DТ - температурный напор (разность между температурами поверхности стенки и среды).

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: температуры и шероховатости тела; температуры, скорости движения и физических параметров подвижной среды и т.д. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяют по критериальным зависимостям, полученным из опытных данных.

Для свободного движения жидкостей и газов установлено следующая критериальная зависимость:

Nи=f(GrPr), (7.2)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи;

Gr - критерий Грасгофа или критерий подъёмной силы;

Pr - критерий Прандтля, определяющий физические свойства подвижной среды.

Для вычисления критериев используется формулы:

, (7.3)

где d–определяющий линейный размер тела, м. В нашем опыте диаметр трубы;

l-теплопроводность подвижной среды, Вт/(м×К);

b- коэффициент объёмного расширения подвижной среды, К^-1;

γ - кинематическая вязкость подвижной среды, м²/c;

а - температуропроводность, м²/c;

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²);

DТ - расчётный температурный напор, К.

3 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка для определения коэффициента теплоотдачи (рисунок 7.1) состоит из стальной трубы 1 диаметром d=60мм, расположенной горизонтально.

Внутри трубы помещен электронагреватель 2, который равномерно выделяет теплоту по всей длине. Торцы трубы имеют тепловую изоляцию 8.

Температура поверхности убывает к ее концам вследствие теплоотдачи через торцы. Для исключения влияния торцовых потерь в качестве расчетной принимается не вся длина трубы, а лишь ее средний участок l=500мм. Мощность нагревателя измеряется ваттметром 5 на длине расчетного участка и регулируется автотрансформатором 4.

Рисунок 7.1. Схема установки: 1 - стальная труба; 2 -нагреватель; 3 -теплоизоляция; 4 - автотрансформатор; 5 - ваттметр; 6 -термопары; 7 -потенциометр; 8 - сосуд со льдом; 9 -переключатель.

Для измерения температуры наружной поверхности трубы в нее вмонтированы 4 хромель-алюмельевых термопар 6. Спаи расположены равномерно по длине расчётного участка со сдвигом на 90º относительно друг друга для учета изменения температуры по периметру трубы.

Э.Д.С. термопар измеряется потенциометром 4. Термопары подключают к потенциометру поочерёдно с помощью переключателя 9. Холодной спай, общий для всех термопар, расположен в сосуде Дьюра 8 с тающим льдом.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1 Ознакомитесь с приборами и конструкцией установки, проверте наличие льда (снега) в сосуде Дьюра, включите питание и установите рабочий ток потенциометра (см. приложение А).

4.2 Подождите установления стационарного теплового режима, который характеризуется постоянством во времени показания всех приборов. Режим близки к стационарному устанавливается через 15…30 минут после изменения мощности электронагревателя, для поддержания стационарного теплового режима двери и окна помещения следует держать закрытыми.

4.3 Измерьте мощность нагревателя, Э.Д.С. всех термопар и температур воздуха. Время измерения от начала опыта указано в таблице (7.2.).

4.4 Измените мощность нагревателя автотрансформатором и повторите пункты (4.2.) и (4.3.) для четырех значений мощности (тепловых режимов) установки.

4.5 В периоды перехода от одного стационарного теплового режима к другому проведите обработку опытных данных и результаты занесите в таблицу (7.3.).

4.6 После окончания испытаний выключите электронагреватель, питание потенциометра.

4.7 Постройте зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора, a=f(DТ) и lgNu=f(lgGr). Получите критериальное уравнение для опытных данных.

4.8 Сделайте выводы о характере и причинах изменения коэффициента теплоотдачи, сравните полученную критериальную зависимость с литературными данными и указать способы повышения точности опыта.

5 ОБРАБОТКА И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

Тепловой поток, отданной трубой воздуху при конвективном теплообмене, определяется из равенства:

Ф_k=Ф-Ф_A , (7.4)

где Ф – полный тепловой поток, который выделяется электронагревателем на расчетном участке, т.е. показание ваттметра;

Ф_A - тепловой поток, переданный излучением от поверхности трубы.

По уравнению Стефана-Больцмана:

, (7.5)

где e_n–приведенная степень черноты системы тел трубы - окружающие предметы. В данном случае e_n=0,8;

C₀ -коэффициент излучения абсолютно черного тела C₀=5,67 Вт/(м²·К⁴ );

А-излучающая поверхность расчетного участка трубы, м²; А=pd1; d=60мм; l=500мм;

Т_с и Т_в - абсолютные температуры поверхности стальной трубы и окружающих тел, К;

Т_с=t_c+273; Т_в=t_в+273,

где t_c– определяется по среднему за опыт значению э.д.с. термопар из приложения Б;

t_в - принимается равной температуре воздуха в помещении.

Коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы при свободном движении воздуха вычисляется по формуле:

(7.6)

Относительная погрешность в определении коэффициента теплоотдачи находится по уравнению:

(7.7)

где ∆Ф, ∆d, ∆l, ∆t - абсолютные погрешности измерений соответствующих величин (см. введение).

Для обобщения результатов опыта необходимо получить критериальное уравнение, которое для газов имеет вид:

Nu=С·(Gr)ⁿ, (7.8)

где C и n - постоянные, определяемые из экспериментальных данных. Для расчета критериев подобия Nu, Gr из приложения В по определяющей температуре t_оп выбирается значения λ, γ, Pr.

t_оп=0,5∙(t_с+t_в) (7.9)

Коэффициент объемного расширения воздуха и газов принимается:

β=1/T_опр. (7.10)

Для каждого опыта по формулам (7.3) определяются критерий Нуссельта и Грасгофа, затем подставляем в уравнение (7.8). Если зависимость (7.8) прологарифмировать, то получим:

lgNu=n·lgGr+lgC. (7.11)

Это уравнение прямой вида y=nx+A. Поэтому общая экспериментальная зависимость будет прямая в осях координат lgGr, lg Nu.

Тангенс угла наклона этой линии к оси будет равен показателю:

. (7.12)

Итак, в координатах lgNu и lgGr наносятся экспериментальные точки. Проводится прямая так, чтобы она близко располагалась к экспериментальным точкам и точки располагались по обе стороны от нее равномерно.

Рисунок 7.2 Обобщение опытных данных.

Определяют n по отношению (7.11). Постоянная определяется по координатам любой точки на обобщающей прямой. Для этой точки определяют постоянную С поставив в уравнение (7.8). Полученную критериальную зависимость занести в таблицу (7.3).

6 КОНТРОЛЬНВЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что называется теплоотдачей?

2. От чего зависит коэффициент теплоотдачи?

3. Привести примеры теплоотдачи при свободном движении подвижной среды.

4. Как рассчитывается коэффициент теплоотдачи?

5. Что характеризуют критерии?

6. Как определяется показатель степени и постоянная в критериальной зависимости?

7. Какая температура принимается за определяющую для подвижной среды?

8. Сколько измерений необходимо выполнить в каждом тепловом режиме?

9. Какие измеряемые параметры вносят наибольшую долю в погрешность определения коэффициента теплоотдачи?

Таблица 7.1 Технические параметры приборов

	ваттметр	потенциометр
Тип (марка)
Пределы измерения
Единицы измерения
Цена 1 деления

Таблица 7.2 Результаты измерений. Дата__________

№ опыта	№ замера	Время замера, мин	Ф, Вт.	Показания потенциометра	Температура
				Средняя за опыт	tc,0C	tВ,0C
	среднее
	среднее
	среднее
	среднее

Таблица 7.3 Результаты обработки опытных данных

Наименование величин	Обозначения	Численное обозначение величин, №опыта
1. Расчетная поверхность, м2	А
2. Средняя температура поверхности трубы, К	Tc
3. Температура воздуха, К	Tв
4. Определяющая температура воздуха, К	Tоп
5. Полный тепловой паток, Вт	Ф
6. Тепловой поток, отданный излучением, Вт	Фл
7. Тепловой поток, отданный конвекцией, Вт	Фk
8. Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м·К)	α
9. Критерий Нуссельта	Nu
10. Логарифм	lgNu
11. Критерий Грасгофа	Gr
10. Логарифм	lgGr
13. Относительная погрешность	δα
14. Постоянные уравнения
15. Криториальное уравнение

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить понятие и сущность коэффициента теплопередачи, структуру полного термического сопротивления и влияние различных факторов на интенсивность теплопередачи.

Получить экспериментальную зависимость коэффициента теплопередачи от скорости движения воздуха.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Передача теплоты от одной подвижной среды к другой через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

Теплопередача - сложный процесс, включающий в себя теплоотдачу от горячей среды к стенке и от стенки к холодной среде. Здесь и далее под жидкостью понимается любая подвижная среда (газ, пар, жидкость, движущийся сыпучий материал). Рассмотрим процесс теплопередачи через плоскую однослойную стенку толщиной δ с теплопроводностью λ, в установившемся тепловом режиме (рисунок 8.1). Через эту стенку передаётся тепловой поток Ф (Вт) от горячей жидкости с температурой Т₁ - холодной – с температурой Т₂:

Ф=К·А·∆Т, (8.1)

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

А - поверхность стенки, м²;

∆T - температурный напор, К (⁰С); ∆T=Т₁-Т₂=t₁-t₂.

Рисунок 8.1 Изменение температуры в процессе теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи равен количеству теплоты, передаваемой через единицу площади перегородки от одной подвижной среды к другой за единицу времени, при разнице температур в один градус.

Величина обратная коэффициенту теплопередачи, называется полным термическим сопротивлением или термическим сопротивление теплопередачи R.

Для однослойной плоской стенки:

(8.2)

где α₁ и α₂ - коэффициенты теплоотдачи, от горящей среды к стенке и от стенки к холодной среде, Вт/( м²·К);

1/α₁ и 1/α₂ - термическое сопротивление теплоотдачи R_α1 и R_α2;

δ/λ - термическое сопротивление теплопроводности - R_λ.

В некоторых случаях термическое сопротивление значительно (в сотни раз) отличаются друг от друга. Тогда R (следовательно и К) определяется наибольшим термическим сопротивлением, а другие составляющие играют малозаметную роль.

Например. Рассмотрим теплопередачу через стальную стенку толщиной 2 мм от газов к кипящей воде, если коэффициенты имеют следующие значения:

теплоотдача от газов к стенке α₁=25 Вт/(м²∙К);

теплопроводность стальной стенки λ=50 Вт/(м·К);

теплоотдача от стенки к кипящей воде α₁=2000 Вт/(м²∙К);

получаем: R_α1=1/ α₁=0,04 (м²∙К)/Вт; R_α2=1/ α₂=0,0005 (м²∙К)/Вт;

R_λ= δ/λ=0,002/50=0,00004 (м²∙К)/Вт;

R=R_α1+R_λ+R_α2=0,04+0,00004+0,0005=0,0405 м²;

К=1/0,0405=24,67 Вт/(м²∙К).

В этом примере К=24,67≈ α₁=25 Вт/(м²∙К). Следовательно без большой погрешности величинами R_α2 и R_λ можно пренебречь и принять К= α₁.

3 ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка (рисунок 8.2) состоит из теплообменника, вентилятора и измерительных приборов. Теплообменник состоит из стальной трубы 4, кожуха 5, заполненного дистиллированной водой. В нижней части кожуха 5 в водяном объеме смонтированы электронагреватель 9, с помощью которого вода доводиться до температуры кипения, около 100⁰С.

Рисунок 8.2 Схема установки: 1-вентелятор; 2-заслонка; 3-термометры; 4-внутренняя трубка; 5-кожух; 6-термоизолирующая вставка; 7-дифферинциальный манометр; 8-диафрагма; 9-нагреватель.

По внутренней трубе 4, обогреваемой кипящей водой, вентилятором 1 продувается воздух. Температура воздуха на входе и выходе из обогреваемого участка и температура кипящей воды в кожухе измеряются термометрами 3. На входе в трубу 4 установлена диафрагма 8, которая вызывает падение давления ∆ρ, измеряемое дифференциальным водяным манометром 7. Это падение давления пропорционально скорости и расходу воздуха, регулируется заслонкой 2, установленной на другом конце трубы.

4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОЫ

4.1 Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки. Проверить наличие воды в кожухе теплообменника и включить электронагреватель.

4.2 После закипания воды включить вентилятор и полностью открыть заслонку (наибольший расход воздуха).

4.3 Подождать появления стационарного теплового режима, который характеризуется неизменностью показания всех термометров во времени при постоянном расходе воздуха, такой режим наступает обычно через 3…5 минут после включения вентилятора.

4.4 Измерить температуры, перепад давления, занести их в таблицу наблюдений. Измерения повторить 3 раза с интервалами 1 мин. Результаты измерения занести в таблицу 8.2.

4.5 Изменяя положение заслонки, провести измерения для 5-ти различных расходов воздуха, в соответствии с п. 8.4.4.

4.6 Выключить вентилятор и электронагреватель.

4.7 Обработать полученные результаты, определить коэффициент теплопередачи и построить в общих осях координат графики К=ƒ(ω) по опытным данным и α₂=ƒ(ω) по расчёту.

4.8 Сделать вывод о соответствии опытных и расчетных данных, объяснить вид полученной зависимости и указать пути снижения погрешности опыта.

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

Рассчитываются следующие величины:

Средняя температура потока воздуха в процессе теплообмена, ⁰С:

(8.3)

где - температуры воздуха на входе и выходе, ⁰С.

Плотность воздуха на входе (r) и при средней температуре (ρ):

(8.4)

где ρ₀=1,293 кг/м³ - плотность воздуха при нормальных условиях;

Т₂^’ и Т₂ - абсолютные температуры воздуха на входе и средняя, К;

Р_Б - атмосферное давление, кПа.

Массовый расход воздуха, кг/с:

(8.5)

где ∆р - перепад давлений на диафрагме, мм. вод. ст.

Тепловой поток, передаваемый в теплообменнике воздуху, Вт:

Ф=m·с_р·( t₂^” - t₂^’), (8.6)

где с_р=1000 Дж/(кг·К)-массовая теплоёмкость воздуха.

Коэффициент теплопередачи для тонкостенной трубы определяется из уравнения (8.1), в котором А - площадь теплообмена определяется по внутреннему диаметру (d = 53 мм) и длине (l=750 мм) трубы теплообменника; t₁ и t₂ - температуры кипящей воды и средняя для воздуха. Средняя скорость воздуха в теплообменникt, м/с:

w=m/(r×A₁), (8.7)

где А₁ - площадь сечения трубы теплообменника, м².

По результатам обработки строится график К=ƒ(ω).

Относительная погрешность при определении коэффициента теплопередачи определяется по формуле:

;

(8.8)

где ∆Б, t, ∆(∆р), ∆d, ∆l - абсолютное погрешности измерения атмосферного давления, температуры, перепада давления на диафрагме, диаметра и длины (см. введение). Определение коэффициента теплопередачи расчетным путем

Для оценки эксперимента полученные по результатам опыта коэффициенты теплопередачи сравниваются со значениями К, рассчитанными для каждого расхода воздуха на основе теории теплообмена. Для тонкостенной трубы можно применить формулу (8.2).

В нашем случае термическое сопротивление теплоотдачи от кипящей воды к стенке 1/α₁ и термическое сопротивление стенки δ/λ несравненно меньше, чем термическое сопротивление теплоотдачи от стенки воздуху 1/α₁. Поэтому, в условия нашего эксперимента можно принять:

К≈ α₂.

Для расчета воспользуемся теорией подобия. Воздух внутри трубы движется под действием вентилятора, вынужденно. Для турбулентного движения воздуха в каналах критериальное уравнение имеет следующий вид:

, (8.9)

где Nu=α·d/λ - критерий подобия Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи, в него входит искомая величина - коэффициент теплоотдачи - α;

Re=ω·d/γ - критерий подобия Рейнольдса, характеризующий режим вынужденного движения жидкости или газа;

d - внутренний диаметр трубы, м; d=53 мм;

λ - теплопроводность, Вт/(м²·К);

γ - кинематическая вязкость, м²/с;

ω - средняя скорость потока воздуха, м/с;

ε_l - коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи на начальном участке трубы, если l/d<50, то ε_l берётся из приложения Г.

Для длинных труб (l/d>50) принимается ε_l=1.

Физические параметры воздуха (λ, γ) берутся из приложения В по средней температуре воздуха t₂.

Из уравнения (8.9) определяется критерии Нуссельта и, затем, коэффициент теплоотдачи:

α₂=Nu·λ/d. (8.10)

Расчетные значения α₂=φ(ω) строятся для сравнения на одном графике с опытными данными.

7 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что называется теплопередачей, из каких процессов простого теплообмена она состоит?

2. Физический смысл коэффициента теплопередачи.

3. Что называется полным термическим сопротивлением и из каких слагаемых оно состоит?

4. В каких случаях при определении К можно пренебречь отдельными составляющими термического сопротивления?

5. Каким способом в данной работе определяется расход воздуха?

6. Перечислите признаки стационарного (установившегося) теплового режима.

7. Сколько раз повторяются измерения в каждом режиме и сколько режимов необходимо получить при испытании?

8. По какой температуре находится физические параметры воздуха для определения критериев при вынужденном движении воздуха?

9. Как увеличить К в рассматриваемом случае процесса теплопередачи?

10. Какие измеряемые величины вносят наибольшую долю в погрешность определения коэффициента теплопередачи?

Таблица 8.1 Технические параметры приборов

	Термометры	Барометр	Диф. манометр
Тип (марка)
Пределы измерений
Единицы измерении
Цена 1 деления

Таблица 8.2 Результаты измерений

Дата _____ Барометрическое давление _________кПа

№ опыта	№ измерения	Время, мин.	Температура, С	∆Р, мм. вд. ст.
воздуха	воды
t2’	t2”	t1
	среднее
	среднее
	среднее
	среднее
	среднее

Таблица 8.3 Результаты обработки данных

Наименование величины	Обзначения	№ опыта
1. Средняя температура воздуха, 0С	t
2. Расход воздуха, кг/с	m
3. Тепловой поток, Вт	Ф
4. Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К)	K
5. Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К)	α2
6. Средняя скорость воздуха, м/с	ω
7. Критерий Рейнольдса	Re
8. Критерии Нуссельта	Nu
9. Относительная погрешность	δk

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ

ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение изменений параметров влажного воздуха в процессах протекающих в сушильной установке.

В результате выполнения работы должен быть изучен материал данной темы и освоена методика экспериментально-графического определения параметров состояния влажного воздуха с использованием диаграммы H, d.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Атмосферный воздух используется в качестве рабочего тела в различных технологических процессах, например, ля сушки сельскохозяйственной продукции, в установках кондиционирования, в системах обеспечения микроклимата в сельскохозяйственных производственных помещениях и др.

Давление влажного воздуха по закону Дальтона определяется по формуле:

Р_вл.в.=Р_с.в.+Р_в.п..,

где Р_вл.в., Р_с.в., Р_в.п.., - соответственно, давление влажного воздуха, парциальное давление сухого воздуха и парциальное давление водяного пара.

Основными характеристиками влажного воздуха являются его влагосодержание d и энтальпия H.

Так как при изменении состояния влажного воздуха количество сухого воздуха в смеси не меняется, то расчеты с влажным воздухом принято относить к 1 кг сухого воздуха.

3 ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА

В настоящей работе в качестве опытной установки использован сушильный электрический шкаф СЭШ-3М, который представляет собой небольшую сушильную камеру, защищенную слоем теплоизоляции, с дверкой 4 для загрузки камеры (рисунок 9.1). Рабочая температура в сушильной камере обеспечивается электрическими нагревателями 7 и 8, помещенными в нижней части шкафа, и поддерживается на заданном уровне с помощью терморегулятора, состоящего из ртутного контактного термометра 1 и реле 13.

Рисунок 9.11 – контактный термометр; 2 и 3 – «сухой» и «мокрый» термометры; 4 – окно загрузочное; 5 – термопара; 6 – потенциометр; 7 и 8 – нагреватели; 9 – электродвигатель; 10 – вентилятор; 11 – включатель дополнительного нагревателя; 12 – включатель основного нагревателя; 13 – реле автоматического управления; 14 – подпятник; 15 – стол вращающийся.

Нагреватель состоит из двух секций: основной 7 – мощностью 575 Вт и дополнительный 8 – мощностью 522 Вт. Основная секция включена в цепь терморегулятора.

Выключатели нагревателей и гнезда контактного термометра расположены на панели шкафа. На крышке панели имеется окно для наблюдения за сигнальной лампой включения и выключения основного нагревателя.

Температура воздуха после нагревания измеряется хромель-копелевой термопарой 5.

Для определения относительной влажности сушилка снабжена двумя одинаковыми ртутными термометрами 2 и 3, один из которых «мокрый». Баллончики термометров помещены в сушильную камеру, в которой возможно обеспечить нагрев окружающего воздуха и последующее увлажнение.

Баллончик «мокрого» термометра обернут батистом и непрерывно смачивается водой.

4 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Перед началом опыта следует заполнить бюксы сырым материалом для подсушивания и измерить их массу на весах ВЛКТ-500г-М с точностью 10 мг. После необходимо по указанию преподавателя установить по контактному термометру 1 требуемую температуру в сушильной камере и установить выключатели основного 7 и дополнительного 8 нагревателей в положение «Вкл.».

Стационарный режим сушки характеризуется постоянством относительной влажности за сушилкой, поэтому следует сразу же начать ее определение «сухим» и «мокрым» термометрами.

Начальные параметры окружающего воздуха определяется по показаниям «сухого» и «мокрого» термометров аспирационного психрометра. Чувствительный элемент мокрого термометра обернут батистом, смачиваемой водой. За 4 минуты до начала измерений ткань смачивается водой с помощью резиновой груши. Перед измерением заводится вентилятор и через каждые 30 секунд записываются показания «сухого» и «мокрого» термометров до тех пор, пока показания «мокрого» термометра не достигнет минимума. По этим показаниям на диаграмме H,d влажного воздуха определяются параметры воздуха на входе в калорифер.

По достижению стационарного режима в течении 15 минут через каждые 3 минуты записываем в журнал наблюдений показания всех термометров психрометра в сушильной камере, показания термопары за калорифером, потребляемую мощность сушильной установки, массу высушиваемого материала в начале и конце опыта, барометрическое давление воздуха.

Таблица 9.1 Журнал наблюдений.

№ опы­тов

Мощ­ность на­грева­теля

Параметры воздуха на входе в суш.

Масса мате­риала

Барометрическое давление

Параметры воздуха за калориф.

Параметры воздуха в су. камере

до суш.

после суш

W, Вт

, 0С

, 0С

j0,%

m1, кг

m2, кг

Рб,Па

t1, 0С

j1,%

j2,%

5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

После окончания эксперимента необходимо усреднить результаты измерений и нанести процессы, протекающие в сушилке на H,d диаграмму (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 Процесс сушки на H,d диаграмме

Точка 0 характеризирует параметры наружного воздуха. Чтобы определить температуру точки росы tр из точки 0 опускаем перпендикуляр до пересечения с j=100%, изотерма проходящая через эту точку определяет температуру точки росы. Для нахождения парциального давления пара во влажном воздухе данного состояния из точки 0 опускаем линию d= const, т.е. точки 0 и 1 располагается на линии 0-1.

Разность энтальпии Н₁-Н₀ умноженная на массу сухого воздуха при нагревании его в калорифере определяет тепловой поток

Ф=m_с.в.·(Н₁-Н₀), (9.1)

где

, (9.2)

где m_воды – количество испаренной влаги, кг.

, (9.3)

где m – количество испаренной влаги во время эксперимента, кг

m=m₁-m₂;

t - продолжительность эксперимента, мин;

d₀ и d₂ – соответственно, влагосодержание атмосферного воздуха и воздуха после сушилки, кг/кг с.в.;

Н₁ и Н₀ – соответственно, энтальпия нагретого и атмосферного воздуха, кДж/кг влажного воздуха.

Потери теплового потока в калорифере Ф_пот (кВт) определяются как разность тепловой мощности электрического нагревателя и теплового потока на нагрев воздуха в калорифере

Ф_пот=W-Ф (9.4)

где W – электрическая мощность нагревателя, кВт.

Действительное количество теплоты Q (кДж/кг) затраченное на испарение 1 кг влаги определяется по формуле

Q=3600W/m_1воды (9.5)

В отчете по данной работе необходимо заполнить журналы наблюдений, определить к.п.д. сушилки и построить процессы на кальке.

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Перечислите основные параметры, определяющие состояние влажного воздуха.

2 Дайте определение абсолютной и относительной влажности воздуха.

3 Расшифруйте термин «влагосодержание» влажного воздуха и укажите единицу его измерения.

4 Как определяется парциальное давление водяных паров при проведении эксперимента.

5 Как определяются парциальное давление сухого воздуха при проведении эксперимента.

6 На диаграмме H,d влажного воздуха изобразите процессы нагрева, сушки и охлаждения воздуха.

ЛАБОРОТОРНАЯ РАБОТА №10

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ БЫТОВОГО КОНДИЦИОНЕРА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХОЛОДИЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЕГО ЦИКЛА

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Кондиционер включает в себя: холодильный агрегат, состоящий из ротационного компрессора 1, конденсатора 2, фильтра-осушителя 14, капиллярной трубки 13, расширителя 15, испарителя 11 и трубопроводов, образующих герметично замкнутую систему. В качестве хладоагента используется “Хладон 22”; из вентиляторов осевого 6 и центробежного 8 с общим электродвигателем 7; пульта управления 12 с шума защитным устройством для регулирования режима работы. Все узлы кондиционера смонтированы на металлическом основании и закрыты пластиковым кожухом 10.

Кондиционер работает следующим образом. Компрессором 1 пары хладона R22 нагнетаются в конденсатор 2, представляющий собой теплообменник, в котором происходит охлаждение хладоагента окружающим воздухом и его конденсация. Окружающий воздух засасывается осевым вентилятором 1 через боковые решетки в стенках корпуса, омывает наружные поверхности конденсатора и нагретый воздух, удаляется в окружающую среду. Затем жидкий хладон R22 проходит через фильтр-осушитель 14, капиллярную трубку 13 и поступает в испаритель 11. В капиллярной трубке проходит дросселирование хладона, вследствие чего давление хладона падает до давления в испарителе 11, а жидкий хладон переходит в влажный насыщенный пар. Хладон охлаждает воздух, омывающий поверхность испарителя 11, который всасывается центробежным вентилятором 8 через щели в испарителе и охлажденный воздух через поворотные решетки подается в помещение. Из испарителя 11 через расширитель 16 пары хладона отсасываются компрессором 11, и цикл повторяется.

Рисунок 10.1 Общее устройство лабораторной установки. 1 - компрессор; 2 – конденсатор; 3 – потенциометр; 4 – переключатель; 5 – термопары; 6 – вентилятор осевой; 7 – электродвигатель; 8 – вентилятор центробежный; 9 –клапан; 10 – кожух; 11 – испаритель; 12 – пульт управления; 13 – трубка капиллярная; 14 – фильтр осушитель; 15 – расширитель.

Таким образом, кондиционер, с одной стороны, нагревает окружающий воздух в конденсаторе, а с другой - охлаждает в испарителе. В зависимости от того, что является конечной целью работы кондиционера(охлаждение воздуха или его нагрев), он может функционировать как холодильная установка или как тепловой насос.

Рассмотрим цикл работы кондиционера в диаграммах р, v и Т, s (рисунок 10.2).

а б

Рисунок 10.2 Диаграммы р, v и Т, s цикла кондиционера.

При адиабатном сжатии 1-2 в компрессоре 1 давление хладоагента повышается от р₁ до р₂, а температура от Т₁ до Т₂. В результате чего влажный насыщенный пар превращается в сухой насыщенный. Сухой насыщенный пар (точка 2) поступает в конденсатор 2, где происходит конденсация пара при р₂=const и Т₂=const. 2-3 - изобарно-изотермический процесс. Из конденсатора выходит жидкий хладон в состоянии насыщения (точка 3). Жидкий хладон при давлении р₂ и температуре Т₂ поступает в капиллярную трубку 14, где дросселируются до давления р₁ и температуры Т₁ (точка 4). Процесс дросселирования является необратимым, поэтому на диаграммах его изображают условно или пунктиром. В испарителе 11 за счет теплоты, отбираемой от воздуха, жидкость, содержащаяся во влажном паре при р₂=const и Т₂=const испаряется и степень сухости пара возрастает. На диаграммах р, v и Т, s изобарно-изотермный процесс 6 испарителя изображается линией 4-1. Из испарителя пары хладона направляется в компрессор и цикл повторяется.

В разных режимах работы установки возможны случаи, когда состояние пара, выходящего из компрессора, может оказаться в области перегрева (рисунок 10.3 а), так и в области насыщения (рисунок 10.3 б).

а б

Рисунок 10.3 Циклы кондиционера в Т,s диаграмме:

а) точка 2 в области перегрева;

б) точка 2 в области насыщения.

Если кондиционер работает с целью нагрева воздуха, т.е. по циклу теплового насоса, то его эффективность оценивается отопительным коэффициентом x, представляющим собой отношение количества теплоты Q₁, сообщенного воздуху в конденсаторе 2 к разности Q₁-Q₂, где Q₂ теплота, отведенная от воздуха в испарителе 11.

(10.1)

Если же кондиционер работает с целью охлаждения воздуха, то есть по циклу холодильной установки, то его эффективность оценивается холодильным коэффициентом e, представляющим собой отношение Q₁ к Q₁-Q₂

Если числитель выражения 1 представить в виде (Q₁-Q₂)+Q₂, то

(10.2)

2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка для определения отопительного x и холодильного e коэффициентов цикла в кондиционере состоит из кондиционера БК-2000 (рисунок 10.1), термопар 5, переключателя 4, и потенциометра для измерения ЭДС термопар. Термопары установлены таким образом, что они измеряют разность температур входа и выхода воздуха в испаритель 11 и конденсатор 2. Во время работы кондиционера с помощью переключателя, расположенного на пульте управления, можно изменять режимы работы.

При высокой частоте вращения вентиляторов производительность по воздуху составляет V_и = 0,139 м³/с, при низкой частоте - V_и = 0,0972 м³/с.

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЫТОВ

3.1 Перед пуском кондиционера открыть поворотную решетку передней панели. Проверить, чтобы ручка переключателя находилась в положении “Выкл.”.

3.2 Перевести ручку переключателя в рабочее положение “Кондиц.” “Сильно”, что устанавливает производительность кондиционирования при высокой частоте вращения вентиляторов двигателя.

3.3 После установки ручку переключателя в положение “Кондиц.”, переведите ручку регулятора температуры в положение “непрерывно”.

3.4 Разность температур воздуха на входе и выходе из кондиционера 2 и испарителя 11 измеряем дифференциальными хромель-копелевыми термопарами 5, которые могут соединяться многоточечным переключателем ПМТ 2 с лабораторным потенциометром ПП-63 при установившимся режиме работы кондиционера.

3.5 Замеры повторяют на данном режиме три раза в течении цикла работы компрессора, то есть с момента включения компрессора в работу до следующего включения (примерно в течении двух минут с интервалом 15 секунд).

3.6 Замеры температур ведут в мВ. Чтобы перевести их в градусы Цельсия воспользуемся градуировочной таблицей для хромель-копелевых термопар (см. приложение Д).

3.7 Результаты измерения и время замера занести в таблицу 10.1.

3.8 Перевести ручку переключателя в положение “Кондиционер” “слабо” для установления режима 2 и повторить измерение по пунктам 3.4...3.7.

4 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

4.1 Определить среднеарифметические значения разности температур воздуха в конденсаторе ∆t_к^ср и в испарителе ∆t_и^ср.

4.2 Определить тепловой поток Ф_и (Вт), который передается от атмосферного воздуха к испарителю

(10.3)

где с_р^’ - объемная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(м³×К). Для условии работы кондиционера в помещении с_р = 0,7 кДж/(м³×°С).

- среднеарифметическая разность температур воздуха на входе в испаритель и выходе из него (из опыта), °С;

V_и - расход охлажденного воздуха, м³/с; V_и= 0,139 м³/с и 0,0972 м³/с (из паспорта кондиционера), соответствующий режиму работы кондиционера.

4.3 Определить тепловой поток от кондиционера к воздуху помещения по формуле

(10.4)

где N_ком = 1100 Вт - мощность на привод компрессора (принимается из паспорта кондиционера).

К_з = 1,1 - коэффициент запаса мощности, h_ком = 0,85 - к.п.д. компрессора, h_эл.дв. = 0,96 к.п.д. электродвигателя.

4.4 Определяем расход нагретого воздуха

(10.5)

где ∆t_к^ср - среднеарифметическая разность температур воздуха на входе в конденсатор и выходе из него (из опыта), °С.

4.5 По формулам 10.1 и 10.2, подставляя вместо Q₁ и Q₂ значения Ф_к и Ф_и находим коэффициент трансформации (отопительный коэффициент) x и холодильный коэффициент e :

(10.6)

4.6 Расчетные величины Ф_к, Ф_и, e и x заносим в таблицу 2, обработки результатов опыта.

5 ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

5.1 Название, цель и задачи работы.

5.2 Понятие об исследуемом объекте.

5.3 Схему опытной установки.

5.4 Таблицы замеров опытных данных и результатов их обработки.

5.5 Обработку данных с подстановкой в формулы исходных цифровых величин.

5.6 Выводы.

6 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1 Из каких основных узлов состоит кондиционер? Их назначение.

6.2 Как изображается цикл кондиционера на диаграммах р,v и Т,s?

6.3 Как рассчитываются холодильный и отопительный коэффициенты? В чем разница между ними?

Таблица 10.1 Результаты наблюдений. Дата ____________

	Экспериментальные данные
№	Режим I	Режим II
замера	Dtк,	Dtи,	t	Dtк	Dtи	t
	мВ	мВ	с	мВ	мВ	с
ср.

Таблица 10.2 Результаты расчётов.

Расчетные величины
Режим I	Режим II
Фк	Фи	e	x	Фк	Фи	e	x
Вт	Вт			Вт	Вт

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Теплотехника/Под ред. А.П. Баскакова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 264с.

2. Теплотехника/Под ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432с.

3. Теплотехника/Под ред. Г.А. Матвеева. – М.: Высшая школа, 1981. – 479 с.

4. Захаров А.А. Практикум по применению теплоты и теплоснабжению в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 1995. – 176с.

5. Сборник правил и руководящих материалов по котлонадзору. – М.: Наука, 1977. – 576с.

6. Бугай И.П. Коммунальные и бытовые отопительные котельные. – Киев: Будивельник, 1973.-223с.

7. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. – С.-Петербург, 2000.-222 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ ПОТЕНЦИОМЕТРОВ ПП-63

1. Проверить установку стрелки гальванометра на «0».

2. Включить питание 6 (ПП-63), поставить переключатель 1 в положение «К» и установить с помощью реостата 3 стрелку гальванометра на 0, т.е. установить рабочий ток потенциометра. У потенциометра ПП-63 для включения гальванометра необходимо нажать на кнопку 5 «Грубо», затем «Точно»; верхняя ручка реостата 3 устанавливает ток грубо, а нижняя – плавно.

Рисунок А1 Органы управления потенциометров ПП-63: 1 – переключатель «контроль»-«измерение»; 2 – зажимы для подсоединения термопар; 3 – реостат рабочего тока; 4 – переключатель пределов измерения; 5 – кнопка гальванометра «грубо»-«точно»; Г – гальванометр; Р – реохорд.

3. Установить переключателем 4 диапазон измерения, начиная от 0 мВ и поставить переключатель 1 в положение «И». С помощью реохорда Р вернуть стрелку гальванометра на ) и по шкале против указателя прочитать значение э.д.с. термопары с учетом положения переключателя 4.

По окончанию измерения включить питание потенциометра (включатель 6).

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Термо Э.Д.С. хромель-алюмелевой термопары градуировка ХА, мВ (АБС).

		0,04	0,08	0,12	0,16	0,20	0,24	0,28	0,32	0,36
	0,40	0,44	0,48	0,52	0,56	0,60	0,64	0,68	0,72	0,76
	0,80	0,84	0,88	0,92	0,96	1,00	1,04	1,08	1,12	1,16
	1,20		1,28	1,32	1,36	1,41	1,45	1,49	1,53	1,67
	1,61	1,85	1,69	1,73	1,77	1,82	1,86	1,90	1,94	1,98
	2,02	2,06	2,10	2,14	2,18	2,23	2,27	2,31	2,35	2,39
	2,48	2,47	2,51	2,56	2,60	2,64	2,68	2,72	2,77	2,81
	2,85	2,89	2,93	2,97	3,01	3,06	3,10	3,14	3,18	3,22
	3,26	3,30	3,34	3,39	3,43	3,47	3,51	3,55	3,60	3,64
	3,68	3,72	3,76	3,81	3,85	3,89	3,93	3,97	4,02	4,06
	4,10	4,14	4,18	4,22	4,26	4,31	4,36	4,39	4,43	4,47
	2,51	4,55	4,59	4,63	4,67	4,72	4,76	4,80	4,84	4,88
	4,92	4,96	5,00	5,04	5,08	5,13	5,17	5,21	5,25	5,29
	5,33	5,37	5,14	5,45	5,49	5,53	5,57	5,61	5,65	5,69
	5,73	5,77	5,81	5,85	5,89	5,93	5,97	6,01	6,05	6,09
	6,13	6,17	6,21	6,25	6,29	6,33	6,37	6,41	6,45	6,49

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Физические параметры воздуха при В=760 мм. рт. ст.

t, ºС	ρ, кг/м	cр, кДж/(кгК)	λ, Вт/(мК)	α,10-5 м2/с	v, 10-6 м2/с	Pr
	1,293	1,0048	0,0245	1,88	13,28	0,707
	1,247	1,0048	0,0252	2,01	14,16	0,705
	1,205	1,0048	0,0260	2,15	15,06	0,708
	1,165	1,0048	0,0268	2,59	16,00	0,701
	1,128	1,0048	0,0276	2,43	16,96	0,699
	1,093	1,0048	0,0284	2,56	17,95	0,698
	1,060	1,0048	0,0291	2,71	18,97	0,696
	1,029	1,0090	0,0297	2,86	20,02	0,694
	1,000	1,0090	0,0306	3,01	21,09	0,692
	0,972	1,0090	0,0314	3,20	22,10	0,690
	0,946	1,0090	0,0322	3,36	23,13	0,688

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Значение коэффициента

Критерий Re	Отношение
2·10	1,44	1,28	1,16	1,13	1,05	1,02
1·10	1,34	1,23	1,17	1,13	1,05	1,02
2·10	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,02
5·10	1,18	1,13	1,10	1,08	1,04	1,02
1·10	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,02

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Градуировочная таблица перевода мВ в °С для хромель-копелевых термопар