Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Некомерческое акционерное общество
алматинский УНИВЕРСИТЕТ энергетики и связи
Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»
ОСНОВЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов, обучающихся по специальности 5В071800 – Электроэнергетика)
Алматы 2012
СОСТАВИТЕЛИ: Н.К. Бекалай, А.А. Елеманова. Основы Теплоснабжения. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2012 – 29 с.
Методические указания предназначены для студентов специальности 5В071800 всех форм обучения.
Ил. 5, табл. 12.
Рецензент: канд.тех.наук. Кибарин А.А
Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2012 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.
Сводный план 2012г., поз 84
1 Лабораторная работа. Исследование качественного регулирования отпуска тепла водяной системы теплоснабжения
Цель работы: является углубление знаний в области систем регулирования отпуска тепла, получение навыков проведения теплотехнических экспериментов и экспериментального определения параметров регулирования водяной системы теплоснабжения.
Задачей работы является экспериментальное определение тепловой нагрузки нагревательного прибора в зависимости от температур в подающей и обратной магистрали тепловой сети и построение по этим данным температурного графика при качественном регулировании отопительной нагрузки водяной системы теплоснабжения при непосредственной схеме присоединения отопительной нагрузки к тепловой сети.
1.1 Теоретическое введение
Тепловая нагрузка разнородных потребителей тепла зависит от метеорологических условий, режимов работы потребителей тепла. Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха главным фактором, влияющим на расход тепла, является температура наружного воздуха. Расход тепла на горячее водоснабжение и технологическое пароснабжение от температуры наружного воздуха зависит незначительно.
Система изменения тепловой нагрузки теплопотребителей в соответствии с графиком их теплопотребления называется системой регулирования отпуска тепла. Различают центральное, групповое и местное регулирование отпуска тепла. Центральное регулирование тепловой нагрузки осуществляется у источника тепла - на ТЭЦ или районной котельной. Групповое и местное регулирование производится у потребителей и рассматривается как дополнительное к центральному.
Все количество тепла, полученное из источника теплоснабжения по тепловым сетям, расходуется в нагревательных приборах для нагрева воздуха в помещениях, воздуха в вентиляционных приточных камерах, воды в водонагревателях. Тепловая нагрузка систем теплоснабжения, таким образом, зависит от режима теплоотдачи нагревательных приборов.
Теплопередача рекуперативного нагревательного прибора определяется по уравнению:
(1.1)
где - количество тепла, отданное нагревательным прибором
за время , кДж;
k - коэффициент теплопередачи, кВт/м2 К;
F – площадь нагреваемой поверхности прибора, м2;
t - средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой, К.
Уравнение (1.1) показывает, что тепловую нагрузку системы теплоснабжения можно регулировать воздействием на любой из сомножителей правой части уравнения (1.1), изменением коэффициента теплопередачи, изменением поверхности нагрева, изменением средней разности температур, изменением времени работы прибора.
В соответствии с этим регулирование отпуска тепла в водяных системах теплоснабжения может осуществляться следующими способами:
а) качественное регулирование - расход воды постоянен;
б) количественное регулирование - температуры на входе постоянны;
в) качественно-количественное регулирование;
г) регулирование пропусками.
Для регулирования отпуска тепла соотношение (1.1) неудобно. Поэтому нагрузку теплообменного аппарата представляют в виде:
Q= WM, (1.2)
где Q= Q/ , кВт;
WM- меньшая массовая теплоемкость теплоносителя, кВт/К;
- максимальная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями, 0С, в нагревательных приборах отопления она равна t1 -tB;
- безразмерная удельная тепловая нагрузка;
t1, t2, tB, tа, t- соответственно температуры на входе и выходе в нагревательный прибор, температура воздуха в помещении, средне-арефметические и среднелогарифмические температурные напоры, 0С.
Очевидно, что
tа= (1.3)
t= (1.4)
Величина по результатам экспериментальных исследований всех типов нагревательных приборов отопления может быть представлена в виде:
(1.5)
где = kF/WM- режимный коэффициент, он равен
= ос /Wм , (1.6)
где ос= - режимный коэффициент основного режима за который обычно принимается расчетный режим, Q0=Q/Q0;
Q, Q0 -нагрузки нагревательного прибора в любом и основном режиме.
Величина n зависит от типа нагревательных приборов и способов их присоединения к стенкам и колеблется в пределах от 0,17 до 0,33. В большинстве случаев n=0,25. Тогда (1.6) принимает вид
=ос Q0,2/Wm . (1.7)
При мгновенном регулировании расход греющей среды остается постоянным и поэтому W=1. Тогда путем несложных преобразований можно получить следующие соотношения:
(1.8)
t1=2tB-t2+2tЛ Q0,8 . (1.9)
Эти соотношения положены в основу данной работы.
1.2 Описание экспериментальной установки
В настоящей работе, на основе исследования режима тепловой модели нагревательного прибора отопительной нагрузки необходимо, экспериментально определить температурный график при качественном регулировании отпуска тепла.
Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.1.
1 - задатчик ручного управления температурой; 2 - регулятор температуры; 3 - источник тепла; 4 - циркуляционный насос; 5 - теплообменник с естественной конвекцией; 6 - регулирующий клапан общего потока теплоносителя; 7- регулирующие клапаны теплообменников; 8 - теплообменник с принудительной конвекцией (воздушным калорифером); 9 - переключатель трансформатора для ручного регулирования температуры источника тепла; 10 - переключатель с ручного на автоматическое регулирование; 11- автотрансформатор.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема экспериментальной установки
Лабораторная установка моделирует автономную систему теплоснабжения, в которой нагревательный прибор включен к источнику без узла смешения.
Термостат (3) выполняет роль источника теплоснабжения (водогрейного котла). Насос термостата моделирует работу сетевого насоса, трубопроводы – магистральные теплопроводы тепловых сетей, а роль нагревательного прибора (потребителя тепла) выполняет модель отопительной батареи – теплообменник с естественным охлаждением (8) или теплообменник с исскуственным охлаждением (5). Для охлаждения теплообменника (5) служит воздушный калорифер.
Расход воды в нагревательных приборах регулируется при помощи вентиля - 6 и определяется по мощности нагревателя термостата. Мощность нагревателя (тэна) зависит от силы тока в нагревателе и от величины задаваемого напряжения. Перед началом работы проводится тарировка установки для определения расхода воды, т.е. для нескольких открытых положений вентиля 6 определяются расходы воды , циркулирующей по системе теплоснабжения.
1.2 Порядок проведения работы
1.3.1 Изучить инструкцию «Порядок работы на установке»
1.3.2 Включить термостат, выставить температуру t1.
1.3.3 Включить нагреватели термостата. Через 10-15 минут в системе устанавливается стационарный режим работы. Характеристикой стационарности режима является неизменность во времени температур t1 и t2.
1.3.4 При наступлении установившегося режима необходимо определить расход воды g, температуры t1 и t2.
1.3.5 Установить на регулировочном термостате новое значение температуры и определить параметры другого режима. Всего нужно провести исследование в 3-4 режимах. При этом необходимо следить, чтобы величина расхода воды оставалась постоянной.
1.3 Порядок расчета
Количество тепла, отданное сетевой водой через нагревательный прибор в данное помещение, определяется по формуле:
Q = gc(t1 - t2) = Wm(t1-t2), (1.10)
где g - расход воды, кг/с;
c - удельная теплоемкость воды, кДж/кг К;
Wm=gc.
Определив для каждого режима величину Q, нужно построить график, на котором по оси абсцисс откладывается значения Q, а по оси ординат измеренные значения температур t1 и t2.
Для определения температурного графика качественного регулирования отпуска тепла необходимо максимальный по величине исследованный режим принять за расчетный. Затем по результатам измерений в различных режимах определить Q0, tа, t , в каждом режиме, построить график и
Ln, определить значение n. Используя соотношение (1.9), построить график Q= f(t1,t2,tB). В последнем случае принять tB= 200C.
1.4 Обработка опытных данных и оформление отчета
Перед началом работы следует подготовить форму протокола наблюдений и таблицы обработки данных. Рекомендуемая форма приведена ниже.
Т а б л и ц а 1 . 1
|
№ |
g, кг/с |
t1, OC |
t2, OC |
Q, кВт |
Q0,кВт |
|
ta /t |
t |
Ln Q0 |
Отчет должен содержать построенный по данным работы температурный график при качественном регулировании водяной системы теплоснабжения, оценку погрешности экспериментального определения Q в одном режиме и краткие выводы.
1.6 Контрольные вопросы
1.6.1 Каков порядок выполнения лабораторной работы?
1.6.2 Какие методы регулирования отпуска теплоты применяются для водяных СЦТ?
1.6.3 Охарактеризуйте принципы выбора метода регулирования отпуска теплоты потребителю.
1.6.4 Когда применяется метод регулирования «пропусками»?
1.6.5 Когда применяется метод регулирования по суммарной нагрузке в закрытых водяных СЦТ?
1.6.6 Каково влияние климатических условий на графики температур и расходов теплоносителей в СЦТ?
2 Лабораторная работа. Исследование количественного метода
регулирования отпуска тепла водяной системой теплоснабжения
Цель работы: является углубление знаний в области теплоснабжения промышленных предприятий, систем регулирования отпуска тепла и
построение графика количественного регулирования отопительной нагрузки, на основе экспериментального определения тепловой нагрузки нагревательного прибора.
2.1 Теоретическое введение
Режим регулирования водяных систем теплоснабжения зависит от многочисленных факторов, но основным является вид тепловой нагрузки и схемы узлов вводов абонентов. Регулирование отпуска тепла значительно упрощается при однородной тепловой нагрузке. В этих случаях можно ограничиться только центральным регулированием. Центральное регулирование осуществляется в соответствии с потребностью тепла для отопления зданий при различных наружных температурах воздуха.
Общее уравнение для регулирования отопительной нагрузки при зависимых схемах присоединения отопительных установок к тепловой сети может быть представлена в виде
(2.1)
где расход тепла на отопление при текущей температуре наружного воздуха ;
- соответственно температура сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети;
коэффициент теплопередачи;
температурный напор в нагревательном приборе при тех же условиях;
, , , те же величины при расчетной температуре наружного воздуха .
При количественном регулировании температура сетевой воды в подающем трубопроводе постоянна. Регулирование тепловой нагрузки осуществляется изменением расхода воды. Задачей расчета является определение расхода воды и температуры обратной сетевой воды в зависимости от величины отопительной нагрузки. В этом случае относительный расход сетевой воды и температура обратной воды определяется на основе общего уравнения регулирования (2.1) при условии = const:
, (2.2)
, (2.3)
где , - температурный напор при смешении воды в узле ввода;
- температура воды в подающем трубопроводе отопительной системы после смесительного устройства;
- расчетная разность температур сетевой воды;
- расчетный перепад температур в отопительной системе.
При уменьшении тепловой нагрузки и снижении расхода воды температура обратной воды достигает температуры воздуха помещения. Дальнейшее снижение теплоотдачи приборов происходит за счет частичного заполнения нагревательных приборов водой с температурой .
Основным достоинством количественного регулирования является сокращение расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя. Это преимущество может быть использовано в магистральных трубопроводах двухступенчатых сетей, к которым абоненты присоединяются по независимым схемам или с помощью смесительных насосных подстанции. При снижении расхода сетевой воды в магистральных сетях смесительные насосы, работающие с переменным коэффициентом смешения, увеличивают подачу воды из обратной магистрали. Благодаря этому в системах отопления сохраняется необходимый расход воды и тем самым устраняется основной недостаток количественного регулирования – разрегулировка отопительных систем.
2.2 Описание экспериментальной установки
В настоящей работе необходимо на основе исследования режима тепловой модели нагревательного прибора отопительной нагрузки экспериментально определить температурный график при количественном регулировании отпуска тепла.
Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.1. Описание экспериментальной установки смотри в лабораторной работе №1
2.3 Последовательность выполнения работы и обработки
результатов измерений
2.3.1 Провести градуировку расходомера - вентиля 2. Для этого термостат 1 с помощью переключателя 10 приводится в автоматический режим работы (положение А). Вентиль 2 приоткрыть незначительно и задать постоянное напряжение на автотрансформаторе 12 и измерить силу тока. Тепловую мощность тэна (нагревательного элемента термостата) определяют по формуле
(2.4)
2.3.2 С помощью термопар 11 и 14 определить температуры и . Так как при установлении стационарного режима работы нагревательного прибора 5 его тепловая нагрузка равна тепловой мощности тэна, выражение (2.4) можно переписать как
, (2.5)
где
2.3.3 Далее из выражения (2.5) определяется значение расхода сетевой воды в кг/с при данной тепловой мощности тэна
, (2.6)
2.3.4 После этого при других открытых положениях вентиля 2 повторно измеряют параметры I,U,,. Данный порядок проведения градуировки осуществляют и при полностью открытом вентиле 2. В конце градуировки строится график зависимости G= f(I) при постоянных значениях напряжения U и температуры внутри помещения.
2.3.5 Для исследования количественного регулирования работу термостата переводят в ручной режим с помощью переключателя 10. Температуру сетевой воды t1на входе в нагревательный прибор 5 или 6 поддерживают постоянной. Вентиль 2 приоткрывают и из градуировочного графика определяют текущий расход воды.
2.3.6 С помощью термопары 14 или 18 определяют температуру сетевой воды на выходе из нагревательного прибора 5 или 6. То же самое повторяют при других значениях расхода воды до полного открытого положения вентиля 2.
2.3.7 При полностью открытом вентиле 2 определяют из градуировки расходомера, Gмах и затем Qмах.
2.3.8 По измеренным значениям , и строят график зависимости .
2.3.9 По формуле (2.3) определяют теоретическую зависимость.
2.4 Контрольные вопросы
2.4.1 Укажите возможные системы регулирования тепловой нагрузки и их характеристики. Каковы особенности центрального, группового, местного и индивидуального регулирования?
2.4.2 Путем изменения, каких параметров принципиально возможно центральное регулирование тепловой нагрузки в водяных системах теплоснабжения?
2.4.3 Охарактеризуйте принципы выбора метода регулирования отпуска теплоты потребителю.
2.4.4 Каковы особенности количественного метода регулирования в СЦТ?
2.4.5 Каким уравнением описывается зависимость относительной нагрузки от относительного расхода сетевой воды при количественном регулировании?
2.4.6 В чем заключаются методы центрального регулирования открытых систем теплоснабжения по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения? Укажите преимущества и недостатки качественного, количественного и качественно-количественного методов.
2.4.7 В чем состоит метод расчета графика температур тепловой сети при центральном?
3 Лабораторная работа. Определение зольности твердого топлива
Цель работы: является получение навыков экспериментального определения зольности твердого топлива, изучение влияния зольности на теплоту сгорания.
3.1 Основные теоретические положения
Негорючая часть твердого топлива состоит из минеральных примесей. Их разделяют на внутренние, накопившиеся в процессе образования и внешние, попавшие в топливо из окружающей породы при добыче и транспортировке. По составу минеральные примеси представляют собой, обычно, механическую смесь разнообразных веществ, главными из которых являются: алюмосиликаты, например, Al2O32SiO22H2O; кремнезем SiO2; карбонаты CaCO3, MgCO3, FeCO3; cульфиды FeS2, CaS; сульфаты CaSO4, MgSO4, FeSO4; соли щелочных металлов натрия и калия. Некоторые из этих веществ объединены в минералы сложного состава, например, шпаты K2OAl2O36SiO2, доломит CaMg(CO3)2 и другие.
При сжигании топлива его минеральная часть образует золу, количество и состав которой зависит от содержания и состава минеральных примесей, а также от условий и способа сжигания. Сложные минеральные соединения типа глинистых минералов Al2O3 2SiO2 2H2O, полевых шпатов K2O Al2O3 6SiO2, сульфатов и карбонатов CaSO42H2O, CaMg(CO3)2 подвергаются разложению с частичным доокислением за счет кислорода воздуха.
Разложение карбонатов идет с поглощением тепла, что снижает тепловыделение при горении топлива. Одновременно происходит окисление сульфидов с образованием SO2. Остаток после горения топлива – зола состоит в основном из окислов SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O и оказывается меньше исходной минеральной массы топлива примерно на 10%.
Количество негорючего остатка, образующегося при полном окислении всех горючих компонентов топлива, называется зольностью. Зольность определяют как количество золового остатка mз по отношению к навеске натурального топлива m, выраженное в процентах:
(3.1)
Индекс "а" указывает, что исследовалась аналитическая проба топлива.
3.2 Описание лабораторной установки
Согласно ГОСТ-у 110-22-Э5 анализ на зольность бурых и каменных углей, антрацита и горючих сланцев может быть проведен при медленном или ускоренном варианте. В данной работе выполняется ускоренный вариант.
Для определения зольности используется муфельная печь, позволяющая нагревать навеску топлива до температуры 1100 К.
Процесс озоления длится до установления постоянной массы навески, что для антрацитов и каменных углей составляет 35 минут, а для бурых - 20 минут выдержки при 1073 К.
Приготовление аналитической пробы для определения зольности заключается в измельчении, просеивании угольной массы через сито с ячейками 3 мм. Просеянное топливо тщательно перемешивается, квартуется, затем насыпается в виде конуса, и от конусов, расположенных на противоположных квадратах, отбирается по половине топлива. Пробу досушивают при температуре 50 50С в течение 2 6 часов (ГОСТ 10742-71) и снова измельчают пестиком в фарфоровой чашечке; наконец, просеивают через сито, имеющее 900 отверстий на 1 см2, и квартованием отбирают пробу для анализа.
3.3 Порядок проведения работы
3.3.1 Нагревают муфельную печь до температуры 1073 25 К.
3.3.2 На аналитических весах взвешивают керамическую лодочку без пробы mл и с навеской топлива массой 1 0,1 г. mн (точность взвешивания 0,0002г).
3.3.3 В течение 3 минут лодочку с пробой выдерживают на открытой крышке муфельной печи и затем со скоростью 2 см/мин продвигают в центр печи, закрывают дверцу и выдерживают пробу при температуре 1073 25 К в течение 35 минут.
3.3.4 Лодочку с зольным остатком выдерживают 5 минут на воздухе и затем охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе.
3.3.5 Производят взвешивание и определяют массу лодочки с зольным остатком mк.
3.4 Обработка результатов эксперимента
Перед проведением эксперимента рекомендуется составить протокол наблюдений (см.таблица 3.1) и таблицу обработки данных опыта.
Т а б л и ц а 3.1 - Протокол наблюдений
|
mл, г |
mн, г |
mк, г |
m=mн- mл |
mз=mк- mл |
Aа =mз100/m,% |
|
Протокол наблюдений составляется каждым студентом и должен быть подписан преподавателем.
Зольность аналитической пробы определяется по формуле (3.1). При этом, очевидно, масса зольного остатка mз=mк- mл ; масса первоначальной навески твердого органического топлива m=mн- mл.
Используя результаты опыта, пересчитать элементарный состав топлива, имеющего стандартный состав на рабочую массу: Ср = 46,4%; Нр = 2,0%; Ор = 1,5%; Nр = 1,7%; Sp = 2,1%; Ар = 38,5%; Wp = 9,9%. При этом влажность на аналитическую массу составляет WA = 1,2%.
Оценить теплоту сгорания по формуле Менделеева (для низшей теплоты сгорания), с учетом изменившейся зольности топлива.
Таблица 3.2- Обработка данных опыта
|
№ опыта |
Аа, % |
Ар, % |
Ср, % |
Нр, % |
Ор, % |
N р, % |
Sp, % |
Wp, % |
Qp, % |
3.5 Контрольные вопросы
3.5.1 Что такое минеральная часть топлива? Какие изменения претерпевает минеральная часть топлива в процессе горения?
3.5.2 Дать понятие рабочей, аналитической, сухой и горючей масс топлива. Что такое аналитическая проба?
3.5.3 Приведите формулу пересчета состава топлива для различных масс топлива.
3.5.4 Перечислите методы определения зольности в твердом топливе.
3.5.5 Что такое зола, шлак и коксовый остаток?
3.5.6 Как определяются плавкостные характеристики золы?
3.5.7 В чем заключается подготовка топлива к сжиганию в слоевых, камерных топках, кипящем слое?
3.5.8 Как классифицируются каменные угли? Какие показатели положены в основу классификации?
3.5.9 Как влияет зольность на работу котла и вспомогательного оборудования?
4 Лабораторная работа. Тепловое испытание водяного аккумулятора
Цель работы: ознакомиться с работой водяного аккумулятора, провести тепловое испытание.
4.1 Задание
4.1.1 Провести эксперимент и на основании полученных данных построить температурные зависимости:
а) нагрева воды в аккумуляторе ;
б) греющего теплоносителя на входе ;
на выходе из аппарата ;
в) поверхности нагрева .
4.1.2 Построить температурно-временную зависимость вторичного теплоносителя потребителя
4.1.3 Составить уравнение баланса и определить полную теплоемкость аккумулятора за весь период нагрева.
4.1.4 Построить график изменения расхода тепла при накоплении и отдаче энергии.
4.1.5 Пользуясь графиками пп 4.2.1 – 4.2.4, построить график изменения удельной теплопроизводительности аппарата и сравнить его со значением kF, расчитанным при допущении постоянства коэффициента теплопередачи в течение всего эксперимента.
4.1.6 Построить графики экспериментальной и теоретической кривых и теоретический k рассчитать при средних во времени значениях температур теплоносителей.
4.2 Основные теоретические положения
Водяной аккумулятор-подогреватель относится к рекуперативным теплообменным аппаратам периодического действия. В основе расчета таких аппаратов лежат два основных уравнения теплопередачи (4.1) и уравнение теплового баланса (4.2).
(4.1)
где k - коэффициент теплопередачи;
F -поверхность нагрева;
-температурный напор в.момент времени .
(4.2)
где -расход и теплоемкость греющего теплоносителя;
-температуры греющего теплоносителя на входе и на выходе,
G, c -.полная масса и теплоемкость аппарата ;
-масса и теплоемкость нагреваемой среды;
-масса и теплоемкость корпуса и других деталей аппарата.
Приняв допущение о постоянстве коэффициента теплопередачи для удельной тепловой производительности, получают следующую зависимость
(4.3)
При расчете теоретического коэффициента теплопередачи следует учесть, что греющая поверхность выполняется в форме змеевика из труб с соотношением диаметров dн/dвн = 1,5.
Поэтому необходимо пользоваться формулой
, (4.4)
Значения коэффициентов теплоотдачи можно определить из формулы
. (4.5)
За определяющий размер в числах Re и Nu берут внутренний диаметр,
а физические константы - по среднемассовой температуре жидкости.
где D- диаметр витка змеевика.
Используя вышесказанное, приводим (4.5) к виду
(4.6)
(Значения А из таблицы 1 приложения).
При естественной конвекции и змеевиковом обогреве коэффициент теплоотдачи может быть определен по формуле Михеева:
(4.7)
где при переходном режиме при
при ламинарном режиме при
при вихревом режиме при
Физические константы в критериях Nu, Gr, Pr берут при температуре , где -среднее значение температуры нагреваемой среды и стенки
.
Формула (4.7) преобразовывается к виду:
при
при
Значения из таблицы 4.1.
Т а б л и ц а 4.1 – Значение коэффициентов А, А1, А2
|
t,0C |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
|
A |
2100 |
2400 |
2600 |
2700 |
2850 |
300 |
3100 |
|
t,0C |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
130 |
|
A1 |
112 |
149 |
178 |
205 |
227 |
274 |
|
A2 |
198 |
291 |
363 |
426 |
482 |
607 |
4.3 Описание лабораторной установки
Принципиальная схема лабораторной установки показана на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Схема лабораторной установки.
Подготовка греющего теплоносителя воды осуществляется в термостате - 2. Передача тепла аккумулирующему телу происходит в аккумуляторе – 1. Схема предусматривает поочередное включение первого или второго контуров, когда установка работает соответственно в режиме накопления тепла или отдачи. Расходы греющего теплоносителя и теплоносителя потребителя тепла 3 регулируются вентилями В1, В2. Термопары, предназначенные для регистрации температур первого и второго контуров на входе и на выходе, температур различных точек поверхностей нагрева, аккумулирующей воды в самом аппарате, выведены на самопишущий потенциометр КСП-4.
4.4 Порядок проведения эксперимента
4.4.1 Перед проведением эксперимента необходимо проверить рабочее состояние установки. В термостате и в аккумуляторе вода должна находиться на заданном уровне, насос термостата отключен.
4.4.2 Включить нагреватель термостата и нагреть до температуры аккумулирующей среды 30°-900 С (заданной преподавателем).
4.4.3 Включить насос термостата и перегонять теплоноситель по первичному контуру. Одновременно с началом циркуляции греющего теплоносителя следует включить потенциометр КСП-4.
4.4.4 При достижении заданной температуры закрыть вентили В1, В3, выдержать аппарат в состоянии покоя 3-5 мин.
4.4.5 Включить насос второго контура и сбросить температуру воды в аккумуляторе до 50-60°С.
Расходы теплоносителей первого и второго контуров определяются по расходомеру и тарировочному графику. Временные распределения температур в различных точках аппарата определяются обработкой диаграммной ленты потенциометра. Остальные характеристики аккумулятора приведены в приложении А. По завершению эксперимента отключают потенциометр, насос второго контура.
4.5 Обработка результатов наблюдений, требования к отчету
Отчет составляется каждым студентом и должен содержать:
4.5.1 Принципиальную схему установки.
4.5.2 Протокол наблюдений и результатов обработки экспериментальных данных.
4.5.3 Основные выполненные расчеты и используемые формулы.
4.5.4 Анализ полученных результатов.
4.5.5 Оценку погрешностей, найденных из опыта величин.
Приложение А
Масса аккумулирующей воды - 6-7кг.
Масса корпуса - 5,5 кг.
Масса спирали - 0,8кг.
Теплоемкость аккумулирующей воды - 4,18 кДж / кг*К.
Теплоемкость корпуса - 0,385 кДж / кг*К.
Теплоемкость спирали - 0,385 кДж / кг*К.
Внутренний диаметр спирали - 150 мм.
Внутренний диаметр аккумулятора - 40 мм.
Высота аккумулятора - 500 мм.
Шаг спирали - 0 мм.
4.6 Контрольные вопросы
4.6.1 Чем отличается аккумулятор-подогреватель от теплообменника непрерывного действия? Назовите преимущества и недостатки.
4.6.2 Как будет изменяться во времени удельная теплопроизводитель
ность и расход тепла в тепловом аккумуляторе?
4.6.3 Каким требованиям должен отвечать идеальный теплообменник данного вида?
4.6.4 При каком способе обогрева: паровом или водяном, быстрее нагревается одно и то же количество воды, если температура греющего насыщенного пара и греющей воды на входе в аппарат однакова?
4.6.5 Укажите физический смысл критериев Nu, Gr, Pиr, Pe.
5 Лабораторная работа. Исследование компенсации температурных деформаций трубопроводов теплосети
Цель работы: является углубление знаний в области применения различных способов компенсации температурных удлинений трубопроводов теплосети.
5.1 Теоретическое введение
При сильном нагревании трубопроводов в его стенках могут возникнуть разрушающие напряжения, величина которых определяется
законом Гука
σ=Е i, Па, (5.1)
где Е - модуль продольной упругости, Па;
i - относительная деформация.
Изменение температуры трубы длиной 1 при нагреве на ∆t вызывает удлинение
∆ = α 1 ∆t, м , (5.2)
где α - коэффициент линейного удлинения, 1/К.
При этом относительное сжатие равно
i = ∆ /l = α∆t. (5.3)
Величина напряжения сжатия, возникающего при нагреве прямолинейного участка трубопровода, не зависит от диаметра, толщины стенки и длины трубопровода и определяется только материалом и перепадом температур
σ= αE∆t, Па. (5.4)
Возникающее при этом усилие сжатия определяется по формуле
Р = σ f= Е i f, Н, (5.5)
где f - площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м2.
Для уменьшения напряжений, возникающих в трубопроводе при его нагреве, используют различные способы компенсации температурных удлинений. По своему характеру все компенсаторы могут быть разбиты на осевые и радиальные.
Осевые компенсаторы применяются для компенсаций температурных удлинений прямолинейных участков трубопроводов. Радиальная компенсация может быть использована при любой конфигурации трубопровода.
5.2 Описание лабораторного стенда
Основными элементами стенда являются трубопроводы с различными компенсаторами. Трубопроводы на концах неподвижно закреплены на опорах. Внутри трубопроводов установлены нагревательные элементы. Величина нагрева регулируется с помощью лабораторного трансформатора, температура поверхности трубы измеряется с помощью термопар ХА 6 и регистрируется на КСП. Температурные удлинения трубопроводов определяются по реперным точкам с помощью индикаторов часового типа или штангенциркуля.
5.3 Порядок выполнения работы
5. 3. 1 По заданию преподавателя исследуется работа осевого
(сальникового) и одного из радиальных ("П" или "Г" образные) компенсаторов при 3 режимах нагрева.
5. 3. 2 Проводятся через каждые 5 минут замеры температуры поверхности трубы и ее температурное удлинение с помощью микрометра до наступления стационарного режима.
Т а б л и ц а 5.1 - Данные эксперимента
|
№ замера |
Мощность нагревателя |
Температура трубы |
Средняя темп. трубы |
Удлинение трубы |
Изменение сальникового компенсатора |
||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
||||
5.4 Обработка результатов эксперимента
Для стационарных режимов строится график зависимости температурного удлинения трубы с радиальным компенсатором и изменения зазора в трубе с сальниковым компенсатором от средней температуры.
Для стационарных режимов и использованием данных таблиц
рассчитывается напряжение сжатия в трубе без компенсации температурных удлинений (максимально возможное напряжение сжатия).
σ=∆E/l = αЕ(tср – t0), (5.7)
где tcp = (t1 + t2 + t3)/ 3- средняя по длине температура стенки трубы;
to - температура окружающего воздуха.
Осевые усилия на неподвижные опоры
Трубопровод с сальниковым компенсатором
Рэ=4S/(fldв2), Па. (5.8)
Осевые усилия в опорах определяются силой трения в сальниковом компенсаторе
S =fldн2Ppbαµ, Н , (5.9)
где РР - рабочее давление cреды (для магистральных трубопроводов равно 0,9 - 1,6 МПа);
b = 0,6 - отношение высоты сальниковой набивки к наружному диаметру;
α = 1,5 - отношение удельного давления сальниковой набивки к рабочему давлению;
µ = 0,15 - 0,4 - коэффициент трения набивки по стакану (в рассматриваемом случае 0,15).
Трубопроводы с "П"-образным и "Г"-образным компенсаторами
Р = ∆ЕJ/А, Н,
где ∆ = σ1+σ2 - удлинения участка трубопровода, м;
J = 0,05(dH4 - dB4) - экваториальный момент инерции трубы, м4.
Величина А равна для трубопровода со сварными коленами (R=0)
А=0/S У2ӘS/R=((2l+3l1)l2)/2.
Напряжение в трубопроводе С "П "-образным компенсатором на участке С-В (в спинке компенсатора)
σ=(∆EdнУмакс)/2А,
где Умакс = 1 - расстояние середины участка от исправления действия силы (вылет компенсатора), м;
А - величина, рассчитанная в пункте 5.5.1.2.
В случае замены жестких сварных колен с R=0 гнутыми коленами R = 4dy (как в нашем случае) напряжение от тепловых удлинений снижается примерно в 1,15 раза.
С «Г»-образным компенсатором в наиболее напряженной точке А
σ=СА∆Еdн/l2, Па,
где ∆ = δ1-боковое смещение малого плеча (удлинение большого плеча),м.
Коэффициент СА для жесткого сварного колена R=0 равен
СА= 1,5(1+1/n),
где n = L/1 - отношение длин плеч трубопровода.
По данным расчетов для исследуемых компенсаторов построить зависимости Р = f(t) и σ=f(t). Допустимое напряжение трубопровода от тепловых удлинений σ Ә= 70 МПа.
Т а б л и ц а 5.2 - Физические свойства стали 20
|
T,K |
20 |
100 |
200 |
300 |
|
α*106, l/К |
- |
11,6 |
12,6 |
13,1 |
|
Е*10-10, кг/м2 |
2,1 |
2,03 |
1,99 |
1,90 |
Т а б л и ц а 5.3 - Геометрические размеры трубопроводов с диаметром dв/dн=33/38 мм
|
Размеры |
L,мм |
l,мм |
l1,мм |
R,мм |
|
Вид компенсатора |
||||
|
Сальниковый |
1200 |
- |
- |
- |
|
П-образный |
1700 |
225 |
165 |
4dp |
|
Г-образный |
1700 |
550 |
- |
4dв |
5.5 Контрольные вопросы
5.5.1 Каков порядок выполнения лабораторной работы?
5.5.2 Сформулируйте закон Гука.
5.5.3 Чему равно удлинение, вызываемое изменением температуры трубы ∆t?
5.5.4 Чем определяется величина напряжения сжатия, возникающего при нагреве прямолинейного участка трубопровода?
5.5.5 Как определяется усилие сжатия?
5.5.6 Способы компенсации температурных удлинений?
5.5.7 Написать, как определяются осевые усилия на неподвижные опоры для трубопровод с сальниковым компенсатором, «П» и «Г»-образным?
5.5.8 Определение напряжения в трубопроводе с сальниковым, «П» и «Г»-образным компенсатороми.
5.5.9 Принцип действия различных типов компенсаторов ( по указанию преподавателя).
5.5.10 Сделайте анализ полученных зависимостей Р = f(t) и σ=f(t) для исследуемых компенсаторов.
6 Лабораторная работа. Проверка и градуировка термоэлектрических термометров
Цель работы
В процессе выполнения этой работы студент должен:
- Ознакомиться с различными конструкциями и типам термоэлектрических термометров и их основными техническими данными.
- Ознакомиться с методом градировки и проверки термоэлектрических термометров.
- Изучить аппаратуру и приборы, необходимые для проведения градуировки термопар.
- Научится правильно, измерять электродвижущую силу термопар с помощью цифрового вольтметра.
6.1 Описание установки
Схема установки для градуировки термоэлектрических термометров приведена на рисунке 6.1. Установка состоит из термостата (1), проверяемой термопары (2) и цифрового вольтметра (3).
Термостат позволяет поддерживать температуру рабочего спая проверяемой термопары с точностью до 0,01оС изменяет ее от -60оС до 260оС.
Рабочий конец проверяемой термопары (4) помещен в пробирку с маслом, которая находится в термостате. Холодные спаи (свободные концы) (5) термометра находятся при комнатной температуре, контролируемой ртутным термометром.
1 -термостат, 2-термопара, 3-цифровой вольтметр, 4-рабочий конец термопары, 5- свободные концы термометра, 6 – ртутный термометр.
Рисунок 6.1 - Схема установки
Температура воды в термостате (t рабочего спая) выставляется при помощи контактного термометра или дискретного переключателя на лицевой панели термостата.
Градуировка термопары в термостате производится в диапазоне 20 - 30оС. Изменение термоЭДС проверяемой термопары осуществляется цифровым вольтметром Ф – 30 или любым аналогичным.
6.2 Порядок выполнения работы
6.2.1 Включить цифровой вольтметр и термостат в сеть и падать охлаждающую воду в термостат.
6.2.2 Задать на контактном термометре или на дискретном переключателе
термостата температуру около 20оС и вывести на стационарный режим. При этом пробирка с маслом и термопарой будет иметь ту же температуру.
6.2.3 Произвести градуировку термопары.
6.2.4 Измерить термоЭДС проверяемой термопары вольтметром (U); температуры Т1 рабочего спая термопары по ртутным термометром (6), помещенному в термостат; одновременно измерять ртутным термометром температуру Т2 холодных спаев термопары (Т2 окружающей среды).
6.2.5. Измерить все величины, задавая на термостате температуру от 20оС до 95оС с шагом в 5оС, выводя каждый раз термостат на стационарный режим.
6.2.6 Записать и обработать результаты, (см. таблицу 6.1).
Т а б л и ц а 6.1
|
Т1,оС |
Т2,оС |
U,мВ |
Uпопр, мВ |
Uист,мВ |
|
1 |
20 |
|||
|
2 |
*** |
|||
|
3 |
*** |
|||
|
4 |
95 |
6.3 Порядок обработки результатов
6.3.1 Построить кривую зависимости термоЭДС от t для термоэлектрического термометра.
6.3.2 При обработке результатов необходимо ввести поправку на холодных спаев термопары, для чего полученную зависимость продлить до пересечения с осью ординат. Полученное значение Uпопр, будет являться поправкой на t холодных спаев.(см.рисунок 6.2)
Рисунок 6.2
6.3.3 Построить зависимость термоЭДС от tоС термоэлектрического термометра с учетом t холодных спаев.
6.4 Контрольные вопросы
1.Как производится поправка на температуру свободных концов термоэлектрического термометра?
2. Какие требования предъявляются к термоэлектродным материалам?
3.Какие устройства применяются для обеспечения постоянства температуры контактными методами?
4.Какими факторами обусловлены погрешности при измерении температуры контактными методами?
5. Допустимо ли свободные концы термопары располагать в одном помещении, а устройство стабилизации (компенсации) температуры в другом?
6. Можно ли использовать одни и те же компенсационные провода для термоэлектрических термометров различных градуировок?
7 Лабораторная работа. Температурная зависимость вязкости энергетических мазутов
Цель работы: получение навыков экспериментального определения зависимости вязкости энергетических мазутов от температуры.
7.1 Теоретическое введение
Вязкость - это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению ее слоев относительно друг друга. Вязкость относится к числу важнейших характеристик качества мазута, в связи с чем положена в основу их маркировки. Применительно к использованию мазутов в теплоэнергетике, вязкость определяет затраты энергии на их перекачивание по трубам, длительность сливных и наливных операций, производительность форсунок.
Вязкость как физическую величину выражают либо в виде динамической вязкости (коэффициент внутреннего трения) (Па/с), либо в виде кинематической вязкости ( м2/с). При этом
=/ (7.1)
где - плотность нефтепродукта, кг/м3.
В практике работы широко используется условная вязкость, представляющая собой отношение времени истечения 200 см3 нефтепродукта при определенной температуре ко времени истечения воды того же объема при температуре 200С.
Связь между условной, динамической и кинематической вязкостью выражается следующими формулами:
= (0.0073Byт – 0.063 / Byт ), (7.2)
= 0.0073Byт - 0.063 / Byт. (7.3)
7.2 Описание экспериментальной установки
Установка предназначена для измерения динамической вязкости методом падающего груза.
Общий вид установки приведен на рисунке 7.1.
1 - термостат, 2 – стеклянная трубка, 3 – миливольтметр, 4 – термопара, 5 – шарик.
Рисунок 7.1 - Принципиальна схема установки
7.3 Метод определения вязкости
Теория вискозиметра с падающим грузом и методы калибровки рассмотрены в /Л-6/. Динамическая вязкость определяется по формуле
= к (ш - м ) , (7.4)
где - динамическая вязкость, (Па/с);
к - постоянная шарика, (Па/с; см3/кг);
ш - плотность шарика, (кг/м3);
м - плотность мазута, (кг/м3);
- время падения шарика, с.
С помощью секундомера измеряется время падения шарика в стеклянной трубке 2, заполненной исследуемой жидкостью. Плотность шариков и константы приведены в таблице 7.3. Плотность мазута может быть рассчитана по формуле
м = 20 [ 1- ( t-20 )], (7.5)
где 20 – относительная (по отношению к плотности воды при t=20 0C) плотность мазута. 20 = 950 ~ 1010 кг/м3;
- коэффициент объемного расширения топлива при его нагреве на 10 С. Для мазута = ( 5.1 - 5.3) 10-4.
7.4 Порядок проведения работы
В измерительную трубку 2 залить мазут. После установки необходимой температуры при помощи пинцета опустить шарик. Отсчет времени падения шарика между двумя метками производится по секундомеру.
Опыт повторяется трижды. Далее выставляется следующее значение температуры ( от 100С до 600С через 100С ) и опыт повторяется.
Результаты измерений рекомендуется заносить в таблицу.
Т а б л и ц а 7.1- Результаты опытов
|
Nп/п |
t, 0 C |
, c |
, Па/с |
, % |
7.5 Порядок обработки результатов
- Определить значение вязкости при изменении температуры от 20 0С до 950С через 100С.
- Определить погрешность измерения вязкости и построить зависимость = f (t) с указанием диапазона погрешности.
- По таблице 7.2 для варианта, заданного преподавателем, определить время слива мазута из цистерны и построить зависимость сл = ( м) .
Т а б л и ц а 7.2 – Варианты заданий для определения времени слива мазута
|
Погрузочный объем цистерны м3. |
Универсальный сливной прибор |
Модернизированный сливной прибор системы Утеминского |
|
25 |
= 180 +2.1*10-4 |
= 280 + 8.0*10-4 |
|
50 |
= 358 + 3.8*10-4 |
= 530+14.6*10-4 |
|
60 |
= 418 + 4.4*10-4 |
= 645 + 17.3*10-4 |
|
99 |
= 657 + 7.0*10-4 |
= 1030 + 27.2*10-4 |
Т а б л и ц а 7.3 – Приложение
|
К, МПа |
mш, г |
шар, г/см3 |
масла, г/см3 |
dшар, мм |
|
|
0,68151 |
1 |
1,1629 |
0,880 |
11,8 |
7.6 Контрольные вопросы
7.6.1 Что такое вязкость?
7.6.2 Как влияет вязкость мазута на производительность различных типов форсунок? Привести примеры.
7.6.3 Дать определение динамической и кинематической вязкости.
7.6.4 Как зависит вязкость от температуры и давления?
7.6.5 Охарактеризовать график зависимости времени слива от вязкости мазута.
7.6.6 Как будет зависеть время слива мазута от его температуры?
7.6 .7 Порядок обработки результатов.
Список литературы
1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. –М.:МЭИ,2001.-472с.
2. Немцев З.Ф., Арсеньев Т.В. Теплоэнергетические установки и теплоснабжение. -М.: Энергоиздат, 1982. -400 с.
3. Соловьев Ю.П. Проектирование теплоснабжающих установок для
промышленного предприятия. -М.: Энергия, 1978. -192 с.
4. Белинский С.Я., Липов Ю.М. Энергетические установки электростанций. -М.: Энергия, 1978. -301 с.
5. Дукенбаев К.Д. Нурекен Е. Энергетика Казахстана (технический аспект). -Алматы, 2001.-312с.
6. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987.- 328с.
7. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/Под общ. Ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина.-2-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1989.- 608с.
8. Тепловое оборудование и тепловые сети / Арсеньев Г.В. и др.- М.: Энергоатомиздат,1988. – 400с.
9. Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара.-М.: Энергия 1975.
10. Величко В.И., Пронин В.А. Теплоотдача и энергетическая эффективность трубчатых поверхностей теплообмена.- М.: Изд-во МЭИ, 2003.-63с.
11. Калинин Э.К и др. Интенсификация теплообмена в каналах. -М.: Машиностроение, 1990.-208 с.
12. Беляев Л.С. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию.- Новосибирск: Наука, 2000.-269с.
13. Сафонов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -232с.
14. Фирменный стандарт. Работы учебные. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию. – Алматы: АИЭС, 2002.
Содержание
1. Лабораторная работа 3
2. Лабораторная работа 8
3. Лабораторная работа 11
4. Лабораторная работа 14
5. Лабораторная работа 19
6. Лабораторная работа 22
7. Лабораторная работа 25
8. Список литературы 28