Общие положения по выполнению лабораторных работ
Цель лабораторных работ:
1) закрепить и углубить знания, полученные на лекциях и самостоятельных занятиях по взаимному превращению теплоты и работы, свойствам тел, участвующих в этих превращениях и используемых в тепловых машинах различного назначения;
2) приобрести навыки лабораторного эксперимента и использования измерительной аппаратуры;
3) научиться делать выводы и обобщения, составлять отчеты по результатам работы.
Непосредственно перед началом выполнения работы студенты обязаны пройти инструктаж по технике безопасности.
Перед выполнением каждой лабораторной работы студент обязан знать соответствующий теоретический материал.
Лабораторная работа выполняется бригадой из четырех-пяти человек.
После выполнения работы студенты составляют отчет о проделанной работе и защищают его у преподавателя (в этот же день).
Техника безопасности при выполнении работ
Включение лабораторных стендов допускается только с разрешения преподавателя.
Присутствие у лабораторного стенда разрешается только членам бригады, выполняющим данную лабораторную работу.
К выполнению лабораторной работы допускаются лица, ознакомившиеся:
· с устройством лабораторного стенда;
· с возможными травмирующими факторами (производственными опасностями);
· с последствиями от поражения электрическим током.
Категорически запрещается выполнять в лаборатории действия, которые могут повлечь за собой несчастный случай.
При поражении электрическим током необходимо:
· вызвать к пострадавшему «скорую помощь» и поставить в известность преподавателя;
· по возможности отключить электропитание установки;
· освободить пострадавшего от действия электрического тока (откинуть сухим не токопроводящим предметом электрический провод, оттащить пострадавшего за сухую одежду от электрического провода);
· при необходимости сделать искусственное дыхание (непрямой массаж сердца плюс искусственное дыхание изо рта в рот).
О любой неисправности установки или прибора, а также при возникновении несчастного случая следует немедленно поставить в известность преподавателя.
По окончании работы необходимо:
· выключить установку;
· сдать преподавателю все используемые приборы;
· привести рабочее место в порядок.
Покидать лабораторию без разрешения преподавателя запрещается. Лица, виновные в нарушении техники безопасности, несут ответственность в установленном порядке.
Оформление отчета о лабораторной работе
отчет о лабораторной работе оформляется на стандартных листах бумаги формата А 4 (или в тетрадях).
Отчет должен в краткой форме раскрывать суть работы, и содержать эскизы, диаграммы, схемы, уравнения. Письменный отчет должен быть грамотно оформлен в соответствии с установленными правилами.
Лабораторная работа № 10
Коэффициент теплопередачи отопительного прибора
Цель работы – определить экспериментально коэффициент теплопередачи отопительного прибора Кпр, Вт/(м2·град).
Общетеоретические сведения
Теплопередача или теплообмен – это необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неравномерным распределением температуры. Он происходит вследствие обмена внутренней энергией между отдельными элементами, областями рассматриваемой среды, в ходе, которого теплота переходит из более нагретых мест в места менее нагретые.
Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Разделение общего процесса распространения теплоты на элементарные явления – теплопроводности, конвекции, теплового излучения производится из методологических соображений. в реальных условиях эти явления протекают одновременно и, конечно влияют друг на друга и в расчетах разделение сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат одновременного действия отдельных элементарных явлений приписывается одному из них, которое считается главным. Влияние же остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на величине количественной характеристики основного явления.
Теплопередача – это процесс теплообмена между двумя движущимися средами через разделяющую их стенку или через поверхность физического раздела между ними. Посредством теплопередачи осуществляется теплообмен:
· через ограждающие конструкции помещений;
· в котлах; печах; сушильных и пропарочных камерах; в различных теплообменных аппаратах;
· при определении потерь теплоты от источника выработки теплоты к потребителям и пр.
основные задачи расчета теплопередачи:
· определение количество теплоты, которое передается в единицу времени между теплоносителями (тепловой поток) через некоторую произвольную поверхность теплообмена разделяющих их – прямая задача;
· определение требуемой поверхности теплообмена между теплоносителями (от горячего к холодному) для передачи заданного теплового потока – обратная задача.
Попутно с основными задачами расчета теплопередачи при конструировании ограждений, разделяющих горячую и холодную жидкость (стенки печей, барабанов и кипятильных труб котлов) рассчитываются температуры на поверхности каждого слоя ограждения из условия максимально допустимой температуры материала ограждения.
Количественной характеристикой сложного процесса теплопередачи является коэффициент теплопередачи К, численно равныйколичеству теплоты, переданной в единицу времени от одной жидкости другой при разности температур между ними в 1 градус. Количество теплоты может быть отнесено к единице длины, единице поверхности или единице объема. При этом единица измерения коэффициента теплопередачи соответственно будет – Вт/(м·К); Вт/(м2·К); Вт/(м3·К). Взаимная связь между коэффициентами теплопередачи, с одной стороны, и коэффициентами теплопроводности и теплоотдачи, с другой стороны, зависит от формы стенки, отделяющей горячую жидкость от холодной.
Теплопередача через плоскую стенку. теплота передается от горячей жидкости с температурой 
°С, к холодной жидкости с температурой 
°С, через плоскую однородную стенку толщиной δ, м, с коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м·град). толщина стенки значительно меньше линейных размеров площади ее поверхности F, м2, что дает возможность пренебречь потерями теплоты с торцов стенки. значения коэффициента теплоотдачи, определяя условия движения жидкостей, считаем известными и соответственно равными на горячей поверхности α1, Вт/(м2·град), и холодной – α2, Вт/(м2·град). температуры поверхностей t1 и t2 неизвестны. (рисунок 1а).
Рисунок 3 – теплоотдача между двумя жидкостями через плоскую стенку (а)
и графический способ определения ее температурного поля (б)
требуется определить плотность теплового потока (удельный тепловой поток) q, Вт/м2, проходящего через стенку, и распределение температур в толщине стенки.
Весь удельный тепловой поток, передаваемый горячей жидкостью стенке, проходит через нее и поглощается холодной средой.
считаем, что процесс теплопередачи стационарный (установившийся), то есть тепловой поток, передаваемый через стенку, постоянный.
согласно условию стационарности процесса имеем:
q = q1 = q2 = q3. (1)
(2)
из равенств (1) и (2) определим разность температур и суммируя их получим:
(3)
(4)
откуда 
(5)
а тепловой поток 
(6)
(7)
(8)
где Ro – сопротивление теплопередачи стенки, (м2·град)/Вт;
R1 – сопротивление теплоотдачи от горячей жидкости к стенке, (м2·град)/Вт;
Rт – термическое сопротивление стенки, (м2·град)/Вт;
R2 – сопротивление теплоотдачи от стенки к холодной жидкости, (м2·град)/Вт.
К – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град), величина обратная сопротивлению теплопередачи Rо.
Для плоской стенки, состоящей из нескольких слоев толщиной δ1, δ2…δn c соответствующими коэффициентами теплопроводности λ1, λ2…λn, сопротивление и коэффициент теплопередачи такой стенки:
(9)
(10)
Из формулы (10) видно, что величина К всегда меньше каждой из величин α1 и α2, и если термическое сопротивление слоев стенок малы по сравнению с 
и 
тогда
(11)
Полученное равенство (11) показывает, что наибольшее влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает тот коэффициент теплоотдачи, который значительно меньше другого, например, при α1 << α2, К ≈ α1.
Чтобы найти температуры t1 и t2 на поверхности стенки, достаточно значение плотности теплового потока по формуле (2) подставить в равенство (3), тогда
(12)
Эти температуры можно определить графическим способом, который основан на замене термического сопротивления теплоотдачи жидкостей термическим сопротивлением условной стенки с тем же коэффициентом теплопроводности λ, что и реальная стенка. Если продолжить прямую линию распределения температур в обе стороны до пересечения с изотермами 
в точках Q1 и Q2 (рисунок 1а), то из треугольника АО1В получим 
а из треугольника ВСD – 
сопоставление этих равенств даст 
с другой стороны
Аналогично можно показать, что 
положение точек Q1 и Q2 определяется только интенсивностью на поверхности стенки α и коэффициентом теплопроводности стенки λ, и эти точки называются определяющими точками. Если через точки Q1 и Q2 провести вертикальные прямые линии, получится стенка, состоящая из трех слоев толщиной 
если считать коэффициенты теплопроводности этих слоев одинаковыми, то получим суммарное термическое сопротивление рассматриваемой трехслойной стенки равным 
то есть одинаковым с термическим сопротивлением теплопередачи однослойной стенки. это значит, что искусственно образованная трехслойная стенка передает путем теплопроводности столько же теплоты, сколько, его проходит в процессе теплопередачи через стенку толщиной δ, разделяющей горячую и холодную жидкость. Следовательно, физический смысл отрезков, измеряющих расстояние от определяющих точек по поверхности стенки (АО1 и ЕО2), состоит в том, длина их определяет толщину фиктивного слоя, создающего термическое сопротивление равное термическому сопротивлению теплоотдачи. Величина обратная толщине фиктивного слоя 
называется однослойным коэффициентом теплоотдачи иимеет большое значение при решении задач нестационарной теплопередачи.
На основании вышеизложенного получим простой графический метод определения температурного поля стенки:
· на оси абсцисс в координатах х-t отложить в масштабе толщину стенки, и по обе стороны от нее в том же масштабе – отрезки 
;
· на оси ординат отложить температуры 
и 
(см. точки F и Q1 на рисунке 1а);
· точки пересечения прямой Q1 и Q2 с перпендикулярами восстановленными из концов отрезка δ (из точек В1 и D1), определяют температуры на обеих поверхностях стенки.
для графического метода определения температур поверхностей многослойных стенок удобнее применять способ, который можно уяснить из рисунка 1б:
· по оси абсцисс в одном масштабе отложить последовательно все термические сопротивления;
· на крайних ординатах от произвольного нуля отложить температуры ;
· соединить полученные точки прямой линией GК;
· на пересечении этой линии с остальными ординатами получим все промежуточные температуры на поверхностях слоев стенки – t1, t2, t3 и т.д.
этот метод следует из рассмотрения подобия треугольников, например, GPL и GHК:
откуда 
следовательно, отрезок 
или 
Аналогично из подобия треугольников GP1L1 и GHК можно доказать, что отрезок 
и т.д.
Теплопередача через цилиндрическую стенку. Для однородной цилиндрической стенки (трубы) с внутренним диаметром d1, внешним d2 и длиной трубы ℓ при установившемся тепловом режиме можно записать:
· от одной среды к поверхности стенки:
q ℓ = 
a1pd1(t1 – tст.1); (13)
· теплоотдача теплопроводностью внутри плоской стенки
; (14)
· от разделяющей поверхности к другой среде:
q ℓ = a2pd2(t1 – tст.1). (15)
Сложив почленно уравнения (13), (14), (15) и, выразив относительно величины qℓ, получим уравнения теплопередачи через разделяющую стенку
(16)
; 
, (17)
q ℓ = к(t1 – t2). (18)
из уравнений (16), (17), (18) можно определить температурные напоры:
(t1 – tст.1) = 
, (19)
(tст.1 – t2) = 
, (20)
(tст.2 – t2) = 
, (21)
Из уравнений (19), (20), (21), (16) выразив их относительно температур, получим уравнения для определения температур на поверхностях стенки и в рассматриваемом сечении ограждения х:
(22)
, (23)
. (24)
где Rx – сопротивление теплопередачи от внутренней поверхности плоской стенки до рассматриваемого сечения x, (м2∙°С)/Вт
Теплопередача через ребристую стенку. При теплопередаче через плоскую стенку термические сопротивления теплоотдачи определяются значениями α1 и α2, и равно 
при теплопередаче через цилиндрическую стенку термические сопротивления теплоотдачи определяются не только коэффициентами α1 и α2, но и значениями диаметров d и равны 
Рассмотрим плоскую стенку толщиной δ, коэффициент теплопроводности которой равен λ. Одна сторона этой стенки снабжена ребрами из этого же материала, рисунок 4. с гладкой стороны поверхность равна F1, а с оребренной – F2. температура горячей жидкости, омывающей гладкую сторону, равна tf,1, и температура холодной жидкости, омывающей оребренную сторону, равна tf,2, соответственно температуры поверхностей равны tw.1 и tw.2, коэффициенты теплоотдачи равны α1 и α2, причем α1 на много меньше α2.
При установившемся тепловом состоянии системы тепловой поток Q, Вт,
(25)
Температурные напоры ∆t, °С:
(26)
Складывая уравнения системы (26), получим полный тепловой напор, °С:
(27)
Из уравнения (27) определяется значение теплового потока Q,Вт,
(28)
откуда коэффициент теплоотдачи, Вт/К: 
(29)
Если расчет вести для единицы гладкой поверхности, то получим:
(30)
(31)
Если же расчет вести для единицы ребристой поверхности, расчетные уравнения примут вид:
(32)
(33)
Отношение оребренной поверхности F2 к гладкой F1 (F2/F1) называется коэффициентом оребрения.
При выводе уравнений принято допущение, что температура tw,2 постоянна по всей поверхности. В действительности температура ребра у вершины ниже, чем у основания, а вследствие сложности конфигурации поверхности теплоотдача отдельных элементов различна. Правильное соотношение коэффициента теплопередачи может быть установлено только экспериментально.
Область применения ребристых поверхностей в технике весьма широка. В основном они применяются для выравнивания термических сопротивлений теплоотдачи, то есть в таких случаях, когда с одной стороны поверхности нагрева наблюдаются большие значения коэффициента теплоотдачи, а с другой – малые. Именно такие условия теплоотдачи существуют в отопительных приборах. коэффициент конвективного переноса в слое воздуха значительно меньше, чем в слое воды или пара, поэтому сопротивление внешнему теплообмену Rн у стенки отопительного прибора сравнительно велико. Поэтому для увеличения теплового потока необходимо развивать площадь внешней поверхности прибора, где это выполняется созданием специальных выступов, приливов, оребрения.
Коэффициент теплопередачи отопительных приборов. Теплотаоттеплоносителя (воды или пара) передается в помещение через стенку отопительного прибора. Отопительный прибор – рекуперативный теплообменный аппарат, при помощи которого происходит передача тепловой энергии от горячего теплоносителя воздуху отапливаемого помещения, то есть осуществляется процесс теплообмена.
Интенсивность теплопередачи отопительного прибора характеризуется коэффициентом теплопередачи.
Процесс теплопередачи отопительного прибора – сложный процесс, в котором происходит:
· перенос теплоты от теплоносителя к внутренней стенке прибора осуществляется в основном конвекцией;
· перенос теплоты через стенку прибора – только теплопроводностью;
· перенос теплоты от внешней поверхности прибора воздуху помещения – в основном конвекцией и тепловым излучением.
Коэффициент теплопередачи отопительного прибора зависит от многих факторов (основных и дополнительных), которые влияют на него непосредственно или косвенно.
Основные факторы:
1) вид и конструктивные особенности прибора;
2) температурный напор ∆t при эксплуатации прибора.
При одних и тех же температурных условиях Кпр для гладкотрубных приборов сравнительно высокое, для секционных радиаторов – среднее, для конвекторов и ребристых труб – низкое.
Температурный напор ∆t = tт – tвозд, (34)
где tт, tвозд – температура соответственно теплоносителя (воды или пара) и воздуха помещения, °С.
более высокому температурному напору ∆t соответствует и более высокое значение коэффициента теплопередачи Кпр.
Для пара ∆t = tнас – tвозд, (35)
для воды ∆t = 0,5(tвх + tвых) – tвозд, (36)
где tнас – температура насыщенного пара при рнас, °С;
tвх, tвых – температура воды входящая в прибор и выходящая из прибора, °С.
дополнительные факторы:
1) расход теплоносителя кг/с;
2) скорость движения воды в приборе ω, м/с, и режим течения;
3) скорость движения воздуха v, м/с, у внешней поверхности прибора;
4) другие факторы: конструкция ограждения и место положения прибора; подвод теплоносителя к прибору (сверху или снизу); окраска прибора; качество обработки внешней поверхности; загрязненность внутренней поверхности; наличие воздуха и пр.
расход горячей воды, поступающей в прибор Gпр, кг/с,
(37)
где ср – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении, Дж/(кг·град), ср ≈ 4190.
расход пара, поступающего в прибор Dпр, кг/с, когда передача теплоты происходит при фазовом превращении (конденсации) пара в воду без изменения температуры:
(38)
где r – теплота фазового превращения, Дж/кг.