Теплотехника (стр. 1 )

ТЕПЛОТЕХНИКА

Сборник лабораторных работ

Для студентов инженерных специальностей

Владикавказ 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСВТЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра теории и автоматизации металлургических процессов и печей

ТЕПЛОТЕХНИКА

Сборник лабораторных работ

Для студентов инженерных специальностей

Допущено редакционно-издательским советом Государственного образовательного учрежде­ния высшего профессионального образования «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)»

Владикавказ 2014

УДК 621.1

ББК 31.3

Составители:

,

,

Т 34 Теплотехника: Сборник лабораторных работ// , Т. В, Кондратенко, , . –Владикавказ: Изд-во "Терек", 20с.

Предлагаемый сборник лабораторных работ рассчитан на использова­ние студентами на лабораторных занятиях в процессе изучения курса тепло­техники.

Все лабораторные работы представляют собой отдельные главы, в каж­дой из которых даются необходимые теоретические сведения, используемые при решении поставленной задачи. Изложение этих сведений иллюстрирует­ся решенными примерами. Необходимые для решения постоянные величины приводятся в виде таблиц и графиков. В каждой работе есть вопросы для контрольной проверки студентами полученных знаний. Нумерация лабора­торных работ сквозная.

Данный сборник лабораторных работ составлен в полном соответствии с рабочими программами курса теплотехники. Теория полностью излагается в лекционном одноименном курсе, можно также пользоваться учебниками по теплотехнике по соответствующим главам.

УДК 621.1

ББК 31.3

Редактор

Компьютерная верстка

Ó и др., 2014

Ó Изд-во "Терек", 2014

Подписано в печать 15.02.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура "Таймс".

Печать на ризографе. Усл. п. л. 4,7. Тираж 123 экз. Заказ №

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).

Владикавказ, ул. Николаева, 44.

Лабораторная работа №1

Определение коэффициента теплопроводности

теплоизоляционных материалов методами стационарной теплопроводности

Цель работы. Ознакомление со стационарными методами экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых материалов.

Содержание работы. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материла методом плиты.

1.1. Стационарные методы исследования теплопроводности веществ

Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности веществ используют различные уравнения теплопроводности при стационарном тепловом режиме, полученные применительно к одномерным полям для неограниченного плоского, цилиндрического и шарового слоя:

, (1.1)

где λ – коэффициент теплопроводности исследуемого вещества при температуре t = (t1 + t2)/2, Вт/м·град;

Ф – тепловой поток, проходящий через слой исследуемого вещества, ограниченный двумя изотермическими плоскостями и температурами t1 и t2, Вт;

К – коэффициент формы слоя исследуемого вещества.

Коэффициент формы для неограниченного плоского, цилиндрического и шарового слоя выражается соответственно зависимостями:

Кn = F/δ,

Кц = 2l/ln , (1.2)

Кш= 2,

где F – поверхность плоского слоя, нормальная к направлению теплового потока;

d – толщина плоского слоя;

l – длина цилиндрического слоя;

d1, d2 – соответственно внутренний и наружный диаметры цилиндрического или шарового слоя.

Как следует из уравнения (1.1), общий принцип стационарных методов определения коэффициентов теплопроводности веществ заключается в следующем. Исследуемому материалу – образцу придается форма пластины, цилиндрической полой трубы или сферической оболочки, в которых создается соответствующее одномерное температурное поле. По достижению стационарного теплового режима, измеряют тепловой поток Ф, проходящий через слой исследуемого вещества заданных размеров, и перепад температур (t1 – t2) на обеих его изотермических поверхностях.

Выражение (1.1) выводится в предположении, что l является постоянной величиной, независящей от температуры. Поэтому этой формулой можно пользоваться, если температурный перепад в слое исследуемого вещества незначителен и истинные значения с достаточной точностью можно заменить средними в данном интервале температур. Таким образом, нахождение значений l осуществляется для фиксированных отдельных значений температуры. Полная температурная зависимость строится по данным этих фиксированных значений. Поэтому стационарные методы удобны, когда температурные интервалы исследований невелики.

Универсальных методик экспериментального исследования теплопроводности вещества, пригодных для любых условий опыта, пока не существует, хотя принципиальные основы методов являются общими. Разработано значительное количество различных схем для частных конкретных условий эксперимента. Им соответствуют и различные конструкции приборов применительно к твердым телам, газам или жидкостям, проводникам тепла или изоляторам, применительно к низким и высоким температурам и т. д. Ниже рассматриваются основы методов, получивших наибольшее применение для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов – метод плоского слоя, метод трубы и метод шара.

Метод плоского слоя. Образец выполняется в форме диска диаметром d и толщиной d с тщательно обработанными плоскими гранями и плотно зажимается между металлическими пластинками основного нагревателя и холодильника (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки.

1 – исследуемые образцы, 2 – нагреватель, 3 – автотрансформатор, 4 – амперметр, 5 – вольтметр, 6 – холодильники, 7 – термопары, 8 – потенциометр, 9 – теплоизоляция.

В методе плоского слоя необходимо обеспечить одинаковость теплового потока, проходящего через испытываемый образец. С этой целью отношение d/d выбирается по возможности малым (обычно выбирают d > 10d). Боковая поверхность образца тщательно защищается от потерь в окружающую среду для того, чтобы поток тепла в радиальном направлении был пренебрежительно малым. С этой целью в установке предусматривается охранное кольцо с независимым нагревателем. При соблюдении указанных мер тепловой поток можно считать практически одномерным и коэффициент теплопроводности определять по уравнению (1.1). В качестве расчетной поверхности принимается поверхность основного нагревателя.

Величину теплового потока, проходящего через образец, обычно определяют по расходу электроэнергии в основном нагревателе. Для предотвращения утечек тепла через нижнюю поверхность нагревателя служит дополнительный охранный нагреватель. Часто при экспериментальном определении l в промышленных лабораториях используется относительный метод плоского слоя. Здесь, последовательно к исследуемым дискам устанавливается эталонный диск из материала с известным значением коэффициента теплопроводности lэ. В этом случае тепловой поток Ф, проходящий через образец, измеряется по перепаду температуры tэ в эталонном диске. Расчет коэффициента l осуществляется по формуле:

l = , (1.3)

где Dt = (t1 – t2) – перепад температур в исследуемом образце;

dЭ – толщина рабочего слоя эталонного диска.

1.2. Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.1. Между двумя опытными образцами 1 в виде дисков толщиной 18 мм и диаметром 210 мм помещен электрический нагреватель 2. Нагреватель представляет круглую металлическую коробку с заложенной в ней нихромовой спиралью в электрической изоляции. Потребляемая нагревателем мощность регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора 3 и рассчитывается по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5.

С внешних сторон испытываемых образцов находятся металлические холодильники 6 холодильники имеют параллельный подвод и отвод охлаждающей воды, которая поступает из водопроводной сети.

Перепады температур в образцах (точки А, В, С, Д) измеряются с помощью хромель-копелевых термопар 7, уложенных в канавках, выфрезерованных на поверхностях холодильников и нагревателя. Термопары подключены к автоматическому электронному потенциометру 8.

Для предотвращения утечек тепла от образцов и нагревателя в радиальном направлении применяется теплоизоляция 9.

1.3. Порядок проведения опыта

1.3.1. Пустить в холодильники охлаждающую воду из водопроводной сети и включить автоматический потенциометр.

1.3.2. Включить нагреватель и по вольтметру установить при помощи ЛАТРа определенную мощность нагревателя (задает преподаватель).

1.3.3. По достижении стационарного теплового режима установки занести в таблицу результатов измерений показания приборов и перейти на следующий режим работы нагревателя. Опыты проводятся при трех режимах работы нагревателя.

Таблица 1.1

Таблица результатов измерений

Номер опыта	Ток, J, А	Напряжение,U, В	Мощность нагревателя, W= J×U, Вт	Показания
tA, oC	tB, oC	tC, oC	tD, oC

1.4. Обработка результатов измерений

1.4.1. Определяем для каждого режима тепловой поток, проходящий через исследуемый образец.

Как показали испытания установки, утечки тепла от образца и нагревателя в радиальном направлении при температуре на нагрева°С составили около 3 % теплового потока, выделяемого в нагревателе, и ими можно пренебречь. Поскольку исследуемый образцы расположены симметрично, то через каждый образец будет проходить половина теплового потока, выделяемого нагревателем, т. е.

Ф=1/2W, (1.4)

где W – мощность, потребляемая нагревателем, Вт.

1.4.2. Определяем коэффициент формы образца. Для расчета К используем формулу (1.2) для плоской стенки. Как отмечалось раньше, толщина образцов составляет 18 мм, диаметр 210 мм.

1.4.3. Определяем для каждого режима средние значения температур на внутренней t1 и наружной t2, поверхностях образцов среднюю температуру образцов. В качестве t1 и t2 берется среднеарифметическое значение соответствующих температур, полученных из опыта:

(1.5)

где tB, tС – температуры на внутренних поверхностях образцов, оС;

tА, tD – температуры на внешних поверхностях образцов, оС.

Средняя температура образцов составляет:

. (1.6)

1.4.4. По уравнению (1.1) для каждого режима вычисляем среднее значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

1.4.5. Составляем систему уравнений:

1.4.6. Решая систему уравнений (1.7), находим коэффициенты l и b.

1.4.7. Результаты опытов представляем в виде зависимости:

lt = lо(1+btср).

1.5. Контрольные вопросы

1.5.1. Температурное поле, температурный градиент.

1.5.2. Закон Фурье, его математическое выражение.

1.5.3. Коэффициент теплопроводности. Факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности различных тел.

1.5.4. Расчетное уравнение теплопроводности плоской цилиндрической и шаровой однослойных и многослойных стенок (уметь вывести и объяснить).

1.5.5. Термическое сопротивление, термическая проводимость.

1.5.6. На чем основано измерение теплопроводности веществ методами стационарного теплового потока. Рассказать как осуществляется определение l каким-либо методом.

1.5.7. Каковы особенности стационарных методов? Достоинства и недостатки метода.

Лабораторная работа № 2

Определение значения критерия Рейнольдса,

соответствующего переходу ламинарного движения

в турбулентное

Цель работы заключается в том, чтобы путем наблюдения движения воды в трубе установить значение критерия Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного движения в турбулентное.

2.1. Основные теоретические положения

Режимы движения жидкостей и газов предопределяют распределение скоростей по сечению каналов и в соответствии с условиями теплообмена. Поэтому исследование режимов движения является важной задачей.

Движение реальной жидкости отличается от движения идеальной жидкости наличием сил внутреннего трения, взаимодействие которых с силами инерции предопределяет возможность движения жидкостей в двух принципиально различных режимах – ламинарном и турбулентном.

При ламинарном режиме частицы движутся по плавным не пересекающимся траекториям и все характеристики потока (скорость, давление, температура и т. д.) представляют собой плавно изменяющиеся гладкие функции координат и времени (при нестационарном движении). При ламинарном движении все процессы переноса в направлении, поперечном к направлению движения потока (процессы переноса импульса энергии, тепла и массы), осуществляются только за счет молекулярных механизмов, являющихся результатом теплового движения молекул. Ламинарное движение иногда называют слоистым движением.

При турбулентном движении частицы движутся по сложным ломаным, многократно пересекающимся траекториям, а все характеристики потока представляют собой пульсирующие, скачкообразно и хаотически изменяющиеся функции координат и времени. При этом режиме происходит макроскопическое перемешивание потока и поэтому процессы поперечного переноса осуществляются не только за счет микроскопического молекулярного механизма, но и за счет макроскопического перемешивания.

При ламинарном движении распределение скоростей по сечению канала представляет собой параболу (рис. 2.1) и средняя скорость по сечению равна половине осевой скорости:

. (2.1)

Рис. 2.1. Распределение скоростей в движущемся потоке

жидкости (газа) при ламинарном движении.

При турбулентном движении распределение скоростей потока по сечению канала представляет усеченную параболу (рис. 2.2) и средняя скорость по сечению равна:

, (2.2)

где к – коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса.

Рис. 2.2. Распределение скоростей в движущемся потоке жидкости (газа) при турбулентном движении.

Очень важным при рассмотрении характера движения жидкости является определение условий, при которых происходит переход от ламинарного режима движения к турбулентному. Как уже было сказано выше, этот переход определяется взаимодействием сил внутреннего трения и инерции.

Сила внутреннего трения играет в рассматриваемом процессе перехода роль консервативной силы, т. е. силы, способствующей сохранению устойчивости ламинарного режима. Чем больше сила внутреннего трения, т. е. чем сильнее взаимодействие между соседними слоями жидкости и чем интенсивнее происходит рассеяние (диссипация) механической энергии в теплоту, тем вероятнее ламинарный упорядоченный режим движения.

Напротив, увеличение силы инерции приводит к тому, что имеющиеся в потоке и проникающие в него из окружающей среды возмущения быстро нарастают по амплитуде и приводят к потере устойчивости ламинарного режима и переходу его в турбулентный. Безразмерной величиной, характеризующей соотношение сил инерции и внутреннего трения в потоке, является критерий Рейнольдса, который для случая движения жидкости в трубе или канале имеет вид:

Re = , (2.3)

где – средняя скорость движения жидкости, м/с;

d – диаметр канала, м;

n – кинематический коэффициент вязкости, являющийся физическим параметром жидкости, характеризующим величину силы внутреннего трения, действующей в потоке, м2/с.

Увеличение критерия Рейнольдса приводит к возрастанию вероятности перехода ламинарного движения в турбулентное. Значение величины критерия, при достижении которого происходит указанный переход, называют критическим (Reкр). При движении жидкости в трубе или канале до значения Re = 2300 режим движения бывает только ламинарным. Поэтому значение Re = 2300 называют нижним критическим значением критерия (=2300).

До настоящего времени не установлено – должно ли существовать верхнее критическое значение критерия Рейнольдса, т. е. такое его значение, при превышении которого режим движения может быть только турбулентным. Но для обычных условий, встречающихся в технике, считают, что значение критерия Рейнольдса, равное 104, гарантирует существование турбулентного режима. В промежутке указанных значений критерия Рейнольдса одновременно может существовать ламинарное и турбулентное движение, т. е. это переходная область. Наглядно это видно на рис. 2.3, где приведена зависимость отношения средней скорости потока к его осевой скорости от величины критерия Рейнольдса.

Рис. 2.3. Зависимость отношения средней скорости потока к осевой скорости от величины критерия Рейнольдса.

2.2. Описание экспериментальной установки