Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСЮЙЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Лабораторные работы (практикум) для студентов технических специальностей М и н с к 2 0 0 5 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Лабораторные работы (практикум) для студентов технических специальностей М и н с к 2 0 0 5 У Д К 620.9.004.18 (076.5) ББК 31.19 Я. 7 С - I S С о с т а в и т е л и : В.Г. Баштовой, Ю.А. Волков, С.В. Климович, Е.К. Костюкевич, Е.В. Кравченко, С.Г. Погирницкая, А.Г. Рекс, Н.Г. Хутская, И.В. Янцевич Р е ц е н з е н т ы : В.В. Кулебякин, Г.И. Пальченок О 12 Основы энергосбережения: лабораторные работы (практикум) для студентов техн. специальностей /Сост.: В.Г. Баигговой [и др.]. - Мн.: БНТУ, 2005 - 72 с. В данное издание включены инструкции к лабораторным работам по дисципли- не «Основы энергосбережения», а также сведения о некоторых способах преобразо- вания и передачи энергии. Цель практикума - дать наглядное представление о воз- можностях более эффективного использования энергии в различных областях дея- тельности человека. ISBN 985-479-264-1 © БНТУ. 20 С о д е р ж а н и е В в е д е н и е 4 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №1 ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ - СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ 4 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №2 ИССЛЕДОВАНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА. 11 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №3 ИЗУЧЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ 17 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №4 ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА 22 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА 29 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №6 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ (сравнительное исследование тепловой трубы) 35 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №7 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ 42 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ 48 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЯ (СВП) 56 Литература 66 Приложение 1 67 Приложение 2 68 Приложение 3 69 Приложение 4 71 В в е д е н и е Курс «Основы энергосбережения» включается в образовательные стандар- ты всех специальностей вузов Министерства образования РБ и является базовой дисциплиной для последующего изучения специальных вопросов эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях народного хо- зяйства. Настоящий лабораторный практикум предназначен для проведения лабо- раторных работ по курсу «Основы энергосбережения» для студентов техниче- ских специальностей. Практикум содержит теоретический материал, описание экспериментальных установок и методический материал по выполнению работ и обработке результатов измерений. Материал практикума охватывает основные методы преобразования свето- вой энергии и энергии ветра в электрическую; основные источники потерь энер- гии при транспортировке жидкостей и газов по трубопроводу; методы использо- вания низкопотенциального тепла (тепловые насосы); методы более эффектив- ной передачи тепла от одного теплоносителя к другому; методы переноса энер- гии с помощью тепловой трубы как наиболее эффективной теплопередающей системы; методы преобразования солнечной энергии в тепловую; методы изуче- ния парникового эффекта. Студенты имеют возможность сравнить различные источники света и выбрать наиболее эффективные из них. Материал практикума построен таким образом, чтобы им могли пользо- ваться студенты различных технических специальностей с различным уровнем начальной подготовки. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 РЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ - СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ Цель работы: изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую. Исследовать основные технические характеристики фотоэлек- трической батареи. Общие сведения Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим суще- ствование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном яд- ре Солнца достигаются температуры до Ю'к . При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мопщость около 1,210'' Вт. Это эк- вивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно. чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения земного шара в те- чение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходяще- го на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м^. Для населенных районов в зависи- мости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м^ в день. В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удоб- ную для потребления форму 10 % и поток солнечной энергии 17 МДж/м^ в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м^ шющади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км^ на одного человека приходится 2000 м^ земной поверхности. Таким обра- зом, достаточно всего 5 % этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнеч- ной энергии удовлетворить энергетические потребности человека. Для характеристики солнечного излучения используются следующие ос- новные величины. Поток излучения - величина, равная энергии, переносимой электромаг- нитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения - Дж/с = Вт. Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) ~ величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облу- чаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения - Вт/м1 Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площад!^' вне зешюй атмосферы, называется солнечной констштой S, кото- рая равна 1367 Вт/м^. Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцени- ваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинако- во чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при днев- ном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 им. По- этому одинаковые по мощности потоки излучения, но разных длин волн вызы- вают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового по- тока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является лю- мен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6-10"^ Вт (или 1 Вт=217лм). Освещенность - величина, равная отношению светового потока, падаю- щего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1лк=1лм/м^ . Для белого света 1 лк = 4,6-10'''Вт/м^ (или 1 Вт/м^ = 217 лк). Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами. Освещенность, создаваемая различными источниками Источники Освещенность, лк Освещенность, Вт/м^ Солнечный свет в полдень (сред- ние широты) 100000 460 Солнечный свет зимой 10000 46 Облачное небо летом 5000-20000 23-92 Облачное небо зимой 1000-2000 4,6-9,2 Рассеянный свет в светлой ком- нате (вблизи окна) 100 0,46 Светильники, создающие необ- ходимую для чтения освещен- ность 30-50 0,14-0,23 Полная Луна, облучающая по- верхность Земли 0,2 0,92-10"'^ В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчи- вым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей. При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использований электриче- скую энергию. Это становится возможным при использовании такого физического явле- ния, как фотоэффект. Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов {фото- электрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов че- рез границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п) {вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости {фото- проводимость). При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (р-п) между ними устанавливается разность потенциалов (фото- ЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использо- вании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнеч- ных элементов и батарей). Наиболее распространенным полупроводником, испо;й>зуемым для созда- ния солнечных элементов, является кремний. Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение максимальной электрической мощности вырабатываемой элементом, к падаю- щему потоку излучения. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10-15% (т.е. при освещенности 1 кВтУм^ вырабатывают элек- трическую мощность 1-1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В. Типичная структура солнечного элемента с р-п-переходом изображена на рис. 1.1 и включает в себя: 1 - слой полупроводника (толщиной 0,2-1,0 мкм) с п-проводимостью; 2 - слой полупроводника (толщиной 250-400 мкм) с р-проводи- мостью; 3 - добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм); 4 - метал- лический контакт с тыльной стороны; 5 - соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента; 6 - противоотражательное покрытие; 7 - лицевой контакт; 8 - соединительный проводник к тыльному контакту следую- щего элемента. Характерный размер солнечного элемента 10 см. Рис. 1.1. Структура сопнечного элемента Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи, как изо- бражено на рис. 1.2. 4А М М м -0 15 V Рис. 1.2. Э - солнечный элемент; М - солнечный модуль; Б - солнечная батарея В 1958 г. впервые солнечные батареи были использованы в США для энер- гообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов. Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работающие на солнечных батареях. Основные компоненты солнечной энергетической установки изображены на рис. 1.3 и включают в себя: Б - солнечную батарею с приборами контроля и управления; А - аккумуляторную батарею; И - инвертор для преобразования по- стоянного тока солнечной батареи в переменный ток промышленных парамет- ров, потребляемый большинством электрических устройств. Рис. 1.3. Солнечная энергетическая установка Несмотря на неравномерность суточного потока солнечного излучения и его отсутствие в ночное время, аккумуляторная батарея, накапливая вырабаты- ваемое солнечной батареей электричество, позволяет обеспечить непрерывную работу солнечной энергетической установки. Экспериментальная установка (рис. 1.4) включает в себя: 1 - солнечный модуль, состоящий из 36-ти (9x4) солнечных элементов; 2 - амперметр и 3 - вольтметр для определения напряжения и силы тока, вырабатываемых сол- нечным модулем; 4 - источник света, имитирующий солнечное излучение; 5 - люксметр для определения освещенности поверхности солнечного модуля; 6 - реостат, представляющий собой регулируемую нагрузку в электрической цепи. Экспериментальная установка Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы а). Исследование характеристик холостого хода солнечного элемента. 1. Удостовериться, что нагрузка на солнечный модуль отсоединена. 2. Измерить ширину а (м) и высоту b (м) рабочей поверхности солнечного модуля и определить ее площадь 8 - а Ь , ы . 3. Установить источник света на прямое излучение на поверхность сол- нечного модуля (нулевая отметка на лимбе источника). 4. Включить источник света. 5. Люксметром измерить освещенность в центре и четырех крайних точ- ках поверхности солнечного модуля (£„, Е\, Ег, Ез, Е^) и определить ее среднее значение (Е^р), полученные результаты занести в табл. 1.1. 6. По показаниям вольтметра определить ЭДС, вырабатываемую солнеч- ным модулем при положении источника света - О градусов по лимбу. 7. Проделать аналогичные измерения при косом падении излучения на по- верхность модуля, поворачивая источник света на 10, 20, 30, 40, 50 градусов по лимбу. 8. Определить плотность потока излучения £эн (энергетическую освещен- ность), используя соотношения между лк и Вт/м^; для белого света Ез„ = 4,6- 9. Определить поток излучения Ф^, из определения плотности потока излу- чения £э„ следует Ф™ = Ез» S Вт, полученный результат занести в табл. 1.2. Ю.Определигь ЭДС-1 - ЭДС, вырабатываемая одним солнечным элементом, равная отношению ЭДС на количество элементов, из которых состоит солнеч- ный модуль; Полученные результаты занести в табл. 1.1. 11 .Построить график зависимости ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность Т а б л и ц а 1.1 Результаты измерений и вычислений Угол падения из- лучения, градус лк лк Е2, лк Яз, лк £4. лк £ор. лк ЭДС, В Вт/м^ ЭДС-1, в 0 10 20 30 40 50 . б). Определение вольтамперной характеристики солнечного модуля. 1. Подключить нагрузку (реостат) к цепи солнечного элемента. 2. Установить источник света на прямое излучение на поверхность солнеч- ного модуля (нулевая отметка на лимбе источника). 3. Включить источник света. По показаниям вольтметра определить на- пряжение в цепи и. По показаниям амперметра определить ток в цепи I. 4. Перемещая подвижный контакт реостата, изменить сопротивление на- грузки в цепи и выполнить измерения С/ и /. Провести измерения 6 раз в преде- лах от минимального до максимального значения сопротивления нагрузки. 5. Для каждого измерения вычислить электрическую мощность в цепи 6. Все данные занести в табл. 1.2. 7. Построить вольтамперную характеристику (график зависимости I от U) солнечного модуля при данной плотности потока излучения, значение которой взять из предыдущей серии измерений. 8. Отметить наибольшее значение мощности вырабатываемой сол- нечным модулем и рассчитать коэффициент преобразования (см. таблицу). Результаты измерений и вычислений Т а б л и ц а 1.2 Плотность потока шлучения £,„ Вт/м^ Поток излучения Ф„ ^ В т № измерения Напряжение Ц В Ток / ,А Мощность 1 2 3 4 5 6 7 Коэффициент преобразования N Контрольные вопросы по лабораторной работе № 1 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Основные величины, характеризующие солнечное излучение. 3. Какова температура поверхности Солнца? 4. Каким образом энергия Солнца достигает поверхности Земли? 5. Поток излучения, единицы измерения. 6. Плотность потока излучения, единицы измерения. 7. Световой поток, единицы измерения. 8. Освещенность, единицы измерения освещенности. Приборы для измерения освещенности. 9. На каком явлении основано действие фотоэлектрических преобразователей энергии? 10. Фотоэффект, виды фотоэффекта. 11. Физический смысл коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую. 12. Какие основные компоненты должна содержать солнечная энергетическая установка? 13. Области применения солнечных батарей. 10 и . Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 15. Методика исследования характеристики холостого хода солнечного эле- мента, 16. Как зависит ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, па- дающего на его поверхность? 17. Методика определения вольтампёрной характеристики солнечного модуля. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИ- ЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА Цель работы состоит в изучении устройства, принципа действия и срав- нении основных параметров наиболее распространенных типов электрических источников света. Общие сведения Свет представляет собой электромагнитные волны длиной 4-10"V8-10"' м. Электрические волны излучаются при ускоренном движении заряженных час- тиц. Для того чтобы атом или молекула начали излучать, им необходимо пере- дать определенное количество энергии. Излучая, они теряют полученную энер- гию, поэтому для непрерывного свечения необходим постоянный приток энер- гии извне. Поток излучения, Фим - энергия, переносимая электромагнитными вол- нами за 1 секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения Дж/с = Вт. Энергетическая освещенность, Ез„ (плотность потока излучения) — от- ношение потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения энергетической освещенности Вт/м^. Световой поток, Ф - поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн (наиболее чувствителен глаз при дневном ос- вещении к свету с длиной волны 555 нм). Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,б-10'^Вт (1 Вт = 217 лм). Освещенность, Е - отношение светового потока, падающего на поверх- ность, к площади этой поверхности. Измеряется в люксах (лк), где люкс - осве- щенность, при которой на 1 м^ поверхности равномерно распредепен световой поток в 1 люмен. Освещенность поверхности прямо пропорциональна световому потоку и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Тепловое излучение - электромагнитное излучение тела, обусловленное возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Чем ] ] выше температура тела, тем быстрее движутся атомы или молекулы. При столк- новении друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, которая затем превращается в световую. Люминесцентное излучение связано с переходом излучающих атомов, молекул и ионов в возбужденное состояние и последующим их возвращением в нормальное или менее возбужденное состояние, сопровождающееся испускани- ем света (избыточное над тепловым при той же температуре). Это излучение мо- жет быть вызвано бомбардировкой вещества электронами и другими заряжен- ными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещени- ем вещества, видимым светом, рентгеновским и гамма-излучением, а также не- которьпйи химическими реакциями в веществе. Вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами. Электрнческне источники света, их конструкции н параметры Электрические источники света по способу генерирования ими излучения делятся на температурные (лампы накаливания) и люминесцентные (люминес- центные и газоразрядные лампы). Принцип действия ламп накаливания основан на вышеописанном тепло- вом излучении. Лампа накаливания - электрический источник света с излучате- лем в виде накаливаемой током проволоки (нити) из тугоплавкого материала. Нить накала изготовляют из вольфрама, обладающего высокой температурой плавления и малой скоростью испарения при высоких температурах. Для пре- дотвращения окисления раскаленной нити лампы откачивают до 10"* - 10"^ мм рт. ст. (вакуумные лампы). Основные недостатки ламп накаливания: " низкий КПД (около 2 %), так как подавляющая часть потребляемой элек- троэнергии этими лампами преобразуется не в световую, а в тепловую энергию; • низкий срок службы, который в среднем составляет около 1000 часов, ог- раничиваемый сроком службы спирали, которая работает при больших температурах. Срок службы ламп накаливания снижается при их вибраци- ях, частых включениях и отключеньях, не вертикальном положении. Кроме того, свет ламп накаливания отличается от естественного преобла- данием лучей желто-красной части спектра, что искажает естественную расцвет- ку предметов. Несмотря на указанные недостатки, в настоящее время лампы накаливания все еще находят широкое распространение в связи с их простотой в эксплуата- ции, надежностью, компактностью и низкой стоимостью. Лампы накаливания могут быть вакуумными, газонаполненными и гало- генными. В газонаполненных лампах, заполняют инертным газом до давления, близкого к атмосферному, в составе газового заполнения колбы используются малотеплопроводные, инертные газы (аргон, криптон, ксенон) с примесью 5 ~ 15% азота. 12 Галогенные лампы являются разновидностью ламп накаливания, основное отличие которых заключается в повышенном сроке службы, как правило, до 2000 часов. Это достигается за счет того, что в состав газового заполнения колбы галогенной лампы накаливания добавляется йод, который при определенных ус- ловиях обеспечивает обратный перенос испарившихся частиц вольфрама спира- ли со стенок колбы лампы на тело накала. Люминесцентная лампа - искусственный источник света, основанный на двойном преобразовании'энергии — превращении электрической энергии в энергию ультрафиолетового излучения и ультрафиолетового излучения в види- мое свечение люминесцирующих веществ. По сравнению с лампами накалива- ния люминесцентная лампа обладают существенными преимуществами: в не- сколько раз большей экономичностью; резко улучшенными цветовыми свойст- вами и повышенным сроком службы. Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, наполнен- ную парами ртути и аргоном, с нанесенным на внутреннюю поверхность люми- несцирующих вещества. В оба конца трубки впаяны электроды в виде вольфра- мовых спиралей; они покрыты оксидной пастой (смесь окислов бария, стронция и кальция), облегчающей выход электронов. При работе на переменном токе электроды поочередно служат катодом и анодом и нагреваются разрядом. При этом работает лишь небольшая часть катода (катодное пятно). Излишний нагрев электродов в анодный полу период снижается приваренными к ножкам электро- дов никелевыми отростками, которые принимают на себя более половины раз- рядного тока. Давление ртутных паров благодаря наличию избытка жидкой ртути зави- сит от температуры стенок лампы. При нормальной температуре (40°С) оно со- ставляет окоЛо 10'^ мм рт. ст.; давление аргона около 4 мм рт. ст. Существенную роль в установлении нормальной температуры стенок играет внешняя темпера- тура которая должна быть 18—25°С. При низких внешних температурах люми- несцентная лампа нуждаются в теплоизоляции. Нормальная температура стенок лампы достигается через несколько минут после включения {время прогрева), и тогда только устанавливается стабильное значение светового потока. При работе люминесцентной лампы электрический ток в несколько деся- тых долей, проходит между электродами сквозь газовую среду, возбуждая свече- ние паров ртути. Аргон не возбуждается, но улучшает условия возбуждения па- ров ртути и замедляет разрушение электродов. Ртутные пары при низких давле- ниях и малом токе испускают главным образом ультрафиолетовое излучение. Видимое свечение люминофора возбуждается ультрафиолетовым излучением и составляет основную часть светового потока люминесцентной лампы. Его спек- тральный состав зависит от состава люминофора и может быть любым. В излу- чении люминесцентной лампы общего освещения значительно усилена желто- зеленая часть спектра, к которой особенно чувствителен человеческий глаз. В основных типах люминесцентных ламп применяется смесь обычно двух люми- нофоров: вольфрамита магния (голубое свечение) и цинк-берюший силиката (оранжевое свечение). В зависимости от типа люминофора и пропорции смеси изготовляются люминесцентной лампы дневного света, холодно-белого света, 13 белого света и тепло-белого света, а также солнечного света, дающие не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение, и специальные люминесцентные лампы, дающие ультрафиолетовое излучение. Экономичность источника света (лампы) оценивают световой отдачей - значением светового потока, приходящегося на единицу мощности лампы (лм/Вт). Светоотдача люминесцентной лампы в 34 раза выше, чем у ламп накали- вания и зависит от длины трубки и спектрального состава излучения. В нормаль- ных эксплуатационных условиях срок службы люминесцентной лампы около 3000 часов (в 3 раза больше, чем у ламп накаливания). Основные недостатки люминесцентной лампы: • величина светового потока периодически изменяется с частотой, равной уд- военной частоте питающего тока • появляющийся стробоскопический эффект • необходимость специального светильника • в результате старения люминофоров световой поток после 2000—2500ч горе- ния снижается ~ на 30%. Причинами, снижающими срок службы люминес- центной лампы, являются колебания напряжения в сети, питающей люминес- центные лампы, и большое число включений, при которых особенно разру- шаются электроды. Экспериментальная установка 3 CeTb220V — 0 Вариант-1 CeTb220V Вариант - 2 Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки 14 Экспериментальная установка (рис. 2.1) включает в себя: 1 - светильник с лампой (накаливания или люминесцентной, работающей с частотой от 12500- 35000 Гц); 2 - поворотный стол; 3 - ваттметр для измерения потребляемой лам- пами из сети электрической мощности; 4 - вьпслючатели; 5 - прибор для измере- ния освещенности люксметр. Порядок выполнения работы Вариант -1 1. Установить необходимый диапазон измерений люксметра. 2. Включить лампу накаливания. Люксметром 4 измерить величину освещен- ности в 5 точках на поверхности включенного светильника. 3. По ваттметру 2 определить величину мощности N, потребляемой лампой накаливания. 4. Выключить лампу накаливания. 5. Включить люминесцентную лампу и произвести для нее аналогичные из- мерения. 6. Измерить диаметр d и высоту h цилиндрического светильника и опреде- лить площадь его поверхность s = + n:dh , м^. ' 4 1. Полученные данные занести в табл. 2.1. 8. По результатам расчетов сделать вывод об экономичности рассмотренных источников света и целесообразности их использования. Вариант - 2 1. Установить необходимый диапазон измерений люксметра. 2. Установить поворотный стол по отметкам 0. 3. Направление тубус на штативе выставить на среднюю область лампы. 4. Включить лампу выключателем 3. Люксметром 4 измерить величину осве- щенности на поверхности включенного светильника при данном положении сто- ла. 5. Изменить положение светильника на поворотном столе по горизонтали на необходимый угол (45, 90, 120, 160°) и измерить величину освещенности при данных углах. 6. По ваттметру 2 определить величину мощности N, потребляемой лампой. 7. Выключить лампу. 8. После остывания лампы, заменить ее лампой другого типа. 9. Повторить измерения. Ю.Измерить диаметр d (м) и высоту h (м) цилиндрического светильника и оп- ределить его поверхность S = ^^^ + zdh , м .^ 4 11 .Полученные данные занести в табл. 2.1. 12. По результатам расчетов сделать вывод об экономичности рассмотренных источников света и целесообразности их использования. 15 Т а б л и ц а 2 . 1 Параметры Включенный электрический источник света лампа накали- вания люминесцентная лампа, частота 12000Гу люминес- центная лам- па, частота 35000 Гц Потребляемая мощность N, Вт Освещенность Я на поверхности светильника, в точках, лк 1 • 2 3 4 5 Расчетное значение освещенности Расчетное значение светового потока Ф = £ • -S ,лм Поток излучения Ф _ ,Вт "" 217 1СПД источника света TJ = - ^ - Ю О % N Плотность потока излучения (энергети- ческая освещенность) Е^^ = ^ M L , Вт/м^ S Светоотдача источника света, Ф С= —,лм/Вт N Контрольные вопросы по лабораторной работе № 2 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Что собой представляет свет? 3. Поток излучения, единицы измерения. 4. Плотность потока излучения (энергетическая освещенность), единицы из- мерения. 5. 6. сти. 7. 8. 9. 16 Световой поток, единицы измерения. Освещенность, единицы измерения. Приборы для измерения освещенно- От каких величин зависит освещенность? Тепловое излучение. От какого вида источников оно получается? Люминесцентное излучение. От какого вида источников оно получается? 10. Основные виды электрических источников света. 11. .Принцип действия ламп накаливания. Основные недостатки и достоинства ламп накаливания. 12. Конструкция и принцип действия люминесцентной лампы. 13. С помощью каких характеристик можно сравнивать эффективность раз- личных источников света? 14. КПД источников света! 15. Почему лампы накаливания менее эффективны по сравнению с люминес- центными лампами? 16. Какой источник света является наиболее экономичным и целесообразным для использования и почему? 17. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 18. Порядок выполнения работы. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3 ЮУЧЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ЖИД- КОСТЕЙ И ГАЗОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ Цель работы: экспериментальное определение потерь энергии на транс- портирование жидкостей и газов по сложному трубопроводу, включающему в себя магистральный трубопровод и участки с резким изменением геометрии по- тока. Общие сведения Транспортирование текучих сред (жидкостей и газов) по трубопроводам осуществляется с помощью нагнетательных устройств (насосов, вентиляторов и т.п.). Для того чтобы перемещать текучую среду, нагнетательное устройство должно затрачивать некоторую энергию. Оказывается, эта энергия зависит не только от физических свойств текучей среды, но и от характеристик трубопро- водной системы. Эксплуатационные расходы энергии на транспортирование можно существенно сократить за счет выбора оптимальной геометрии трубо- проводной системы, что может быть реализовано только после изучения основ- ных закономерностей течения жидкостей и газов по трубопроводам. Поток жидкости либо газа можно характеризовать объемным расходом Q (мУс) и средней по сечению трубы скоростью v (м/с). Расход является одной из основных характеристик потоков жидкости либо газа. Расходом называется ко- личество жидкости или газа, которое перемещается через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Объемный расход и скорость, связаны между собой соотношением e = vS, (3.1) где 5 - площадь поперечного сечения тргвы. т£ U7 При движении реальных жидкостей и газов часть механической энергии движения необратимо превращается в тепловую. Эта часть энергии называется потерей энергии АЕ. Потери энергии обусловлены существованием сил вязкого трения в жидкостях и газах, т.е. вязкости. С потерями энергии связаны потери давления, которые находим как и потери напора, которые определяются как где р - плотность жидкости либо газа, кг/м'; g - ускорение свободного падения, м/с^ Потери давления измеряются в Па, потери напора в м. Существование сил вязкости приводит к затратам энергии на перемещение текучих сред. Часть мощности, затрачиваемая нагнетательным устройством на транспортирование по трубопроводу текучих сред с расходом Q, определяется выражением лг = Др„„„0 ,Вт. Гидравлические потери давления (напора) обычно делят на два вида. Пер- вый вид представляет собой потери давления на трение lSp„p при стабилизиро- ванном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распре- деляются по всей длине трубы. Потери второго вида (Др^) сосредоточены на сравнительно коротких участках трубопроводов и вызываются местными изме- нениями конфигурации канала. Эти сопротивления называются местными. Примерами местных сопротивлений могут служить участки резкого расширения и сужения трубопровода, места слияния и разделения потоков, различного рода трубопроводная аппаратура (вентили, клапаны, задвижки, дроссели и т.п.). Ха- рактерной особенностью движения жидкости через местные сопротивления яв- ляется образование вихрей в потоке, что вызывает значительные потери энергии (давления, напора). Таким образом, полные потери давления и напора определяются выраже- ниями: Потери напора по длине для случая установившегося движения жидкости по трубопроводу круглого сечения определяются по формуле Дарси-Вейсбаха: I V^ ^ где Я - коэффициент гидравлического трения (коэффициент потерь напора по длине); I - длина рассматриваемого участка трубы, м; d - диаметр трубопровода, м; V - средняя скорость движения жидкости, м/с. 18 Из формулы Дарси-Вейсбаха видно, что величина потерь напора на гид- равлическое трение по длине возрастает с увеличением скорости потока и длины трубы и уменьшается с увеличением диаметра трубопровода. Местные потери напора определяются по формуле где С, - коэффициент местного содротивления. Коэффициент гидравлического трения X зависит от режима течения жид- кости и шероховатости трубы. Эта зависимость называется законом сопротив- ления. Коэффициент местного сопротивления С также зависит от режима течения и от вида и конструктивного исполнения местного сопротивления. Сравнительный анализ различных гидравлических сопротивлений показы- вает, что потери энергии значительно возрастают при резком изменении диамет- ра трубы, при резких поворотах и т.п. Значения коэффициентов сопротивления, как правило, определяются опытным путем и в обобщенном виде содержатся в справочниках в виде эмпи- рических формул, таблиц, фафиков. В приложении к'работе приведены некото- рые данные по гидравлическим сопротивлениям. Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по сложным трубопроводам: • использование труб с гладкой внутренней поверхностью; • обеспечение плавных поворотов потока; • устройство более плавного изменения поперечного сечения потока жидко- сти; • устройство плавных входов и выходов из труб; • разогрев при перекачивании высоковязких жидкостей; • введение полимерных добавок в поток жидкости. Экспериментальная установка Схема установки приведена на рис. 3.1. Вода из напорного бака 1 проходит последовательно через входной вентиль 2, магистральный трубопровод 3, участ- ки трубопровода с резким 4 и плавным 5 поворотами, резким расширением 6 и резким сужением 7, диафрагму 8 и сливается в бак 10. Расход воды регулируется вентилем 9 и определяется по перепаду давления на диафрагме 8 с помощью та- рировочного графика. Уровень в баке 1 поддерживается постоянным, с помощью насоса 11. Пьезометрический напор в жидкости на различных участках трубопровода определяется по показаниям пьезометрических трубок h\ - Аш, выведенных на общий щит и установленных на исследуемых участках трубопровода. 19 Л4 Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки. Диаметр магистрального участка трубопровода 1,6-10""^ м; плотность воды - 1000 кг/м^ Порадок выполнения работы 1. Включить насос 11 и заполнить напорный бак 1. 2. Открыть вентиль 2 полностью и с помощью вентиля 9 установить задан- ное значение расхода воды. Величина расхода Q (м^/с) определяется по разности A/?9.IO показаний пьезометров hg и кю (Ак^^ю Аю) и тарировочному графику. 3. При данном значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1. 4. Изменить расход жидкости и при каждом значении расхода снять пока- зания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1. После выполнения ра- боты закрыть вентили 2 и 9 и отключить насос. Т а б л и ц а 3.1 Ns опыта Показания пьезомет ров Ли мм мм Аз, мм ы, мм А5, мм h, мм hi, мм мм мм h\o, мм 1 2 3 Обработка экспериментальных данных 1. Определить потери напора на отдельных участках трубопровода, напри- мер, AAI,2 = й, - Аг. Данные занести в табл. 3.2. 2. По перепаду напора на диаграмме Ад^ю = Ар - Лю с помощью тарировоч- ной кривой (Приложение I) определить расход воды для всех 7 опытов. Данные занести в табл. 3.2. 3. Определить среднюю скорость воды в трубопроводе V='4Q/mf,ulc, (3.3) 20 где d - диаметр магистрального участка трубопровода и с/ = 1,6-10"^ м; 4. Для каждого значения скорости потока вычислить потери напора по длине Лйпот. например, ЛЛг.з = йг - /гз и на отдельных участках трубопровода (ме- стных сопротивлениях) в соответствии с табл. 3.2. Таблица 3 .2 № опьп-а 1 2 3 Объемный расход е . м ' / с Средняя скорость К м/с > Входной вентиль ДЛ1.2, м AFJ^.BT Магистральный трубопровод ДЛ23, м iVj.,, Вт Резкий поворот на 90° АЛЗ.4, М ЛГз.4,Вт Плавный поворот на 90° ДА4,5, М IV4 5 , B T Резкое расширение М Резкое сужение ДА7.8, м Диафрагма ДА9.10. М Л^ 9.10. Вт 5. Мощность, затрачиваемая на преодоление каждого из гидравлических сопротивлений, определяется по формуле N = pgAh„,„Q, (3.4) где р - плотность воды 1000 кг/м^ g ~ ускорение свободного падения 9,8 м/с; Д п^от - потери напора по длине на данном участке трубопровода; Q - объемный расход, м'/с; 6. Провести сравнительный анализ потерь энергии на каждом из участков сложного трубопровода. Обратить внимание на влияние скорости течения на по- тери энергии. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 3 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 3. Какие величины характеризуют поток жидкости или газа? 4. Какие устройства используются для перекачивания жидкостей и газов? 5. Расход жидкости. Единицы измерения объемного расхода. Зависимость объ- емного расхода от скорости. 21 6. Чем обусловлены потери энергии при транспортировании жидкостей в трубо- проводах? 7. Виды гидравлических потерь. 8. Виды местных сопротивлений. 9. Как определить мощность, затрачиваемую на транспортирование текучих сред по трубопроводу? 10. Как зависят потери энергии от скорости потока, длины и диаметра трубо- провода? Влияние качества поверхности труб, их геометрии на потери энергии. 11. Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жид- костей и газов. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 4 ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА Цель работы: Изучение цикла теплового насоса. Определение отопитель- ного коэффициента цикла s. Определение количества низкопотенциальной теп- лоты 02, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты Qi, передаваемой н систему отопления помещения. Общие сведения Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса. Тепловой насос - установка, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме теплоты, от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения. Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на еди- ницу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1-2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива. Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что те- пловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло ес- тественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 °С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения. Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют тради- ционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топ- лива. Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых стра- нах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15-18 млн. тепловых насосов различной мощности - от нескольких киловатт до 22 сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насо- сами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74 крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принци- пе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, распо- ложенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 °С, охлаждая ее до 2 °С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного. Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение хо- лодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий. Введем следующие обозначения: 42 - удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг (низко потенциальная теплота); Ч\ - удельная теплота (теплота, хфиходящаяся на единицу массы), переда- ваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему отопления помещения); ц^икла - удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг. Можно записать (4.1) ^ = (4.2) чккяа где е - коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла. Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса. Рабочий цикл теплового насоса представлен на рис. 4.1. 23 Система отопления Испаритель Рис. 4.1. Рабочий цикл теплового насоса Низко потенциальная теплота Q^ , поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источ- ником низко потенциальной теплоты могут быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения - углекислота, аммиак, фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Qt к жидкому хла- дагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и темпе- ратуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа /цикла- Нагретые пары хладагента поступа- ют в ковденсатор, где отдают свое тепло Qi в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоян- ном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до темпера- туры низко потенциального источника. Цикл замыкается. 24 Экспериментальная установка Pi Р2 j — ^ ш К Рз - г 8 9 \к ш lo- ll 02 Рис. 4.2. Схема экспериментальной установки Экспериментальная установка включает в себя: 1 - компрессор; 2 - кон- денсатор; 3 - дроссельный вентиль; 4 - испаритель; 5 - электродвигатель; 6 - манометры; 7 - хромель-копелевые термопары; 8 - переключатель термопар; 9 - милливольтметр; 10-барометр; 11 - термометр. Порядок выполнения работы 1. Включить установку в сеть. 2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о котором свидетельствует неизменность показаний манометров. 3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за дрос- сельным вентилем перед испарителем. Результаты занести в табл. 4.1. 4. С помощью барометра измерить атмосферное давление барометром В , Па. Результаты занести в табл. 4.1. 5. Измерить температуру окружающей среды термометром / ос,°С. Резуль- таты занести в табл. 4.1. 6. При помощи термопар и милливольтметра измеррпъ температуры в кон- денсаторе и испарителе в милливольтах и, пользуясь градуировочной таблицей (Приложение 2), перевести их в градусы Цельсия с учетом поправки на холод- ный спай термопар (к табличному значению температуры в °С прибавить темпе- ратуру окружающей среды). Результаты занести в табл. 4.1. 7. Выключить установку из сети. 25 Т а б л и ц а 4 . 1 ати Р 2маИ1 ати в. Па Р„ МПа Рг, МПа tu мВ '2, мВ ^ Oct "С 1и "С ti. Рассмотренный цикл теплового насоса в Т, «-диаграмме выглядит сле- дующим образом (рис. 4.3). Координаты Т - абсолютная температура, К; S = dq/T ~ удельная энтропия - термодинамический параметр состояния, кДж/(кг-К). T ' f К Область влажного насыщенного пара .2 , Линия сухого насыщенного пара S'(T,) S,=S,=S"(T2) Рис. 4.3. Цикл теплового насоса: 1-2 - адиабатное сжатие хладагента в компрессоре; 2-3 - отвод теплоты из конденсатора в систему отопления помещения (Р2 = const, ta = const); 3.4 - дросселирование; 4-1 - подвод низкопотенциальной теплоты из окружающей среды к испарителю (Pi = const, ti = const). В таблице термодинамических свойств хладагента (фреона-12) (Приложе- ние 3) параметры на линии кипения (нижней пограничной кривой) обозначены параметрами с одним штрихом; на линии сухого насыщенного пара (верхней по- граничной кривой) - с двумя штрихами. Между линиями кипения и сухого на- сьпценного пара находится область влажного насыщенного пара. Степень сухости влажного насыщенного пара (х) - отношение массы сухого насыщенного пара к массе влажного насыщенного пара. Значение х изме- няется от О (кипящая жидкость) до 1 (сухой насыщенный пар). По полученным значениям температур ti и (2 заполняется табл. 4.2. 26 Таблица 4.2 Параметры Температура - h к Д ж / к г h'J, кДж/кг iкДж/(кг-К) 5",кДж/(кг-К) t2 Величина h - удельная энтальпия, s - удельная энтропия - термодинамиче- ские параметры состояния. Методика расчета Манометры измеряют избыточное давление (давление, превышающее ат- мосферное). Абсолютное давление - сумма манометрического (избыточного) и барометрического (атмосферного) давления. Для определения абсолютного дав- ления воспользуемся формулой где В — атмосферное давление, измеренное барометром. Па. Соответственно Р \ -10 Па; Па. (1 МПа = 10^ Па.) Определив температуры ti и t2, °С, и давления Pi и Рг, воспользуемся таб- лицей теплофизических свойств фреона-12 (Приложение 2). Из рис. 4.3 видно, что точка 2 лежит на линии сухого насыщенного пара: Й2 = Й"{,2),, КДЖ/КГ; •S2 =S"{<2), кДж/(кг'К). Точка 3 лежит на линии кипения: hi =/| '(,2), кДж/кг; «3 = ^'(/2),кДж/(кг-К). Процесс 3—4 — дросселирование, h — const, следовательно й 4 = й 3, кДж/кг. Для того, чтобы найти параметры в точке 1, надо вначале найти степень сухости в этой точке. Это можно сделать исходя из J 1 = f 2, кДж/(кг-К); 27 * 1 —7, Значение xi находится в пределах 0,9+1 (для проверки). Тогда h\ =А"(м) -^i лс1),кДж/кг. Удельное количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему ото- пления помещения: 9 , = й 2 - Л 3. кДж/кг. Удельное количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окру- жающей среды к испарителю: qr 2 = Л 1 - ^ 4, кДж/кг. Удельная работа цикла /ци,сла = 91 - ^ 2 = Й2-АьКДж/кГ. В процессе дросселирования работа не производится, поэтому работа цик- ла равна работе компрессора. Мощность компрессора N = 0,2 кВт. Расход хладагента G кг/с, где N - кВт; / „ .^а - кДж/кг. Количество теплоты, отдаваемое конденсатором в систему отопления по- мещения: Qx=q\- G, кВт. Количество низкопотенциальной теплоты, подведенное из окружающей среды к испарителю: Q i = q 2 G, кВт. Отопительный коэффициент £• = '^1//цикла- Значение отопительного коэффициента должно быть больше единицы, что показывает, что в систему отопления помещения отдано теплоты больше, чем за- трачено работы, в е раз за счет использования низкопотенциальной теплоты на- ружного воздуха. Это следует отразить в выводах. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 4 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Для чего нужны тепловые насосы, область их применения? 3. Устройство и принцип работы теплового насоса. 4. Источники низко потенциальной теплоты. 5. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепловых на- сосах? 28 6. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее? 7. Могут ли использоваться для теплоснабжения низко потенциальные ис- точники теплоты напрямую без специальных устройств? 8. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теплового насоса? Если да, то почему? 9. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холодного ис- точника к горячему или наоборот)? 10. Что происходит при испарении хладагента (выделение или поглощение те- пловой энергаи)? 11. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)? 12. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса? Порядок его величины. 13. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в тегшовом насосе? 14. В какой части установки осуществляется подвод энергии? 15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 16. Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, единицы из- мерения. 17. С помощью каких приборов проводились измерения? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА Цель работы: определение эффективности водо-водяного рекуперативно- го теплообменника, экспериментальное нахождение коэффициента теплопереда- чи, сравнение прямотока и противотока. Общие сведения Теплопередача или теплообмен - учение о самопроизвольных, необрати- мых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распро- странения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осу- ществляется гремя основными способами; теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассмат- риваемом пространстве. Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или от- дельных тел, имеющих разные температуры. Тешюпроводность обусловлена 29 движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется пу- тем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах, диэлектриках - путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется пу- тем диффузии свободных электронов, а роль упр)лгих колебаний кристалличе- ской решетки здесь второстепенна. Конвекция - процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидко- сти или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Тепловое излучение - гфоцесс расхфостранения теплоты с помощью элек- тромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свой- ствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энер- гию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется те- плообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распро- странения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - часто происходят совместно. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совмест- ный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью назьшается конвективным теплообменом. Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению, - экономия и рациональное исполь- зование топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное исполь- зование теплоиспользующего оборудования. Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА). Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тешюты от одной среды к другой. По принципу действия теплооб- менные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Ре/д/перативные теплообменные аппараты представляют собой устрой- ства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространст- ве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Регенеративные теплообменные аппараты - это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Снача- ла поверхность регенератора отбирает тепло от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким об- разом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных усло- виях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты работают большей ча- стью в стационарном режиме. 30 в смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществ- ляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидко- стей. Характер изменения температур рабочих сред по поверхности рекупера- тивного теплообменного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее про- стыми схемами движения являются: прямоток (рис. 5.1, а), противоток (рис. 5.1, б) и перекрестный ток (рис. 5.1, в). Существуют аппараты и с более сложными схемами движения теплоносителя. fbix^ 1 1 Рис. 5.1. Схемы движения рабочих сред От того, какая схема движения сред применена, во многом зависит эффек- тивность теплообменного аппарата. Расчет ТА, работающих в стащюнарном режиме, ведется на основе двух уравнений - теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса означает равенство количества тепла, отдаваемого горячим теплоносителем ( G r o p ) , сумме количеств тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем, (бхол) и потерь в окружающую среду Q c^- е1ч,р=ехол + (2ос. Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, имеем Qr„p = Qxon = Q) или Q - Grop • Cp гор • ДГ гор - Gk Ср ХОЛ • (5.1) здесь Grop, Gxon - соответственно массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; •С>гор, С>хол - средние изобарные удельные теплоемкости горячей и холодной воды; •С/7гор=07хол = 4187 Дж/(кг-К); ДГгор и ДГ^ ол - изменения температур горя- чей и холодной воды. ДГхол = Ухе ' - Г х , Уравнение теплопередачи определяет количество теплоты Q, передаваемой через заданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры греющего I гор и нагреваемого 1 хол теплоносителей [1]; где К - коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м^-К); F - площадь поверхности теплообменника, м^. 31 Следовательно К - к о э ф ф и ц и е н т теплопередачи равен; = ( V + Т'^рП/г; Гхол= {Т^оГ + . (5.3 ) Коэффициент теплопередачи, К характеризует интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус. Термодинамическая эффективность теплообменника - это отношение количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству теп- лоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теп- лообмена с теми же параметрами на входе. Эффективность теплообменника оп- ределяется по формуле грвых грвх p-±jm iitat / г-I \ Г®^ _ Г®^ • ( 5-4 ) 'гор 'хол Сравнение прямотока с противотоком Преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой опреде- ляются из сравнения количества теплоты, передаваемой при равных условиях, и коэффициентов теплопередачи. Во всех случаях при прямотоке передается меньшее количество теплоты, т.е. противоток более экономичен по сравнению с прямотоком. Экспериментальная установка Установка (рис. 5.2) представляет собой поверхностный теплообменник 1, выполненный из двух труб, размещенных одна внутри другой. По внутренней трубе протекает горячая вода (греющий теплоноситель). По наружной - холод- ная (нагреваемый теплоноситель). Для определения температур горячей воды на входе и выходе из теплооб- менника установлены термопары 3; холодной воды - термометры 2. ЭДС термо- пар регистрируется милливольтметром 5, подключенным через переключатель термопар 4. Расход горячего теплоносителя из термостата 8, протекающего через теп- лообменник, измеряется с помощью ротаметра 6. Регулирование расхода тепло- носителя осуществляется вентилям 7. Переключение схемы с прямоточной, на противоточную производится преподавателем. 32 j I e канализацию холодная вода Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы Установка включается по прямоточной схеме. Открываются вентили, и в теплообменник при предельных расходах подается горячая и холодная вода. При достижении стационарного теплового режима, о наступлении которого судят по установившимся показаниям милливольтметра 5, приступают к измерению тем- ператур и расходов теплоносителей. С этой целью через равные промежутки времени (3-5 минут) снимаются показания милливольтметра, термопар и рота- метра. Затем вентиль установка включается по схеме «противотою> и опыт по- вторяется в той же последовательности, что и при прямотоке. Результаты измерений вносятся в табл. 5.1. Таблица 5.1 Схема под- ключения № п/п гр вх ^ гор S мВ 2гор- В Г..С., гр ВХ гор > "С Ггор- гр вх •'хол » -с Тхол- . « х о с я, мм G r o p , кг/с Прямоток 1 2 3 Сред. знач. Противоток 1 2 3 Сред. знач. Обработка экспериментальных данных 1. Определить средние значения параметров для каждого режима (пря- мотока и противотока). Температура горячего теплоносителя определяется по градуировочной таблице (Приложение 2) плюс температура холодных спаев термопар (поправка на холодный спай). 33 2. Расход горячего теплоносителя по тарировочиой (Приложение 4) кривой определяется по показаниям ротаметра. 3. Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя к друго- му, определяется из выражения (5.1). 4. Средние температуры теплоносителей определяются по формуле (5.3) и из формулы (5.2) определяется коэффициент теплопередачи К при раз- личных схемах движения теплоносителя. 5. Эффективность аппарата находится по формуле (5.4). 6. Полученные в эксперименте, численные значения количества тепла воспринятые холодным теплоносителем, коэффициенты теплопередачи и термо- динамической эффективности теплообменника, необходимо сравнить для прямо- точной и противоточной схем. Сделать вывод о целесообразности применения, схемы движения рабочих сред в рекуперативном теплообменнике. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 5 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Что такое теплообмен? 3. В каких случаях возникает теплообмен? 4. Основные способы переноса теплоТы и их особенности. 5. Что называется теплообменным аппаратом? Виды теплообменных аппара- тов 6. Что такое рекуперативный теплообменник? 7. Что такое теплоноситель? 8. Назвать основные схемы движения теплоносителей. 9. Как определить количество теплоты, передаваемое при теплопередаче? 10. Единицы измерения количества теплоты. 11. Что такое коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы изме- рения? 12. От чего зависит коэффициент теплопередачи рекуперативного теплооб- менника? 13. Как определить термодинамическую эффективность теплообменника? 14. Как определить преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой? 15. При какой схеме движении теплоносителей можно нагреть воду в тепло- обменнике до более высокой температуры? 16. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 17. Какими приборами измеряется температура и расход теплоносителей в лабораторной установке. 34 Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 6 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ (сравнительное исследование тепловой трубы) Цель работы: определение и сравнение коэффициентов эффективной теп- лопроводности тепловой трубы и медного стержня. Общие сведения Теплопередача или теплообмен - учение о самопроизвольных, необрати- мых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распро- странения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осу- ществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и те- пловым излучением. Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассмат- риваемом пространстве. Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или от- дельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется пу- тем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах-диэлектриках - путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется пу- тем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристалличе- ской решетки здесь второстепенна. Конвекция - процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидко- сти или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью элек- тромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свой- ствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энер- гию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется те- плообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распро- странения теплоты (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) часто происходят совместно. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совмест- ный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. 35 Коэффициент теплопроводности X численно равен количеству теплоты (Q), передаваемой механизмом теплопроводности через единицу площади (F) в единицу времени (Ат) при градиенте температуры, равном единице; О ^ (6.1) F Ат gradt В соответствии со своим определением коэффициент теплопроводности имеет размерность Дж м/м^ с К=Вт/м К Градиент температуры (ЬСм) - вектор, направленный по нормали к изо- термической поверхности (поверхности с одинаковыми температурами) в сторо- ну возрастания температуры й численно равный производной от температуры по этому направлению: = . (6.2) on Градиент температуры характеризует изменение температуры в опреде- ленном направлении. и Рис. 6.1. Направление вектора градиента температур Коэффициент теплопроводности является одной из важнейших теплофи- зических характеристик вещества и наибольшие значения имеет у металлов, а среди них у серебра, меди, золота, алюминия. В связи с этим одним из самых распространенных конструкционных материалов в теплоэнергетических устрой- ствах является медь (X„„„ « 390 Вт/(м-К)). Из формулы (6.1) видно, что чем больше коэффициенты теплопроводно- сти, тем меньшие перепады температуры требуются для передачи одного и того же количества теплоты. Или, другими словами, чем больше эти коэффициенты, тем большее количество теплоты передается при всех прочих равных условиях, то есть теплопередающее устройство работает более эффективно. Эффективное решение проблем теплообмена в значительной мере обеспе- чивает и общую эффективность теплоэнергетических систем и установок. Одним из таких решений часто является использование оригинальных теплопередаю- щих устройств, назьшаемых тепловыми трубами. Впервые идея тепловой трубы была предложена американским инженером Гоглером в 1942 г. Но только в начале 1960-х годов, после того как другой аме- риканский ученый Гровер независимо от Гоглера вновь изобрел и в 1963 году запатентовал ее, тепловые трубы получили интенсивное развитие. К настоящему 36 времени созданы тысячи модификаций тепловых труб с различными функциями и широко применяемых. Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высо- кой теплопередающей способностью. Если характеризовать ее эквивалентным коэффициентом теплопроводности, то он оказывается в сотни раз больше, чем у меди. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд (чаще всего цилиндрическую трубу), заполненный жидкостью-теплоносителем. Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепло- вой трубе осуществляется конвективный перенос тепла, сопровождаемый фазо- выми переходами (испарением и конденсацией) жидкости-теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипа- ет и превращается в пар (испаряется). При этом она поглощает большое количе- ство теплоты (теплота парообразования), которое переносится паром к другому более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Например, при нагреве воды от О °С до 100 °С (температуры кипения) к ней требуется подвести количество теплоты равное •ЛГ = 4,187-100 = 418,7 кДж/кг. Для того, чтобы превратить кипящую жидкость в пар той же температуры, надо подвести , еще теплоту парообразова- ния, равную 22578,2 кДж/кг, т.е. в 5,4 раза больше. Далее сконденсированная, жидкость опять возвращается в зону испарения. Этот возврат может осуществляться разными способами. Самый простой из них заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жид- кость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой •1рубы называется термосифоном. Естественно, эффективность работы термосифона зависит от его ориентации относительно направления силы тяже- сти. Для исключения этого недостатка в наиболее распространенных типах те- пловых труб для возврата жидкости в зону испарения используются капилляр- ные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располага- ют слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), основное назначение которо- го ~ распределение жидкости на поверхности теплообмена в виде тонкой пленки и поддержание этой пленки с помощью капиллярных сил в широком диапазоне тепловых нагрузок, по которому под действием капиллярных сил и термодиффу- зии происходит обратное движение жидкости. Такая тепловая труба называется тепловой трубой с фитилем. Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем изображена на рис. 6.2. Основными преимуществами таких тепловых труб являются: высокая эф- фективность теплообмена, автономность работы, малый вес и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, вы- сокая изо гермичность поверхности трубы. Тепловая труба может иметь различные формы и габариты. Внутренний диаметр груб составляет от нескольких миллиметров до десятка сантиметров, 37 длина - до нескольких метров. Для изготовления корпусов и капиллярных струк- тур (фитилей) используются стекло, керамика, различные металлы и сплавы. Е Ж ! зона подвода тепла (иопаранив) зона отвода тепла (гандвисация) Рис. 6.2. Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем: i - корпус, 2 - капиллярно-пористый слой (фитиль); => - направление движения пара (направление переноса теплоты); <— направление движения жидкости (конденсата) Тепловая труба может иметь различные формы и габариты. Внутренний диаметр труб имеет значение от нескольких миллиметров до десятка сантимет- ров, длина - до нескольких метров. Для изготовления корпусов и капиллярных структур (фитилей) используется стекло, керамика, различные металлы и спла- вы. В настоящее время существует несколько десятков различных конструк- ций тепловых труб, которые классифицируются по следующим параметрам: а) по температурному диапазону: • криогенные тепловые трубы Т < 200 К, • низкотемпературные тепловые трубы Т= 200 -г 550 К; • тепловые трубы умеренного диапазона Г= 550 -f- 750 К; • высокотемпературные тепловые трубы Т> 750 К; б) по виду теплоносителей различают металлические (натрий, калий, це- зий, серебро, ртуть и т.д. и неметаллические теплоносители (вода, аммиак, аце- тон, фреоны, спирты, четыреххлористый углерод, бензины, а также криогенные жидкости, высокотемпературные органические теплоносители - дефинил, дау- терм, сера с добавками галогенов, расплавы солей, азотный тетраксид, смеси жидкостей и твердых частиц; в) по параметрам, характеризующим работу тепловых труб: термическому сопротивлению, плотностью теплового потока через поперечное сечение трубы, плотность радиального теплового потока, диапазона рабочих температур. Наиболее характерными областями применения тепловых труб являются энергетика, электроника, машиностроение, химическая промышленность, сель- ское хозяйство. Широкое применение находят тепловые трубы при обеспечении 38 тепловых режимов космических аппаратов, для охлаждения электронных прибо- ров и систем, создания регенеративных теплообменников. Экспериментальная установка Основными элементами лабораторной установки (рис. 6.3) являются укре- пленные на штативах тепловая труба (1) и медный стержень (2) одинаковой дли- ны I и диаметра d. На нижних концах трубы и стержня установлены электриче- ские нагреватели (3) (для подвода теплоты в зоне испарения) одинаковой мощ- ности, на которые подается электрическое напряжение от блока питания (4). По- даваемая на нагреватели тепловая мощность N измеряется вольтметром (С/) и амперметром ( / ) и определяется N = I • U. Верхние концы тепловой трубы и стержня находятся в холодильнике (5) и охлаждаются проточной водопроводной водой (для отвода теплоты в зоне конденсации). По длине трубы и стержня уста- новлены по три термопары (6) (две по концам и одна в центре), определяющие температуры в соответствующих точках. Показания термопар через коммутаци- онные устройства (7) регистрируются измерителем малых ЭДС - самопишущим потенциометром КСП-4 (8). - 2 2 0 V. -220 V „7 VVs/V 3 ^ ^ ? r s s s s i г g 3,6 V Вода Вода Рис. б.З. Схема лабораторной установки: 1 - тепловая труба; 2 - медный стержень; 3 - электрический нагреватель; 4 - блок питания; 5 - холодильник; 6 - датчики температуры (термопары); 7 - коммутатор; 8 - самопишущий потенциометр КПС - 4) Порядок выполнения работы 1 .Открыть кран системы охлаждения тепловой трубы и медного стержня. 2.Включить блок питания электрических нагревателей тепловой трубы и медного стержня и зафиксировать показания вольтметра и амперметра. Охфеде- лив общую мощность N и разделив ее пополам, получить мощность каждого из нагревателей тепловой трубы и медного стержня и занести эти данные в табл. 6 .1 . 3.Включить питание потенциометра КСП-4. 39 Поочередно опрашивая все шесть термопар, установленных в тепловой трубе и медном стержне, потенциометр начнет печатать на бумажной ленте со- ответствующие значения температур через определенные промежутки времени. Показания каждой термопары пропечатываются цифрами, соответствующими номеру термопары. По мере прогрева тепловой трубы и медного стержня будет наблюдаться рост температуры в каждой точке с постепенным выходом на по- стоянное значение (стационарный режим). Стационарным считают режим, при котором значение определяемой величины не изменяются с течением времени (при этом показания каждой из термопар в соседних по времени точках будут отличаться менее чем на 10 %). Обратить внимание на то, что выход тепловой трубы на стационарный ре- жим осуществляется гораздо быстрее, чем медного стержня. 4.Через каждые 2 минуты до выхода на стационарный режим снимать по- казания потенциометра и заносить их в табл. 6.1. Таблица 6.1 Мощность нагревате- ля, Вт Тепловая труба Медный стержень Г 2 Л1.С 2 Номера термопар 1 1 2 i 3 4 i 5 1 6 т, мин. Показания термопар, °С 0 2 4 6 8 10 12 X, Вт/(м-К) Обработка экспериментальных данных При обработке экспериментальных данных считать, что вся потребляемая нагревателями электрическая мощность W превращается в тепловую и полно- стью передается через тепловую трубу и медный стержень. (При этом пренебре- гают потерями теплоты через их боковые теплоизолированные поверхности). Тогда количество теплоты, передаваемое через поперечное сечение тепловой трубы и медного стержня в единицу времени, равно мощности нагревателей. С учетом этого, формулы (6.1), (6.2) для вычисления коэффициентов теп- лопроводности примут вид W (6.3) F-gradt где grad t = ~r. L/ (6.4) 40 1. Используя экспериментальные данные стационарного режима, вычис- лить по этим формулам коэффициент теплопроводности А, для тепловой трубы и медного стержня и занести их в табл. 6.1. Убедиться в том, что значения этих ко- эффициентов у тепловой трубы значительно выше, чем у медного стержня. 2. Построить график зависимости температуры тепловой трубы и медного стержня во времени (по показаниям средних термопар - № 2 и 5). Убедиться, что п епловая труба значительно быстрее выходит на стационарный режим работы. 3. Построить график распределения температур по длине тепловой трубы и медного стержня по показаниям всех термопар в стационарном режиме. Убе- диться в том, что распределение температуры вдоль тепловой фубы более рав- номерно, чем вдоль медного стержня. ПРИМЕЧАНИЯ: 1. Вычисленный коэффициент теплопроводности для тепловой трубы име- ет некоторое эффективное значение, поскольку основным механизмом переноса теплоты в нем является не теплопроводность, а конвекция. Тем не менее, срав- нение этой величины с теплопроводностью медного стержня дает их сравни- тельную характеристику в пользу тепловой трубы. 2. В качестве перепада температур At для вычислений использовать раз- ность показаний в стационарном режиме крайних термопар (1 и 3 для тепловой трубы и термопар 4 и 6 для медного стержня). 3. Площади F поперечного сечения тепловой трубы и медного стержня определяются по их диаметрам, диаметр тепловой трубы d = мм, длина L = 2.50 мм, диаметр стержня d = 12 мм, длина L = 250 мм. F = TuflA м .^ Контрольные вопросы по лабораторной работе № 6 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Что такое теплообмен? 3. Основные способы переноса теплоты и их особенности. 4. Что такое коэффициент теплопроводности: физический смысл, единицы измерения. 5. Градиент температуры, его физический смысл. 6. Описать устройство и принцип действия тепловых труб. 7. Чем обусловлена высокая эффективность переноса теплоты тепловой тру- бой? 8. В какой части трубы происходит поглощение теплоты? 9. Что происходит в зоне испарения тепловой трубы? Что происходит в зоне конденсации? 10. Как осуществляется возврат сконденсированной жидкости в зону испаре- ния? 11. Основные преимущества тепловых труб с фитилем. 12. Требуются ли затраты энергии (подвод электроэнергии) на перенос тепло- ты тепловой трубой? ^^ 13. Какие вещества используются в качестве жидкости-теплоносителя для те- пловых труб? 14. Перечислить области применения тепловых труб. 15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 16. Какое устройство (тепловая труба или медный стержень) быстрее выходит на стационарный режим и имеет более равномерное распределение температур по длине? Почему? 17. Сравнить коэффициенты теплопроводности для тепловой трубы и медного стержня. 18. Какое устройство обеспечивает перенос одинакового количества тепла при минимальной разности температур: тепловая труба или медный стержень? По- чему? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 7 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА Б ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Цель работы: изучение принципа преобразования энергии ветра в элек- трическую энергию, устройства ветроколеса и определение коэффициента мощ- ности ветроэнергетической установки. Общие сведения Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является преобразо- ванной в механическую энергией Солнца. Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками. Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в во- дяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть су- ществующих ветроустановок построена в конце 1970-х - начале 1980-х гг. на со- временном техническом уровне при широком использовании последних дости- жений аэродинамики, механики, микроэлектроники для ко1Гфоля и управления ими. Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направле- ниями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период пре- дусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве ис- точников энергии для электродвигателей автономного обеспечения. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электри- 42 ческой энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки . При правильной организации использования ветроэнергетики такой деше- вый и неиссякаемый источник энергии, как ветер, может удовлетворить боль- шую часть потребностей в любой отрасли народного хозяйства. Установки, пре- образующие энергию ветра в электрическую, тепловую и механическую, могут обеспечить: • автономное энергоснабжение различных локальных объектов (ороситель- ные системы, механизмы животноводческих ферм, вентиляцию, устройст- ва микроклимата и т.п.); " горячее водоснабжение, отопление, энергообеспечение холодильных агре- гатов; " подъем воды для садовых участков, на пастбищах и т.п.; " откачку воды из систем вертикального и горизонтального дренажа и про- чих систем. По сравнению с другими видами источников энергии ветроэнергетические установки имеют следующие преимущества: • отсутствие затрат на добычу и транспортировку топлива; • снижение более чем в 10 раз трудозатрат на сооружение ветроэнергетиче- ской установки по сравнению со строительством тепловых или атомных станций; • широкий технологический диапазон прямого использования энергии ветро- установок (автономность или совместная работа с централизованными се- тями, совместимость с другими источниками возобновляемой энергетики и т.п.); • минимальные сроки ввода мощностей в эксплуатацию; " улучшение экологической обстановки за счет снижения уровня загрязнения окружающей среды. Принцип действия и классификация ВЭУ В ветроэнергетических устагювках энергия ветра преобразуется в механи- ческую энергию их рабочих органов. Первичным и основным рабочим органом ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и, как правило, преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроко- лесо. Вращение ветроколеса под действием ветра обуславливается тем, что в принципе на любое тело, обтекаемое потоком газа со скоростью щ, действует сила Ff , которую можно разложить на две составляющие: 1 - вдоль скорости набегающего потока, называемую силой лобового сопротивления Fc , и 2 - в на- правлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, называемую подъ- емной силой Fu (рис. 7.1). 43 Uo Рис. 7.1. Силы, действующие на тело, обтекаемое потоком газа Величины этих сил зависят от формы тела, ориентации его в потоке газа и от скорости газа. Действием этих сил рабочий орган ветроустановки (ветроколе- со) приводится во вращение. Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам геомет- рии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Рхли ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то уста- новка называется горизонтально-осевой. Если перпендикулярна - вертикально- осевой. Ветроколесо с горизонтальной осью, использующее подъемную силу (двух- или трехлопастное ветроколесо), показано на рис. 7.2 (а, б, в, г). Ветроустановки, использующие силу лобового сопротивления, состоят из укрепленных вертикально оси лопастей различной конфигурации (рис. 7.2 е, ж, з, и, к). На рис. 7.2, д представлено ветроколесо, использующее эффект Магнуса (эффект возникновения подъемной силы, перпендикулярной направлению ветра, при вращении цилиндра или конуса). Установки, использующие силу лобового сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра. А установки, ис- пользующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, су- щественно, большую скорости ветра. Каждое ветроколесо характеризуется: • ометаемой площадью S, ветроколеса называют площадь, покрываемся его лопастями при вращении в плоскости перпендикулярной направлению пото- ка. Для репеллерного ветроколеса (горизонтально осевого) - S=nDV4, (7.1) где D - диаметр ветроколеса, для ветроколеса Савониуса (вертикально осевого) - S = hb, (7.2) где h u b - соответственно высота ротора и его средний диаметр; • геометрическим заполнением, равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой площади (так, например, при одинаковьк лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное); 44 • коэффициентом мощности Ср, характеризующим эффективность ис- пользования ветроколесом энергаи ветрового потока и зависящим от конструк- ции ветроколеса; • коэффициентом быстроходности Z, представляющим собой отноше- ние скорости конца лопасти к скорости ветра. а). Репеллерное е). Ортогональное б). Репеллерное с вихрепреобразователем щ ж). Савониус I I О Ih-r щ г). Парусное и). Мак-Гроув д). Цилиндры Магнуса к). Геликоидное Рис. 7.2. Типы ветряных колес При скорости ветра щ и плотности воздуха р ветроколесо с сметаемой площадыо S развивает мощность uo^/2 . 45 Из этой формулы видно, что эта мощность пропорциональна кубу скоро- сти ветра. По теории Н. Жуковского, максимальное значение коэффициента мощно- сти 0,6-0,69. На практике лучшие быстроходные колеса имеют CN ~ 0,45 - 0,48; у тихоходных колес CN ~ 0,35 - 0,38. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают зна- чительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением дости- гают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые используются, например, в водяных насосах и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые - в качестве электрогене- раторов, где требуется высокая частота вращения. Экспериментальная установка Работа выполняется на аэродинамической трубе (1) (рис. 7.3). В трубе воз- душный поток создается осевым вентилятором (на рисунке не показан). Величи- на скорости потока в трубе регулируется изменением тока питания вентилятора. Скорость воздушного потока в рабочей области трубы определяется с помощью трубки Пито-Прандтля (2) и микроманометра (3). В рабочую зону трубы уста- новлено ветроколесо (4) с электрическим генератором (5). К генератору подклю- чена нагрузка (6). В цепь нагрузки подключены также вольтметр (7) и амперметр (8). Рис. 7.3. Схема экспериментальной установки Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с разными типами ветряных колес. По указанию преподава- теля установить необходимый тип ветроколеса в рабочую зону аэродинамиче- ской трубы. 2. В отсутствие потока воздуха в трубе отметить начальное показание мик- романометра /о. 46 3. Включить блок питания, аэродинамической трубы. Установить необходи- мое значение скорости воздушного потока в рабочей зоне путем изменения тока питания вентилятора аэродинамической трубы. 4. Измерить значение скорости щ потока с помощью трубки Пито-Прандтля. Для этого необходимо снять показания микроманометра /. Данные записать в табл. 7.1. 5. Измерить напряжение U, создаваемое электрическим генератором, и ток I в нагрузке 6. 6. Изменить величину скорости воздушного потока в аэродинамической тру- бе. Произвести все для данного ветроколеса не менее 8 измерений вышеуказан- ных измерений. 7. Заменить ветроколесо. Выполнить измерения, описанные в нп. 3 -6. Таблица 7.1 Тип • ветро- колеса № опы- та Показания микромано- метра и». м/с Параметры генератора ветроустановки CN k, мм 1, мм и, В /, А Д Вт i Обработка экспериментальных данных 1. Вычислить скорость потока воздуха щ по формуле V Ре (7.3) где рж - плотность спирта в микроманометре {р^ = 809,5 кг/м ); Ps - плотность воздуха {ра= 1,2 кг/м^); (/ - /о) - разность показаний микроманометра, м; К - синус угла наклона трубки микроманометра (указан на микроманомет- ре), 2. Вычислить электрическую мощность генератора N = UI. (7.4) 3. Определить коэффициент мощности ветроколеса Cn = 2N/(Sp, ы/;. (7.5) 4.Сравнить коэффициенты мощности различных типов ветроколес при разных скоростях воздушного потока и построить графики зависимости C,v (uq). Провести анализ полученных результатов. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 7 1. Цель лабораторной работы и объект исследования. 47 2. Что является источником ветра? 3. Можно ли преобразовать энергию ветра в электрическую? Если да, то с помощью какого устройства? 4. Для чего предназначены ветроэнергетические установки? 5. Позволяют ли климатические условия использовать энергию ветра на тер- ритории Беларуси? 6. Области применения ветроэнергетических установок (ВЭУ). 7. Преимущества ВЭУ по сравнению с другими видами источников энергии. 8. Наилучшие места установки ветроэнергетических установок. 9. Принцип действия ВЭУ. 10. Классификация ВЭУ. 11. Назвать основные величины, характеризующие ветроколесо. 12. От каких величин зависит мощность, развиваемая ветроколесом? 13. Как зависит мощность ветроколеса от геометрического заполнения? 14. Сравнить характеристики колеса Савониуса и репеллерного колеса. 15. Чем характеризуется эффективность преобразования ветроколесом энергии ветра в электрическую? 16. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 17. Какое устройство преобразует механическую энергию ветроколеса в элек- трическую? 18. Как определить скорость потока воздуха? 19. Как зависит коэффициент мощности ветроколеса от скорости ветра? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКА НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ Цель работы: изучение принципа действия теплообменника на тепловых трубах, его конструктивного исполнения и экспериментальное определение его характеристик: коэффициента эффективности и количество теплоты, восприня- тое воздухом в теплообменнике. Общие сведения Теплопередача или теплообмен - учение о самопроизвольных, необрати- мых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом рас- пространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдель- ными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопро- водностью, конвекцией и тепловым излучением. Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассмат- риваемом пространстве. 48 Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или от- дельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется пу- гем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах - диэлектриках -- путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристалличе- ской решетки здесь второстепенна. Конвекция - процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидко- сти или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью элек- тромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свой- ствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энер- гию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется те- плообменом излучением. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - часто происходят совмест- но. Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах. Конвективный перенос теплоты всегда сопровождается теплопроводно- стью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению - проблема экономии и рациональ- ного использования топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффек- тивное использование теплоиспользующего оборудования. Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА). Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплооб- менные аппараты могут быть разделены, на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рабочими веществами в теплообменных аппаратах являются, как правило, текучие среды - жидкости и газы. Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устрой- ства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространст- ве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и геплопроводности стенки. Регенеративные теплообменные аппараты - это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Снача- ла поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревает- ся, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. 49 в смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществяя- ется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высо- кой теплопередающей способностью. (Принцип действия тепловой трубы и ее устройство описаны в лабораторной работе № 6). Благодаря этому с ее помощью можно осуществить эффективный перенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Схема такого переноса изображена на рис. 8.1. Горячий теплоноси- тель омывает одну половину тепловой трубы и нагревает ее. Поступившая теп- лота передается вдоль тепловой трубы на вторую ее половину, которая омывает- ся холодным теплоносителем. Холодный теплоноситель нагревается и уносит поступившую теплоту. Пучок тепловых труб, заключенных в единый корпус, с раздельными кана- лами для холодного и горячего теплоносителя, представляет собой основной элемент теплообменника, общий вид которого изображен на рис. 8.2. Наличие развитого оребрения на внешней теплообменной поверхности тепловых труб и реализация внутри них замкнутого испарительно-конденсационного цикла обес- печивает высокую эффективность теплопередачи при сравнительно небольших габаритах таких устройств. В силу своих особенностей теплообменники на тепловых трубах оказыва- ются особо эффективными, если теплоносителями являются газы, и Moiyr, на- пример, широко использоваться в воздушных системах вентиляции для утилиза- ции теплоты выбрасываемого загрязненного воздуха. Кроме того, с их помощью можно осуществлять эффективную утилизацию теплоты ггвообразных продук- тов сгорания топлива. Используя различные рабочие жидкости в тепловых трубах можно созда- вать теплообменники на их основе для работы в самых различных температур- ных диапазонах. В качестве рабочих тел в тепловых трубах наиболее часто при- меняються вода, хладоны, ацетон, спирты, аммиак, криогенные жидкости. Эффективность работы теплообменного аппарата определяется по количе- ству переданного тепла и коэффициенту термодинамической эффективности те- плообменного аппарата. Термодинамическая эффективность теплообменника есть отношение количества теплоты, передаваемого в данном теплообменнике, к максимально возможному количеству теплоты, передаваемому в теплообменнике с беско- нечно-большой поверхностью теплообмена, при одних тех же параметрах теп- лоносителей на входе и выходе. Эффективность тешюобменника определяется по формуле у^ вых _ 'Г вх Р _ ^ хал ±хт_ , -рвх _ > (,0'U гир хоя где Т^оп .^ Ту.о '^'" - температуры холодной воздуха на входе и выходе, Т^ гор"" >"" температуры горячей воздуха на входе. 50 Горячий воздух Охлажденный воздух Рис. 8.1. Схема передачи тепловой энергии в сребренной тепловой трубе При этом количество теплоты, воспринятое воздухом в теплообменнике, определяется выражением (8.2) где Cg - объемная теплоемкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м^-К); <пр - температура воздуха нагретого в теплообменнике, °С; 'нач - температура воздуха перед теплообменником, °С; V - объемный расход воздуха, м^/с. Экспериментальная установка Схема экспериментального теплообменника на тепловых трубах изобра- жена на рис. 8.2. Верхняя часть теплообменника представляет собой канал хо- лодного воздуха, нижняя часть - канал горячего воздуха. Оба канала пересекают пучок тепловых труб Т-Т. В канал горячего воздуха комнатный воздух всасывается с помощью вен- тилятора В~1, далее поступает в конфузор, в котором расположен спиральный нагреватель, выполненный из нихромовой проволоки и имеющий две ступени нагрева. В этом месте комнатный воздух нагревается и затем поступает в про- странство между оребренными тепловыми трубами Т-Т. Отдав часть теплоты тепловым трубам, охлажденный воздух выходит через раструб Р~1 наружу. В канал холодного воздуха комнатный воздух всасывается с помощью вен- тилятора В~2, поступает во вторую половину пространства между тепловыми трубами где принимает теплоту, отданную горячим воздухом, и нагретым выхо- дит наружу через раструб Р~2. Вентилятор B~l и нагреватели питаются непосредственно от сети пере- менного тока напряжением 220 В. Вентилятор В-2 с целью регулирования расхода воздуха питается от регу- лятора напряжения типа ЛАТР, позволяющего изменять напряжение питания от О до 220 В. На входе и выходе каждого канала расположены термопары, измеряющие температуры воздуха. Показания термопар регистрируется цифровым вольтметром, подключен- ным к ним через шаговый переключатель. Средняя скорость воздуха о в каждом из каналов определяется с помощью лепесткового анемометра, порядок работы с которым описан в данной инирук- ции. Объемный расход V воздуха определяется произведением средней скорости V на площадь поперечного сечения потока 5: F=vS (8.3) 3 -1 ' W W I f ^ с D 2 ' 4 1 1 3 -2 T}=Q) Рис. 8.2. Схема экспериментального теплообменника на тепловых трубах: 1 - пучок тепловых труб; 2 - термопары, измеряющие температуры горячего и холодного воздуха на входе и выходе соответственно; 3 - вентиляторы; 4 — нагреватель; 5 — колодка термопар; 6 - переключатель термопар; 7 - милливольтметр 2 ^ и 3 4 О о 5 к Рис. 8.3. Панель управления лабораторной установкой: I - сигнальная лампочка включения сети; 2 - тумблер включения сети; 3 - вьпслючатель вентилятора 3 - 1 и нагревателя 4 канала горячего воздуха; 4 - выключатель вентилятора 3 - 2 канала холодного воздуха; 5 - разъем для подключения ЛАТРа, регулирующего питание вентилятора 3 - 2 ; 6 - двухпозиционный тумблер переключения мощности питания нагревателя 4 52 Порядок выполнения работы Управление установкой осуществляется с пульта управления, схема кото- рого приведена на рис. 8.3. 1. Установить тумблер выключения сети (поз.2) в верхнее положение "Сеть". При этом загорится сигнальная лампочка (поз.1) на левой боковой стенке под- ставки. 2. Установить выключатель вентилятора В-1 и нагревателя Я(поз.З) в поло- жение ВКЛ. При этом одновременно начинают работать вентилятор канала горя- чего воздуха В-1 и нагреватель Я. ВНИМАНИЕ: Нагреватель не может работать длительное время без обду- ва воздухом. Поэтому, если при включении нагревателя вентилятор не зара- ботал, необходимо немедленно отключить установку от электропитания, поставив тумблер выключения сети в нижнее положение, и сообщить об этом преподавателю. 3. Установить тумблер выключателя вентилятора канала холодного воздуха В-2 (|поз.4) в верхнее положение ВКЛ. При этом вентилятор В-2 начинает рабо- тать. 4. С помощью ЛАТРа установить необходимую скорость вращения лопастей вентилятора В—2. 5. С помощью лепесткового анемометра определить среднюю скорость дви- жения воздуха в выходных раструбах Р~1 и Р-2 обоих каналах и вычислить его объемный расход. Геометрические размеры раструбов: для Р~1 высота а = 130 мм, ширина в = 135 мм; для Р-2 высота а= 135 мм, ширина в =- 135 мм. 6. По имеющемуся в лаборатории термометру определить температуру ком- натного воздуха Гк- 7. Переключая шаговый переключатель снять показания всех четырех термо- пар по милливольтметру, определить относительные температуры AT ка. входе и выходе горячего и холодного воздуха с помощью градуировочной таблицы (Приложение 2), а также абсолютные температуры Т, прибавив к относительным температурам комнатную: Т=Т^ +AT. 8. Не изменяя расходов воздуха в каналах, переключить тумблер переключе- ния мощности питания нагревателя Я (поз.6) во второе положение, изменив тем самым мощность нагревателя. Определить новые значения температур теплоно- сителей. 9. С помощью ЛАТРа установить новое значение скорости вращения лопа- стей вентилятора В 2 в канале холодного воздуха и повторить все предыдущие измерения, описанные выше в пп.5-8. Данные всех измерений и вычислений занести в табл. 8.1 - 8.2. 53 Таблица 8.1 Показания анемометра Номер опыта 1 1 2 1 3 1 4 Холодный воздух Начальное показание анемометра Конечное показание гшемометра Средняя скорость воздуха, м/с Объемный расход холодного воздуха Кхол, м'/с 1 Площади выходных раструбов канала м^ Горячий воздух Начальное показание анемометра Конечное показание анемометра Средняя скорость воздуха, м/с Объемный расход горячего воздуха Ктп, м^/с Площади выходных раструбов канала м^ Таблица 8.2 Температура Температура Температура Температура Термоди- а № горячего воз- горячего холодного холодного намиче- кДж пп духа на входе воздуха на воздуха на воздуха на ская эф- Т л гоп вх выходе входе выходе фектив-1 up ^гор вых Пп вх Гхо вых ность те- мВ мВ •и мВ V мВ плооб- менника Е Сравнив результаты опытов, сделать вывод о зависимости эффективности теплообменника: • от входной температуры горячего воздуха; • от расхода холодного воздуха. Порядок работы с лепестковым анемометром Лепестковый анемометр представляет собой прибор для измерения сред- ней скорости воздушных потоков. Чувствительным элементом прибора, реагирующим на воздушный поток, является система трапециевидных лепестков, каждая из которых закреплена на концах крестовины. Крестовина с лепестками крепится на оси, соединенной со счетчиком чис- ла оборотов. 54 Помещенная в воздушный поток крестовина с лепестками начинает вра- щаться, причем, тем быстрее, чем больше скорость воздуха. Анемометр снабжен тарировочной кривой, на которой каждой скорости вращения лепестков соотнесено определенное значение скорости воздушного потока. Для проведения измерений с помощью анемометра необходимо; 1. Расположить рабочую часть анемометра в воздушном потоке. 2. Зафиксировать имеющиеся на счетчике числа оборотов показания (N„m) И одновременно с этим включить секундомер. 3. Через определенный промежуток времени Аг выключить секундомер и одновременно снять показания счетчика числа оборотов (TVKO J. 4. Вычислить число оборотов N в секунду, разделив разность снятых показаний счетчика на время промежуток времени измерения (8.4) 5. По тарировочной кривой определить, соответствующую данному числа оборотов W в секунду, скорость воздуха v. Примечание: рекомендуемый промежуток времени измерений - 30 с. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 8 !. Цель лабораторной работы и объект исследования. 2. Что такое теплообмен? 3. Основные способы переноса теплоты и их особенности. 4. Что называется теплообменным аппаратом? Виды теплообменных аппара- тов 5. Что такое рекуперативный теплообменник? 6. Что такое теплоноситель? 7. Как определить количество теплоты, передаваемое при теплопередаче? 8. Единицы измерения количества теплоты. 9. Что такое коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы изме- рения? 10.От чего зависит коэффициент теплопередачи рекуперативного теплооб- менника? 11.Как определить термодинамическую эффективность теплообменника? 12.Основные элементы экспериментальной установки и их назначение. 13. С помощью каких приборов измеряется температура и расход теплоно- сителя в лабораторной установке. 14. Описать устройство и принцип действия тепловых труб. 15.Чем обусловлена высокая эффективность переноса теплоты тепловой тру- бой? 16,В какой части трубы происходит поглощение теплоты? 55 17.Что происходит в зоне испарения тепловой трубы? Что происходит в зоне конденсации? 18.Как осуществляется возврат сконденсированной жидкости в зону испаре- ния? 19.Требуются ли затраты энергаи (подвод электроэнергии) на перенос тепло- ты тепловой трубой? Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №9 ИСЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЯ (СВП) Цель работы: Определение коэффициента полезного действия СВП. Оп- ределение скорости циркуляции воды. Общие сведения Электромагнитным излучением солнечная энергия передается через кос- мическое пространство на поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1, 2х10" Вт. Это эквивалентно тому, что менее одно- го часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетиче- ские нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плот- ность потока солнечного излучения, приходящего на Землю составляет пример- но 1кВт/м^. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м^ в день. В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека, или примерно 170 МДж энергии в день. Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с вещест- вом используются следующие основные величины. Поток излучения - величина, равная энергии, переносимой электромаг- нитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Измеряется в Дж/с=Вт. Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) — величи- на, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м^. Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, ко- торая равна 1367 Вт/м^. Коэффициент поглощения а (поглощательная способность) тела - ве- личина, измеряемая отношением потока излучения, заключенного в узком спек- тральном интервале частот, поглощаемого поверхностью тела, к потоку излуче- ния, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффи- циент поглощения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) из- лучения, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент поглощения 56 равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падаю- щее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к черному телу явля- ется сажа. Коэффициент отражения (отражательная способность) тела - величина, равная отношению потока излучения, отраженного поверхностью тела, к па- дающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, которые рассеивают па- дающее солнечное изл)гчение, эту величину также называют альбедо. Г 1 Поверхность Альбедо 1 Водная поверхность 0, 03-0, 04 Поверхность суши 0, 15-0, 30 Снежный покров 0, 5-0,6 Поверхность Земли (среднее значение) 0,34 Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели). Преобразо- вание солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электро- магнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, то есть в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела. Для энергетических целей наиболее распространенным является использо- вание солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения. Использование солнечной энергии в республике в настоящее время рас- сматривается по двум направлениям: • гелиотепловое; • гелиоэлектрическое. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусмат- ривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими технические решения делают их производство более технологичным и многократно снижают их вес. К 2010 году планируется их применение, обеспечивающее эквивалентную эконо- мию 50 тыс. т. условного топлива в год. Основным элементом солнечной нагревательной системы является прием- ник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энер- гии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирую- щие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом также их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100 "С. На рис.9.1 представлены различные варианты приемников солнечного из- лучения. 57 Черная резина б) в) Металлическая пластина с трубками' Изоляция Изоляция г) Рис. 9.1. Последовательность приемников солнечного излучения в порядке возрастания их эффективности и стоимости Простые приемники (рис.9.1, а-д) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть. Приемники более сложной конструкции (рис.9.2, е-и) нагревают за опреде- ленное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как прави- ло, накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет снижать теплопотери системы в целом. Остановимся кратко на характеристиках каждой из этих конструкций. Рис.9.1 а) - открытый резервуар на поверхности земли (например, бас- сейн) - простейший возможный нагреватель воды. Повышение температуры во- ды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоот- дачей к земле и воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды. Рис.9.1 б) - открытый резервуар, теташолированный от земли. Повы- шение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения по- верхности воды, теплоотдачей к воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды. Рис.9.1 в) - черный резервуар. Жидкость заключена в емкости с черной ма- товой поверхностью, обычно располагаемой на крыше здания. Потери тепла на испарение отсутствуют, коэффициент поглощения черной поверхности близок к единице. Нагреватели этого типа достаточно недороги, просты в изготовлении и позволяют нагревать воду до температуры около 45 "С. Очень широкое распро- странение получили в Японии, Израиле. Параметры нагревателя ограничены те- пловыми потерями с поверхности, особенно их увеличением в ветреную погоду. Рис.9.1 г) - черный резервуар с теплоизолированным дном. Потери тепла в предыдущей конструкции можно уменьшить почти в два раза, если теплоизоли- ровать дно приемника. Для достижения этого достаточно всего нескольких сан- тиметров изолирующего слоя, в качестве которого можно использовать практи- чески любой пористый материал с размером пор до 10.2 мм. Рис.9.1 д) - закрытые черные нагреватели. Для исключения теплоотдачи от приемника в воздух, особенно в ветреную погоду, емкость нагревателя поме- 58 щается в контейнер с прозрачной для солнечного излучения крышкой. Лучшим материалом для крышек является стекло. Используются также специальные по- крытия из пластика, имеющие подобные стеклу оптические свойства, но менее хрупкие. Рис.9.1 е) - металлические проточные нагреватели. В такой системе вода протекает по параллельным трубкам, закрепленным на зачерненной металличе- ской пластине. Обычно диаметр трубок составляет около 2 см, расстояние между ними 20 см, толщина пластины 0,3 см. Пластину с трубками для защиты от ветра помещают в контейнер со стеклянной крышкой. Характеристики проточного нагревателя могут быть улучшены за счет: - уменьшения конвективного переноса между приемной пластиной и стек- лянной крышкой, если над первой крышкой поместить еще одну дополнитель- ную стеклянную крышку (рис.9.1, ж), - уменьшения радиационных потерь от пластины, если ее поверхность де- лать не черной, а селективной, то есть сильно поглощающей, но слабо излучаю- щей в определенной области спектра (рис.9.1, з), - использования вакуумированных приемников, в которых заполненная жидкостью черная трубка помещается внутри наружной стеклянной трубки и в пространстве между ними создается вакуум. Вакуумирование исключает конвек- тивный перенос тепла через наружную поверхность (рис.9.1, и). Нагретую в проточном нагревателе жидкость можно использовать сразу или запасать. Скорость прокачки выбирают такой, чтобы температура воды по- вышалась примерно на 4°С при каждом проходе через нагреватель. Прокачка на- гретой жидкости может осуществляться как принудительно (насосом) (рис.9.2), так и естественной циркуляцией (естественной конвекцией) (рис.9.3), В послед- нем случае нагреватель должен находиться ниже накопителя нагретой воды. Системы с принудительной циркуляцией выгодны, поскольку для их соз- дания можно использовать существующие водонагревательные системы, вводя в них приемник солнечного излучения и насос. Кроме того, в них нет необходимо- сти располагать накопительную емкость выше приемника. Недостатком их явля- ется зависимость от электроэнергии, потребляемой насосом. К системам с принудительной циркуляцией относятся многоконтурные (и- контурные) системы (рис.9.4). К достоинствам данных систем можно отнести использование в первом контуре в качестве рабочего тела вещества с низкой температурой замерзания (кристаллизации), что позволяет использовать их круг- логодично. 59 Рис.9.2. Нагревательная система с принудительной циркуляцией 2 Рис.9.3. Нагревательная система с естественной циркуляцией Рис.9.4. Двухконтурная нагревательная система с принудительной циркуляцией: 1 - приемник излучения; 2 - теплоизолированный резервуар; 3 - насос; 4 - теплообменник СВП относится к наиболее простым устройствам утилизации энергии сол- нечного излучения (плотность излучения его, примерно, 1 кВт/м^). Затраты энер- гии на подогрев воды для бытовых нужд составляют в наших широтах до 20% от среднегодового потребления энергии на душу населения, подогрев воды для производственных нужд увеличивают эту долю почти вдвое. Между тем, анализ и эксперименты показывают, что солнечное излучение, даже когда солнце за облаками, позволяет в условиях Белоруссии в период с ап- реля по октябрь включительно, т.е. более полугода, обеспечивать бытовые по- требности в горячей воде (с температурой 50-80°С), имея солнечный водоподог- реватель площадью 1,5-2,5 м^ на человека. 60 Любая поверхность, на которую попадают солнечные лучи, нагревается. Степень этого нагрева зависит от ориентации поверхности относительно потока „учей (максимально нагревается поверхность перпендикулярная этому потоку), поглощающей способности (степени черноты), потерь тепла, которые примени- тельно к СВП следует разделить на полезные (нагрев воды) и вредные (потери тепла в окружающую среду). Исключительная простота конструкции и исполнения позволяет изготав- ливать СВП самостоятельно любому человеку, имеющему элементарные трудо- вые навыки, из широкого набора доступных материалов. Для того чтобы конструкция такого СВП оказалась эффективной, необхо- димо оценить влияние отдельных конструктивных элементов на служебные свойства - способность нагревать воду. Эффективный СВП должен: 1) быть ориентирован относительно солнца; 2) иметь большую поглощающую способность воспринимающей излучение по- верхности; 3) иметь минимальное термическое сопротивление при передаче тепла к воде от воспринимающей поверхности; 4) совершенную тeпJюизoляцию от окружающей среды. В представленном в данной лабораторной работе СВП вышеперечислен- ные принципы на технически целесообразном уровне реализованы следующим образом: • конструктивным наклоном воспринимающей поверхности СВП в соответст- вии с широтным расположением Белоруссии (~ 60°); • черными матовыми воспринимающими поверхностями (степень черноты -0,6); • малой толщиной (~ 0,3 мм) стенок металлических каналов для воды и наличи- ем перемещения воды в этих каналах за счет конвекции; • слоем пенопласта (-50 мм) на тыльной стороне воспринимающей поверхно- сти, воздушным промежут-ком (-10 мм) и стеклом (толщиной ~ 6 мм) на ли- цевой стороне, деревянной рамой обрамляющей этот пакет. Описание экспериментальной установки Экспериментальная установка (рис.9.5) состоит из описанной выше воспри- нимающей панели (1), водопроводящих резиновых трубок (2), соединяющих па- нель с бачком (3), расположенным вверху над панелью. Вода, благодаря нагреву ее в каналах панели и, следовательно, уменьшению плотности, движется вверх по этим каналам, попадает в бачок, а новые порции более холодной воды из бач- ка попадают в нижний штуцер панели. В центре объема бачка расположена тер- мопара Т-1 (4), у входного штуцера панели установлена термопара Т-3 (5), а у выходного цгтуцера панели установлена термопара Т-2 (6). 61 Сеть 220V Сеть 220V Сеть 220V Рис. 9.5. Схема экспериментальной установки Термопары Т~1, Т-2, Т-3 (хромель-копель) подходят к переключателю (7) и подключаются к измерительному прибору (8) по очереди. В качестве имитатора солнечного излучения используются лампы с отра- жателями (9), комбинация включения которых задается преподавателем (система подключения ламп может быть снабжена измерителями для определения мощ- ности излучателей). Определение коэффициента полезного действия СВП Лева ~ 100% , (9.1) где 77свп - коэффициент полезного действия (КПД) СВП; - количество тепла запасенного водой СВП; Qmn - количество тепла, полученного от излучателей. Количество тепла, воспринимаемого СВП б СВП =Ge + Q. , (9.2) где Q^ - количество тепла, воспринятого водой; - количество тепла, воспринятого элементами конструкции СВП, сопри- касающихся с водой (для реально используемых СВП, имеющих бак-накопитель, объем которого многократно превышает объем воспринимающих панелей, рабо- тающих в установившемся режиме в течение светового дня, величиной QK можно пренебречь). В лабораторной установке определяется методом заливки известного количества горячей воды известной температуры и измерением равновесной температуры системы, когда Дбв=Абк- 62 с w - = - L J , (9.3) 1=1 откуда (9.4) где с\ — удельная теплоемкость i-того элемента конструкции СВП; Mi — масса i-roro элемента конструкции СВП; Св ~ удельная теплоемкость воды 4187 Дж/(кг.К); гпа - масса воды (10 кг); кап - температура заливки горячей воды; - равновесная температура; /„ач - начальная температура. к Величина определена предварительно и равна 39,321 кДж/кг = t - t (9-5) , (9.7) 1=1 поэтому бсвп можно выразить Qcm = + ) ( ? „ „ - . (9.8) БИЗЛ можно получить ПО формуле при известном Цу^л о =Т] NT (9.9) ^изл 'изм р ^ где N~ электрическая мощность 3-х излучателей равна 1500 (500хЗ)Вт; 77„зл - коэффициент полезного действия излучателя; Тр - время выполнения работы - можно определить по формуле -100%, (9.10) N ' Де Фим- поток излучения (площадь поверхности СВП 8=1,43 у?), Вт; N - номинальная электрическая мощность светильников (излучателей) при напряжении f/=220B равна 500 Вт. Так как светильники могут быть подключены либо к сети 220В, либо к сети 127В, то при напряжении f/=127B необходимо оп- ределить значение мощности светильников, учитывая, что сопротивление одного светильника Л=100 Ом по закону Ома определить силу тока, а по формуле N=U-I - мощность. 63 Порядок выполнения работы 1. Включить излучатели (светильники), Зафиксировать время начала экспе- римента. 2. Измерить при помощи термопар Т\,Т2 и Гз и милливольтметра начальные относительные температуры, и определить температуры AT с помощью градуи- ровочной таблицы (Приложение 2), а также абсолютные температуры Т, приба- вив к относительным температурам комнатную: + AT. Полученные данные занести в табл. 9.1 (9.11) 3. Люксметром измерить величину освещенности на поверхности СВП в 15 точках. Полученные данные занести в таб. 9.1 4. На основании этих данных рассчитать среднюю освещенность СВП Е . 5. Найти световой поток Ф = Е З , (9.12) (площадь поверхности СВП S= 1,43 м^). Полученное значение занести в табл. 9.1 6. Найти поток излучения. Полученное значение занести в табл. 9.1 (9.13) 7. Найти КПД излучателя по формуле (9.10). Полученное значение занести в табл. 9.1 Таблица 9.1 Освещенность Е, лк 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Средняя освещенность Еа,, лк Расчетное значение светового потока Фсв,„, ям Поток излучения Ф^^ ,Вт КПД источника света 7jm„, % 9. В течении Тр=60 мин через каждые 10 мин (т) производить замеры темпе- ратур Т], Гг. 2"з. Результаты занести в табл. 9.2. По полученным данным по- строить графики зависимости Т] = f(r); Го, = f(t); Гз = f(r). По последним показаниям термопар определить среднее значение конеч- ных температур t^ аналогично п. 1. 64 кср 2 (9.14) 10. Вычислить количество энергии, поглощенной СВП, по формуле (9.8). 11. Вычислить количество энергии, поступающей от излучателей, по формуле (9.9). 12. Вычислить КПД СВП по формуле (9.1). Таблица 9.2 JYO П/П г, мин Ти Г . Т, Too, "С мВ мВ мВ "С 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 1 0 2 10 3 20 4 30 5 40 6 50 L 7 60 В системе СВП содержится объем F = 10 л воды. Контрольные вопросы по лабораторной работе № 9 1. Что позволяет обеспечить нагрев воды в гелиоводоподогревателе (СВП) до температур выше 50°С? 2. 3, 4, 5, ей? G. 7, 9. 10. Что такое КПД СВП? Что такое кратность циркуляции в СВП.? Типы СВП. Какие преимущества и недостатки имеет СВП с естественной циркуляци- Каковы достоинства и недостатки СВП с принудительной циркуляцией? Что такое концентраторы энергии СВП? Каково потребление тепловой энергии на подогрев воды в РБ? Какова продолжительность эффективной работы СВП в течение года в РБ? Расчетная потребность горячей воды на человека? 65 Литература 1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии. М., Энерго- атомиздат, 1990. 2. Курс лекций «Основы энергосбережения». Под ред. Хутской Н.Г. Мн, Технология, 1999. 3. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М., 1981. 4. Кондратьев К. Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1956. 5. Закон Республики Беларусь об энергосбережении. Энергоэффективность. - 1998. №7. 6. Государственная научно-техническая программа "Энергосбережение". Мн., 1996. 7. Вторичные тепло энергоресурсы и охрана окружающей среды В.В.Харитонов и др.; Под ред. ВВ. Харитонова: Мн., Выш. пжола,1988. 8. Драгун В,Л., Конев С.В. Тепловые насосы, В мире тепла Мн., Наука и тех- ника, 1991. 9. Рэи Д., Макмаикл Д. Тепловые насосы.- М., Энергоиздат, 1982 10. Марочкин В.К., Баилук Н Д., Брилевский М.Ю. Использование вторичных топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве. Мн., Ураджай, 1989. П.Кондратьев К. Я. Актинометрия. Л., Гидрометеоиздат, 1965. 12.Емцов Б.Т. Техническая гидромеханика. Л.,Машиностроение, 1987. 13.Лабораторный практикум по курсу «Основы энергосбережения». Под ред. В.Г. Баштового. Мн, БГПА, 2000. 14.Кириленко А.И, Янцевич И.В. Методическое пособие «Энергоэффектив- ное освещение». Мн, БГПА, 2000. 15.Камке Д., Крамер К. Физические основы единиц измерения. М., 1980. 66 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 200 ъ о й Сц 150 100 50 Тарировочная кривая для определения расхода воды по перепаду давления на диафрагме 1 t® if й В р О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Перепад на диафрагме А/г, мм 67 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Градуировочная таблица для термопар. Термопара «хромель-копель» Темпера- тура ра- бо-чего конца °С ТермоЭДС, мВ, температура, °С 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -90 -5,146 -5,196 -5,246 -5,296 -5,346 -5,396 -5,445 -5,494 -5,543 -5,592 -80 -4,634 -4,686 -4,738 -4,790 -4,841 -4,892 -4,943 -4,994 -5,045 -5,096 -70 -4,106 -4,160 -4,213 -4,266 -4,319 -4,372 -4,425 -4,478 -4,530 -4,582 -60 -3,562 -3,617 -3,672 -3,727 -3,782 -3,836 -3,890 -3,945 -3,999 -4,052 -50 -3,003 -3,059 -3,116 -3,172 -3,228 -3,284 -3,340 -3,396 -3,451 -3,507 -40 -2,429 -2,487 -2,545 -2,603 -2,660 -2,718 -2,775 -2,832 -2,889 -2,946 -30 -1,841 -1,901 -1,960 -2,019 -2,078 -2,137 -2,196 -2,254 -2,313 -2,371 -20 -1,240 -1,301 -1,361 -1,422 -1,482 -1,542 -1,602 -1,662 -1,722 -1,782 -10 -0,626 -0,688 -0,750 -0,812 -0,873 -0,935 -0,996 -1,057 -1,118 -1,179 0 0 -0,063 -0,126 -0,189 -0,252 -0,315 -0,377 -0,440 -0,502 -0,564 0 0 0,063 0,127 0,190 0,254 0,318 0,381 0,445 0,509 0,574 10 0,638 0,702 0,767 0,832 0,896 0,961 1,026 1,091 1,157 1,222 20 1,287 1,353 1,418 1,484 1,550 1.616 1,682 1,748 1,815 1,881 30 1,947 2,014 2,081 2,148 2,214 2,282 2,349 2,416 2,483 2,551 40 2,618 2,686 2,753 2,821 2,889 2.957 3,025 3,094 3,162 3,260 50 3,299 3,367 3,436 3,505 3,574 3,643 3,712 3,781 3,850 3,920 60 3,989 4,059 4,128 4,198 4,268 4.338 4,408 4,478 4,548 4,619 70 4,689 4,760 4,830 4,901 4,972 5,042 5,113 5,184 5,255 5,327 80 5,398 5,469 5,541 5,612 5,684 5,756 5,828 5 , 8 9 ^ 5,971 6,043 90 6,116 6,188 6,260 6,333 6,405 6,478 6,550 6,623 6,696 6,769 100 6,842 6,915 6,988 7,061 7,135 7,208 7,281 7,355 7,429 7,502 ПО 7,576 7,650 7,724 7,798 7,872 7,946 8,021 8,095 8,169 8,244 120 8,318 8,393 8,468 8,543 8,618 8,693 8,768 8,843 8,918 8,993 130 9,069 9,144 9,220 9,295 9,371 9,446 9,522 9,598 9,674 9,750 140 9,826 9,902 9,979 10,055 10,131 10,208 0,284 10,361 10,438 10,514 150 10,591 10,688 10,745 10,822 10,899 10,976 1,054 11,131 11,208 11,286 160 11,363 11,441 11,519 1 1 , 5 ^ IMZl . 11,752 1,830 11,908 11,986 12,064 170 12,142 12,221 12,299 12,377 12,456 12,534 2,613 12,692 12,770 12,849 180 12,928 13,007 13,086 13,165 13,244 13,323 3,403 13,482 13,561 13,641 190 13,720 13,800 13,879 13,959 14,039 14,119 4,199 14,278 14,359 14,439 68 ГИ'ИЛОЖЕНЖ 3 Свойства насыщенных паров фреона-12 Температура Давле- ние аб- солют- ное Удельный объем Плотность Энтальпия Теплота парооб- разова- ния Энтропия Отношение теплоты пг- рообразова- ния к абсо- лютной температуре жид- кость пар жид- кость пар жид- кость пар жидкость пар t Т Р v ' v" Р' Р" h' h" г s' s" 'С К бар дм''/кг M''/КГ кг/дм^ кг/м^ кДж/кг кДж/кг 1^Дж/кг кДж/(кг-К) кДж/(кг-К) кДж/(кг-К) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 -10 263,15 2,1910 0,7018 0,07813 1,425 12,80 409,47 568,89 159,39 4,15280 4,75859 0,60597 -9 264,15 2,2700 0,7032 0,07558 1,422 13,23 410,39 569,32 158,93 4,15624 4,75809 0,60181 -8 265,15 2,3520 0,7047 0,07313 1,419 13,68 411,27 569,78 158,51 4,15963 4,75759 0,59796 -7 266,15 2,4353 0,7062 0,07078 1,416 14,13 412,19 570,24 158,05 4,16302 4,75704 0,59402 -6 267,15 2,5215 0,7077 0,06852 1,413 14,60 413,11 570,74 157,63 4,16645 4,75658 0,59013 -5 268,15 2,6088 0,7092 0,06635 1,410 15,08 414,03 571,21 157,17 4,16984 4,75612 0,50628 -4 269,15 2,6999 0,7107 0,06427 1,407 15,57 414,95 571,67 156,71 4,17323 4,75562 0,58238 -3 270,15 2,7928 0,7127 0,06226 1,403 16,07 415,87 572,13 156,25 4,17663 4,75516 0,57853 -2 271,15 2,8870 0,7143 0,06028 1,400 16,59 416,84 572,63 155,79 4,18006 4,75478 0,57472 -1 272,15 2,9857 0,7158 0,05844 1,397 17,11 417,76 573,09 155,33 4,18341 4,75432 0,57091 0 П3,\5 3,0857 0,7173 0,05667 1,394 17,65 418,68 573,55 154,87 4,18680 4,75394 0,56714 1 274,15 3,1882 0,7189 0,0596 1,391 18,20 419,60 574,01 154,41 4,19019 4,75348 0,56329 2 275,15 3,2934 0,7205 0,05330 1,388 18,76 420,56 574,47 153,91 4,19354 4,75302 0,55948 3 276,15 3,4006 0,7220 0,05166 1,385 19,35 421,49 574,93 153,45 4,19693 4,75265 0,55571 4 277,15 3,5112 0,7241 0,05012 1,381 19,95 422,45 575,39 152,94 4,20028 4,75227 0,55199 5 278,15 3,6244 0,7257 0,04863 1,378 20,56 423,37 575,85 152,48 4,20363 4,75189 0,54826 6 279,15 3,7398 0,7273 0,04721 1,375 21,18 J 424,33 576,31 151,98 4,20702 4,75152 0,54449 7 280,15 3,8587 0,7289 0,04583 1,372 21,82 425,30 576,77 151,48 4,21037 4,75118 0,54081 8 281,15 3,9797 0,7310 0,04450 1,368 22,47 426,22 577,19 150,98 4 Л 372 4,75080 0,53708 9 282,15 4,1044 0,7326 0,04323 1,365 23,13 427,18 577,65 150,47 4,21707 4,75043 0,53336 10 283,15 4,2301 0,7342 0,04204 1,362 23,79 428,14 578,11 149,97 4,22042 4,75013 0,52971 11 284,15 4,3606 0,7358 0,04086 1,359 24,48 429,14 578,53 149,43 4,22377 4,74976 0,52599 Окончание прид^ 3 1 1 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 12 285,15 4,4354 0,7380 0,03970 1,355 2,19 430,07 578,99 148,92 4,22712 4,74946 0,52235 13 286,15 4,6296 0,7396 0,03858 1,352 25,92 431,03 579,41 148,38 4,23043 4,74909 0,51866 14 287,15 4,7681 0,7413 0,03751 1,349 26,66 431,99 579,83 147,84 4,23378 4,74875 0,51498 15 288,15 4,9108 0,7435 0,03648 1,345 27,41 433,00 580,33 147,33 4,23708 4,74842 0,51133 16 289,15 5,0553 0,7452 0,03547 1,342 28,18 433,96 580,71 146,75 4,24043 4,74812 0,50769 17 290,15 5,2041 0,7468 0,03449 1,339 28,99 434,92 581,17 146,24 4,24378 4,74783 0,50405 18 291,15 5,3549 0,7491 0,03354 1,335 29,87 435,93 581,59 145,65 4,24709 4,74750 0,50041 19 292,15 5,5086 0,7507 0,03263 1,332 30,65 436,89 582,01 145,11 4,25040 4,74720 0,49764 20 293,15 5,6669 0,7524 0,03175 1,329 31,50 437,90 582,47 144,57 4,25371 4,74691 0,49321 21 294,15 5,5883 0,7547 0,03089 1,325 32,38 438,86 582,84 143,98 4,25705 • 4,74662 0,48960 22 295,15 5,9930 0,7570 0,03005 1,321 33,28 439,87 583,26 143,40 4,26036 4,74633 0,48596 23 296,15 6,1610 0,7587 0,02925 1,318 34,19 440,83 583,64 142,81 4,26363 4,74604 0,48236 24 297,15 6,3335 0,7605 0,02848 1,315 35,11 441,83 584,06 142,23 4,26694 4,74575. 0,47880 25 298,15 6,5080 0,7628 0,02773 1,311 36,07 442,84 584,52 141,68 4,27024 4,74549 0,47524 26 299,15 6,6857 0,7645 0,02700 1,308 37,04 443,84 584,90 141,05 4,29993 4,74519 0,47164 27 300,15 6,8666 0,7669 0,02629 1,304 38,04 444,85 585,27 140,43 4,27686 4,74486 0,46800 28 301.15 7.0542 0,7692 0,02560 1.300 39,06 445,85 585,69 139.84 4,28012 4,74457 0.46444 29 302,15 7,2435 0,7710 0,02494 1,297 40,10 446,86 586,07 139,21 4,28339 4,74427 0,46088 30 303,15 7,4344 0,7734 0,02433 1,293 41,11 447,86 586,49 138,62 4,28674 4,74406 0,45732 31 304,15 7,6321 0,7758 0,02371 1,289 42,18 448,87 586,82 137,96 4,29000 4,74369 0,45368 32 305,15 7,8352 0,7782 0,02309 1,285 43,31 449,87 587,20 137,33 4,29327 4,74339 0,45012 33 306,15 8,0417 0,7800 0,02250 1,282 44,45 450,88 587,58 136,70 4,29649 4,74306 0,44656 34 307,15 8,2461 0,7825 0,02192 1,278 42,62 451,92 587,95 136,03 4,29980 4,74281 0,44301 35 308,15 8,4596 0,7849 0,02136 1,274 46,81 452,93 588,29 135,36 4,30311 4,74251 40 313,15 9,5818 0,7968 0,01882 1,255 53,13 458,08 590,09 132,01 4,31940 4,74097 45 318,15 10,810 0,8104 0,01656 1,234 60,38 463,31 591,72 128,41 4,33568 4,73933 50 323,15 12,147 0,8244 0,01459 1,213 68,56 468,54 593,10 124,56 4,35189 4,73741 55 328,15 13,600 0,8410 0,01316 1,189 75,98 474,16 595,07 120,91 4,36876 4,73728 60 333,15 15,182 0,8568 0,01167 1,167 5,69 479,68 596,58 116,90 4,38509 4,73850 1 65 338,15 16,883 0,8741 0,01036 1,114 96,52 485,33 597,96 112,63 4,40142 4,73452 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Тарировочная кривая для определения расхода воды по показаниям ротаметра G 10 кг/с Расход греющего теплоносителя 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 30 40 50 60 70 80 90 Покозание ротаметра, Н, отн. ед. 71 Учебное издание ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ Лабораторные работы (практикум) для студентов технических специальностей Составители: БАШТОВОЙ Виктор Григорьевич ВОЖОВ Юрий Анатольевич КЛИМОВИЧ Сергей Викторович и др. Технический редактор М.И. Гриневич Компьютерная верстка Е.А. Занкевич Подписано в печать 12.09.2005. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 4,18. Уч.-изд. л. 3,27. Тираж 200. Заказ 270. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0056957 от 01.04.2004. 220013, Минск, проспект Независимости, 65.