Определение экономичности электрических нагревательных устройств

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

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 ф 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	ф, с	М, кг
1
2
…

По окончании опытов все регулирующие органы перево­дятся в исходное положение.

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.

  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

Как изменится  , если увеличить количество воды? Что такое коэффициент теплопередачи? Какой коэффициент теплоотдачи б больше: с внутренней или внешней стороны стенки чайника? Как изменится КПД чайника, если его сделать из металла? Можно ли увеличить КПД чайника, изменив материал, из которого он изготовлен? Можно ли еще увеличить КПД чайника, изменив его конструкцию? Как изменится КПД, если увеличить мощность электронагревателя? Какое термическое сопротивление, участвующее в процессе теплообмена, оказывает наибольшее влияние на теплопередачу? Приведите определение и размерность коэффициента теплоотдачи. Чем отличается размерность коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Иванов, 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, 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, : учебник для вузов / , , . – М. : Энергоатомиздат, 1981. –  416 с.

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

7  Кулиниченко, 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 60Ч84/16.

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.