Лабораторная работа №5. Теоретическая часть.

Лабораторная работа №5

Определение степени изменения теплоотдачи отопительного прибора при переходе в нерасчётный режим.

Цель работы. Определение теплоотдачи прибора при изменённых параметрах теплоносителя.

Теоретическая часть.

Поддержание внутренней температуры воздуха в помещении на расчётном уровне в течении всего отопительного сезона обеспечивается при выполнении условия:

(1)

где - текущая теплоотдача элементов системы отопления в помещение.

Изменение теплоотдачи элементов постоянно действующей системы отопления обеспечивают, прежде всего, путём централизованного изменения параметров теплоносителя (температуры, расхода). Реже это достигают при прерывистом отоплении, при переходе к применению другой отопительной установки (дежурное отопление) или за счёт изменения интенсивности теплоотдачи отопительных приборов (например, при использовании воздушного клапана в конвекторе с кожухом). Иногда используют несколько факторов, вызывающих изменения теплоподачи в помещения.

Регулирование разветвлённой системы отопления должно сопровождаться равномерным изменением теплоотдачи всех элементов системы. Такое свойство системы пропорционально изменять теплоотдачу элементов при изменении какого либо параметра или их сочетания называют тепловой устойчивостью системы отопления.

Часто тепловую устойчивость связывают с гидравлической устойчивостью - свойством пропорционально изменять расход теплоносителя во всех элементах системы отопления при централизованном изменении его количества. Полной взаимосвязи во всех системах отопления между гидравлической и тепловой устойчивостью не наблюдается. Связано это с непостоянством коэффициента теплопередачи нагревательных элементов системы при изменении в ней температуры и расхода теплоносителя.

Рассмотрим переменный тепловой режим элемента системы на примере участка системы водяного отопления. Теплоотдача участка системы сопровождается изменением температуры воды на выходе из элемента t₀ при известных значениях температуры воды на входе и расход воды G по известному выражению:

(2)

Где с - удельная массовая теплоёмкость воды. - Температура t₀ может быть определена с использованием так называемой тепловой характеристики элемента Т*. Тепловая характеристика предложена при решении дифференциального уравнения теплопередачи при движении нагретой жидкости через участок системы отопления:

(3)

где

- средняя разность температуры, °С; G - расход воды, кг/с; m, n, p - показатели (из справочной литературы).

После преобразований получим выражение для вычисления текущей средней разности теплоносителя и окружающего элемента воздуха:

(4)

а также тепловой характеристики элемента Т, определяющей процесс теплопередачи элемента системы отопления:

(5)

Уравнения (4) и (5) совместно приводят к -формуле для определения температуры на выходе из теплоотдающего элемента системы при расходе воды, равном расчетному:

(6)

Переменный тепловой режим работы системы водяного отопления характеризуется также возможным изменением расхода теплоносителя G. Изменение расхода может происходить вследствие количественного регулирования или воздействия естественного циркуляционного давления. В этом случае значение тепловой характеристики элемента Т уточняют по формуле.

(7)

где Т' - тепловая характеристика элемента, полученная при подстановке в формулу (5) расчетных температурных параметров.

Задание по выполнению работы.

1. Ознакомиться с теорией.

2. Вычислить степень уменьшения теплоотдачи отопительного прибора в системе водяного отопления при сокращении расхода воды в нем от G'=350 до G= 300 кг/ч и понижении температуры на входе в прибор = 105°С до t_г=80°С, если задана t_в= t_в' =18°C;

t_о'=103 °C. (n=0, 35; p=0, 07)

Лабораторная работа №6

Выбор покровного слоя отопительной панели

Цель работы

Изучить влияние толщины цилиндрического слоя бетона, нанесенного на трубопровод на величину теплового потока, передаваемого от горячей воды в трубопроводе к окружающему воздуху.

Теоретические основы

Отопительная панель представляет собой, как правило, змеевик из стальных труб, заделанный в тонкую бетонную плиту.

Максимальный тепловой поток от такого прибора можно получить только при правильном выборе толщины слоя, нанесенного на трубу.

Количество теплоты, передаваемой от горячей волны через стенку к воздуху в отопительных приборах определяется с помощью основного уравнения теплопередачи:

, Вт, (1)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м² ·º С; F – поверхность теплообмена, м²; t₁, t₂ - температура воды внутри прибора и окружающего воздуха; R_о – фактическое сопротивление теплопередачи, м² ·º С.

Сопротивление теплопередачи стенки, покрытой дополнительным слоем равно:

, (2)

где R_в, R_н – сопротивление внутренней и наружной теплопередачи; R_ст, R_сл – термическое сопротивление стенки и слоя.

Для плоской стенки дополнительный слой, нанесенный на ее поверхность, всегда повышает суммарное сопротивление и снижает количество теплоты, передаваемой через такую стенку

(см. формулу (1) ).

Сопротивление теплопередачи плоской стенки:

R₁ +R_ст+ R_сл+R₂ = (3)

Сопротивление теплопередачи цилиндрической стенки:

R₁ +R_ст+ R_сл+R₂ = = , (4)

где α ₁– коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя к внутренней поверхности стенки; α ₂– коэффициент теплопередачи от поверхности слоя к холодному теплоносителю.

При увеличении диаметра слоя на цилиндрической стенке сопротивление теплопроводности R_сл растет, т. к. увеличивается толщина слоя, а сопротивление теплоотдачи R₂ падает, т. к. увеличивается наружная поверхность, растут потери за счет теплоотдачи с поверхности.

При двух противодействующих факторах суммарное сопротивление цилиндрической стенки при определенном диаметре, называемом критическим принимает минимальное значение (см. рис. 1)

Рис. 1 Зависимость сопротивлений от диаметра изоляции.

Минимальному сопротивлению изоляции соответствует максимальные потери теплопроводом (см. рис. 2)

Рис. 2. Зависимость удельных потерь тепла от диаметра покровного слоя.

Критический диаметр определяется по формуле:

(5)

Из условия d₂≤ d_кр выбирается материал слоя.

Рис. 3. Схема испытательного стенда.

На стенде расположен горизонтальный теплопровод 1 с диаметром d₁, покрытый слоем бетона, имеющий внутренний и наружный диаметры d₂ и d_сл соответственно. К наружной поверхности теплоизолированного трубопровода 2 прикреплен датчик 3 измерителя теплового потока 4. В качестве измерителя теплового в диапазоне тепловых потоков до 1000 Вт/м² применяется прибор ИТП-12

Прибор состоит из преобразователя теплового потока (тепломера) и электронного устройства преобразования и измерения сигналов. Тепломер выполнен по методу вспомогательной стенки, в качестве которой используются гальванические термоэлементы, расположенные параллельно по тепловому потоку и соединенные последовательно по электрическому сигналу. Отсчет показаний производится в единицах плотности теплового потока (Вт/м² ). Термопары 5, 8 и потенциометр 6 служат для измерения температуры поверхностей бетонного слоя.

Задания к лабораторной работе

1. Снять показания термопар 5 и 8 и тепломера 6. Записать данные установки (d₂, d_сл ) и показания приборов в табл. 1.

2. Определить теплопроводность бетона λ _сл, исходя из уравнения теплопроводности цилиндрической стенки.

(6)

Результат записать в табл. 1.

3. Определить коэффициент теплоотдачи от поверхности бетона к окружающей среде, используя потенциальное уравнение теплоотдачи:

(7)

где ; λ _ж = λ _воз при t_ср

Gr=β g ; ; t_воз = 20 º С; Δ t = t₅- t_воз

, g = 9, 81 м/с²

4. Определить критический диаметр для бетонного слоя с λ _сл по уравнению 5. Результаты занести в табл. 2.

5. Проанализировать результаты. Являются ли материалы слоя и его диаметр оптимальными для данной обетонированной трубы как для отопительного прибора?

6. Произвести, если это необходимо, выбор более оптимального покровного слоя

Таблица 1

Величина	d₂	d_сл	Q	t₅	t₄	λ
№ опыта	м	м	Вт	º С	º С	Вт/м² ·º С

Определение теплоотдачи бетонного слоя и критического диаметра слоя

Таблица 2

t₄	t_в	Δ t=t₅-t₆	Gr	Pr	Nu	α	d_кр
^oC	^oC	^oC				Вт/м^2оС	м

Варианты заданий

1. l =1, 006 м, d₂ = 0, 02 м, d_сл =0, 18 м, t₄ =79, 1^оС, t₅=67, 7^оС,

Q = 27, 0896 Вт

Рассчитайте коэффициент теплопроводности покровного слоя по формуле 6 из методического пособия.

2. l = 0, 809 м, d₂ = 0, 01 м, d_сл = 0. 12 м, t₄ = 81, 9^оС, t₅=70, 9^оС,

Q = 22, 3203 Вт

Рассчитайте коэффициент теплопроводности покровного слоя по формуле 6 из методического пособия.

3. l = 1, 012 м, d₂ = 0, 01 м, d_сл = 0, 15 м, t₄ = 74. 4^оС, t₅= 64, 2^оС,

Q = 26, 0803 Вт

Рассчитайте коэффициент теплопроводности покровного слоя по формуле 6 из методического пособия.

4. l = 1, 146 м, d₂ = 0, 02 м, d_сл = 0, 2 м, t₄ = 72, 7^оС, t₅= 64^оС,

Q = 41, 3662 Вт

Рассчитайте коэффициент теплопроводности покровного слоя по формуле 6 из методического пособия.

Приложение

Физические параметры для сухого воздуха при давлении 101325 Н/м²

Таблица 3

Т, К	λ, Вт/(м·^оС) × 10^-2	ν, м²/с × 10⁶	Pr
	2, 361 2, 442 2, 512 2, 593 2, 675 2, 765 2, 826 2, 896 2, 960 3, 050 3, 130	12, 46 13, 28 14, 16 15, 06 16, 00 16, 96 17, 95 18, 87 20, 02 21, 09 22, 10	0, 712 0, 707 0, 705 0, 703 0, 701 0, 699 0, 698 0, 996 0, 694 0, 992 0, 690

Лабораторная работа №7

Исследование процессов во влажном воздухе

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение свойств влажного воздуха и определение влажности воздуха, а также определение температуры «точки росы».

Для подготовки к работе необходимо изучить соответствующие разделы следующих литературных источников:

1. Тихомиров К. В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция, 1974. §19.

2. Гусев В. Н. Теплоснабжение и вентиляция, 1975, §30.

Теоретические основы.

Температура и связанная с ней влажность воздуха помещений, а также температура внутренней поверхности наружных ограждений имеет большое санитарно-гигиеническое значение.

Для обеспечения нормальной терморегуляции человек должен отдавать тепло в окружающую среду. Тепло, отдаваемое телом человека, передается в окружающую среду: теплопроводностью, конвекцией, мочеиспусканием и через испарение влаги с поверхности тела. Любой из способов связан с температурой и влажностью окружающего воздуха. А температура на внутренних поверхностях ограждений должна обеспечивать невыпадение конденсата (росы) на поверхностях. Таким образом, для удовлетворения санитарно-гигиенических требований необходимо обеспечить температурный и влажностный режим бытовых и общественных помещений согласно нормативных требований при проектировании систем отопления, вентиляции и установок кондиционирования воздуха.

Рассмотрим свойства воздуха.

Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары могут находится в воздухе как в перегретом, так и в насыщенном состоянии. Сухая часть воздуха обычно содержит 78% азота (по объему), около 21% кислорода и небольшое количество других газов. Содержание водяных паров в атмосферном воздухе определяется в основном его температурой. В большинстве случаев водяной пар в воздухе находится в перегретом состоянии, и такая пароводяная смесь может быть отнесена к идеальным газам подчиняющихся закону Дальтона: давление влажного воздуха (барометрическое давление для нашего случая) равно сумме парциальнах давлений сухого воздуха и пара.

Р_б = Р_{с.. в} + Р_п

Если температура влажного воздуха t больше температуры насыщенного воздуха t_S, соответствующей парциальному давления пара, то пар в таком воздухе не насыщает пространство и является перегретым, такая смесь сухого воздуха с перегретым паром называется насыщенным воздухом. Если понижать температуру насыщенного воздуха, то может наступить такой момент, когда температура пара t_п, равная температуре влажного воздуха t окажется равной также и температуре насыщения t_п= t = t_S, а Р_п = Р_S. В этом случае пар во влажном воздухе оказывается сухим насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха пар начинает конденсироваться, т. е будет наблюдаться образование тумана (выпадения росы).

Температура, равная температуре насыщения при парциальном давлении пара во влажном воздухе, называется температурой точки росы.

Основными характеристиками влажного воздуха являются следующие:

1. Относительная влажность воздуха φ, которая определяет степень насыщения воздуха водяным паром:

φ = (2)

- плотность пара соответственно ненасыщенного и насыщенного воздуха при одной и той же температуре.

P_п, P_S - парциальные давления пара в ненасыщенном и насыщенном воздухе при одной и той же температуре.

Для насыщенного воздуха φ = 1 и 100%, а для ненасыщенного влажного воздуха φ < 1.

Относительную влажность определяют с помощью прибора, называемого психрометром. Психрометр состоит из двух термометров, один из которых обернут батистовой тканью для постоянного смачивания резервуара термометра водой. С поверхности резервуара термометра постоянно происходит испарение влаги. Интенсивность испарения зависит от влажности и температуры окружающего воздуха: чем меньше насыщен влагой воздух, тем интенсивнее испарение «мокрого» термометра и ниже его показания, так как на испарение расходуется тепло. По показаниям сухого и «мокрого» термометров с помощью I-d- диаграммы можно определить относительную влажность воздуха.

2. Абсолютная влажность D, которая определяет массу водяного пара содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Однако, чаще используют для характеристики воздуха понятие влагосодержания.

3. Влагосодержание воздуха d – есть отношение массы водяного пара (в граммах) к единице массы сухого воздуха

(3)

Выразив массы пара и сухого воздуха через их молекулярные массы, парциальные давления и относительную влажность получим:

(4)

или (5)

4. Теплосодержание влажного воздуха (энтальпия) I – есть количество тепла, содержащееся во влажном воздухе отнесенное к единице массы сухого воздуха. Энтальпия влажного воздуха равна сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара, Дж/кг. с. в.

I = I_{с.. в.}+ I_п

I =1, 0005t + (2500+1, 8t) (6)

На основе уравнений 4, 5 и6 проф. Л. К. Рамзиным в 1918 году была составлена I-d- диаграмма, широко используемая для расчетов связанных с изменением состояния влажного воздуха. Диаграмма имеется в указанных ранее литературных источниках, а также имеется на лабораторном стенде. Фрагменты диаграммы приведены на рисунках ниже.

Она построена (для лучшего использования площади диаграммы) в косоугольной системе координат.

По оси ординат отложены значения энтальпии I, по оси абцисс, направленный под углом 135^оС к оси I, отложены значения влагосодержания d (рис. 1). Для удобства значения влагосодержаний спроектировано на горизонтальную ось.

Поле диаграммы разбито линиями постоянных энтальпий I=const и влагосодержаний d=const. На него также нанесены линии постоянных значений температуры t=const и значений относительной влажности φ =const. В нижней части диаграммы расположена линия имеющая самостоятельную ось ординат. Она связывает в соответствии с выражением (4) влагосодержание d, с парциальным давлением пара. Ось ординат этого графика является шкала парциального давления водяного пара Р_п.

Поле I-d-диаграммы разделено линией φ = 100% на две части. Выше этой линии расположена область ненасыщенного воздуха. Линия φ = 100% соответствует состоянию воздуха, насыщенного водяными парами. Ниже этой линии – область перенасыщенного воздуха (область тумана).

Каждая точка в поле диаграммы соответствует определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определенному тепловлажностному состоянию воздуха. Положение точки определены по

I-d-диаграмме, как производные. Кроме того, можно определить температуру «точки росы» t_р и температура мокрого термометра t_м.

Температурой точки росы называется наинизшая температура до которой можно охладить воздух при сохранении его влагосодержания постоянным. Для получения этой температуры нужно на I-d-диаграмме (рис. 2) от точки (А) соответствующей данному состоянию воздуха (например t и φ ) опуститься по линии d=const

до пересечения с линией φ =100% (точка В)

Проходящая через точку пересечения (В) линия t=const будет соответствовать значению t_р.

Температура мокрого термометра равна температуре насыщенного водными парами воздуха при данной энтальпии. На I-d-диаграмме температура t_м соответствует линия t=const проходящая через точку пересечения линии I=const заданного состояния (А) с линией φ =100%. Точка (С) будет соответствовать значению - t_м.

Задание

В настоящей работе по показаниям сухого и мокрого термометров t и t_м необходимо определить относительную влажность воздуха в лаборатории, его влагосодержание, энтальпию и температуру точки росы t_р, используя при этом I-d-диаграмму.

Для определения на диаграмме точки (А), характеризующее свойства влажного воздуха необходимо:

1) нанести на диаграмму точку (С) соответствующую значению t_м; для этого найдем линию t=const, где t=t_м; пересечение изотермы с линией φ =100% дает искомую точку (С). (Рис. 2)

2) состояние в I=const, исходящей из точки (С), с изотермой t=const, где t берется по показанию сухого термометра.

Для определения t_р находим точку (В). Она лежит на пересечении линий d=const, исходящей из точки (А), и линии φ =100%. Изотерма t=const, проходящая через точку (В) даст нам значение t_р.

После определения всех параметров сделать выводы.

Рис 1. I-d-диаграмма влажного воздуха

Рис. 2 Процесс обработки I-d-диаграммы

Оглавление

1. Исследование работы водоструйного элеватора 3

2. Теплотехнические испытания нагревательных приборов 5

3. Исследование водо-водяной подогревательной установки 9

4. Тепло-влажностный режим строительных ограждений 13

5. Определение степени изменения теплоотдачи

отопительного прибора при переходе в нерасчётный

режим. 18

6. Выбор покровного слоя отопительной панели 20

7. Исследование процессов во влажном воздухе 23