ТЕПЛОТЕХНИКА, ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова

ТЕПЛОТЕХНИКА, ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

Методические указания к лабораторным работам

ЧЕБОКСАРЫ 2021

УДК 621. 182: 658. 26 Составители:

Т. В. Щенникова

Н. И. Вальков

Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция: Методические указания к лабораторным работам/Сост. А. С. Мозгова, Т. В. Щенникова, Н. А. Федоров; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2021. с.

Лабораторная работа №1

Исследование работы водоструйного элеватора

Содержание работы

Отопительная система жилых и административных зданий

рассчитана на определенную температуру горячей воды (t_г= 95^оС).

От источника теплоснабжения (районной котельной, ТЭЦ) горячая вода поступает к отапливаемому зданию с более высокой температурой (как правило t₁= 150^оС).

Чтобы на вводе в здание снизить температуру поступающей сетевой воды до t_г= 95^оС, производят подмешивание к сетевой воде более холодную воду, прошедшую через нагревательные приборы здания и возвращающуюся в обратную линию тепловой сети с температурой t_о= 70^оС.

Наиболее распространенным смесительным устройством является водоструйный элеватор (см. рис. 1)

Рис. 1. Схема водоструйного элеватора: 1 – сопло; 2 – камера всасывания; 3 – смесительный корпус; 4 – горловина; 5 – диффузор.

Водоструйный элеватор состоит из конусообразного сопла 1, через которое со значительной скоростью вытекает высокотемпературная вода с температурой t₁ в количестве G₁; камеры всасывания 2, куда поступает охлажденная вода с температурой t_о в количестве G_о; смесительного корпуса 3 и горловины 4, где происходит смешение воды; диффузора 5.

Вокруг струи воды, вытекающей из отверстия сопла, создается зона пониженного давления, благодаря чему охлажденная вода засасывается из обратной магистрали (рис. 2) системы отопления в камеру всасывания 2. В горловине струя смешенной воды, двигаясь с меньшей чем в отверстии сопла, но еще высокой скоростью, обладает значительным запасом кинетической энергии. В диффузоре при постоянном увеличении площади его поперечного сечения кинетическая энергия преобразуется в потенциальную: по его длине гидродинамическое давление падает, а гидростатическое – нарастает. За счет разности гидростатического давления в конце диффузора и в камере всасывания элеватора создается давление для циркуляции воды в системе отопления. Одним из недостатков водоструйного элеватора является его низкий кпд, который зависит от коэффициента смешения. Коэффициентом смешения элеватора U называется отношение расхода инжектируемой воды G_о к расходу инжектирующей (рабочей) воды G₁.

(1)

Коэффициент смешения может быть выражен через температуру воды:

(2)

Схема опытной установки приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Схема опытной установки: 1 термостат, 2 – элеватор; 3 – перемычка; 4 – теплообменник; – теплообменник; электрический нагреватель.

Насос 5 термостата 1 создает циркуляцию в замкнутом контуре системы. Рабочая вода с температурой t₁и расходом G₁ поступает из термостата в сопло элеватора 2. Выходя из сопла, рабочая вода подсасывает по перемычке 3 воду из обратной линии с температурой t_ои расходом G_о в приемную камеру элеватора. Смесь рабочей и инжектируемой воды проходит камеру смешения и диффузор и поступает с параметрами t_ги G_г в теплообменник 4, заменяющий отопительную систему здания. И из теплообменника где вода охлаждается до t_о, часть воды G_о подсасывается в элеватор, а другая часть G_г– G_о = G₁ возвращается в термостат для подогрева.

Для измерения температуры в точках Т₁, Т₂и Т₃ установлены хромель-копелевые термопары. Охлаждающая вода на теплообменник 4 подается из городского водопровода G_х.

Задание

В работе необходимо построить характеристики U=f(Q) и U=f(Q₁).

При выполнении работы необходимо провести серию опытов: а) при неизменном расходе G₁ и переменной тепловой нагрузке Q; б) при переменном расходе первичной воды G₁.

Порядок выполнения работы.

Включив насос термостата и охлаждающую воду на теплообменник, установив 1-й режим работы. Измерения температур можно проводить только для стационарного процесса. Установившимся (стационарным) процессом называется процесс с неизменяющейся во времени температурой. Поэтому в начальный момент, после включения установки, и при смене режимов необходимо следить за температурой и производить измерения лишь тогда, когда во всех точках установится постоянная температура.

Для контроля за работой элеватора на перемычке 3 установлена стеклянная трубка. Разряжение в камере всасывания фиксируется U-образным дифманометром.

Изменяя расход охлаждающей воды, проведем 3-4 опыта, каждый раз измеряя температуры t₁, t_ги t_о и расход воды G₁, кг/с. Расход воды определяется с помощью мерной мензурки и секундомера.

Вторая серия опытов проводится при неизменном расходе охлаждающей воды с изменением расхода G₁. путем перекрытия крана на термостате. Провести 3-4 опыта с измерением прежних параметров.

Обработка результатов.

1. По измеренным температурам t₁, t_ги t_о определим по формуле 2 коэффициент смешения для всех режимов.

2. Определим G_г= (1+U) G₁.

3. Определим потери в теплообменнике:

Q=G_г c(t_г– t_о)

где с – теплоемкость воды при средней ее температуре в теплообменнике, Дж/кг·^оС; ^t_г, ^t_о – температуры на входе и выходе в теплообменнике, ^оС.

4. Построим зависимости U=f(Q) и U=f(G₁).

Список литературы

1. Е. Я. Соколов «Теплофикация и тепловые сети». М., Госэнергоиз-

дат, 1973, гл. 5 §§5-1, 5-3.

2. Е. Я. Соколов Н. М. Зингер, «Струйные аппараты», М., Госэнерго-

издат, 1970, гл. 5.

Вопросы для подготовки к защите

1. В каких случаях применяются смесительные устройства?

2. Какие существуют типы смесительных устройств?

3. Как подсчитать напор перед элеватором, необходимый для

обеспечения расчетного расхода воды в абонентской системе?

4. Как можно искусственно изменить коэффициент инжекции

(смешения) элеватора при его неизменных геометрических

размерах?

5. Изменится ли коэффициент инжекции при изменении

располагаемого перепада давления Δ Р_р в рабочем сопле?

Лабораторная работа №2

Теплотехнические испытания нагревательных приборов

В системах центрального водяного отопления широкое распространение получили нагревательные приборы: секционные чугунные радиаторы, стальные штампованные радиаторы панельного типа, конвекторы, ребристые трубы, гладкие трубы и панели со встроенными нагревателями [1, 2].

Нагревательные приборы предназначены для передачи тепла от теплоносителя (горячая вода) в помещении здания, в которых необходимо обеспечивать температурный режим. Теплопроизводительность нагревательных приборов определяется по формуле 1.

Q =K Δ t F, (1)

где K – коэффициент теплопередачи прибора, ккал/(м²·ч·^оС);

F – поверхность прибора, м²; Δ t – разность между средней температурой теплоносителя в приборе и воздуха в помещении, ^оС.

Одним из главных показателей теплотехнических свойств нагревательных приборов принято считать коэффициент теплопередачи К , то есть среднюю теплопередачу одного квадратного метра поверхности прибора, отнесенную к одному градусу разности средней температуры теплоносителя и воздуха в помещении.

Коэффициент теплопередачи каждого прибора, определяется, наряду с предварительным аналитическим исследованием зависимости процессов внутреннего и внешнего теплообмена, опытным путем. Экспериментальный путь определения К объясняется наличием многих факторов (конструктивные особенности прибора, условия его эксплуатации, способ установки, способ подключения и т. д. ), влияющих на коэффициент прямо или косвенно и затрудняющих точность его определения расчетным путем. При экспериментах в большинстве случаев не проводится разделение теплового потока на части, выражающие передачу тепла конвекцией и радиацией, а также на полезный, используемый для нагрева помещений, и бесполезный, используемый для прогрева наружной стены за прибором. Выявленный коэффициент теплопередачи может определять и такой технико-экономический показатель, как теплонапряженность металла прибора Т_м, то есть часовую теплопередачу прибора, отнесенную к одному килограмму веса металла прибора при перепаде средней температуры теплоносителя и воздуха в помещении в 1^оС.

Теплоотдающая поверхность нагревательных приборов измеряется в квадратных метрах, однако, с целью единого технического и эксплуатационного показателя, в нашей стране в 1957 году введено измерение поверхности всех нагревательных приборов в эквивалентных квадратных метрах [2].

Эквивалентным квадратным метром (экм) называется такая условная площадь теплоотдающей поверхности нагревательного прибора, через которую при подключении прибора сверху вниз и средней температуре теплоносителя в приборе равной, 82, 5 ^оС в воздух с температурой t_в= 16^оС передается тепловой поток, при расходе теплоносителя 17, 4 кг/ч, равный 435 ккал/ч (506 Вт).

В справочной литературе поверхность всех нагревательных приборов указывается в м² и экм.

Цель работы

При выполнении настоящей лабораторной работы нужно определить коэффициент теплопередачи К , теплонапряженность металла Т_м и удельный тепловой поток q_э с 1 экм для нагревательных приборов чугунного радиатора типа М-140 АО и стального штампованного радиатора М3-500-3.

Описание опытной установки

Принципиальная схема лабораторной установки для испытания отопительных приборов приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема установки: 1 – чугунный радиатор; 2 – стальной радиатор; 3 - подающая магистраль (из электронагревателя); 4 –подающая магистраль (из системы отопления); 5 – мерный бак;

6 – водосливная труба (в канализацию); 7 – термометры; 8 – вентили.

Теплоноситель в нагревательные приборы 1 и 2 может поступать из электрического нагревателя 3 или непосредственно из системы отопления лаборатории 4. Для измерения расхода воды установлен мерный 5, в который поступает теплоноситель от обоих приборов. После мерного сосуда вода через водослив 6 поступает в канализацию. Для измерения температуры на входе в приборы и выходах из приборов установлены ртутные термометры 7, которые помещены в специальные гильзы, заполненные минеральным маслом. Температура воздуха в помещении замеряется термометром, установленном на расстоянии 2м от нагревательного прибора и на высоте 1, 5 м от поверхности пола.

Смена экспериментальных режимов осуществляется изменением расхода теплоносителя.

Характеристики испытуемых нагревательных приборов даны в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика прибора	М-140 АО (4 секции)	М3-500-3
Поверхность нагрева, м²/экм	1, 2	1, 2
Поверхность нагрева, м²/экм	1, 4	1, 56
Вес, кг	32, 9	13, 8
Емкость, л	5, 72	5, 0
Полная высота, мм
Монтажная высота, мм

Методика испытания

Расход теплоносителя определяется с помощью мерного бака или мерной мензурки. Измерив секундомером время его наполнения, массовый расход в кг/с можно определить по формуле

(2)

где V – объем бака или сосуда, м³; ρ – плотность воды при температуре на выходе из нагревательного прибора, кг/м³ (таб. 2);

z – время заполнения мерного сосуда, с.

Таблица 2

t, ^оС
ρ, кг/м³	998, 2	995, 7	992, 2	988, 1	983, 1	977, 8	971, 8
С,	0, 999	0, 997	0, 997	0, 997	0, 998	1, 000	1, 002

Определение разницы температур между средней температурой теплоносителя в приборе и воздуха в помещении производится по выражению

(3)

где t_вх, t_вых – соответственно температура теплоносителя на входе и на выходе прибора, ^оС; t_в– температура воздуха ув помещении, ^оС.

Определение количества тепла, отданного теплоносителем, определяется по формуле.

Q=G c(t_вх– t_вых) (4)

где G – массовый расход теплоносителя, кг/ч; с – массовая теплоемкость воды, ккал/(кг ^оС).

Коэффициент теплопередачи прибора определяется из приведенной формулы 1 по выражению

Площадь нагревательного прибора принимается в м² см. таб. 1

Теплонапряженность материала прибора

Т_м= (5)

Здесь m - масса металла, из которого состоит прибор, кг.

Порядок выполнения работы

Перед началом работы следует ознакомиться с методикой испытания нагревательных приборов, конструкцией экспериментальной установки и приборами. Для удобства подводящие трубопроводы окрашены в красный цвет как более нагрева, а отводящие – в голубой.

Внимание! Включение и выключение, а также смена режимов работы установки производится только учебным мастером и преподавателем.

Испытание провести в трех режимах с изменением расхода воды через приборы. Изменение параметров теплоносителя производить при установившемся тепловом режиме, то есть при неизменных температурах горячей и обратной воды.

Результаты измерений и обработки данных заносятся в таблицу 3.

По полученным данным для приборов строится график зависимости К =f(Δ t_ср).

Далее в работе необходимо определить для радиатора

М-140-АО удельный тепловой поток с 1 экм в ккал/(ч·экм):

q_э=

Полученное значение q_э сравнить с имеющимся значением по таблице 4. Для этого необходимо определить Δ t_пр = t_вх– t_вых и разность температур воды на входе в прибор и воздуха в помещении t_вх– t_в.

Сделать выводы по работе.

Приложение

Таблица 3

Таблица 4

	Δ t =t_вх - t_вых, ^оС
t_вх– t_в ^оС
t_вх– t_в ^оС	q_э , ккал/ч·экм

Лабораторная работа №3

Исследование водо-водяной подогревательной установки

Водо-водяные подогревательные установки часто устанавливают на ЦТП и МТП в закрытых системах теплоснабжения. Водо-водяные подогреватели используются для подогорева водопроводной воды, поступающей в установки горячего водоснабжения. В качестве греющей среды используется сетевая вода.

Водо-водяные подогревательные установки применяют также при присоединении отопительных систем к тепловой сети по независимой схеме, когда по условиям рельефа местности или режима работы тепловой сети нельзя передать статическое давление присоединенных зданий на внешнюю тепловую сеть или же когда давление в обратной линии внешней тепловой сети превышает допустимое давление для присоединенных местных отопительных систем.

Абонентские водо-водяные подогреватели выполняются обычно из секционных подогревателей, соединенных последовательно по греющей и нагреваемой воде. Общий вид такой установки показан на рисунке 1.

Рис. 1. Секционный водо-водяной нагреватель.

Здесь греющая вода протекает внутри малых трубок, а нагреваемая вода – в межтрубном пространстве.

В таких установках легко организовать течение греющего и нагреваемого теплоносителей по схеме противотока и получить высокий КПД.

В настоящей работе предлагается провести исследование работы одной секции подобного подогревателя на уменьшенной модели.

Целью работы является знакомство с конструкцией, работой и методикой расчета водо-водяных подогревателей.

Теоретические основы.

Водо-водяные подогреватели представляют собой рекуперативные теплообменные аппараты, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен между жидкостями происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки.

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и проверочными.

Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, и целью расчеты является определение поверхности теплообмена.

Проверочные тепловые расчеты выполняются в том случае, если известна поверхность нагрева аппарата и требуется определить количество передаваемого тепла и конечные температуры рабочих жидкостей.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета. Рассмотрим эти уравнения для рекуперативных теплообменников при стационарном режиме их работы.

Уравнение теплового баланса:

(1)

где Q – тепловая производительность, Вт; G – массовый расход, кг/с; с – массовая теплоемкость, Дж/(кг· ^оС); t – температура во-

ды, ^оС.

Здесь и далее индекс 1 означает, что данная величина отнесена к греющей (горячей) жидкости, а индекс 2 – к нагреваемой (холодной) жидкости. Обозначение (' ) соответствует данной величине на входе в теплообменник, ('' ) – на выходе.

Уравнение теплопередачи чаще служит для определения поверхности теплообмена F и записывается:

Q = KΔ tF (2)

где K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м^{2 о}С); Δ t – средняя разность температур (температурный напор) между греющей и нагреваемой жидкостями, ^оС.

Коэффициент теплопередачи рекомендуется определять из уравнения (3):

(3)

где α ₁ – коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости к стенке;

α ₂– коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости,

Вт/(м^{2 о}С); – толщина стенки, м; λ – коэффициент теплопро-водности материала стенки, Вт/(м^оС).

Основной сложностью при расчете коэффициента теплопередачи является определение коэффициентов теплоотдачи зависящих от большого числа факторов.

Среднюю разность температур Δ t можно определять как среднюю логарифмическую или среднюю арифметическую из крайних разностей температур (Δ t _ви Δ t_м).

Наиболее часто водо-водяные теплообменники встречаются с прямоточной и противоточной схемой движения теплоносителей. Если в аппарате горячий и холодный теплоносители протекают параллельно в одном направлении, то такая система называется прямоточной, если в противоположных направлениях (то есть навстречу) – противоточной.

Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности будет определяться схемой движения и соотношением теплоемкостей массовых расходов теплоносите-лей – С = G c (рис. 2).

Рис. 2. График изменения температуры теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б).

Средняя логарифмическая и средняя арифметическая разности температур для обеих схем определяются:

(4)

(5)

Среднеарифметическую разность температур рекомендуется брать для расчетов, когда Δ t_в/Δ t_м< 2, в других случаях для точных расчетов необходимо брать среднелогарифмическую разность.

Описание опытной установки

Лабораторная установка представляет собой односекционный водо-водяной теплообменник рекуперативного типа, включенный по противоточной схеме движения теплоносителей (рис. 3).

Рис. 3. Схема опытной установки.

Размеры и характеристики модели приведены на стенде.

Горячий теплоноситель движется по 12 медным трубкам, а холодный – по межтрубному пространству. Горячая вода подается из термостата, где она предварительно нагревается до 60-80 ^оС.

Холодная вода берется непосредственно из водопровода или из напорного бака. Для измерения температуры горячей и холодной воды на входе и выходе установлены 4 медь-константановых термопары. Измерение расхода воды производится с помощью мерной мензурки и секундомера.

Порядок проведения опытов и обработки результатов

Для исследования работы теплообменника и дальнейших расчетов необходимо провести 3 – 4 опыта в различных режимах. Устанавливаем сначала максимальный расход холодной воды по перепаду температуры этой воды на входе и на выходе σ t₂~ 5^оС. Расход горячей воды определяется мощностью насоса, установленного в термостате, и на всех режимах останется неизменным. Далее уменьшим расход холодной воды так, чтобы перепад температур был σ t₂~ 10^оС и так далее до σ t₂~ 30^оС.

В каждом режиме измеряем: температуру воды t’₁, t”₁и t’₂, t”₂ и расход воды G₁ и G₂.

По уравнению теплового баланса (1) определим тепловой поток. Далее строим температурный график t = f (F). Для этого достаточно нанести на график начальные и конечные значения температур. Определяем Δ t_б и Δ t_ми находим средний температурный напор по уравнениям (4) или (5). Из уравнения (2) определяем коэффициент теплопередачи K. Опытное значение коэффициента теплопередачи необходимо сравнить с расчетным значением, которое просчитывается для одного из режимов по методике изложенной в литературе. На этом работа считается законченной. В конце необходимо сделать выводы по работе.

Лабораторная работа №4

Тепло-влажностный режим строительных ограждений.

Конденсация влаги в толще ограждений.

Цель работы: Определить распределение влаги и наличии зоны конденсации в толще ограждения при различных вариантах расположения слоя тепловой изоляции, выбрать оптимальный вариант.