РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО РГУПС)

_________________________________________________________________

, ,

Определение экономичности электрических нагревательных устройств

Учебно-методическое пособие

к лабораторным работам

Ростов-на-Дону

2011

УДК 621.31(07) + 06

Магнитский, Ю. А.

Определение экономичности электрических нагревательных устройств : учебно-методическое пособие к лабораторным работам / , , ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2011. – 12 с. Библиогр. 8 назв.

В данном пособии приводятся методические указания к лабораторным работам по изучению экономичности электрических нагревательных приборов.

Предназначено для студентов специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика».

Рецензент канд. техн. наук, доц. (РГУПС)

© Ростовский государственный университет

путей сообщения, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1. Определение экономичности

электрических нагревательных устройств …………….…………………………. 4

Лабораторная работа № 2. Определение эффективности

и сравнение электрических подогревателей воды …………………..…………... 7

Лабораторная работа № 3. Определение тепловых потерь

через стенку нагревательного устройства ………………………………………... 8

Вопросы для самопроверки ……………………………………………………… 10

Библиографический список ……………………………………………………… 11

Лабораторная работа № 1

Определение экономичности электрических

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

нагревательных устройств

1 Цель работы: экспериментальное определение КПД электрического чайника.

2 Пояснения к работе

Экономия энергетических ресурсов – важная государственная задача, значительную часть электрической энергии потребляют устройства, используемые в быту, на рабочих местах с целью повышения комфортности. К ним относятся: электрические плитки, электрочайники, кастрюли, микроволновые печи, холодильники, кондиционеры и др. Мощность таких устройств относительно невелика, но их количество велико и систематически быстро увеличивается.

Студенты должны получить навыки определения эффективности таких устройств, составления схем для их испытания, методики испытаний, сравнения эффективности устройств одинакового назначения, но различных конструкций.

В данной лабораторной работе рассматриваются электрические приборы, предназначенные для подогрева воды.

3 Порядок проведения опытов

Экспериментальная установка состоит из электрического прибора с присоединенными в него приборами. Схема установки показана на рис. 1.

Электронагревательным прибором является электрочайник 1 со встроенным нагревательным элементом 2. Электрочайник подключается к электросети через регулятор напряжения 3, который позволяет регулировать электрическую мощность электроприбора. В схему установки включена термопара с измерительным прибором 4 для определения температуры воды. Измерение расхода электрической энергии осуществляются с помощью включенных в электрическую цепь вольтметра 5 и амперметра 6.

Кроме того, в работе применяются термометр, измеряющий температуру окружающего воздуха, и секундомер для измерения продолжительности опыта. Мерная емкость предназначена для измерения объема воды, который подогревается в электрочайнике.

Рис. 1. Схема лабораторной установки:

1 – чайник; 2 – встроенная спираль; 3 – регулятор напряжения;

4 – термопара с измерительным прибором; 5 – вольтметр;

6 – амперметр; 7 – секундомер; 8 – термометр

Опыт производится следующим образом.

В чайник заливается взвешенное (измеренное) количество воды массой М (например, 1 кг).

Собирается схема установки согласно рисунку 1. Измеряется температура воды t1 в начале опыта. Схема включается в электрическую сеть при максимальном напряжении (регулятор напряжения 3 выключен).

Измеряются средние значения показаний вольтметра и амперметра. С помощью секундомера определяется продолжительность подогрева τ воды до температуры, близкой к температуре кипения (например, до t2 = 95 °C). Достигать кипения во время опыта не следует, так как это может привести к ошибке определения продолжительности опыта.

Результаты опытов заносятся в протокол испытаний (табл. 1).

Таблица 1

Протокол эксперимента

№ опыта

U, В

I, А

t1, °C

t2, °C

τ , с

М, кг

1

2

…

По окончании опытов все регулирующие органы перево­дятся в исходное положение.

4  Обработка результатов испытаний

Теплота, получаемая водой (полезная), равна

, кДж,

где ср – удельная массовая изобарная теплоемкость воды, ср = 4,19 .

Затраченная электрическая энергия на подогрев воды

, кДж,

где – продолжительность подогрева воды от температуры t1 до температуры t2 , сек.;

I – измеренная величина тока, А;

U – измеренная величина напряжения, В.

КПД электрочайника равен

.

Результаты вычислений заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты обработки опытных данных

№ опыта

Qв

Qэ

1

2

…

Опыты производятся при разных напряжениях U (вследствие чего получаются разные продолжительности опыта и КПД чайника).

После этого строятся графики зависимости КПД чайника от напряжения и от продолжительности опыта .

5 Содержание отчета

В отчете приводятся цель работы, схема лабораторной установки, таблица замеров, расчеты, таблица обработки опытных данных и графиче­ские зависимости и , а также формулируются выводы.

Лабораторная работа № 2

Определение эффективности и сравнение

электрических подогревателей воды

1 Цель работы: экспериментальное определение КПД различных конструкций электрических подогревателей и сравнение их эффективности.

2 Пояснения к работе

Варианты проведения лабораторной работы для различных электрических подогревателей воды показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Устройства для подогрева воды:

а) бытовая электроплитка; б) бытовая электроплитка с цилиндрическим кожухом и крышкой; в) микроволновая печь:

1 – спираль; 2 – корпус плитки; 3 – чайник с водой; 4 – термопара;

5 – кожух с крышкой; 6 – сосуд с водой; 7 – корпус печи

3 Порядок проведения опытов

Опыты для разных электроприборов производятся по методике так, как описано в разделе об испытании электрочайника (лабораторная работа № 1).

Опыты производятся при разных напряжениях U (вследствие чего получаются разные продолжительности опыта и КПД электроприборов). Результаты опытов заносятся в протокол испытаний (табл. 1).

4 Обработка рещультатов испытаний

Обработка результатов испытаний выполняется аналогично лабораторной работе № 1. Результаты вычислений заносятся в таблицу 2.

На основании полученных результатов строится график зависимости КПД различных электроприборов от напряжения и от продолжительности опыта .

5 Содержание отчета

В отчете приводятся цель работы, схема лабораторной установки, таблица замеров, расчеты, таблица обработки опытных данных и графиче­ские зависимости и , а также формулируются выводы.

Лабораторная работа № 3

Определение тепловых потерь через стенку

нагревательного устройства

1 Цель работы: экспериментальное определение тепловых потерь через стенку нагревательного устройства и среднего коэффициента теплопередачи.

2  Пояснения к работе

Тепловые потери зависят от изолирующих свойств стенок устройства и температур теплоносителей. Так, при использовании схемы лабораторной работы № 1 можно определить теплопотери при любой температуре воды в чайнике следующим образом.

С помощью регулятора напряжения можно установить заданный стационарный тепловой режим, при котором температура воды не изменяется (постоянная). При этом тепловые потери энергии через стенки чайника в окружающую среду будут равны тепловому потоку, выделяемому электроприбором, и могут быть вычислены по формуле , Вт.

3 Порядок проведения опытов

Экспериментальная установка состоит из электрического прибора с присоединенными в него приборами. Согласно рисунку 1 собирается схема лабораторной установки.

Вода массой М (предварительно измеренная) заливается в чайник. Схема включается в электрическую сеть. С помощью регулятора напряжения устанавливается и поддерживается стационарный тепловой режим при заданной температуре воды в электрическом приборе.

При достижении стационарного теплового режима проводят замеры опытных данных. Измеряются значения показаний вольтметра и амперметра. С помощью термометра измеряется температура окружающего воздуха to. Производится измерение температуры воды в электрочайнике tв. Опыты производятся при разных напряжениях U – вследствие чего получаются разные температуры воды tв. Результаты опытов заносятся в протокол испытаний (табл. 3).

Таблица 3

Протокол результатов испытаний

№ опыта

U, В

I, А

to, оС

tв, оС

М, кг

1

2

…

4 Обработка результатов испытаний

Тепловые потери энергии через стенки чайника в окружающую среду будут равны:

, Вт.

Средний (усредненный по поверхности стенок чайника) коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

,

где Q – тепловой поток, Вт;

F – площадь поверхности стенок чайника, м2;

– разность температур воды в чайнике и окружающем воздухе, К.

Результаты обработки опытных данных заносятся в таблицу 4.

Таблица 4

Результаты обработки опытных данных

№ опыта

tв, оС

Q, Вт

, Вт/(м2∙К)

1

2

…

Опыт можно провести при разных температурах воды tв.

На основании полученных результатов строятся графики зависимости тепловых потерь электроприбора и среднего коэффициента теплопередачи от температуры воды: и .

5 Содержание отчета

В отчете приводится цель работы, схема лабораторной установки, таблицы замеров и обработки опытных данных, расчеты и графиче­ские зависимости и , а также формулируются выводы.

Вопросы для самопроверки

1  Как изменится , если увеличить количество воды?

2  Что такое коэффициент теплопередачи?

3  Какой коэффициент теплоотдачи α больше: с внутренней или внешней стороны стенки чайника?

4  Как изменится КПД чайника, если его сделать из металла?

5  Можно ли увеличить КПД чайника, изменив материал, из которого он изготовлен?

6  Можно ли еще увеличить КПД чайника, изменив его конструкцию?

7  Как изменится КПД, если увеличить мощность электронагревателя?

8  Какое термическое сопротивление, участвующее в процессе теплообмена, оказывает наибольшее влияние на теплопередачу?

9  Приведите определение и размерность коэффициента теплоотдачи.

10  Чем отличается размерность коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Иванов, И. Т. Теплообменные и холодильные установки железнодорожного транспорта : учебник для вузов железнодорожного транспорта / . – М. : Транспорт, 1984. – 224 с.

2 Промышленные теплообменные процессы и установки : учебник для вузов / под ред. . – М. : Энергоатомиздат, 1986. – 386 с.

3 Кавецкий, Г. Д. Процессы и аппараты пищевых производств / , . – М. : Агропромиздат, 1991. – 432 с.

4 Справочник по теплообменникам : пер. с англ. / под ред. . – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.

5 Исаченко, В. П. Теплопередача : учебник для вузов / , , . – М. : Энергоатомиздат, 1981. – 416 с.

6 Промышленная теплоэнергетика и теплотехника : справочник / под ред. , . – М. : Энергоатомиздат, 1991. – 558 с.

7 Кулиниченко, В. Р. Справочник по теплообменным расчетам / . – Киев : Техника, 1990. – 165 с.

8 Теплотехника : учебник для вузов / под ред. . – М. : Высшая школа, 2000. – 671 с.

 

Учебное издание

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 

Учебно-методическое пособие

к лабораторным работам

Редактор

Техническое редактирование и корректура

Подписано в печать 18.04.2011. Формат 60×84/16.

Бумага газетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,7.

Уч.-изд. л. 0,66. Тираж экз. Изд. № 93. Заказ № .

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Ризография РГУПС.

__________________________________________________________________

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. им. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.