наливается 2000 см3 воды и вставляется очень осторожно бомба с предварительно подключенными контактами. Затем вставляется мешалка и термометр Бекмана.

10.2.4. Убедившись, что все части прибора собраны правильно, запускаем мешалку и при помощи лупы наблюдаем за температурой.

Как только изменения температуры за одинаковый промежуток времени (30 с) станут приблизительно равными (обычно это наступает через 5 мин после начала опыта), начинают записывать показания термометра через каждые 30 с. Десятой записью (спустя еще 5 мин) заканчивают так называемый начальный период и сейчас же зажигают уголь, замкнув ток, который размыкается автоматически, как только перегорит в бомбе запальная проволока.

С момента воспламенения угля начинается ГЛАВНЫЙ ПЕРИОД, в течение которого показания термометра регистрируются также каждые 30 с. При первых записях главного периода отмечают температуру с точностью до 0,01 оС, так как более точные отсчеты в это время возможны вследствие быстрого подъема температуры, последние же отсчеты должны быть сделаны с точностью до 0,001 оС.

Обычно после быстрого подъема рост показаний термометра замедляется, достигает максимума, на котором удерживается короткое время, а затем начинается падение температуры. Когда это падение станет равным, считают, что главный период окончен и начался заключительный период. Запись показаний термометра в этот период производится также через каждые 30 с.

Длится заключительный период, как и начальный, 5 мин. Заключительный и предварительный периоды нужны для определения поправки на радиацию.

По окончании заключительного периода устанавливают мешалку, бомбу вынимают из калориметра, обтирают, выпускают газ и отвинчивают крышку.

Если в бомбе осталась часть несгоревшей железной проволоки, то ее необходимо взвесить для установления поправки к результатам опыта.

10.3. Обработка результатов опыта

10.3.1. Результаты замеров температуры заносятся в табл.10.1

Последний отчет каждого периода является нулевым отсчетом последующего периода.

При расчете теплотворной способности необходимо учесть поправки на радиацию калориметра, на запал (горение железной проволоки; нити и бумаги) и образование кислот. Кроме того, необходимо знать водяной эквивалент прибора (водяной эквивалент прибора равен 361 г).

Таблица 10.1

Начальный период	Главный период	Конечный период
№ отчета	наблюдение температуры	№ отчета	наблюдение температуры	№ отчета	наблюдение температуры
1	t1	0 1	tн t1	1	t1=tк
2	t2	2 3	t2 t3	2	t2
3	t3	4 5	t4 t5	3	t3
4	t4	6 7	t6 t7	4	t4
5	t5=tн	8 9 10	t8 t9 tк	5	t5

Водяным числом (эквивалентом) называется то количество воды в граммах, для повышения температуры, которого на 1° требуется столько же тепла, сколько нужно для повышения температуры всех частей прибора (т. е. емкость частей прибора выражена через равновеликую ее теплоемкости массу воды).

10.3.2. Поправка на радиацию определяется

,

где n – число промежутков главного периода; V – среднее изменение температуры за один промежуток начального периода; V1 – среднее изменение температуры за один промежуток конечного периода; m – число интервалов главного периода с быстрым (0,33° в 30 с) подъемом температуры (более 1/3 градуса за один период); r – число отсчетов главного периода с медленным подъемом температуры, т. е. n = m +r.

10.3.3. Поправка на горение железной проволоки, нити и бумаги вычисляются исходя из известных теплот горения 1 г этих веществ.

При горении 1г железной проволоки выделяется 6699,2 кДж/г, нити – 17166,7кДж/г, бумаги – 17166,7 кДж/г и если f – вес проволоки, г, К – вес нити (г), l – вес бумаги (г), то поправка на их горение

Q3 = 6699,2f + 17166,7К + 17166,7l, кДж.

10.4.4. Поправка на образование кислот может быть произведена путем определения количества азотной и серной кислот, образующихся в результате сгорания навески, при помощи титрования.

В нашем случае эта поправка не определяется.

В начальном и конечном периоде отсчеты производятся через каждую минуту, а в главном периоде – через каждые 30 секунд.

Поэтому среднее изменение температуры в начальном периоде определяются из выражения:

и среднее изменение температуры в конечном периоде –

.

Порядок записи определения теплотворности:

вес сжигаемого топлива a;

вес железной проволоки f;

вес воды, залитой в бомбу – 10г;

вес воды залитой в ведро калориметра – 2000г;

общий вес воды (А) – 2010г;

водяной эквивалент калориметра – 361г (W);

С – теплоемкость воды, кДж/град.

Высшая теплотворность по бомбе определяется из выражения:

, кДж/г.

где tк – конечная температура главного периода; tн – начальная температура главного периода; Q3 – поправка на запал.

10.4. Контрольные вопросы

1. Понятие топлива.

2. Виды топлива.

3. Понятие высшей и низшей теплоты сгорания топлива.

4. Что такое калориметрическая бомба и для чего ее применяют?

5. Устройство калориметрической бомбы.

Литература

1. Л. Теплотехника: [Учеб. для вузов. Допущено МО РФ]/, . –М:ИКЦ "Академкнига", 2006.

2. Теплотехника: Учеб. вузов Рекомендовано МО РФ/ Под ред. . -М: Высш. шк., 2000.

3. Теоретические основы теплотехники: Учебник. [Допущено МО РФ]/, : Под ред. . -М.:academia, 2004.

Содержание

Лабораторная работа №1. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методами стационарной теплопроводности.................. Лабораторная работа № 2. Определение значения критерия Рейнольдса, соответствующего переходу ламинарного движения в турбулентное..... Лабораторная работа № 3. Сопоставление коэффициентов теплоотдачи конвекцией горизонтальной трубы, расположенной в канале и безграничном воздушном пространстве.................................................................... Лабораторная работа №4. Определение коэффициента излучения и степени черноты твердого тела................. Лабораторная работа №5. Исследование прогрева цилиндрического образца в печи с постоянной температурой................................................................................ Лабораторная работа №6. Определение теплоемкости твердых тел...................................................................... Лабораторная работа №7. Определение коэффициентов потерь на местные сопротивления при движении газа по каналу.................................................................. Лабораторная работа №8. Влияние толщины стенки горизонтальной цилиндрической трубы на тепловой поток теплоотдачи в окружающую среду при заданной температуре на ее внутренней поверхности.................. Лабораторная работа №9. Определение теплоты сгорания жидкого и газообразного топлива при помощи калориметра с проточной водой..................................... Лабораторная работа №10. Определение теплотворной способности твердых и жидких топлив в калориметрах с калориметрической бомбой............................ Литература.......................................................................

3 10 16 26 32 51 58 62 72 75 81