Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Применение теплоты в сельском хозяйстве»

скачать Министерство сельского хозяйства Российской Федерации ФГОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия» Механико-технологический институт Кафедра «Энергообеспечение сельского хозяйства» Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Применение теплоты в сельском хозяйстве». Тюмень – 2006 Лящев Е.А. Методические указания для студентов III курса по специальностям «Механизация с/х» 110301, «Электрификация и автоматизация с/х» 110302, «Механизация переработки с/х продукции» 110303. – 2006. – 49 с. Лабораторный курс предназначен для студентов, изучающих основы применения теплоты в сельском хозяйстве. Проводя опыты и расчеты студенты вырабатывают навыки по применению теплогенерирующих установок в сельском хозяйстве. Содержание. Определение коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления твердых материалов. 4 Определение коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции воздуха. 11 Испытание центробежного вентилятора. 16 Испытание электрического калорифера. 20 Испытание одноконтурного холодильного агрегата. 26 Определение степени черноты тела при свободной конвекции воздуха в зоне излучения. 31 Изучение и испытание теплогенератора ТГ-2,5. 38 ^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Определение коэффициента теплопроводности и теплового сопротивления твердых материалов Цель работы - понять физический смысл коэффициента теплопроводности и научиться его определять. Оборудование и приборы: Прибор для определения теплопроводности (бикалориметр) Термометр Кипятильник Секундомер Исследуемые тела Технические весы Штангенциркуль Теоретическая часть Если тело нагрето неравномерно, то происходит перенос количества тепла от более нагретых участков тела к менее нагретым. Когда передача теплоты не сопровождается переносом вещества, процесс носит название теплопроводности. Молекулярно-кинетическая теория объясняет этот процесс следующим образом. Температура - это мера кинетической энергии молекулы, различие температур 2-х участков тела говорит о том, что кинетическая энергия молекул в этих участках различна. Поэтому молекулы соприкасающихся слоев, сталкиваясь, передают свою кинетическую энергию из слоя в слой. Если процесс стационарный и температура меняется от слоя к слою равномерно, то количество теплоты, передаваемое через слой вещества толщиной  за время  выражается зависимостью: ,кКал (1.1) где – разность температур между сечениями A и B; - площадь поперечного сечения; - коэффициент теплопроводности; - величина, представляющая собой изменение температуры на единицу длины в направлении передачи теплоты, и называется градиентом температуры. Если численно положить , , то получаем, что т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящей через единичную площадку, перпендикулярно потоку теплоты за единицу временя при градиенте температуры равном 1 К/м. ^ Рисунок 1 - Работа лабораторной установки. Предполагаемый способ определения коэффициента теплопроводности основан на следующем: если исследуемое тело имеет небольшую высоту и наблюдение за передачей теплоты ведется непродолжитель­ное время, то тепловой поток в направлении, перпендикулярном к основанию тела, можно считать постоянным. Исследуемое тело 5 (рисунок 1), имеющего форму цилиндра большого поперечного сечения F, но небольшую высоту , устанавливается на верхнее основание нижнего стакана прибора 1, через который пропускают водяной пар. В установку входят, кроме собственно прибора А, парообразователь В и холодильник С, предназначенный для сброса отработанного пара. Прибор А состоит из трубы, стенки которой плохо проводит тепло, либо жестяного каркаса с термоизолятором. Внутри корпуса находятся два алюминиевых стакана 1,2. На нижний стакан, через который пропускают пар, одета термоизоляционная шайба 6, куда и насыпается или вставляется образец 5, тепло­проводность которого определяется. Диаметр основания верхнего стакана калориметра 1 (теплоприемника) должен быть равен диаметру нижнего стакана. Таким образом высота и площадь образца определяется высотой и пло­щадью термоизоляционной шайбы. Верхний и нижний стаканы крепятся к корпусу уплотнительными шайбами 3 и 7. В верхний стакан заливается вода 4 и вставляется термометр 14. Парообразователь состоит из термостойкой колбы с водой 9, электрической плитки 10 и термоизолированной трубки 11. Верхний патрубок парообразователя соединяется со штуцером прибора 1. С - стакан для стекания сконденсированного пара через труб­ку 12. При пропускании пара через нижний стакан от парообразователя нижнее основание образца будет иметь температуру пара, т.е. =100 0С. Наблюдение за передачей теплоты ведется непродолжительное время , поэтому средняя температура калориметра и воды может быть принята за температуру верхнего основания образца, т.е. , где и - начальная и конечная температуры воды и калориметра. Количество теплоты, передаваемое телом, будет равно количеству теплоты, которое пошло на нагревание калориметра и воды за определенный промежуток времени. В связи с этим можно записать: , (1.2) где количество теплоты, переданное телом вследствие теплопроводности, - коэффициент теплопроводности, - площадь поверхности, через которую происходит теплообмен - толщина образца; , (1.3) где Q2 - количество теплоты, полученной калориметром и водой. Из равенства и имеем: Последовательность выполнения работы Поставить парообразователь на электрическую плитку и нагреть воду до кипения. Взвешиванием определить массу калориметра (). Вычисляем площадь основания по диаметру (). Наливаем 100 - 150 гр. воды (). На верхнее основание нижнего стакана в термоизоляционную шайбу укладываем образец (высота его  предварительно определяется. Вставляем верхний стакан с водой на образец. После пропускании пара через нижний стакан, когда температу­ра воды повысится на 1°- 2°С, начать отсчет времени, а отмеченную температуру считать начальной температурой () воды и калориметра. Когда температура воды () повысится на 4-6°, заметить время и прекратить пропускание пара. В течение опыта необходимо все время помешивать воду в калориметре. Необходимо четко разграничить величины, характеризующие процесс теплопроводности и величины, определяющие количество переданной теплоты через образец. Величины, характеризующие процесс теплопроводности Величины, определяющие количество переданной теплоты - толщина образца, - площадь основания - температура нижнего основания образца - температура верхнего основания образца - время опыта - коэффициент теплопроводности - количество теплоты, переданное телом вследствие теплопроводности - площадь образца - масса калориметра - удельная теплоёмкость материала калориметра - масса воды - удельная теплоёмкость воды - начальная температура воды в калориметре - конечная температура воды в калориметре - количество полученной теплоты Данные опыта заносим в журнал по форме: (для тpex образцов) ^ Журнал испытаний теплопроводности и теплового сопротивления твердых материалов. № опыта m1, кг m2, кг , 0С , 0С , с F, м2 С1 С2 , м , 1 2 3 ^ Обработка результатов Проводим вычисление и её размерности в выбранной системе единиц. Вычисляем погрешность опыта для первого из образцов. Относительная погрешность по определению равна С другой стороны или , отсюда следует, что относительную погрешность можно найти путем логарифмирования исходного выражения и последующего дифференцирования с заменой значков дифференциала значками ошибки и выбором значков таким образом, чтобы абсолютная величина получаемой относительной ошибки была максимальной. Логарифмируя и дифференцируя выражение получаем выражение для относительной ошибки: , (1.4) получаем выражение для относительной ошибки: Абсолютную ошибку измерения находят и записывают окончательный результат: , %. По известному значению коэффициента теплопроводности () определяем значение термического сопротивления материала из выражения: , (1.5) Строят график распределения температуры в образце, т.е. (рисунок 2) Рисунок 2. График распределения температуры в образце. Контрольные вопросы: Способы распространения теплоты в пространстве. Теплопроводность. Основной закон теплопроводности. Теплопроводность плоской стенки. Теплопроводность цилиндрической стенки. Теплопроводность шаровой стенки. Контактное термическое сопротивление. Теплопроводность плоской стенки и круглого стержня с внутренним источником теплоты. ^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 Определение коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции воздуха Цель работы - изучить физическую сущность конвективного теплообмена путем экспериментального определе­ния коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы к свободному потоку воздуха. Задачи: изучить установку и собрать электрическую схему; ознакомиться с методикой выполнения лабораторной работы; провести испытания на напряжении 200-220 В; обработать экспериментальный материал и определить значе­ние коэффициента теплоотдачи для горизонтальной трубы при свободной конвенции воздуха; представить результаты эксперимента в виде графической зависимости где -угол. установки термопары. Описание лабораторной установки Установка (рис. З) состоит из горизонтальной стальной трубы и длиной . На поверхности трубы по винтовой линии через каждые 60 градусов зачеканено шесть хром-аллюминиевых термопар. Внутри трубы смонтирован трубчатый электронагреватель (ТЭН) с мощностью 800 Вт. Промежуточное значение мощности ТЭНа устанавливается с помощью автотрансформатора типа ЛАТР изменяющего подаваемое на ТЭН напряжение. Общее количество тепла, выделяемое нагревателем при прохождении по нему тока, отдается с боковой поверхности и торцов трубы конвекцией и лучеиспусканием, причем торцы трубы для уменьшения теплопотерь изолированы. Для уменьшения влияния теплопотерь с торцов трубы на результаты опыта крайние термопары установлены на расстоянии пяти наружных диаметров трубы от ее торцов. В этом случае ^ Рисунок 3. Схема лабораторной установки можно считать, что тепло, выделяемое нагревателем, рассеивается только боковой поверхностью рабочего участка трубы, длина которого определяется из выражения . Уравнение теплового баланса рабочего участка в установленном тепловом режиме имеет вид: ВТ (1.2) В этом выражении – тепло, выделяемое участком нагревателя в рабочей части трубы, Вт; - количество тепла, рассеиваемое соответственно конвекцией и лучеиспусканием, Вт; – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2 К; - поверхность рабочего участка трубы, м2; – температура стенки трубы, усредненная, К; – температура окружающей среды, К; - коэффициент излучения, Вт/(м2 К). Учитывая, что поверхность окружающих тел бесконечно величина по отношению к поверхности трубы, коэффициент излучения С можно применять равным коэффициенту излучения трубы (для стали = 3,5 Bт/(м2 К). За расчетную температуру поверхности трубы принимают среднюю арифметическую температуру, поскольку каждая из термопар дает локальную температуру, зависящую от характера движения воздуха около соответствующего участка трубы. , К (2.2) Количество тепла, выделяемого на рабочем участке нагревателя, имеющего строго линейное по длине сопротивление. , Вт (3.2) Скачать 0,64 Mb. оставить комментарий страница 1/4 Дата 28.09.2011 Размер 0,64 Mb. Тип Методические указания, Образовательные материалы