В. Н. Кузнецов, А. П. Стариков

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к лабораторным работам для студентов

Термодинамика и теплопередача: Методические указания к лабораторным работам для студентов нетеплотехнических специальностей / В. Н. Кузнецов, А. П. Стариков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 30 с.

методические указания составлены в соответствии с учебным планом дисциплины «Термодинамика и теплопередача» и содержат семь лабораторных работ, в которых представлены краткие теоретические сведения по изучаемой теме, описание и схемы лабораторных установок, порядок проведения опытов, методика обработки их результатов и контрольные вопросы.

Предназначены для студентов специальностей «Локомотивы», «Вагоны», «Электрический транспорт железных дорог» очной и заочной форм обучения.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко;

Введение............................................................................................................ 5

Лабораторная работа 1. Определение газовой постоянной воздуха............ 6

1.1. Схема и описание лабораторной установки....................................... 6

1.2. Порядок проведения опыта................................................................. 6

1.3. Обработка результатов опыта............................................................. 7

1.4. Содержание отчета............................................................................... 7

1.5. Контрольные вопросы......................................................................... 8

Лабораторная работа 2. Определение теплоемкости воздуха при постоян-ном давлении............................................................................................................. 8

2.1. Схема и описание лабораторной установки....................................... 8

2.2. Проведение опыта и обработка результатов измерений.................... 9

2.3. Содержание отчета............................................................................... 10

2.4. Контрольные вопросы......................................................................... 10

Лабораторная работа 3. Изучение процессов течения различных газов...... 11

3.1. Теоретические основы течения газов................................................... 11

3.2. Описание лабораторной установки..................................................... 13

3.3. Порядок проведения опыта................................................................ 13

3.4. Содержание отчета............................................................................... 14

3.5. Контрольные вопросы......................................................................... 15

Лабораторная работа 4. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляции «методом трубы»..................................................................... 15

4.1. Теоретические основы «метода трубы».............................................. 15

4.2. Описание лабораторной установки..................................................... 16

4.3. Порядок проведения опыта................................................................. 16

4.4. Обработка результатов опыта............................................................. 17

4.5. Содержание отчета............................................................................... 18

4.6. Контрольные вопросы......................................................................... 18

Лабораторная работа 5. Определение коэффициента теплоотдачи конвекцией горизонтальной трубы при свободном движении воздуха............................. 19

5.1. Теоретические основы метода определения коэффициента теплоотдачи 19

5.2. Описание лабораторной установки..................................................... 20

5.3. Порядок проведения опыта................................................................. 20

5.4. Обработка результатов опыта............................................................. 21

5.5. Содержание отчета............................................................................... 22

5.6. Контрольные вопросы......................................................................... 22

Лабораторная работа 6. Определение коэффициента теплоотдачи конвекцией вертикальной трубы при свободном движении воздуха................................. 23

6.1. Теоретические основы метода определения коэффициентов С и n.... 23

6.2. Описание лабораторной установки..................................................... 24

6.3. Порядок проведения опыта................................................................. 24

6.4. Обработка результатов опыта............................................................. 25

6.5. Содержание отчета............................................................................... 25

6.6. Контрольные вопросы......................................................................... 25

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента теплоотдачи внутри трубы при вынужденном движении воздуха...................................................................... 26

7.1. Теоретические основы метода определения коэффициента теплоотдачи внутри трубы............................................................................................... 26

7.2. Описание лабораторной установки..................................................... 27

7.3. Порядок проведения опыта................................................................. 28

7.4. Содержание отчета............................................................................... 28

7.5. Контрольные вопросы......................................................................... 29

Библиографический список.............................................................................. 29

Предлагаемый цикл лабораторных работ рассчитан на семь двухчасовых занятий, которые предусмотрены учебным планом по курсу «Термодинамика и теплопередача». По каждой из семи лабораторных работ студентам следует
ознакомиться с лабораторной установкой и порядком проведения опытов,
выполнить опыты, необходимые расчеты, записать полученные результаты
в таблицу наблюдений, произвести их анализ, ответить на контрольные
вопросы. Из-за значительного объема работы студентам рекомендуется готовиться к каждому лабораторному занятию заранее, используя материалы лекций, литературных источников и данных методических указаний. Проработка отдельных вопросов термодинамики и теплопередачи на лабораторных занятиях ведется параллельно изложению их на лекциях, однако к каждой работе приведены основные теоретические сведения, поясняющие смысл лабораторной работы и позволяющие выполнить необходимые расчеты.

Третья лабораторная работа посвящена проведению итерационных опытов на имитационной установке по изучению процессов течения газов. Цель моделирования этих процессов – интенсифицировать процесс обучения студентов благодаря быстрому переходу с одного температурного режима на другой. Более того, представляется возможность исследовать в качестве рабочего тела не только воздух, но и другие газы – гелий и углекислый газ.

При выполнении лабораторных работ студентам необходимо соблюдать следующие требования техники безопасности: запрещается включать и выключать аппаратуру без разрешения преподавателя, открывать крышки приборов, наступать на переносные электропровода, касаться оголенных концов соединительных проводов и нагретых поверхностей; не допускается приносить в лабораторию предметы, оказывающие электромагнитное влияние на измерительную аппаратуру; необходимо проявлять особую осторожность при работе с приборами, содержащими стеклянные элементы (термометры, пикнометры и др.).

Настоящие методические указания могут быть использованы студентами заочной формы обучения на лабораторно-экзаменационной сессии.

1) закрепление теоретических знаний по разделу «Уравнение состояния идеальных газов»;

2) освоение метода экспериментального определения газовой постоянной.

Перед началом опыта давление воздуха в газовом пикнометре приводится к атмосферному, и пикнометр взвешивается на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Затем производится откачка воздуха из пикнометра до вакуума
400 – 500 мм рт. ст. После этого пикнометр с закрытым краном повторно взвешивается. Разница значений массы пикнометра (М ₁ – М ₂) представляет собой изменение массы воздуха D М при уменьшении давления в сосуде на D р.

В ходе опыта результаты измерений записываются в табл. 1. Опыт повторяют трижды, изменяя D р.

Результаты измерений и расчета значений газовой постоянной R

Состояние газа в пикнометре перед опытом описывается уравнением:

Вычитая формулу (2) из уравнения (1), получаем:

Подставляя в формулу (5) числовые значения, необходимо учитывать размерность величин.

2) Схема лабораторной установки и ее описание.

3) Таблица с результатами измерений и расчетов.

4) Расчет газовой постоянной в технической системе единиц и системе СИ.

1) На чем основан вывод уравнения состояния идеального газа?

2) В чем отличие уравнения состояния идеального газа от уравнения
состояния реальных газов?

3) Почему правомерно применение уравнения состояния идеального газа для воздуха?

4) Чем объясняется расхождение теоретического значения газовой постоянной воздуха с полученным в опыте?

1) закрепление теоретических знаний по разделу «Теплоемкость газов»;

2) освоение метода экспериментального определения теплоемкости газов.

2) Схема и описание лабораторной установки с указанием характеристик приборов.

3) Порядок проведения работы, основные теоретические положения.

4) Таблица с результатами измерений и расчет средней объемной изобарной теплоемкости c '_pm на основании опытных данных.

5) Расчет значений теплоемкостей c _p, c _v, mc _p, mc _v, c '_p, c '_vв технической системе единиц и системе СИ.

1) Как связаны между собой мольная, массовая и объемная теплоемкость?

2) Как и почему изменяется теплоемкость вещества с изменением его температуры?

3) В чем разница между истинной теплоемкостью и средней?

4) Как пользуются таблицами средних значений теплоемкости для
определения количества подведенного тепла в интервале значений температуры t ₁ и t ₂?

5) Как связаны между собой изохорная и изобарная теплоемкость?

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ различных ГАЗОВ

1) исследование особенностей течения газов в зависимости от их атомного числа;

2) построение кривой расхода газа как функции от отношения давления газа за соплом к его давлению перед соплом.

Во время опыта при различных значениях скорости течения газа фиксируются значения падения давления на мерной диафрагме D H, изменение давления в выходном сечении сопла D p ₂ и за соплом D p ₃. Результаты эксперимента и расчетов записываются в табл. 3.

Отношение давления газа за соплом к давлению газа перед соплом

Результаты измерений и расчета параметров потка

где

= 0,95 – коэффициент расхода мерной диафрагмы;

– плотность исследуемого газа перед соплом, определяется по уравнению состояния идеального газа:

Теоретический массовый расход газа рассчитывается в докритическом режиме течения по формуле (16), а в критическом – по уравнению (19). Скорость истечения газа вычисляется по формуле (14), критическая – по уравнению (18).

2) Схема и описание имитационной лабораторной установки.

4) Таблицы с результатами измерений и расчетов.

5) Графики зависимости расхода различных газов от отношения давления газа за соплом к давлению газа перед соплом.

2) Какие режимы истечения газа из сопл возможны?

3) Почему скорость истечения газа из суживающегося сопла не может превысить скорость звука?

4) От чего зависит значение критического отношения давления газа β _кр?

5) Что влияет на значение коэффициента расхода сопла?

6) Какие выводы можно сделать, сравнивая результаты, полученные при изучении процессов истечения различных газов?

Определение коэффициента теплопроводности
теплоизоляции «методом трубы»

1) закрепление знаний по разделу «Передача тепла теплопроводностью»;

2) приобретение навыков определения коэффициента теплопроводности изоляции.

Установка включается за 1,5 – 2,0 ч до проведения опыта для получения стационарного теплового режима к моменту измерений. Мощность тока, проходящего по нагревателю, поддерживается постоянной при помощи лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа).

Измерения мощности, ЭДС термопар, температуры окружающего воздуха и температуры холодного спая производятся в одной и той же последовательности через 5 мин. Необходимо сделать четыре – пять измерений каждой величины при стационарном режиме, который фиксируется в случае равных ЭДС каждой из термопар в этих измерениях.

Результаты измерений записываются в табл. 4.

Результаты измерений и расчета коэффициента теплопроводности l

Поскольку условия бесконечности трубы выполняются не строго, при
обработке результатов эксперимента следует пользоваться так называемым
«рабочим участком» трубы, в пределах которого значения ЭДС внутренних термопар одинаковые. В лабораторной установке такой участок охватывает три средние термопары, его длина l _р равна 400 мм, поэтому определение l следует производить по формуле (27), используя параметры рабочего участка и считая

где Р – электрическая мощность нагревателя, Вт.

Значение температуры внутренней и наружной поверхностей изоляции определяется как среднеарифметическое для соответствующих термопар, расположенных на рабочем участке, по формулам:

Значение коэффициента теплопроводности l, полученное в опыте, сравнивается с значением, найденным в литературных источниках.

Подсчитывается возможная максимальная относительная погрешность опыта в процентах.

2) Теоретические основы определения коэффициента теплопроводности теплоизоляции «методом трубы».

3) Схема лабораторной установки и ее описание.

4) Таблица результатов измерений и расчетов.

5) Расчет коэффициента теплопроводности асбестовой изоляции.

1) В каких пределах находятся значения коэффициентов теплопроводности для газов, жидкостей, строительных и изоляционных материалов?

2) Как определяется температура теплоизоляции в слое диаметром 45 мм для условий проведенного опыта?

3) С чем связаны систематические и случайные ошибки опыта и как их можно уменьшить?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ КОНВЕКЦИЕЙ
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

1) закрепить теоретические знания по разделам «Теория подобия» и «Теплоотдача при свободном движении жидкости»;

2) приобрести навыки экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи.

Включение установки производится за 1,0 – 1,5 ч до опыта для получения стационарного теплового режима к моменту измерений. Мощность тока, проходящего по нагревателю, поддерживается постоянной при помощи ЛАТРа.

Измерения силы тока и напряжения, температуры стенки трубы и температуры окружающего воздуха производятся в одной и той же последовательности через 3 – 4 мин. Необходимо произвести четыре – пять измерений всех величин при стационарном режиме, который фиксируется в случае одинаковости значений температуры каждой из термопар в этих измерениях, результаты измерений записать в табл. 5.

Результаты измерений и расчета коэффициента теплоотдачи a _к

Вычисление коэффициента теплоотдачи a _к производится по усредненным значениям измеряемых величин по формуле (32). Поскольку условия бесконечности трубы выполняются не строго, при обработке результатов эксперимента следует пользоваться так называемым «рабочим участком» трубы, в пределах которого наблюдается одинаковость ЭДС термопар. В данной установке такой участок охватывает три средние термопары и длина его l _р = 400 мм, поэтому в

уравнение (32) подставляются значения

и F _р = p dl _р.

Значение коэффициента a _к, найденного из опыта, надо сравнивать с расчетной величиной по уравнению:

критерий Прандтля Pr находится из таблиц [3] в зависимости от температуры.

За определяющую температуру, при которой выбираются значения характеристик среды, принимается средняя температура окружающего воздуха, которая вычисляется по формуле:

Значения коэффициента С и показателя степени п зависят от характера движения воздуха около трубы, который определяется величиной комплекса GrPr (табл. 6).

Зависимость значений коэффициентов С и n от комплекса GrPr

2) Теоретические основы метода определения коэффициента теплоотдачи.

4) Таблица результатов исследования и расчетов.

5) Определение опытного и расчетного значений коэффициента теплоотдачи конвекцией.

1) В чем разница между коэффициентами теплопроводности и тепло-отдачи?

2) Почему интенсивность теплоотдачи зависит от режима движения
жидкости?

3) Какие критерии характеризуют конвективный теплообмен?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ КОНВЕКЦИЕЙ
ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

1) закрепление знаний по разделам «Теория подобия» и «Теплоотдача при свободном движении жидкости»;

2) приобретение навыков экспериментального определения коэффициентов теплоотдачи и составления критериальных уравнений;

3) сравнение процессов теплоотдачи при расположении трубы в горизонтальном и вертикальном положении.

6.1. Теоретические основы метода определения коэффициентов С и п

Для бесконечно длинной цилиндрической трубы в стационарном тепловом режиме при свободной конвекции уравнение теплового баланса имеет вид уравнения (31), где Q – тепло, отданное поверхностью трубы, Вт. Тогда коэффициент теплоотдачи конвекцией, рассчитывается по формуле (32).

При свободном движении воздуха теплообмен может быть вычислен по критериальному уравнению (34).

Для определения коэффициентов С и п прологарифмируем критериальное уравнение (34):

Тогда, если для двух режимов определить критерии Nu, Gr, Pr,

Выражения (32), (39), (40) могут быть приняты за основу определения коэффициента теплоотдачи конвекцией вертикальной трубы при свободном движении воздуха, а также коэффициентов С и п.

Для определения коэффициентов С и n опыт необходимо провести при двух режимах с различной тепловой нагрузкой.

Включение установки производится за 1,0 – 1,5 ч до проведения опыта для получения стационарного режима.

После установления стационарного режима, что определяется постоянством температуры стенки трубы, через 3 – 4 мин производят четыре – пять измерений силы тока, напряжения, температуры стенки трубы, температуры окружающего воздуха (для первого режима).

Результаты измерений записываются в табл. 7.

После проведения опыта задается второй тепловой режим, до установления которого рекомендуется обработать результаты первого опыта.

Результаты измерений и расчета коэффициента теплоотдачи a _к

Коэффициент теплоотдачи вычисляется по уравнению (32). Физические константы, входящие в критерии

рассчитываются при средней температуре пограничного слоя t _m = 0,5(t _пов + t _ср).

Подобные расчеты выполняются для двух режимов, после чего вычисляются коэффициенты С и п.

2) Теоретические основы метода определения коэффициентов С и п.

3) Схема лабораторной установки и ее описание.

4) Таблица с результатами измерений и расчета.

5) Расчет опытного значения коэффициента теплоотдачи конвекцией.

6) Вычисление коэффициентов С и п критериального уравнения.

1) В чем разница свободного конвективного течения жидкости около горизонтальной и вертикальной трубы?

2) Какие факторы влияют на значение коэффициента теплоотдачи в трубных пучках при продольном и поперечном обтекании труб потоком жидкости?

3) Чем объясняется расхождение значений коэффициентов a _к, С и п, полученных в данной работе и в лабораторной работе 5?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ВНУТРИ ТРУБЫ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

1) закрепление знаний по теории конвективного теплообмена;

2) изучение методики экспериментального определения коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воздуху.

7.1. Теоретические основы метода определения
коэффициента теплоотдачи внутри трубы

В случае движения воздуха в трубе процесс теплообмена осуществляется путем теплопроводности и конвекции. Коэффициент теплоотдачи a является основной величиной при расчете различных тепловых устройств (котлов, теплообменников и др.) и зависит от многих факторов: температуры жидкости и стенки, скорости жидкости, ее теплоемкости, коэффициента теплопроводности, плотности, вязкости, формы и размеров теплоотдающей поверхности:

Если нагретая стенка омывается воздухом, то тепло от стенки отводится частицами воздуха при их соприкосновении со стенкой.

Количество тепла, отданного стенкой трубы воздуху, определяется по закону Ньютона-Рихмана по соотношению:

где F – площадь внутренней поверхности трубы, м²;

Количество тепла, воспринятого воздухом, определяется по соотношению:

с _в – объемная теплоемкость воздуха, кДж /(м³×К);

– температура воздуха на входе и выходе, °С.

Решая совместно уравнения (44) и (46), получаем:

Включение установки производится за 1 – 1,5 ч до проведения опыта для получения стационарного теплового режима к моменту измерений.

Измерения температуры стенки трубы, температуры окружающего воздуха производятся в одной и той же последовательности через 3 – 4 мин после
установления стационарного теплового режима. Результаты измерений и значения расчетной величины a записываются в табл. 8.

Результаты измерений и расчета коэффициента теплоотдачи a _к

2) Теоретические основы метода определения коэффициента теплоотдачи внутри трубы.

3) Схема лабораторной установки и ее описание.

4) Таблица с результатами исследований и расчета.

5) расчет коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении воздуха.

1) От каких величин зависит коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости?

2) Какой безразмерный критерий определяет режим движения жидкости?

3) Какие меры применяют по интенсификации теплообмена в пароводяных и газоводяных теплообменных аппаратах?

1. Кириллин В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин. М.: Энергоатомиздат, 1983.

2. Термодинамика и теплопередача / В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006.

3. Ривкин С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара /
С. Л. Ривкин, А. А. Александров. М.: Энергоатомиздат, 2004.

4. Кудинов В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кудинов,
Э. Н. Карташов. М.: Высшая школа, 2002.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л..

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: