учреждение высшего образования

«Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова»

Инженерный факультет

Электрификация и автоматизация селького хозяйства

Направленность (профиль) Энергообеспечение предприятий

в учебном плане

является дисциплиной обязательной для изучения

Семестр 5, 6

Зав. кафедрой Балданов М.Б.

п/п

на заседании кафедры

Заведующий кафедрой

Балданов М.Б.

(представитель работодателя)

Задачи: связи теплоэнергетических и теплоиспользующих установок с проблемой защиты окружающей среды изучение основных законов термодинамики и тепломассообмена, термодинамических процессов и циклов, свойств рабочих тел, основ расчета теплообменных аппаратов, горения, энергосбережения, вторичных энергоресурсов, возобновляемых источников энергии, теплоэнергетических и холодильных установок, использования теплоты в сельскохозяйственном производстве, теплоснабжения,.

форма текущего контроля успеваемости)

работ

теплообмена. Теплопроводность. Конвективный теплообмен.

Определениеэнергообеспеченности предприятий

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФГБОУ ВО «БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ имени В.Р.ФИЛИППОВА

_____________________________________________________________

Кафедра: «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

Бадмаев Ю.Ц.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

дисциплине: «Теплотехника» по направлению подготовки

35.03.06 «Агроинженерия»

Тема:  Газовые смеси

Улан – Удэ

2020

УДК 536.7

М.Б.Балданов, Ю.Ц.Бадмаев.  Газовые смеси. –  Улан – Уддэ: БГСХА, 2014. – 16 с.

Приведены основные определения и расчетные соотношения по теме «Газовые смеси».

Для контроля знаний студентов по рассматриваемой теме предложены вопросы.

Рецензент – – Раднаев Д.Н., д – ртехн. наук, доцент, заведующий кафедрой МСХП БГСХА

1. ГАЗОВЫЕ СМЕСИ

1.1. СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ,

ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ СМЕСИ

Под смесью газов подразумевается механическая смесь компонентов, не взаимодействующих между собой химически. Смесь может быть задана массовыми, объемными и мольными долями.

Массовая доля компонента смеси – это отношение массы компонента к массе смеси

gi= mi/m = mi/Σmi. (1.1)

Так как масса смеси равна сумме масс компонентов смеси, то для всех компонентов смеси Σgi = 1.  Каждый компонент смеси имеет температуру смесиТ, занимает весь объем смеси V и находится под  своим парциальным давлением рi. Это давление, которое имел бы любой компонент при температуре смеси, если бы он один занимал весь объем смеси. Согласно закону Дальтона сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси: Σрi = р.

Если один компонент при температуре Т находится под полным давлением смеси р, то он займет так называемый парциальный объем Vi. По закону  Бойля-Мариотта приТ = idem: рiV = рVi, откуда

Vi= V рi / р.

Тогда объемная доля компонента ri – это отношение парциального объема компонента к объему смеси

ri = Vi / V = Vi/ΣVi, (1.2)

откуда для всех компонентов смеси Σri = 1.

Мольная доля компонента – это отношение чисел кило молей компонента Ni и смеси N. Один кило моль газа – это масса газа в килограммах, численно равная его молекулярной массе . Мольная доля компонента численно равна его объемной доле, поэтому

ri = Ni/ N. (1.3)

Если заданы объемные доли компонентов смеси, то их массовые доли можно определить по формуле

gi = Iri/Σ(Iri) (1.4)

и наоборот:

1.2. КАЖУЩАЯСЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА СМЕСИ

Средняя (кажущаяся) молекулярная масса смеси может быть найдена из соотношения:

m = Σmi; N = Σ(I Ni) ;

 = Σ(I Ni / N) = Σ(I ri), (1.6)

или через массовые доли компонентов:

 = m / N = m/ΣNi = m/Σ(mi / i) = 1 / Σ(gi / i); (1.7)

последнее выражение получено после деления числителя и знаменателя на m, когда mi / m = gi.

Газовая постоянная смеси может быть найдена по обычной формуле для газов, Дж/(кг•К):

R = (R)/ = 8314 /Σ(Iri), (1.8)

где (R) = 8314 Дж/(кмольК) – универсальная газовая постоянная.

Если же заданы массовые доли компонентов, то надо воспользоваться уравнениями Клапейрона для суммы всех компонентов:

Σ(pi)V = Σ(miRi)T

и для смеси:

pV = mRT.

Согласно закону Дальтона Σpi = p, т.е. левые части этих уравнений равны

между собой. Приравняв их правые части с учетом того, что mi/ m = gI , получим

R= Σ(giRi). (1.9)

1.3. ПАРЦИАЛЬНЫЕ ДАВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ

Из уравнения Бойля-Мариотта для компонента и смеси: piV = pVi, откуда

pi = pVi/ V = pri . (1.10)

Парциальные давления компонентов через массовые доли могут быть определены из уравнений Клапейрона для компонента и смеси:

piV = miRiT;   pV = mRT.

Поделив левые и правые части этих уравнений, сократив одинаковые объемы V, температуры T и учитывая, что mi/ m = gi, получим:

pi = pgiRi / R. (1.11)

2. ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

Очевидно, чтобы нагреть газовую смесь наТ, надо нагреть каждый компонент смеси на Т. Следовательно, из уравнений теплового баланса смеси и компонентов:

сmT = Σ(cimi)ΔT,

откуда с учетом  mi / m = gi, теплоемкость смеси

c = Σ(cigi). (2.1)

По аналогии – объемная и мольная теплоемкости:

cV0 T = Σ(c’IV0i),

c = Σ(c’Iri), (2.2)

c = Σ[(c)iri]. (2.3)

3. ЗАДАНИЕ

Задана газовая смесь состава (табл. 3.1, 3.2, 3.3) при давлении p, объемом  V при температуре t и в диапазоне температур от t1  до t2.

Определить:

1) объемный состав смеси, если задан массовый; или массовый состав, если задан объемный или мольный;

2) кажущуюся молекулярную массу смеси через объемные и массовые доли;

3) газовые постоянные компонентов и смеси;

4) парциальные давления компонентов через объемные и массовые доли;

5) массы компонентов и смеси;

6) истинные мольную, массовую и объемную теплоемкости при p = сonst  и V = сonst  для температуры t:

7) средние мольную, массовую и объемную теплоемкости при p = сonst и V = сonst для интервала температур t1 … t2 ;

8) теплоту на нагревание от t1 до t2 2 кило молей, 5 м3 и 7 кг смеси при p = сonst;

9) Построить графические зависимости от температуры для массовой изобарной истинной и объемной средней теплоемкостей смеси.

Т а б л и ц а  3.1 - Газовая смесь 1

№ Массовый состав смеси, % p,

бар V,

м3 t,

°С t1 … t2,

°С

п/п СО2 H2О N2 воздух

1 10 5 70 15 1 2 100 100 - 500

2 20 10 60 10 2 3 200 200 - 600

3 17 15 50 18 4 5 300 300 - 700

4 34 6 40 20 6 7 400 400 - 800

5 39 11 30 20 8 9 500 500 - 900

6 34 16 20 30 10 1 600 100 - 1000

7 40 15 25 20 2 2 700 200 - 1100

8 35 5 35 25 3 4 800 300 - 1200

9 20 10 45 25 5 6 900 400 - 1300

10 5 10 55 30 7 8 1000 500 - 1400

11 15 10 65 10 9 10 1100 600 - 1500

12 20 15 20 45 1,5 2,5 1200 700 - 1600

13 25 10 30 35 3,5 4,5 1300 800 - 1700

14 30 5 15 50 5,5 6,5 1400 900 - 1800

15 50 10 10 30 7,5 8,5 1500 1000 - 1900

16 35 15 30 20 9,5 10 1600 100 - 800

17 45 10 25 20 2,5 1,5 1700 200 - 900

19 15 10 35 40 6,5 5,5 1900 400 - 1100

20 10 15 30 45 8,5 7,5 2000 500 - 1200

21 5 10 25 60 10 9,5 2100 600 - 1300

22 30 15 30 25 1,2 2,2 2200 700 - 1400

23 25 10 15 50 3,4 5,6 2300 800 - 1500

24 50 15 10 25 7,8 1,2 2400 900 - 1600

25 35 10 5 50 2,3 3,4 2500 1000 - 1700

Т а б л и ц а  3.2- Газовая смесь 2

№ Объемный состав смеси, % p,

бар V,

м3 t,

°С t1 … t2,

°С

п/п H2 CО SO2 CO2

1 60 10 20 10 1 10 2500 1000 - 2000

2 55 15 15 15 2 9 2400 900 - 1900

3 50 20 10 20 3 8 2300 800 - 1800

4 45 25 12 18 4 7 2200 700 - 1700

5 40 30 18 12 5 6 2100 600 - 1600

6 35 35 13 17 6 5 2000 500 - 1500

7 30 40 17 13 7 4 1900 400 - 1400

8 25 45 14 16 8 3 1800 300 - 1300

9 20 50 16 14 9 2 1700 200 - 1200

10 15 12 50 23 10 1 1600 100 - 1100

11 10 17 45 28 1,5 9,5 1500 100 - 500

12 12 22 36 30 2,5 8,5 1400 200 - 600

13 17 27 34 22 3,5 7,5 1300 300 - 700

14 22 32 30 16 4,5 6,5 1200 400 - 800

15 27 37 16 20 5,5 5,5 1100 500 - 900

16 32 42 14 12 6,5 4,5 1000 600 - 1000

17 37 47 10 6 7,5 3,5 900 100 - 800

18 42 28 15 15 8,5 2,5 800 200 - 900

19 47 33 10 10 9,5 1,5 700 300 - 1000

20 52 38 5 5 1,2 6,4 600 400 - 1100

21 48 30 12 10 2,2 5,4 500 500 - 1200

22 43 25 20 12 3,2 4,4 400 600 - 1300

23 38 20 20 22 4,2 3,4 300 700 - 1400

24 33 15 22 30 5,2 2,4 200 800 - 1500

25 28 20 30 22 6,2 1,4 100 900 - 1600

Т а б л и ц а  3.3 -Газовая смесь 3

№ Мольный состав смеси, % p,

бар V,

м3 t,

°С t1t2,

°С

п/п N2 О2 H2O CO2

1 70 5 5 20 1,0 2,0 100 100 - 700

2 55 10 10 25 1,2 2,2 1100 200 - 800

3 50 15 12 23 1,4 2,4 200 300 - 900

4 55 20 10 15 1,6 2,6 1200 400 - 1000

5 50 5 5 40 1,8 2,8 300 500 - 1100

6 45 10 15 30 2,0 3,0 1300 600 - 1200

7 40 15 7 38 2,2 3,2 400 700 - 1300

8 35 20 12 33 2,4 3,4 1400 800 - 1400

10 25 10 10 55 2,8 3,8 1500 1000 - 1600

11 30 15 10 45 3,0 4,0 600 1200 - 1800

12 25 20 8 47 3,2 4,2 1600 1300 - 1900

13 10 25 16 49 3,4 4,4 700 1300 - 1900

14 12 20 10 58 3,6 4,6 1700 1400 - 2000

15 17 15 15 53 3,8 4,8 800 100 - 900

16 22 10 10 58 4,0 5,0 1800 200 - 1000

17 27 5 5 63 4,2 5,2 900 300 - 1100

18 32 20 15 33 4,4 5,4 1900 400 - 1200

19 45 15 10 30 4,6 5,6 1000 500 - 1300

20 42 10 12 36 4,8 5,8 2000 600 - 1400

21 47 5 14 34 5,0 6,0 1100 700 - 1500

22 52 20 10 18 5,2 6,2 2100 800 - 1600

23 28 15 10 47 5,4 6,4 1200 900 - 1700

24 23 10 15 52 5,6 6,6 2200 1000 - 1800

25 28 5 10 57 5,8 6,8 1300 1100 - 1900

4. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ

ДАНО:

Смесь имеет следующий объемный состав:

СО2 = 12 %,     rCO2 = 0,12;

N2 = 75 %,       rN2 = 0,75;

H2O = 8 %       rH2O = 0,08;

O2 = 5 %          r O2 = 0,05.

Всего:   100 %      Σri = 1,0.

Параметры смеси: объем V = 3 м3; давление  p = 10 бар; температура t = 100°С (T = 373 K); интервал температур от t1 до t2 для определения средних теплоемкостей и теплоты нагрева смеси:

t1 = 200 °С (T1 = 473 K); t2 = 1000 °С (T2 = 1273 K).

РЕШЕНИЕ:

1. Кажущаяся молекулярная масса смеси по формуле (1.6), через объемные доли компонентов:

 = Σ(iri ) = 44  0,12 + 280,75 + 18  0,08 + 32  0,05 = 29,32.

1. Массовый состав смеси по формуле (1.4):

gCO2 = μCO2 rCO2 / μ = 44•0,12/29,32 = 0,180;

gN2 = μN2 rN2 / μ = 28•0,75/29,32 = 0,716;

gH2O = μH2O rH2O / μ = 18•0,08 = 0,049;

gO2 = μO2 rO2 / μ = 32•0,05/29,32 = 0,055.

Проверка:   Σgi = 1,000.

Кажущаяся молекулярная масса смеси по формуле (1.7), через массовые доли компонентов:

μ = 1/Σ(gi / μi) = 1/0,0341 = 29,32,

где: Σ(gi / μi) = 0,18/44 + 0,716/28 + 0,049/18 + 0,055/32 = 0,0341.

2. Газовые постоянные компонентов смеси:

RCO2 = 8314/μCO2 = 8314/44 = 189 Дж/(кг•К);

RN2 = 8314/μN2 = 8314/28 = 297 Дж/(кг•К);

RH2O = 8314/μH2O = 8314/18 = 462 Дж/(кг•К);

RO2 = 8314/μO2 = 8314/32 = 260 Дж/(кг•К).

Газовые постоянные смеси по формуле (1.8), через объемные доли компонентов:

R = 8314/Σ(μiri) = 8314/μ = 8314/29,32 = 284 Дж/(кг•К)

и по формуле (1.9), через массовые доли компонентов:

R = Σ(giRi) = 0,18•189 + 0,716•297 + 0,049•462 + 0,055•260 = 284 Дж/(кг•К).

4. Парциальные давления компонентов смеси по формуле (1.10), через объемные доли:

pСО2 = prCO2 = 10  0,12 = 1,2 бар;

pN2= prN2 = 10  0,75 = 7,5 бар;

pH2O = prH2O = 10  0,08 = 0,8 бар;

pО2=prO2 = 10  0,05 = 0,5 бар.

Проверка по закону Дальтона:

Σpi = p = 10 бар.  

То же через массовые доли, по формуле (1.11):

pСО2 = pgCO2RCO2 / R = 10•0,18•189/284 = 1,2 бар;

pN2 = pgN2RN2 / R = 10•0,716•297/284 = 7,5бар;

pH2O = pgH2ORH2O / R = 10•0,049•462/284 = 0,8бар;

pО2 = pgO2RO2 / R = 10•0,055•260/284 = 0,5бар.

Σpi = p = 10 бар.

5. Масса смеси по уравнению Клапейрона:

m = pV/(RT) = 10•105•3/(284•373) = 28,3 кг.

Массы компонентов смеси:

mN2 = mgN2 = 28,3 0,715 = 20,25 кг;

mH2O = mgH2O = 28,3 0,049 = 1,39 кг;

mO2 = mgO2 = 28,3 0,055 = 1,56 кг.

Проверка: Σmi = 28,3 кг.

6. Истинные теплоемкости смеси при  t = 100°С:

а) мольные из табл. 5.1:

( ср) = Σ(сpiri) = 40,2  0,12 + 29,1  0,75 + 34,1  0,08 + 29,9  0,05 =

= 30,9 кДж/ (кмольК);

(сv) = (сp) – 8,314 = 30,9 – 8,314 = 22,6 кДж/(кмольК);

б) массовые:

сp = (сp)/ = 30,9/29,32 = 1,05 кДж/(кгК);

сv = (сv)/ = 22,6/29,32 = 0,771 кДж/(кгК);

в) объемные:

сp= (сp)/22,4 = 30,9/22,4 = 1,38 кДж/(м3К);

сv = (сv)/22,4 = 22,6/22,4 = 1,01 кДж/(м3К).

Таблица 4.1 - Расчет истинных массовых изобарных теплоемкостей смеси

Величина Температура, ºС

0 500 1000 1500 2000 2500

(ср) = Σ(сРiri) по п. 6а 30,2 34,2 37,6 39,5 40,6 41,2

сP = (сP)/ 1,03 1,17 1,28 1,35 1,38 1,41

7. Определение средних теплоемкостей смеси:

а) мольные для температур t2 = 1000 ºC и t1 = 200 ºC из табл. 5.2:

(сpm)01000 = Σ(сpm)i01000ri = 49,4  0,12 + 31,2  0,75 + 38,6  0,08 +

+  33,1 0,05 = 34,1 кДж/(кмольК);

(сpm)0200 = Σ(сpm)i0200ri = 40,1 0,12 + 29,1 0,75 + 34,1  0,08 +

+ 29,9 0,05 = 30,9 кДж/(кмольК);

(сpm) = [(сpm)01000 t2 – (сpm)0200 t1]/(t2 – t1) =

= (34,1•1000 – 30,9•200)/(1000 – 200) = 34,9 кДж/(кмоль•К);

(сvm)  = (сpm) – 8,314 = 34,9 – 8,314 =26,6 кДж/(кмольК);

б) массовые:

сpm = (сpm)  / μ = 34,9/29,32 = 1,19 кДж/(кгК);

сvm = (сvm)  / μ = 26,6/29,32 = 0,906 кДж/(кгК);

в) объемные:

cpm = (сpm)  / 22,4 = 34,9/22,4 = 1,56 кДж/(м3К);

cvm  (сvm)  / 22,4 = 26,6/22,4 = 1,19 кДж/(м3К).

Таблица 4.2 -Расчет средних объемных изобарных теплоемкостей смеси

Величина Диапазон температур, ºС…ºС

0 0…500 0…1000 0…1500 0…2000 0…2500

(срm) = Σ[(сpm)iri] по п. 7а 30,2 32,1 34,1 35,6 36,7 37,6

cpm = (сpm)/22,4 1,35 1,43 1,52 1,59 1,64 1,68

8. Определение теплоты на нагревание:

а) двух кило молей смеси при p = Const и V = Const:

Q1 = N (сpm)  (t2 – t1) = 2•34,1•(1000 – 200) = 54560 кДж;

Q2 = N (сvm)  (t2 – t1) = 2•30,9•(1000 – 200) = 494400 кДж;

б) 7 кг смеси при p = Const и V = Const:

Q3 = mcpm  (t2 – t1) = 7 1,19 (1000 – 200) = 6664 кДж;

Q4 = mcvm  (t2 – t1) = 7 0,906 (1000 – 200) = 5074 кДж;

в) 5 м3 смеси при p = Const и V = Const:

Q5 = V0cpm   (t2 – t1) = 5  1,56 (1000 – 200) = 6240 кДж;

Q6 = V0cvm  (t2 – t1) = 5  1,19 (1000 – 200) = 4760 кДж.

9. Построение графических зависимостей от температуры для массовой изобарной истинной (табл. 4.1) и объемной средней теплоемкостей смеси (табл. 4.2).

Рис. 4.1. Зависимости для средней объемной и истинной массовой теплоемкостей

5. ПРИЛОЖЕНИЕ

Т а б л и ц а  5.1 - Истинные мольные изобарные теплоемкости газов (cР), кДж/(кмольК)

t, °С O2 N2 H2 CO CO2 SO2 H2O Воздух

100 29,9 29,1 29,1 29,3 40,2 42,4 34,1 29,3

200 30,8 29,4 29,2 29,7 43,7 45,6 35,0 29,7

300 31,8 29,8 29,3 30,3 46,5 48,2 36,0 30,3

400 32,8 30,5 29,4 31,0 48,9 50,2 37,2 31,0

500 33,6 31,1 29,6 31,7 50,8 51,7 38,4 31,6

600 34,2 31,8 29,8 32,4 52,5 52,9 39,7 32,3

700 34,8 32,4 30,1 33,0 53,8 53,8 41,0 32,9

800 35,2 33,0 30,5 33,6 55,0 54,4 42,3 33,4

900 35,6 33,5 30,9 34,1 56,0 55,0 43,5 33,9

1000 35,9 33,9 31,3 34,5 56,8 55,4 44,7 34,3

1100 36,2 34,3 31,7 34,8 57,5 55,8 45,9 34,7

1200 36,5 34,6 32,2 35,1 58,1 56,1 46,9 35,0

1300 36,8 34,9 32,6 35,4 58,6 56,3 47,9 35,3

1400 37,0 35,2 33,0 35,7 59,0 56,5 48,8 35,6

1500 37,2 35,4 33,4 35,9 59,5 56,7 49,6 35,8

1600 37,5 35,6 33,8 36,0 59,7 57,0 50,4 36,0

1700 37,7 35,8 34,1 36,2 60,0 57,2 51,1 36,2

1800 38,0 35,9 34,4 36,4 60,3 57,5 51,8 36,4

1900 38,2 36,1 34,8 36,5 60,5 57,8 52,4 36,5

2000 38,4 36,2 35,1 36,6 60,7 58,0 52,9 36,7

2100 38,6 36,3 35,3 36,7 60,9 58,3 53,5 36,8

2200 38,9 36,4 35,6 36,8 60,9 58,5 53,9 36,9

2300 39,1 36,5 35,9 36,9 61,0 58,7 54,4 37,1

2400 39,3 36,6 36,1 37,0 61,1 58,9 54,8 37,2

2500 39,5 36,7 36,3 37,1 61,1 59,0 55,2 37,3

Т а б л и ц а  5.2 - Средние мольные изобарные теплоемкости газов  (сp) , Дж/(кмольК)

t, °С O2 N2 H2 CO CO2 SO2 H2O Воздух

0 29,3 29,0 28,6 29,1 35,9 38,9 33,5 29,1

100 29,5 29,1 28,9 29,2 38,1 40,7 33,7 29,2

200 29,9 29,2 29,1 29,3 40,1 42,3 34,1 29,3

300 30,4 29,3 29,1 29,5 41,8 43,9 34,6 29,5

400 30,9 29,5 29,2 29,8 43,3 45,2 35,1 29,8

500 31,3 29,8 29,3 30,1 44,6 46,4 35,6 30,1

600 31,8 30,0 29,3 30,4 45,8 47,4 36,2 30,4

700 32,2 30,3 29,4 30,8 46,8 48,2 36,8 30,7

800 32,5 30,6 29,5 31,1 47,8 49,0 37,4 31,0

900 32,8 30,9 29,7 31,4 48,6 49,6 38,0 31,3

1000 33,1 31,2 29,8 31,7 49,4 50,2 38,6 31,6

1100 33,4 31,5 29,9 31,9 50,1 50,7 39,2 31,9

1200 33,6 31,7 30,1 32,2 50,7 51,1 39,8 32,1

1300 33,9 31,9 30,3 32,4 51,3 51,5 40,4 32,3

1400 34,1 32,2 30,5 32,7 51,9 52,1 40,5 32,6

1500 34,3 32,4 30,7 32,9 52,4 52,6 41,5 32,8

1600 34,5 32,6 30,8 33,1 52,8 53,0 42,1 33,0

1700 34,7 32,8 31,0 33,2 53,2 53,4 42,6 33,2

1800 34,8 32,9 31,2 33,4 53,6 53,8 43,1 33,3

1900 35,0 33,1 31,4 33,6 54,0 54,2 43,5 33,5

2000 35,2 33,2 31,6 33,7 54,3 54,5 44,0 33,6

2100 35,3 33,4 31,7 33,9 54,6 54,8 44,4 33,8

2200 35,5 33,5 31,9 34,0 54,9 55,1 44,9 33,9

2300 35,6 33,6 32,1 34,1 55,2 55,4 45,3 34,1

2400 35,8 33,7 32,2 34,2 55,4 55,6 45,7 34,2

2500 35,9 33,9 32,4 34,3 55,6 55,8 46,0 34,3

ЛИТЕРАТУРА

1. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, А.Е. Шейндлин. – М.: Энергия, 1974. – 447 с.

3. Шаров, Ю.И. Теплотехника: электронное учебное пособие в форме слайд-конспекта / Ю.И. Шаров. – М.: ВГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», номер государственной регистрации 0320801605 от «01» августа 2008 г. – 4,06 мб.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ИМЕНИ В. Р. ФИЛИППОВА»

Лабораторный практикум по теплотехнике

Составители:

Ю.Ц. Бадмаев,  М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова

Допущено Методическим советом Бурятской ГСХА в качестве учебно-методического  пособия для обучающихся по направлению  подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

Улан-Удэ

ФГБОУ ВО «Бурятская ГСХА имени В.Р. Филиппова»

2021

© ФГБОУ ВО «Бурятская государственная

сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова», 2021

Об издании – 1,2,3

УДК 631.3:631.8(571,54)

Б 153

Протокол методического совета ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова» № 8 от 14 апреля 2021 г.

Рецензенты:

Д.Б.Лабаров- д.т.н., профессор кафедры «Технический сервис АПК и ОИД» ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В. Р. Филиппова»;

Т. В. Еремина  - д.т.н., профессор кафедры «Экология, недропользование и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО «Восточно – Сибирский государственный технологический университет технологии и управления».

Б 153Лабораторный практикум по теплотехнике. Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия» / Сост.: Бадмаев Ю.Ц., Балданов М.Б., Шкедова Л.П. – Улан-Удэ: ФГБОУ ВО БГСХА, 2020. -    с. Системные требования: PC не ниже класса IntelCeleron 2 ГГц; 512 MbRAM ;AdobeAcrobatReader.

Учебно-методическое пособие  по дисциплине «Теплотехника» предназначено для обучающихся инженерного факультета по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия».направленность «Электрооборудование и электротехнологии».

Пособие включает описание лабораторных работ, задание, методика выполнения и контрольные вопросы.

Приведены теоретические предпосылки. Основной целью учебно-методического пособия является научить обучающихся к выполнению лабораторных исследований на основе теоретических знаний полученных по лекционным материалам.

Выберите стандартный блок.

© Ю.Ц. Бадмаев, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова составление, 2021

© ФГБОУ ВО «Бурятская государственная

сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова» 2021

Электронное издание создано при использовании программного обеспечения  MSMicrosoftWord

Шкедова Л.П.

Дата подписания к использованию:

26.04.2021

Объём издания – 1457 КБ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Бурятская государственная сельскохозяйственная академия

имени В. Р. Филиппова»

670024, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина, 8

e-mail: bgsha@ bgsha.ru

Об издании – 1, 2,3

Оглавление

Введение………………………………………………………………………………………………………………………………………………  5

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ 6

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ(на примере поршневого компрессора) 15

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНО-КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА К ВОЗДУХУ 26

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ  ТЕПЛООТДАЧИ  МАТЕРИАЛА  ПРИ  СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ 34

Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ К ВОЗДУХУ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ 47

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛАМЕТОДОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СЛОЯ 55

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПОСОБОВ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ МЕТОДОМ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА…………………………………………………………………………………………………………………………………60

Лабораторная работа № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ АНАЛОГИИ 66

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 72

Лабораторная работа № 10

Тема: Исследование работы солнечного фотоэлемента 83

Основная литература 91

Введение

        Лабораторный практикум по дисциплине «Теплотехника» соответствует ФГОС ВОпо направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» (уровень бакалавриата).

  Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, 

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цель лабораторной работы:

изучение термодинамических характеристик влажного воздуха и методов их определения.

Содержание лабораторной работы:

экспериментальное определение абсолютной и относительной влажности воздуха, парциального давления водяных паров, энтальпии влажного воздуха и его влагосодержания.

Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Лабораторная установка состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр 13 (рисунок 1.1). Площадь проходного сечения воздуховода F составляет 0,0177 м2.

Психрометр состоит из «сухого» 5 и «мокрого» 4 ртутных термометров. «Мокрый» термометр отличается от «сухого» тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, «мокрый» термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды. Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального резервуара с водой 3. Поток воздуха создается компрессором 2. Расход воздуха через воздуховод измеряется устройством типа трубки «Вентури» 9 по показаниям водяного

U-образного вакууметра 10.

Рисунок 1.1 - Схема лабораторной установки

1 - воздуховод; 2 – компрессор; 3 – резервуар с водой; 4 – «мокрый» термометр;

5 – «сухой» ртутный термометр; 6 – электрический нагреватель; 7 – автоклав;

8 – заслонка; 9 – трубка «Вентури»; 10 – U-образный вакууметр;

11 – барометр; 12 – термометр; 13 – психрометр

В процессе экспериментального исследования существует возможность изменять режимы работы опытной установки. Переход от одного режима работы установки к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6, регулирования скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также путем подачи в поток воздуха различного количества водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. При достижении стационарного (установившегося) режима работы опытной установки разность показаний «сухого» и «мокрого» термометров не изменяется во времени. В процессе исследования рекомендуется проводить от 3 до 6 опытов, характеризующиеся установившимися режимами работы установки.

Результаты измерений в процессе экспериментов заносятся в протокол экспериментальных исследований (таблица1.1).

Таблица 1.1 - Опытные данные

№

п/п Измеряемый параметр № опыта

1 2 3 4 5 6

1. Температура «сухого» термометра tс, °С

2. Температура «мокрого» термометра tм, °С

3. Показания U-образного вакуумметра Н, мм вод.ст.

4. Показания барометра  , мбар

5. Температура окружающей среды tокр,°С

  1 бар = 103мбар = 750 мм рт.ст. = 10 м вод.ст. = 105 Па = 0,1 МПа.  

Обработка результатов экспериментального исследования

Для определения истинного значения температуры мокрого термометра tм′ необходимо рассчитать скорость воздуха в воздуховоде  . Для этого следует определить атмосферное давление ( Па) с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

.(1.1)

Перепад давления воздуха в расходомере ( Па) определяется по соотношению

,                                                (1.2)

где ρвод – плотность воды в U-образном вакуумметре,  1000 кг/м3;

g – ускорение свободного падения,   = 9,81м/сек2; Н – показание вакуумметра, установленного на расходомере, м вод.ст. (1 мбар = 10 мм вод.ст.)

Плотность воздуха ( ) в самом узком сечении расходомера (трубки «Вентури») 9 находится из уравнения Клапейрона

,                                           (1.3)

где Rв – характеристическая газовая постоянная воздуха,  .

.                                         (1.4)

Средняя плотность воздуха в воздуховоде (ρв) находится по формуле

,                                                    (1.5)

а средняя скорость потока ( ) определяется из выражения

.                                                  (1.6)

Поправка к психрометрической разности температур ( , %) определяется из графика (рисунок1.1) в соответствии со значением средней скорости потока воздуха в воздуховоде ( ) и показания «мокрого» термометра (tм). С учетом поправки к психрометрической разности температур находится истинное значение температуры «мокрого» термометра

.                                        (1.10)

Относительная влажность воздуха в воздуховоде определяется по психрометрической формуле

,                                  (1.11)

где K− поправочный коэффициент, учитывающий особенности конструкции лабораторной установки и скорость воздуха в воздуховоде,

;                                     (1.12)

− барометрическое давление, Па;рs м− давление насыщения водяного пара при истинном значении температуры «мокрого» термометра ( ), Па;

рs− давление насыщения водяного пара при температуре «сухого» термометра ( ), Па.

Значения давления насыщения водяного пара рs м и  рs находятся по таблицам термодинамических свойств водяного пара на линии насыщения (ПРИЛОЖЕНИЕ I, табл. П-1).

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе ( ) определяется по формуле

,                         (1.13)

абсолютная влажность воздуха ρвп находится из уравнения состояния

,                                        (1.14)

а его влагосодержание – по соотношению

,                              (1.15)

где Rвп – характеристическая газовая постоянная водяного пара,  ;

Энтальпию влажного воздуха, отнесенную к 1 кг сухого воздуха ( ) можно рассчитать по приближенной

формуле (18).

В процессе исследования основные характеристики влажного воздуха определяются также с помощью   диаграммы (рисунок1.2).

Результаты обработки опытных данных и характеристики влажного воздуха, найденные с помощью   диаграммы, вносятся в таблицу (таблица1.2).

Таблица  1.2 - Основные результаты исследования

№

п/п Характеристика № опыта

по расчету по h-d диаграмме

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

1. Относительная влажность φ

2. Влагосодержание d, г/кг сух.возд.

3. Абсолютная влажность ρвп, кг/м3 -

4. Энтальпия hвв, кДж/кг сух.возд.

5. Парциальное давление

водяного пара рвп, Па

6. Давление насыщения

водяного пара рs, Па

7. Температура точки росы ts, °С -

Пример расчета

Контрольные опыты проводились для 6 установившихся режимов работы экспериментальной установки. Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6, регулирования влагосодержания путем подачи в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7, и изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8. Опытные данные по одному из проведенных опытов представлены в таблице1.3.

Таблица 1.3  Опытные данные

№

п/п Измеряемый параметр Значения параметров

2. Температура «мокрого» термометра tм, °С 13,2

3. Показания U-образного вакуумметра Н,

мм вод.ст. 691

4. Показания барометра  , мбар

951

5. Температура окружающей среды tокр,°С 14

Атмосферное давление с учетом температурного расширения столбика ртути барометра

.

Перепад давления воздуха в воздухомере

.

Плотность воздуха в самом узком сечении расходомера (трубки «Вентури») 9

.

Массовый расход воздуха через расходомер

.

Средняя плотность воздуха в воздуховоде

.

Средняя скорость потока воздуха в воздуховоде

.

Поправка к психрометрической разности температур составляет

  (рисунок1.2).

С учетом поправки к психрометрической разности температур истинное значение показания «мокрого» термометра

.

Значения давления насыщения водяного пара рs м и  рs находятся по таблицам термодинамических свойств водяного пара на линии насыщения:

рs м 1500 Па, рs 2760 Па (Приложение 1, табл. П1-1).

Поправочный коэффициент, учитывающий особенности конструкции лабораторной установки и скорость воздуха в воздуховоде

.

Относительная влажность воздуха в воздуховоде определяется по психрометрической формуле

.

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе

.

Абсолютная влажность воздуха

.

Влагосодержание воздуха

Энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха

В процессе исследования основные характеристики влажного воздуха определяются также с помощью   диаграммы (рисунок1.2).

Результаты обработки опытных данных и характеристики влажного воздуха, найденные с помощью   диаграммы, представлены в таблице1.4.

Таблица 1.4 - Результаты обработки экспериментальных данных( ,  )

№

п/п Характеристика По расчету По h-d диаграмме

1. Относительная влажность φ 0,32 0,33

2. Влагосодержание d, г/кг сух.возд. 5,8 5,8

3. Абсолютная влажность ρвп, кг/м3 0,0065 -

4. Энтальпия hвв, кДж/кг сух.возд. 37,6 38,0

5. Парциальное давление водяного

пара рвп, Па 880 820

6. Давление насыщения водяного

пара рs, Па 2760 2600

7. Температура точки росы ts, °С - 5

Максимальное относительное расхождение между характеристиками влажного воздуха, полученными в результате обработки опытных данных и определенными с помощью   диаграммы, не  превышает 7 %.

3. Вопросы для контроля знаний

1. Что представляет из себя влажный воздух?

2. Дайте определение насыщенного, ненасыщенного и перенасыщенного влажного воздуха. Каковы отличительные особенности влажного воздуха, находящегося в этих состояниях?

3. Дайте определение температуры точки росы  .

4. Что такое абсолютная влажность воздуха?

5. Что называется относительной влажностью воздуха?

6. Почему с увеличением температуры влажного воздуха его относительная влажность уменьшается?

7. Что называется влагосодержанием воздуха?

8. Какова связь между относительной влажностью воздуха и его влагосодержанием?

9. Как определяется энтальпия влажного воздуха?

10. Каким образом определяются параметры влажного воздуха с помощью диаграммы по показаниям «сухого» и «мокрого» термометров?

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

(на примере поршневого компрессора)

Цель  работы:

1.Ознакомление с поршневым компрессором и его техническими характеристиками.

2.Практическое закрепление знаний по термодинамическим процессам в компрессоре.

3.Построение процессов компрессора в PV- и TS-диаграммах.

4.Определение степени сжатия, технической работы и других характеристик компрессора.

1. Термодинамические процессы в компрессоре

1.1. Одноступенчатый компрессор

Компрессором называется [1] установка для сжатия газов. Конструктивно компрессоры подразделяются на объемные (статического сжатия за счет уменьшения объема газа) и лопаточные (динамического сжатия за счет преобразования кинетической энергии движущегося газа в потенциальную энергию давления). Так как с термодинамической точки зрения процессы в объемных и лопаточных компрессорах не отличаются, рассмотрим их на примере поршневого компрессора (рисунок 2.1).

В цилиндре 2 движется поршень 1, совершающий возвратно-поступательное движение. При движении поршня вправо происходит всасывание газа 4-1 через открытый всасывающий клапан 3, при практически постоянном давлении p1. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения (нижней мертвой точки), процесс всасывания заканчивается, клапан 3 закрывается и поршень начинает двигаться влево. Происходит сжатие газа 1-2. Когда давление газа в цилиндре достигает значения, несколько превышающего давление в баллоне сжатого газа (ресивере), нагнетательный клапан 4 открывается и происходит нагнетание 2-3 сжатого газа в ресивер. Дойдя до крайнего левого положения (верхней мертвой точки), поршень вновь начинает двигаться вправо и процесс повторяется.

В PV-диаграмме на рисунке 2.1 показаны: работа всасывания l41 – вертикальная штриховка; работа сжатия l12 – косая штриховка и работа нагнетания l23 – горизонтальная штриховка. Сумма этих работ дает так называемую техническую работу компрессора

(2.1)

РИС.2.1.ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕС-СОР.

РИС. 2.2. ПРОЦЕССЫ СЖАТИЯ В PV- И TS-ДИАГРАММАХ.

Каждая составляющая технической работы в общем случае определяется по формуле

(2.2)

Считая всасывание и нагнетание изобарными процессами и подставляя работы l41, l12, l23, определенные по формуле (2.2), в уравнение (2.1), после несложных преобразований можно получить общее выражение для технической работы

(2.3)

Можно представить три возможных термодинамических процесса сжатия в компрессоре (рис. 2.2): изотермический 1-2и, адиабатный 1-2а и политропный 1-2п. Так как техническая работа в PV-диаграмме представляет собой площадь цикла 12341 (1.1), то минимальная техническая работа будет при изотермическом сжатии, а максимальная – при адиабатном (см. рисунок 2.2). Изотермическое сжатие можно представить при идеальном охлаждении компрессора, а адиабатное – для идеально изолированного компрессора (нет теплообмена между сжимаемым газом и окружающей средой). Но ни идеальное охлаждение, ни идеальную изоляцию осуществить невозможно, поэтому в реальном компрессоре сжатие газа происходит по политропе 1-2п, располагающейся между изотермой 1-2и и адиабатой 1-2а; очевидно показатель этой политропы 1<n<к.

Из уравнения политропы

, (2.4)

где левая часть соответствует любой точке на политропе, а правая часть – начальному состоянию газа (т.1). Находя удельный объем v из формулы (2.4), подставляя его в уравнение (2.3), можно получить техническую работу политропного (реального) компрессора

, (2.5)

Или с учетом уравнения Клапейрона для идеального газа

(2.6)

1.2. Двухступенчатый компрессор

Если необходимо получить газ достаточно высокого давления, то даже при хорошем охлаждении компрессора температура сжатого газа получается недопустимо высокой. Чтобы избежать этого, применяются многоступенчатые компрессоры с охлаждением газа в промежуточных холодильниках. На рисунке 2.3 представлены термодинамические процессы в теоретическом 2-ступенчатом компрессоре: 71 – изобарное всасывание; 12 и 34 – политропное сжатие в I и II ступенях компрессора; 23 и 45 – изобарное охлаждение в промежуточных холодильниках; 56 – изобарное нагнетание сжатого газа в ресивер. Промежуточные холодильника рассчитывают так, чтобы температуры Т5=Т3=Т1. Если бы сжатие осуществлялось в 1-ступенчатом компрессоре по политропе 128, то техническая работа была бы выше на величину заштрихованной площадки 23482 (рисунок 2.3).

РИС. 2.4. РЕАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОДНОСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ.

РИС. 2.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДВУХСТУПЕНЧАТОМ КОМПРЕССОРЕ.

Параметры газа на входе в цилиндр высокого давления PxVx(т.3) можно найти, приравняв технические работы I и II ступеней компрессора по формуле (2.5)

. (2.7)

Считая, что сжатие в I и II ступенях осуществляется при одинаковых показателях политропыn=idem и учитывая, что Т3=Т1, то есть P1v1=Pxvx(уравнение Бойля-Мариотта для изотермического процесса), получаем  

, (2.8)

Следовательно

. (2.9)

Таким образом, преимуществом многоступенчатого компрессора является приемлемая температура сжатого газа и экономия в технической работе, то есть в расходах энергии на привод компрессора.

В реальном компрессоре имеется так называемый вредный объем V3, из-за которого не весь сжатый газ нагнетается в ресивер. Вредный объем – это объем зазора между днищем поршня в его крайнем левом положении (верхней мертвой точке) и головкой цилиндра с клапанами. Этот зазор необходим для безударной работы компрессора. На рисунке 2.4 изображены термодинамические процессы реального одноступенчатого компрессора, где p1 иp2 – давления в окружающей среде и в ресивере. Сжатие газа 1-2 происходит до давления несколько выше p2, необходимого для открытия нагнетательного клапана. После нагнетания 2-3 оставшийся во вредном объеме V3 газ расширяется до V4 при обратном ходе поршня. Для начала всасывания 4-1 давление в цилиндре должно стать несколько ниже атмосферного, что необходимо для открытия всасывающего клапана. Рабочий объем цилиндра,  м3

(2.10)

Это объем цилиндра между крайними положениями поршня (между ВМТ и НМТ). Здесь d, м – диаметр цилиндра, S, м – ход поршня. На рисунке 2.4 представлена так называемая индикаторная диаграмма компрессора, которая снимается с помощью механического индикатора. По ней с помощью планиметра определяется площадь индикаторной диаграммы fi, представляющая собой индикаторную (внутреннюю) работу компрессора Li за один оборот вала компрессора. Тогда индикаторная (внутренняя) мощность привода компрессора, Вт

, (2.11)

где Li, Дж/об – индикаторная работа; n, об/с – число оборотов вала компрессора.

По определенным с помощью механического индикатора площади диаграммы fi в мм2 и рабочего объема цилиндра Vh в мм определяется среднее индикаторное давление газа в цилиндре pi  в МПа

(2.12)

где m=0,1 МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.

1.4.Реальный двухступенчатый компрессор

1.Паспортные данные компрессора.

Паспортные данные компрессора приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - ПАСПОРТНЫЕ ДАННЫЕ КОМПРЕССОРА

№ п/п Характеристика Обозна-чение Размер-

ность Величи-на

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 Тип компрессора

Диаметр цилиндра низкого давления

Диаметр цилиндра высокого давления

Ход поршня

Число цилиндров

Число оборотов компрессора

Производительность компрессора по всасываемому воздуху

Объем цилиндра низкого давления

Объем цилиндра высокого давления

Объем ресивера

Относительно вредный объем

Эффективная мощность привода компрессора

2-ОК-1

dН

dВ

S

Z

n

V

Vн

Vв

Vр

а

Ne –

м

м

м

–

об/с

м3/с

м3

м3

м3

–

Вт

–

0,1

0,035

0,1

2

8,3

0,0072

6,9•10-4

0,96•10-4

0,15

0,06

7360

1.5. Основные характеристики компрессора

Степень сжатия компрессора

, (2.13)

где давление сжатого воздуха, МПа  

, (2.14)

здесь p, мм – максимальная высота индикаторной диаграммы (см. рис. 2.4); m=0,1МПа/мм – масштаб пружины механического индикатора.

Начальное давление воздуха перед компрессором, МПа

, (2.15)

Где В, мм.рт.ст. – давление окружающей среды по барометру;

1МПа=7500мм.рт.ст.

Производительность компрессора  при p1, t1, м3/с

, (2.16)

здесь

; (2.17)

(2.18)

Начальный и конечный объем воздуха в ресивере, приведенные к условиям на входе в компрессор;

Vр=0,15м3 – объем ресивера;

; (2.19)

(2.20)

Абсолютные начальное и конечное давления воздуха в ресивере, МПа; Рнач и Ркон – избыточные давления (по манометру) в ресивере на начало и конец измерений; МПа; , с – время работы компрессора.Индикаторная (внутренняя) работа – это работа сжатия воздуха внутри цилиндров за один оборот компрессора, Дж/об

, (2.21)

Где z=2 – число цилиндров компрессора; Liнд,  Liвд- индикаторные работы цилиндров низкого и высокого давлений.

Индикаторная мощность компрессора, Вт

(2.22)

Где n, об/с – измеренное число оборотов компрессора.

Эффективная мощность привода компрессора, Вт

(2.23)

где I, A; U, B – измеренные питающие электронагреватель ток  и напряжение; cosφ=0,8.

Механический КПД компрессора.

(2.24)

Коэффициент подачи компрессора представляет собой отношение действительной производительности Vк теоретической.

, (2.25)

Где z=2 – число цилиндров; dн, м; dв, м – диаметры цилиндров низкого и высокого давления из таблице  2.1;S, м – ход поршня из таблице 2.1; n, об/с – измеренное число оборотов компрессора.

Объемный коэффициент компрессора  учитывает влияние вредного объема

, (2.26)

здесь объем всасываемого воздуха Vвс, мм и рабочий объем цилиндра Vh, мм снимаются с индикаторной диаграммы рисунке 2.4.

Изотермический КПД компрессора представляет собой отношение мощностей привода изотермического Nиз и реального Ni компрессоров

(2.27)

где ; (2.29)

(2.30)

давление p1 в формуле (2.29) следует подставить в Па (Н/м2). С учетом формул (2.22), (2.23) и (2.24)

. (2.18)

По величине изотермического КПД можно судить о совершенстве реального компрессора. Мощность привода теоретического изотермического компрессора минимальна, поэтому, чем ближе изк единице, тем совершеннее реальный компрессор.

2.  Методика выполнения лабораторной работы

Цель работы состоит в ознакомлении студентов с устройством и принципом работы поршневого компрессора. Запуск установки, снятие показаний и ее выключение выполняется под контролем учебного мастера. Результаты замеров вносятся в таблице 2.1, расчеты выполняются в таблице 2.2.

Таблица 2.1 - Результаты измерений

№

п/п Характеристика Обозна-чение Размер-ность Величина Примечание

1 Давление окружающего воздуха В мм.рт.ст. Барометр

2 Температура окружающего воздуха t1 ºC Термометр

4 Температура воздуха после холодильника ступени ВД t4 ºC Термопара 4

5 Температура охлаждающей воды на входе в рубашку охлаждение tB1 ºC Термопара 1

6 Температура воды на выходе tB2 ºC Термопара 2

7 Начальное давление воздуха в ресивере Pнач ати Манометр

8 Конечное давление воздуха в ресивере Ркон ати Манометр

9 Время работы компрессора τ с Секундомер

10 Сила тока I A Амперметр

11 Напряжение U B Вольтметр

12 Число оборотов вала компрессора n об/с Стробота-хометр

13 Индикаторные диаграммы ЦНД и ЦНД Механический индикатор

Таблица 2.2 - Расчет основных характеристик компрессора

№

п/п Характеристика Формула Величина Размерность

1 Абсолютное давление воздуха перед компрессором

МПа

2 Абсолютное давление сжатого воздуха

МПа

3 Степень сжатия

4 Абсолютное начальное давление воздуха в ресивере

МПа

5 Начальный приведенный объем воздуха в ресивере

м3

6 Абсолютное конечное давление воздуха в ресивере

МПа

7 Конечный приведенный объем воздуха в ресивере

м3

8 Производительность компрессора

м3/с

9 Среднее индикаторное давление ступени НД

МПа

10 Индикаторная работа ступени низкого давления , где VH и а взять из табл.2.1. Дж/об

11 Среднее индикаторное давление ступени ВД

МПа

12 Индикаторная работа ступени высокого давления

Дж/об

13 Индикаторная работа компрессора

Дж/об

14 Индикаторная мощность компрессора

Вт

15 Эффективная мощность привода компрессора

Вт

16 Механический КПД компрессора

17 Коэффициент подачи компрессора

18 Объемный коэффициент компрессора

19 Изотермический КПД компрессора

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните устройство и принцип действия компрессора?

2. Изложите объемный коэффициент компрессора.

3. Запишите формулу для технической работы компрессора.

4. Как определяется изотермический кпд  компрессора?

     5. Объясните методику выполнения лабораторной работы.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНО-КОНВЕКТИВНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ

ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА К ВОЗДУХУ

Цель работы:

• изучение закономерностей свободно-конвективной теплоотдачи от горизонтального цилиндра к воздуху;

• практическое освоение методов исследования теплообмена с применением теории подобия;

• экспериментальное и теоретическое (по уравнению подобия) определение коэффициента теплоотдачи. Сравнение полученных результатов.

Конвекция – это передача теплоты от более нагретых слоев жидкости к менее нагретым (под жидкостями подразумеваются также газы и расплавленные металлы). Различают свободную (естественную) конвекцию и вынужденную.

Свободная конвекция есть движение жидкости за счет разности плотностей нагретых и холодных ее слоев. Интенсивность движения возрастает с увеличением разности температур между ними.

Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью между стенкой и воздухом называется конвективной теплоотдачей. Теплота, отдаваемая от стенки к жидкости (воздуху) определяется по уравнению Ньютона–Рихмана, Вт/(м2•К):

,     (3.1)

где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); F – площадь поверхности теплообмена, м2;   – температура стенки, С;   – температура жидкости, С.

Из (3.1) коэффициент конвективной теплоотдачи:

.     (3.2)

Формула (3.2) проста, но требует наличия экспериментальных данных. Теоретически конвективный теплообмен описывается системой дифференциальных уравнений с условиями однозначности [1, 2, 3]. С применением теории подобия физических явлений математическое описание приводится к безразмерному виду и решение, общее для ряда подобных  между собой явлений конвективной теплоотдачи, находится в виде зависимости между числами подобия (критериями подобия):

,     (3.3)

где с и n – константы, определяемые из опыта.

Физический смысл числа подобия Нуссельта – соотношение конвективной теплоотдачи и теплопроводности:

.     (3.4)

Здесь  – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(мК); d –  диаметр горизонтальной трубы, м.

Число подобия Грасгофа представляет собой соотношение подъемных и вязкостных сил:

,     (3.5)

где g= 9,81 м/c2 – ускорение свободного падения;  – коэффициент объемного температурного расширения жидкости, 1/К;  – коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с. Для газов:

.     (3.6)

Число подобия Прандтля:

    (3.7)

и характеризует физические свойства жидкости. Здесь а – коэффициент температуропроводности жидкости, м2/с.

При теплоотдаче к воздуху число Прандтля жидкости можно принять равным 0,7. В этом случае уравнение (3.3) примет более простой вид:

.     (3.8)

Константы с и n находятся из эксперимента и зависят от режима движения жидкости (таблица 3.1):

Таблица 3.1 - Константыс и n

Режим Gr с n

Ламинарный 10-3…5102 1,13 0,125

Переходный 5102…2107 0,49 0,250

Турбулентный >2107 0,12 0,333

Методика выполнения работы

3.1. СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки для исследования теплоотдачи при свободной конвекции показана на рисунок 3.1.

На стенде установлены два цилиндра 8 разных диаметров. Внутри каждого цилиндра установлен электронагреватель 7, на который подается напряжение через лабораторный автотрансформатор 12. С торцов цилиндры изолированы пробками 9, поэтому теплоотдача происходит от их горизонтальной части.

На рабочем участке цилиндра   установлены хромель-копелевые термопары 1…6, которые через переключатель 16 подключаются к потенциометру 15, шкала которого проградуирована в С.

Установка имеет общий выключатель 14 и сигнальную лампу 13. Рабочий участок  , на котором установлены термопары, меньше полной длины цилиндра l. Это позволяет не учитывать стоки теплоты с торцов.

Рис. 3.1.Cхема экспериментальной установки:

1…6 – термопары; 7 – электронагреватель; 8 – цилиндр; 9 – теплоизоляция;

10 – амперметр; 11 – вольтметр; 12 – трансформатор; 13 – сигнальная лампа;

14 – выключатель; 15 – потенциометр; 16 – переключатель термопар

3.2.  ГРАФИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Если зависимость (3.8) прологарифмировать, то в логарифмических координатах она будет представлять уравнение прямой линии (см. рис. 3.2):

.     (3.9)

Логарифм константы с отсекается в начале координат прямой АС, а показатель степени n находится из прямоугольного треугольника АВС, с учетом масштабов по осям координат:  .

3.3.  ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ

Подается напряжение на электронагреватели горизонтальных цилиндров и с  помощью  трансформаторов  устанавливается  режим  нагрева.  Измерения

выполняются   после   прогрева   установки  и   установления  стационарного

Рисунок 3.2. Графическое обобщение экспериментальных данных

Таблица 3.2 – Результаты измерений

Цилиндр Режим

Температура стенки

цилиндра  , °С

tж,

С

I,

A

U,

B

d,

м

l,

м

lp ,

м

1 2 3 4 5 6

I 1

2

II 1

2

Принять степень черноты поверхности цилиндров для гладкой окисленной поверхности алюминия = 0,2

3.4.  РАСЧЕТЫ

При измеренной температуре окружающего воздуха находятся его физические параметры из таблицы 3.3. Все расчеты сводятся в таблицу 3.4. и по их результатам строится график  , рис. 3.2. По графической зависимости определяются константы с и nв уравнении (3.9).

Таблица 3.3 - Физические параметры воздуха при В= 760 мм рт. ст.

t,

С ,

кг/м3 cр,

Дж/(кгК) 102, Вт/(мК) 106,

м2/с Pr

0 1,293 1005 2,44 13,3 0,707

5 1,269 1005 2,47 13,7 0,706

10 1,247 1005 2,51 14,2 0,705

15 1,226 1005 2,56 14,6 0,704

20 1,205 1006 2,60 15,1 0,703

25 1,180 1006 2,64 15,5 0,702

30 1,165 1006 2,68 16,0 0,701

35 1,147 1006 2,72 16,5 0,700

40 1,128 1007 2,76 17,0 0,699

45 1,111 1007 2,79 17,5 0,699

50 1,093 1007 2,83 18,0 0,698

55 1,078 1007 2,87 18,5 0,697

60 1,060 1007 2,90 19,0 0,696

Таблица 3.4 – Результаты расчетов

№

Величина Формула или

источник Цилиндр

12, 14 мм Цилиндр   

80 мм

Режим Режим

1 2 1 2

1 Средняя температура поверхности, С

2 Тепловой поток, Вт ,

сos= 0,96

3 Тепловой поток с рабочего участка, Вт

4 Поверхность рабочего участка, м2

5 Лучистый тепловой поток, Вт

7 Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К)

8 Коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м•К)  (см. табл. 3.3, при температуре среды  )

9 Число Нуссельта

10 Коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К

11 Разность температур, К

12 Кинематическая вязкость воздуха, м2/с  (см. табл. 3.3, при температуре среды  )

13 Число Грасгофа

14 Логарифм числа Нуссельта

15 Логарифм числа Грасгофа

16 Расчетное значение числа Нуссельта ,

(с и n взять из табл. 3.1)

17 Расчетное значение коэффициента теплоотдачи, Вт/(м2•К)

18 Относительная погрешность эксперимента, %

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните природу свободного движения жидкости.

2. Изложите механизм теплообмена при свободной конвекции.

3. Запишите формулу для расчета теплового потока при конвективной теплоотдаче.

4. Укажите размерность коэффициента теплоотдачи.

5. Каков общий вид уравнения подобия для теплоотдачи при свободной конвекции?

6. Объясните методику определения коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции.

7. Как определяется конвективный тепловой поток в эксперименте?

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ  ТЕПЛООТДАЧИ  МАТЕРИАЛА  ПРИ  СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

Цель лабораторной работы:изучение процесса конвективной теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободной конвекции.

Содержание лабораторной работы: определение среднего коэффициента конвективной теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободной конвекции опытным и расчетным путем.

4.1.  Теоретическая часть

Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты.

Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии.

Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводностьпредставляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекциейпонимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю.

В природе и технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, а передача теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком среды и поверхностью соприкасающегося с ней тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Конвективная теплоотдача может происходить при свободной и вынужденной конвекции. При свободной конвекции движение жидкости возникает вследствие неоднородного распределения плотности в рассматриваемом объеме при наличии поля земного тяготения. Вынужденная конвекция происходит под действием внешних сил, приложенных на границе контрольного объема среды, за счет работы насоса, компрессора, ветра и т.п.

Основным законом, описывающим процесс конвективной теплоотдачи, является закон Ньютона-Рихмана

Согласно этому закону плотность теплового потока, передаваемого за счет конвективного теплообмена, у поверхности qкпрямо пропорциональна разности температур между поверхностью тела tc и средой tж и значению коэффициента теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи определяет интенсивность конвективного теплообмена для конкретных условий протекания процесса и определяется как количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена при разности температур между поверхностью телаtc и средой tж, равной одному градусу (1 К или 1 0С).

В соответствии с основным законом теплопроводности – законом Фурье и законом конвективного теплообмена – законом Ньютона-Рихмана теплообмен на границе между твердым телом и средой описывается граничными условиями III рода или дифференциальным уравнением теплоотдачи

,                                                (4.2)

в котором правая часть выражает плотность теплового потока, передаваемого путем теплопроводности через слой среды (жидкости или газа), неподвижной относительно поверхности твердого тела.

Одной из основных задач теории конвективного теплообмена является количественное определение коэффициента теплоотдачи. Экспериментальному определению коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции было посвящено большое количество исследований, а опытные данные были обобщены и представлены в виде уравнений подобия [1]. Уравнение подобия конвективного теплообмена от горизонтальной трубы при свободной конвекции имеет следующий вид:

,                                      (4.3)

где   - число Нуссельта;   - число Грасгофа;

  - число Прандтля.

Число Нуссельта   характеризует соотношение тепловых потоков, передаваемых за счет конвективного теплообмена и теплопроводности в пограничном слое.

Число Грасгофа  характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения.

Число Прандтля   характеризует теплофизические свойства среды и их влияние на конвективный теплообмен.

В числа подобия конвективного теплообмена входят следующие величины: g– ускорение свободного падения, м/с2; β – коэффициент объемного расширения среды, К-1;ν – кинематический коэффициент вязкости среды, м2/с; а – коэффициент температуропроводности среды, м2/с;  - динамический коэффициент вязкости среды, кг/(мс) или Пас,  ; cp– удельная массовая теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/(кгК); – плотность среды, кг/м3; – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(мК);

d – наружный диаметр трубы, м.

При расчете чисел подобия теплофизические свойства среды, окружающей горизонтальный цилиндр, определяются из справочных таблиц при средней температуре пограничного слоя

, 0С.                                                (4.4)

Теплофизические свойства сухого воздуха при различных температурах представлены в таблице4.1 [3].

В множителе (Pr/Prc)0,25 , который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Prc – числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя tm и наружной поверхности цилиндра tc.

Введение множителя (Pr/Prc)0,25 в уравнение подобия конвективного теплообмена дает возможность использовать это уравнение при любом направлении теплового потока (от стенки к среде и наоборот) и учесть изменение теплофизических свойств среды в пограничном слое.

В случае если средой, окружающей горизонтальный цилиндр, является сухой воздух, то значение множителя (Pr/Prc)0,25 можно принять равным 1, т.к. значения числа Прандтля для сухого воздуха не меняется в широком диапазоне температур (таблица 4.1).

Таблица 4.1- Теплофизические свойства сухого воздуха

t, 0С Коэффициент теплопроводности λ102, Вт/(мК) Кинематический коэффициент вязкости ν106, м2/с Коэффициент объемного расширения β103, К-1 Pr

10 2,51 14,66 3,53 0,71

20 2,58 15,61 3,42 0,71

30 2,65 16,58 3,30 0,71

40 2,72 17,57 3,29 0,71

50 2,79 18,58 3,17 0,71

60 2,86 19,60 3,06 0,71

70 2,92 20,65 2,94 0,71

80 2,99 21,74 2,83 0,71

90 3,08 22,82 2,72 0,71

100 3,12 23,91 2,67 0,71

120 3,24 26,21 2,58 0,71

140 3,37 28,66 2,46 0,71

160 3,49 31,01 2,35 0,71

180 3,62 33,49 2,23 0,71

200 3,74 36,03 2,11 0,71

     Значения коэффициентаС и показателя степени n в уравнении подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции у горизонтального цилиндра зависят от комплекса (GrPr) и могут быть определены из таблица4.2 [3].

Таблица 4.2  - Значения коэффициентаС и показателя степени n

Значение комплекса С n

GrPr 5102 1,18 1/8

5102GrPr2107 0,54 1/4

GrPr>2107 0,135 1/3

4.2.  Описание опытной установки и методика проведения работы

Экспериментальные исследования конвективного теплообмена от горизонтальной трубы к окружающему воздуху при свободной конвекции реализуется с помощью метода имитационного моделирования.

Опытная установка состоит из тонкостенной трубы 1, выполненной из нержавеющей стали и находящейся в горизонтальном положении (рисунок4.1).

1 – опытная труба; 2 – цифровой вольтметр; 3 – дифференциальные хромель-копелевые термопары; 4– регулятор напряжения

В процессе эксперимента длина опытной трубы l может составлять от 0,5 до 1,0 м, а ее наружный диаметр d от 0,02 до 0,05 м. Размеры опытной трубы устанавливаются преподавателем, проводящем лабораторные занятия.

Опытная труба нагревается проходящим через нее электрическим током. Ток подается к опытной трубе через регулятор напряжения - понижающий трансформатор 4. Напряжение U, подаваемое на опытную трубу, может меняться с помощью регулятора напряжения и измеряется цифровым вольтметром 2, установленными на пульте управления № 1. Показания цифрового вольтметра может быть также снято с экрана монитора.

Температура атмосферного воздуха tж определяется жидкостным термометром, а перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой   измеряются шестью дифференциальными хромель-копелевыми термопарами 3. Термопары расположены по периметру трубы под разным углом к ее вертикальной оси (рис. 1). Электродвижущая сила каждой из шести дифференциальных хромель-копелевых термопар преобразуется в разность температур, значение которой может быть снято с экрана монитора или с пульта управления № 4.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Исследование теплоотдачи при свободной конвекции». После загрузки имитационной модели экспериментальной установки через окно в меню «Параметры» устанавливаются геометрические характеристики опытной трубы (l, d – длину и диаметр опытной трубы).

При проведении эксперимента лаборант или преподаватель регулирует напряжение, подаваемое на опытную трубу. Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо на экране монитора, либо на цифровых приборах пультов управления (№ 1, 4) параметры опытов и записывают их в таблицу опытных данных (таблица 4.3).

Таблица 4.3- Опытные данные по исследованию теплоотдачи при свободной конвекции

Наименование величины Номер опыта

1 2 3

1 2 3 4

Напряжение, подаваемое на опытную трубу U, В

Длина трубы l, м

Наружный диаметр трубы d, м

Температура окружающего воздуха tж,0С

Перепад температур

между наружной

поверхностью опытной

трубы и окружающей

средой  , 0С

Номера термопар 1

2

3

4

5

6

Число опытов определяется преподавателем, проводящим лабораторную работу.

4.3.  Обработка результатов работы

Контрольный опыт по исследованию конвективной теплоотдачи при свободной конвекции проводился на горизонтальной трубе длиной l = 0,8 м и диаметром d = 0,03 м. Опытные данные, полученные с помощью контрольно-измерительных приборов в процессе эксперимента, представлены в таблицу4.4

Таблица 4.4 - Данные контрольного опыта по исследованию теплоотдачи

при свободной конвекции

Наименование величины Значения

измеряемых величин

1 2

Напряжение, подаваемое на опытную трубу, U, В 2,986

Длина трубы l, м 0,8

Наружный диаметр трубы d, м 0,03

Температура окружающего воздуха tж, 0С 20,0

Перепад температур

между наружной

поверхностью опытной

трубы и окружающей

средой  , 0С

Номера термопар 1 22,834

2 23,061

3 24,081

4 25,915

5 29,398

6 36,883

Обработка опытных данных начинается с определения теплового потока Q, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду. На основе обработки тарировочных опытов была получена зависимость значения теплового потока Q от напряжения U, подаваемого на опытную трубу. Эта зависимость может быть представлена в виде графика (рисунок4.2) или в аналитической форме (5).

Рисунок4.2. Зависимость теплового потока Q, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду, от электрического напряжения U

Соотношение для определения значения теплового потока Q в зависимости от напряжения U, подаваемого на опытную трубу, имеет следующий вид:

= 21,5Вт.                              (4.5)

Средний перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой составляет

,

а средняя температура наружной поверхности опытной трубы равна

.

Средняя температура пограничного слоя воздуха у поверхности опытной трубы равна

  или Tm 306,7 К.

Теплота передается от наружной поверхности опытной трубы в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. В условиях проведения контрольного опыта величина теплового потока, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду путем излучения, составляет [3]

  =

                                                    = 8,79 Вт,

где С0 – излучательная способность абсолютно черного тела,

С0  = 5,67 Вт/(м2К4); ε – степень черноты наружной поверхности опытной трубы, ε = 0,66 [2]; F – площадь наружной поверхности опытной трубы,

F = dl = 3,140,030,8 = 0,0754 м2.

Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем конвекции, равен

Вт,

а опытное значение коэффициента теплоотдачи составляет

Вт/(м2К).

Определив при средней температуре пограничного слоя tm теплофизические свойства сухого воздуха: λ = 2,6810-2 Вт/(мК); ν = 16,9710-6  м2/с;

β = 0,0033 К-1; Pr = 0,71 (таблица 4.1), находятся значения числа Грасгофа

и комплекса

.

В зависимости от значения комплекса   подбирается коэффициент C = 0,54 и показатель степени n = 1/4 в уравнении подобия конвективного теплообмена (таблица4.2) и определяются число Нуссельта

и расчетное значение коэффициента теплоотдачи

Вт/(м2К).

Относительное расхождение между опытным и расчетным значениями коэффициента теплоотдачи в условиях проведения контрольного опыта составляет

%.

Результаты обработки опытных данных заносятся в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 -Характеристики конвективной теплоотдачи при свободной конвекции, определенные расчетным путем

Наименование величины Номер опыта

1 2 3

1 2 3 4

Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду Q, Вт

Средний перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой  , 0С

Средняя температура наружной поверхности опытной трубы  , 0С

Средняя температура

пограничного слоя , 0С

Tm = tm + 273,15 К

Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем излучения,  , Вт

Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем конвекции,  , Вт

Опытное значение коэффициента теплоотдачи

, Вт/(м2К)

Число Грасгофа

Число Прандтля  

Значение комплекса (GrPr)

Число Нуссельта  

Расчетное значение коэффициента теплоотдачи

, Вт/(м2К)

Относительное расхождение между опытным и расчетным значениями коэффициента теплоотдачи  , %

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы ?

2. В чем заключается содержание лабораторной работы ?

3. Что называется конвекцией ?

4. Что называется конвективным теплообменом ?

5. Что называется конвективной теплоотдачей ?

6. Укажите причины возникновения свободной конвекции.

7. Приведите математическое выражение закона Ньютона-Рихмана.

8. В каких единицах измеряется тепловой поток Q, плотность теплового потока q?

9. В каких единицах измеряется коэффициент теплоотдачи  ?

10. В чем заключается физический смысл коэффициента теплоотдачи ?

11. Какой вид имеет уравнение подобия при свободной конвекции ?

12. Как определяются числа ГрасгофаGr, Нуссельта Nu, Прандтля Pr ?

13. Что характеризуют числа ГрасгофаGr, Нуссельта Nu, Прандтля Pr ?

14. Какая характеристика принята в качестве определяющего размера при расчете чисел подобия при свободной конвекции от горизонтальной

трубы ?

15. Какая температура принята в качестве определяющей при расчете чисел подобия при свободной конвекции от горизонтальной трубы ?

Лабораторная работа №5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ К ВОЗДУХУ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

• изучение закономерности теплоотдачи при вынужденной конвекции на примере теплоотдачи от стенки трубы движущемуся внутри нее воздуху;

• практическое освоение методов исследования теплообмена с применением теории подобия;

• экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при продольном обтекании трубы и обработка результатов опытов в безразмерной форме.

Вынужденная конвекция – это перемещение жидкости за счет внешних источников (насоса, вентилятора, компрессора). Теплота, отдаваемая при конвективном теплообмене, определяется по формуле, Вт:

,     (5.1)

где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К); F – поверхность теплообмена, м2;   – средняя логарифмическая разность температур между стенкой и воздухом, К:

.     (5.2)

Здесь   и   – температуры воздуха на входе и выходе из трубы, С;   - температура стенки трубы, °С.

Из (5.1) следует, что коэффициент теплоотдачи – это тепловой поток через единицу поверхности в единицу времени при t= 1 К, Вт/(м2•К):

.     (5.3)

Величина коэффициента теплоотдачи  зависит от многих факторов – формы и размеров поверхности теплоотдачи, режима течения жидкости, ее физических параметров и др.

Теплота, воспринятая воздухом, рассчитывается по формуле, Вт:

,     (5.4)

Здесь m – массовый расход воздуха, кг/c; ср – средняя массовая теплоемкость, Дж/(кгК).

Поверхность теплообмена, м2:

.     (5.5)

где d – внутренний диаметр трубы, м; l  – длина трубы, м

5.1. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки показана на рисунке 5.1.

Установка имеет латунную тонкостенную трубу 2, погруженную в резервуар с кипящей водой 14, которая доводится до кипения электронагревателем 15.  Изменением числа оборотов вентилятора 1 обеспечивается необходимый расход воздуха внутри трубы. Температура кипения воды при атмосферном давлении 100С, что обеспечивает температуру теплоотдающей поверхности трубы   порядка 99,5 °С.

1 – вентилятор; 2 – труба; 3 – термометр; 4 – воронка для залива воды и выхода пара; 5 – микроманометр динамического напора воздуха; 6 – микроманометр избыточного статического давления воздуха; 7 – барометр; 8 – трубка полного напора воздуха; 9 – отбор избыточного статического давления; 10 – термопара; 11 – милливольтметр;

12 – сосуд Дьюара с тающим льдом; 13 – теплоизоляция; 14 – кипящая вода;

15 – трубчатый электронагреватель.

На выходе из трубы находятся отбор избыточного статического давления 9, которое измеряется микроманометром 6, и трубка полного напора 8. Разность полного напора воздуха и его избыточного статического давления – это динамический напор воздуха  , измеряемый микроманометром 5. Из  динамического напора определяется скорость воздуха w, а по известному сечению трубы f и скорости потока – объемный расход воздуха V. В выходном сечении также расположена термопара 10, подключенная к потенциометру 11, а на входе воздуха в трубу установлен термометр 3. Они предназначены соответственно для измерения температур воздуха на выходе  из трубы t'' и на входе в нее t'.

5.2.  МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Чтобы результаты эксперимента могли быть распространены на все подобные явления, их необходимо обработать в безразмерной форме. Уравнение подобия для вынужденной конвекции  воздуха в трубе имеет вид:

,     (5.6)

где с и n – константы, которые определяются из опыта;  – число Нуссельта, определяющее соотношение теплопроводности  , Вт/(мК) внутри пограничного слоя жидкости и конвективной теплоотдачи   , Вт/(м2К)  на его границе;   – число Рейнольдса, характеризующее режим вынужденного движения жидкости; w – средняя скорость воздуха в трубе, м/с;   - кинематическая вязкость воздуха, м2/с.

Если зависимость (3.6) прологарифмировать, то в логарифмических координатах она будет представлять уравнение прямой линии (см. рисунок 5.2):

.     (5.7)

Логарифм константы с отсекается в начале координат прямой АС, а показатель степени n находится из прямоугольного треугольника АВС, с учетом масштабов по осям координат:  .

Методика обработки экспериментальных данных:

• по опытным данным определяются коэффициенты теплоотдачи   ;

• рассчитываются числа подобия Нуссельта (теплопроводность воздуха  брать из рисунок  5.4);

• находятся числа подобия Рейнольдса (коэффициенты кинематической вязкости воздуха   взять по рис. 5.4);

• по результатам расчета строится в логарифмических координатах прямолинейная зависимость (см. рис. 5.2);

• из графика находятся константы с и n;

• с учетом найденных значений констант записывается уравнение подобия  , которое справедливо для подобных явлений теплоотдачи при вынужденном движении воздуха внутри труб.

Рисунок5.2. Графическое обобщение экспериментальных данных

Рисунок 5.3. Точки 1…4 измерений динамических напоров  в равновеликих сечениях Рисунок  5.4. Физические свойства воздуха

5.3. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Преподавателем задаются 2, 3 или 4 режима течения жидкости (воздуха). Для каждого режима определяются температуры воздуха на входе в трубу и выходе из нее, динамический напор в четырех равновеликих сечениях трубы, рис.3, статический напор в выходном сечении и барометрическое давление.

Все экспериментальные данные заносятся в таблицуизмерений.

На основании измерений выполняются расчеты необходимых величин. Результаты расчетов сводятся в таблицу расчетов, таблицу 5.2.

Таблица 5.2 - Таблица измерений

№

п/п

Наименование величины Режимы

I II III IV

1 Температура воздуха на входе  , C

2 Температура воздуха на выходе  , C

1)

2)

3)

4)

3 Динамический напор воздуха  , мм.вод. ст.

1)

2)

3)

4)

4 Избыточное статическое давление воздуха  , мм.вод. ст.

5 Барометрическое давление B, мм.рт. ст.

6 Температура стенки трубы  , C

99,5

7 Внутренний диаметр трубы d, м 0,022

8 Длина трубы в зоне теплообмена l, м 1,505

Таблица 5.3 - Таблица расчетов

№

I II III IV

1 Динамический напор воздуха, Н/м2

1)

2)

3)

4)

2 Средняя температура воздуха на выходе, C

3 Плотность воздуха в выходном сечении, кг/м3

где 0 = 1,293 кг/м3 –

плотность воздуха при нормальных условиях

4 Скорости потока в выходном сечении по точкам измерений i, м/с

1)

2)

3)

4)

5 Средняя скорость воздуха, м/с

6 Массовый расход воздуха, кг/с

7 Средняя температура воздуха в трубе, С

8 Средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кгК)

9 Теплота, воспринятая воздухом, Вт

10 Поверхность теплоотдачи, м2

11 Средне логарифмический

температурный напор, C

12 Экспериментальный коэффициент тепло-

отдачи, Вт/(м2К)  

13 Теплопроводность воздуха  , Вт/(мК)

Определяется по рис. 4.4 при средней температуре t

14 Число Нуссельта

15 Кинематическая вязкость воздуха  , м2/с

Определяется по рис. 4.4 при средней температуре t

16 Число Рейнольдса

17 Логарифм числа Нуссельта

Строится зависимость

18 Логарифм числа Рейнольдса

19 Логарифм константы с По графику (см. рис. 4.2)

20 Константа с

21 Константаn

(см. рис. 4.2)

22 Уравнение подобия теплоотдачи

23 Расчетный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К)   

24 Относительная погрешностьэксперимента, %

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что значит вынужденное течение жидкости? Привести примеры.

2. Изложите механизм теплообмена при вынужденной конвекции. В чем отличие от теплообмена при свободной конвекции? Поясните на примерах.

3. Каков вид уравнения подобия для теплоотдачи при вынужденной конвекции?

4. В чем отличие между уравнениями подобия для теплоотдачи при вынужденной и свободной конвекции?

5. Как определяется коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции?

6. От каких величин зависит коэффициент теплоотдачи в эксперименте?

7. Как находятся константы с и nв уравнении подобия?

8. Можно ли утверждать, что полученное уравнение подобия будет справедливо для любого вынужденного течения жидкости?

9. Как объясняется наличие (отсутствие) относительной погрешности при определении коэффициента теплоотдачи?

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛА

МЕТОДОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СЛОЯ

Цель работы:

Определение теплопроводности исследуемого материала при стационарном тепловом режиме.

6.1. Теоретические основы

Теплопроводность – это один из способов передачи теплоты от более нагретых элементов тела к менее нагретым. В газах теплопроводность осуществляется путем диффузии молекул и атомов; в жидкостях и твердых диэлектриках – за счет упругих волн; в металлах – путем диффузии свободных электронов.

Опыт показывает, что перенос теплоты зависит от распределения температуры в теле. Совокупность значений температур в объеме тела в данный момент времени определяется уравнением трехмерного температурного поля

,     (6.1)

где x, y, z – координаты;  - текущее время.

При стационарном (установившемся) режиме  , тогда для одномерного температурного поля   и уравнение (6.1) принимает вид:

.     (6.2)

Градиент температуры – это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры:

.     (6.3)

Удельный тепловой поток (плотность теплового потока), Вт/м2:

.     (6.4)

Здесь   – теплопроводность среды, Вт/(м•К);   – падение температуры между изотермическими поверхностями, К;   – расстояние между изотермическими поверхностями, м.

Из формулы (6.4) теплопроводность, Вт/(м•К):

,    (6.5)

то есть, физический смысл теплопроводности – это теплота, переданная через единицу поверхности в единицу времени при падении температуры на 1 К на длине в 1 м. Она является физической характеристикой вещества и ее можно найти для конкретных материалов в справочных таблицах.

Теплопроводности разных сред значительно отличаются: для металлов  = 10…400 Вт/(мК); для жидкостей –  = 0,07…0,7 Вт/(мК); для газов –  = 0,006…0,6 Вт/(мК). Теплоизоляционным называется материал, для которого  0,25 Вт/(мК).

По закону Фурье, Вт/м2:

.     (6.6)

Тепловой поток q также является векторной величиной. Знак «–» в законе Фурье означает противоположную направленность векторов теплового потока и градиента температуры.

В лабораторной работе теплопроводности материалов определяются методом цилиндрического слоя при стационарном тепловом режиме. Для этого исследуемый материал помещается между двумя металлическими цилиндрами. Внутри меньшего цилиндра установлен электронагреватель. В установившемся режиме вся теплота Q проходит через цилиндрический слой материала, Вт:

,     (6.7)

6.2.МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Схема установки приведена на рисунке 6.1. Исследуемый слой материала 8 помещен между двумя коаксиальными металлическими трубами. Во внутренней трубе установлен электрический нагреватель 7, создающий равномерный тепловой поток. Мощность, потребляемая нагревателем, регулируется лабораторным автотрансформатором 12 и определяется по результатам измерения тока амперметром 10 и напряжения вольтметром 11. Показания термопар снимаются с потенциометра 15.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Предварительного изучив литературу и ознакомившись с устройством лабораторной установки можно приступить к проведению опыта. После установления стационарного режима показания термопар, вольтметра и амперметров заносят в таблицу измерений (таблица 6.1).

Рис. 6.1. Cхема экспериментальной установки:

1…3 – внутренние термопары; 4…6 – наружные термопары; 7 – электронагреватель;

8 – цилиндрический слой исследуемого материала; 9 – теплоизоляция; 10 – амперметр;

11 – вольтметр; 12 – трансформатор; 13 – сигнальная лампа; 14 – выключатель;

15 – потенциометр; 16 – переключатель термопар

Таблица 6.1 - Таблица измерений

№

п/п Термопары

I, А

U, В

1 2 3 4 5 6

( ) 30 % цемента + 70 % окиси алюминия

1

2

( ) шнуровой асбест

7 8 9 10 11 12 I, А U, В

1

2

( ) шлаковата

13 14 15 16 17 18 I, А U, В

1

2

Средние температуры внутренних поверхностей   вычисляются по показаниям термопар 1…3, 7…9, 13…15, температуры наружных поверхностей   – по показаниям термопар 4…6, 10…12, 16…18. Полученные значения теплопроводностей следует отнести к средним температурам материалов.

Относительная погрешность расчета теплопроводности материала методом цилиндрического слоя определяется как среднеквадратичная величина из соотношения:

,     (6.8)

где  ,  ,  ,  ,  – абсолютные погрешности измерения отдельных величин, которые можно принять равными   = 0,5 Вт,  = 0,25 мм,   = 0,5С,   = 0,5 мм.

На основании проведенных расчетов делают вывод о возможности практического применения исследуемых материалов.

Таблица 6.2 - Таблица расчетов

Величина Формула Размер-

ность Материал

Тепловой поток ,

сos= 0,96 Вт

Средняя температура внутренней поверхности слоя

С

Средняя температура наружной поверхности слоя

С

Теплопроводность материала

Вт/(мК)

Средняя температура слоя

С

Относительная погрешность измерения

-

Абсолютная погрешность  =  Вт/(мК)

Теплопроводность

Вт/(мК)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков физический смысл теплопроводности?

2. Что означает знак «–» в законе Фурье?

3. В чем заключается содержание основного закона теплопроводности?  

4. Дать определение теплопроводности и указать ее размерность.

5. Привести численные значения теплопроводностей газа, жидкости и твердого тела (изоляционного материала и металла).

6. Сравнить закон Фурье с законом Ома.

Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПОСОБОВ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ МЕТОДОМ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА

Цель работы:

Закрепление теоретических знаний при изучении особенностей лучистого теплообмена; экспериментальное определение степени черноты серого тела по двум эталонам.

7.1. Теория

Лучистый теплообмен – это один из способов передачи теплоты между телами с различной температурой, обусловленный процессами излучения, отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии, переносимой электромагнитными волнами. В отличие от теплопроводности и конвективного теплообмена лучистый теплообмен между телами может происходить и при отсутствии среды (в вакууме).

Интегральное излучение абсолютно черного тела определяется законом Стефана–Больцмана, Вт/м2:

,     (7.1)

где  5,7 Вт/(м2К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; T  – температура тела, К.

Твердые и жидкие тела непрозрачны для теплового излучения (видимое, инфракрасное) и поглощение ими лучистой энергии происходит в тонком поверхностном слое.

В природе нет абсолютно черных тел; реальные тела называются серыми. Если предположить, что излучательная способность серых тел также пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, тогда для них, Вт/м2:

.     (7.2)

Здесь   – степень черноты поверхности. Если поделить (7.2) на (7.1), то:

,     (7.3)

то есть степень черноты это отношение излучательных способностей серого и абсолютно черного тел при одинаковой температуре и зависит от материала, температуры и состояния поверхности. Максимальное значение  = 0,95 имеют фетр и нефтяная сажа, а минимальное (0,1…0,15) – полированные металлы.

Лучистый теплообмен между параллельными поверхностями, Вт/м2:

.     (7.5)

7.2.  МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка (рисунок  7.1.) состоит из трех одинаковых металлических цилиндров 2.

Рис. 7.1. Схема лабораторной установки:

1 – термопара; 2 – цилиндр; 3 – электронагреватель; 4 – теплоизоляция;

5 – амперметр; 6 – вольтметр; 7 – автотрансформатор; 8 – потенциометр

Поверхность образца, который является серым телом, оставлена в естественном виде. Степень черноты его должна быть определена в ходе эксперимента. Поверхность белого тела (эталона № 1) никелирована и полирована, степень черноты его известна ( = 0,15). Поверхность черного тела (эталона № 2) покрыта нефтяной сажей ( = 0,95).

Внутри каждого цилиндра установлен электронагреватель, на который подается регулируемое автотрансформаторами 7 напряжение. На торцах цилиндров установлены теплоизоляторы 4. Контроль температуры осуществляют посредством термопар 1 и потенциометров 8, контроль мощности нагрева – амперметрами 5 и вольтметрами 6.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ

ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА МЕТОДОМ ДВУХ ЭТАЛОНОВ

Каждый цилиндр отдает теплоту окружающей среде излучением и конвекцией. Конвективная составляющая по уравнению Ньютона-Рихмана, Вт:

,     (7.6)

где   – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2•К); F – поверхность цилиндра, м2;   и   – температуры стенки цилиндра  и окружающей среды, °С.

Таким образом, суммарный тепловой поток для образца, Вт:

.     (7.7)

Если уравнять температуры поверхностей всех трех цилиндров, то при одинаковых геометрических размерах их конвективные тепловые потоки будут равными и их можно исключить из рассмотрения, Вт:

;

.

Разделив эти два выражения и считая, что лучистые тепловые потоки цилиндров пропорциональны электрическим мощностям их нагревателей, получим:

,     (7.8)

откуда искомая степень черноты образца: ,     (7.9)

где константаС определяется из формулы (7.8) по электрическим мощностям нагревателей  ,  ,  .

ГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ

В лабораторной работе степень черноты образца можно также определить графически. При одинаковых температурах поверхностей цилиндров их конвективная теплоотдача и величина:

                                             (7.10)

будут постоянными и одинаковыми. То есть суммарная теплоотдача прямо пропорциональна степени черноты тела:

.                             (7.11)

Линейная зависимость (7.10) представлена на рисунке 7.2.

Установив на эталоне и образцах стационарный режим при  для измеренных мощностей   и  наносим точки A и B на график. Соединим прямой линией эти точки, затем по известной мощности образца   определяем неизвестную степень черноты образца  . Затем находим из графика лучистую   и конвективную   составляющие теплового потока, продолжив прямую АВ до пересечения с осью абсцисс и получив точкуК, для которой  = 0.

Рис. 7.2. Графическое определение степени черноты,

лучистого и конвективного тепловых потоков образца

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Уравняв температуры поверхностей трех цилиндров и дождавшись установления стационарного теплового режима, определяем рассеиваемые мощности, Вт:

,   (7.12)

где   = 0,96.

Результаты измерений заносятся в таблицу измерений (табл. 7.1).

Таблица 7.1 - Таблица измерений

Цилиндр Измеряемые величины Тепловой поток W, Вт

t, C I, A U, B 

Образец

Эталон 1 0,15 =

Эталон 2 0,95 =

По данным таблицы 7.1 строится прямаяАВ, как показано на рисунке 7.2. По графику определяются степень черноты образца  , лучистая   и конвективная   составляющие теплового потока. Данные, полученные по графику, а также расчетное значение степени черноты по формуле (7.9) заносятся в таблицу 7.2.

Таблица 7.2 - Таблица результатов расчетов

Степень черноты

образца Лучистая составляющая теплового потока образца, Вт Конвективная составляющая теплового потока, Вт

из графика расчетное

=

=      

  =     

Находится относительная погрешность определения степени черноты, %:

. (7.13)

Контрольные вопросы

1. Что такое степень черноты?

2. Для чего нужно знать степень черноты поверхности?

3. От каких факторов зависит степень черноты поверхности?

4. В каких пределах может меняться степень черноты для различных тел?

5. Объясните сущность определения степени черноты образца методом двух эталонов.

6. Для чего цилиндры взяты одинаковых геометрических размеров?

7. Почему температуры образца и эталонов должны быть одинаковыми?

8. Чем объясняется наличие (отсутствие) относительной погрешности при определении степени черноты разными методами?

Лабораторная работа № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ АНАЛОГИИ

8.1. Теоретические вопросы

Теплопроводность в твердых телах без внутренних источников теплоты описывается дифференциальным уравнением теплопроводности:

,     (8.1)

где   – коэффициент температупропроводности, м2/с;  –теплопроводность, Вт/(м•К); с – теплоемкость, Дж/(кг•К);   – плотность, кг/м3;   – оператор Лапласа.

При стационарном процессе  =0, тогда:  =0. Но физическая характеристика тела  , следовательно  , или:

.     (8.2)

Пусть однородное и изотропное тело бесконечно вдоль оси z (рисунок 8.1). Тогда температура вдоль оси z не изменяется и распределение электрических потенциалов и температур описываются уравнениями Лапласа:

;     (8.3)

и граничными условиями:

• на нижних поверхностях ; ;

• на верхних поверхностях ; .

Рисунок 8.1. а) изучаемое тело; b) лист электропроводящей бумаги

Итак, процессы электропроводности и теплопроводности описываются одинаковыми по форме уравнениями (8.3), то есть имеет место так называемая электротепловая аналогия (ЭТА).

Приведем уравнения (8.3) и граничные условия к безразмерному виду, выбрав в качестве масштабов отнесения L и l для координат;   и   для падений температур и потенциалов. Тогда по условиям геометрического подобия тел «a» и «b» безразмерные координаты сходственных точек будут одинаковыми:

; ,

а безразмерные падения температур и потенциалов:

; .

Итак, безразмерные уравнения Лапласа:

;     (8.4)

и граничные условия:

• на нижних поверхностях ; ;     (8.5)

• на верхних поверхностях ; .     (8.6)

Следовательно, тождественность граничных условий первого рода:

;     (8.7)

и решения уравнений Лапласа (8.4) при граничных условиях (8.7) будут тождественно одинаковы для сходственных точек тела и его электрической модели:

.     (8.8)

Итак, температуры t по измеренным значениям потенциалов u в различных точках модели определяются из соотношения:

.     (8.9)

Исходя из закона Фурье для теплопроводности тепловой поток через поперечное сечение тела  , Вт:

,   (8.10)

гдеВ – длина тела, м;   – теплопроводность тела, Вт/(м•К);   – коэффициент формы.

По закону Ома ток через лист электропроводящей бумаги толщиной  , А:

.   (8.11)

Здесь   – удельное электрическое сопротивление листа электропроводящей бумаги;   – коэффициент формы.

Вследствие тождественности полей температур   в исследуемом теле и полей потенциалов U (8.8), коэффициенты формы в уравнениях (8.10) и (8.11) численно равны.

Если известно  , то из формулы (8.11) можно найти коэффициент формы  , подставить его в уравнение (8.10) и с учетом выражения 

Метод электротепловой аналогии (ЭТА) позволяет заменить измерение температур и тепловых потоков в исследуемом теле измерением электрических величин в модели. Они определяются проще и точнее по сравнению с тепловыми величинами на реальном теле.

8.2.  ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ

Принципиальная схема установки показана на рисунке  8.2.

Рисунок 8.2. Схема установки

Электрическая модель 1, геометрически подобная исследуемому телу (образцу), изготовлена из электропроводящей бумаги. На верхней и нижней границе модели укреплены контактные шины 2, к которым подводится постоянный ток от выпрямителя. Напряжение измеряется вольтметром, а ток – миллиамперметром. Для определения отношения   переключателем 5 источник тока подключается сначала к модели 4 с прямоугольным листом электропроводящей бумаги. Затем реостатом 3 устанавливается заданный ток   и измеряется падение напряжения  . Тогда электрическое сопротивление прямоугольной модели:

.   (8.12)

Поскольку  , измеряется расстояние между шинами l, ширина прямоугольного листа b и находится искомая величина

.   (8.13)

Для увеличения точности расчетов эксперимент повторяется 3…5 раз и находится среднее значение отношения  . Затем источник тока переключается на исследуемую модель 1, измеряются ток   и потенциалы   между шинами. Тогда из формулы (8.11) можно найти коэффициент формы модели:

.   (8.14)

Таблица 8.1- Таблица измерений и расчетов

№

опыта Прямоугольный лист Модель

1

2

3

4

5

Среднее

По 3…5 экспериментам находится среднее значение коэффициента формы и определяется из формулы (8.10) удельный тепловой поток на единицу длины модели: стальной   = 50 Вт/(м•К); латунной   = 100 Вт/(м•К); алюминиевой   = 200 Вт/(м•К); медной   = 390 Вт/(м•К), Вт/м:

.   (8.15)

С помощью зондирующей иглы 6 измеряются напряжения для фиксированных точек модели   и, исходя из тождественности решений (8.8), из формулы (8.9) вычисляются температуры, °С:

.   (8.16)

Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 - Таблица измерений и расчетов поля температур

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

№ 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На чем основано применение метода ЭТА для исследования тепловых процессов?

2. Какая электрическая величина является аналогом температуры?

3. Назовите электрический аналог плотности теплового потока!

4. Каков тепловой аналог падения напряжения?

5. Что является аналогом термического сопротивления?

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Цель работы:

1. Практическое закрепление знаний по второму закону термодинамики, циклам, холодильным установкам.

2. Ознакомление с холодильным агрегатом ИФ-56 и его техническими характеристиками.

3. Изучение и построение циклов холодильных установок.

4. Определение основных характеристик, холодильной установки.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

1.1. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО

Холодильная установка предназначена для передачи теплоты от холодного источника к горячему. Согласно формулировке Клаузиуса второго закона термодинамики теплота не может сама собой переходить от холодного тела к горячему. В холодильной установке такая передача теплоты происходит не сама собой, а благодаря механической энергии компрессора, затрачиваемой на сжатие паров холодильного агента.

Основной характеристикой холодильной установки является холодильный коэффициент, выражение которого получается из уравнения первого закона термодинамики, записанного для обратного цикла холодильной установки с учетом того, что для любого цикла изменение внутренней энергии рабочего тела Du= 0, а именно:

q= q1 – q2 = l,         (9.1)

где q1 – теплота, отданная горячему источнику; q2 – теплота, отнятая от холодного источника; l – механическая работа компрессора.

Из (9.1) следует, что горячему источнику передается теплота

q1 = q2 + l,         (9.2)

a холодильный коэффициент представляет собой долю теплоты q2, переданной от холодного источника к горячему, приходящейся на единицу затраченной работы компрессора

(9.3)

Максимальное значение холодильного коэффициента для заданного диапазона температур между Тгор горячего и Тхол холодного источников теплоты имеет обратный цикл Карно (рисунок 9.1),

Рисунок 9.1. Обратный цикл Карно

для которого теплота, подведенная при t2 = const от холодного источника к рабочему телу:

q2 = T2 • (s1 – s4) = T2 • s         (9.4)

и теплота, отданная при  t1 = const от рабочего тела к холодному источнику:

q1 = T1 • (s2 – s3) = T1 • s,         (9.5)

В обратном цикле Карно: 1-2 – адиабатическое сжатие рабочего тела, в результате которого температура рабочего тела Т2 становится выше температуры Тгор горячего источника; 2-3 – изотермический отвод теплоты q1 от рабочего тела к горячему источнику; 3-4 – адиабатическое расширение рабочего тела; 4-1 – изотермический подвод теплоты q2 от холодного источника к рабочему телу. С учетом соотношений (9.4) и (9.5) уравнение (9.3) для холодильного коэффициента обратного цикла Карно может быть представлено в виде:

(9.6)

Чем выше значение , тем более эффективен цикл холодильной установки и тем меньшая работа l потребуется для передачи теплоты q2 от холодного источника к горячему.

1.2. ЦИКЛ ПАРОКОМПРЕССИОННОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Изотермический подвод и отвод теплоты в холодильной установке удается осуществить в том случае, если холодильным агентом является легкокипящая жидкость, температура кипения которой при атмосферном давлении t0  0 oC, причем при отрицательных температурах кипения давление кипения p0 должно быть больше атмосферного, чтобы исключить подсос воздуха в испаритель. Невысокие давления сжатия позволяют изготовить облегченными компрессор и другие элементы холодильной установки. При существенной скрытой теплоте парообразования r желательны низкие удельные объемы v, что позволяет уменьшить габариты компрессора.

Хорошим хладагентом является аммиак NH3 (при температуре кипения tк = 20 оС, давление насыщенияpк = 8,57бар и при t0 = -34 оС, p0 = 0,98 бар). Скрытая теплота парообразования у него выше, чем у других холодильных агентов, но недостатки его – токсичность и коррозионная активность по отношению к цветным металлам, поэтому в бытовых холодильных установках аммиак не применяется. Неплохими хладагентами являются хлористый метил (СН3CL) и этан (С2H6); сернистый ангидрид (SO2) из-за высокой токсичности не применяется.Широкое распространение в качестве холодильных агентов получили фреоны – фторхлорпроизводные простейших углеводородов (в основном метана). Отличительными свойствами фреонов являются их химическая стойкость, нетоксичность, отсутствие взаимодействия с конструкционными материалами при t 200 оС. В прошлом веке наиболее широкое распространение получил R12, или фреон – 12 (CF2CL2 – дифтордихлорметан), который имеет следующие теплофизические характеристики: молекулярная масса  = 120,92; температура кипения при атмосферном давлении p0 = 1 бар; t0 = -30,3 oC; критические параметры R12: pкр = 41,32 бар; tкр = 111,8 оС; vкр = 1,7810-3 м3/кг; показатель адиабаты k= 1,14.

Производство фреона – 12, как разрушающего озоновый слой вещества, в России было запрещено в 2000 году [1], разрешено только использование уже произведенного R12 или извлеченного из оборудования.  

1.3.РАБОТА ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ИФ-56

ХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ

Рисунок 9.1. Холодильная установка ИФ-56

1 – компрессор; 2 – электродвигатель; 3 – вентилятор; 4 – ресивер; 5 –конденсатор;  6 – фильтр-осушитель; 7 – дроссель; 8 – испаритель; 9 – холодильная камера

Рисунок 9.2.  Цикл холодильной установки

В процессе дросселирования жидкого фреона в дросселе 7 (процесс 4-5 в ph-диаграмме) он частично испаряется, основное же испарение фреона происходит в испарителе 8 за счет теплоты, отнимаемой от воздуха в холодильной камере (изобарно-изотермический процесс 5-6 при p0 = const и t0 = const). Перегретый пар с температурой   поступает в компрессор 1, где сжимается от давления p0 до давления pК (политропное, действительное сжатие 1-2д).

На рисунке  9.2 также изображено теоретическое, адиабатное сжатие 1-2А при s1 = const. В конденсаторе 4 пары фреона охлаждаются до температуры конденсации   (процесс 2д-3), затем конденсируются (изобарно-изотермический процесс 3-4* при pК = const и tК = const. При этом жидкий фреон переохлаждается до температуры   (процесс 4*-4). Жидкий фреон стекает в ресивер 5, откуда через фильтр-осушитель 6 поступает к дросселю 7.

Таблица 9.1 – Техническая характеристика ИФ-56

Марка компрессора ФБ-4

Число цилиндров 2

Объем, описываемый поршнями, м3/ч 13,8

Холодильный агент R12

Холодопроизводительность, кВт:

при t0 = -15С:    tК= 30 С 3,5

при t0 = +5СtК= 35 С 7

Мощностьэлектродвигателя, кВт 2,8

Наружная поверхность конденсатора, м2 14

Наружная поверхность испарителя, м2 20

Испаритель 8 состоит из оребренных батарей – конвекторов. Батареи снабжены дросселем 7  с терморегулирующим вентилем. Конденсатор 4 с принудительным воздушным охлаждением, производительность вентилятора VВ = 0,61 м3/с.

На рисунке 9.3 показан действительный цикл парокомпрессионной холодильной установки, построенной по результатам ее испытаний: 1-2а – адиабатное (теоретическое) сжатие паров холодильного агента; 1-2д – действительное сжатие в компрессоре; 2д-3 – изобарное охлаждение паров до

температуры конденсации tК; 3-4 – изобарно-изотермическая конденсация паров холодильного агента в конденсаторе; 4-4 – переохлаждение конденсата;

4-5 – дросселирование (h5 = h4), в результате которого жидкий холодильный агент частично испаряется; 5-6 – изобарно-изотермическое испарение в испарителе холодильной камеры; 6-1 – изобарный перегрев сухого насыщенного пара (точка 6, х = 1) до температуры  t1.

Рисунок 9.3. Цикл холодильной установки в ph-диаграмме

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Основными эксплуатационными характеристиками холодильной установки являются холодопроизводительность Q, потребляемая мощность N, расход холодильного агента G и удельная холодопроизводительность q. Холодопроизводительность определяется по формуле, кВт:

Q = Gq = G(h1 – h4),         (9.7)

где G – расход холодильного агента, кг/с;h1 – энтальпия пара на выходе из испарителя, кДж/кг; h4 – энтальпия жидкого холодильного агента перед дросселем, кДж/кг; q = h1 – h4 – удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Используется также и удельнаяобъемнаяхолодопроизводительность, кДж/м3:

qv = q/v1 = (h1 – h4)/v1.         (9.8)

Здесь v1 – удельный объем пара на выходе из испарителя, м3/кг.

Расход холодильного агента находится по формуле, кг/с:

G = QК/( h2Д – h4),       (9.9)

где QК – тепловая нагрузка конденсатора, кВт:

Q = c’pmVВ(tВ2 – tВ1).       (9.10)

Здесь VВ = 0,61 м3/с – производительность вентилятора, охлаждающего конденсатор; tВ1, tВ2 – температуры воздуха на входе и выходе из конденсатора, ºС; c’pm – средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(м3•К):

c’pm = (μcpm)/(μv0), (9.11)

где (μv0) = 22,4 м3/кмоль – объем кило моля воздуха при нормальных физических условиях;  (μcpm) – средняя изобарная мольная теплоемкость воздуха, которая определяется по эмпирической формуле, кДж/(кмоль•К):

(μcpm) = 29,1 + 5,6•10-4(tВ1 + tВ2).       (9.12)

Теоретическая мощность адиабатного сжатия паров холодильного агента в процессе 1-2А, кВт:

NА = G/( h2А – h1), (9.13)

Относительные адиабатная и действительная холодопроизводительности:

kА = Q/NА; (9.14)

k = Q/N,      (9.15)

представляющие собой теплоту, передаваемую от холодного источника к горячему, на единицу теоретической мощности (адиабатной) и действительной (электрической мощности привода компрессора). Холодильный коэффициент имеет тот же физический смысл и определяется по формуле:

ε = (h1 – h4)/(h2Д – h1).       (9.16)

2. ИСПЫТАНИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

После запуска холодильной установки необходимо дождаться установления стационарного режима (t1 = const, t2Д = const), после чего измерить все показания приборов и занести в таблицу замеров 9.2, по результатам которой построить цикл холодильной установки в ph- и ts-координатах с помощью паровой диаграммы для фреона-12, изображенной на рисунке 9.2. Расчет основных 

p0 = B/750 + 0,981p0М, (9.17)

pК = B/750 + 0,981pКМ,       (9.18)

где В – атмосферное давление по барометру, мм.рт. ст.;  p0М – избыточное давление испарения по манометру, ати; pКМ – избыточное давление конденсации по манометру, атм.

Таблицца 9.2- Результаты замеров

№

п/п Величина Размер-ность Значение Примечание

1 Давление испарения, p0М кГс/см2 По манометру

2 Давление конденсации, pКМ кГс/см2 По манометру

3 Температура в холодильной камере , tХК оС По термопаре 1

4 Температура паров хладагента перед компрессором, t1 оС По термопаре 3

5 Температура паров хладагента после компрессора, t2Д оС По термопаре 4

6 Температура конденсата после конденсатора, t4 оС По термопаре 5

7 Температура воздуха после конденсатора, tВ2 оС По термопаре 6

8 Температура воздуха перед конденсатором, tВ1 оС По термопаре 7

9 Мощность привода компрессора, N кВт По ваттметру

10 Давление испарения, p0 бар По формуле (3.1)

11 Температура испарения, t0 оС По табл. (3.3)

12 Давление конденсации, pК бар По формуле (3.2)

13 Температура конденсации, tК оС По табл. 3.3

14 Энтальпия паров хладагента перед компрессором, h1 = f(p0, t1) кДж/кг По ph-диаграмме

15 Энтальпия паров хладагента после компрессора, h2Д = f(pК, t2Д) кДж/кг По ph-диаграмме

16 Энтальпия паров хладагента после адиабатного сжатия, h2А кДж/кг По ph-диаграмме

17 Энтальпия конденсата после конденсатора, h4 = f( t4) кДж/кг По ph-диаграмме

18 Удельный объем пара перед компрессором, v1=f(p0, t1) м3/кг По ph-диаграмме

19 Расход воздуха через конденсатор VВ м3/с По паспорту

Вентилятора

Таблица 9.3- Расчет основных характеристик холодильной установки

№ п/п Величина Размерность Формула Значение

1 Средняя мольная теплоемкость воздуха, (сpm) кДж/( кмольК) 29,1+5,610-4(tВ1+tВ2)

2 Объемная теплоемкость воздуха, сpm кДж/( м3К) (сpm) / 22,4

3 Тепловая нагрузка конденсатора, QК кВт cpmVВ(tВ2–  tВ1)

4 Расход холодильного агента, G кг/с QК / (h2Д– h4)

5 Удельная холодопроизводительность, q кДж/кг h1 – h4

6 Холодопроизводительность, Q кВт Gq

7 Удельная объемная холодопроизводительность, qV кДж/м3 Q/v1

8 Адиабатическая мощность, Na кВт G(h2А – h1)

9 Относительная адиабатическая холодопроизводительность, КА – Q / NА

10 Относительная реальная холодопроизводительность, К – Q / N

11 Холодильный коэффициент,  – q/(h2Д – h1)

Таблица9.4 - Давления насыщения фреона-12 (CF2Cl2 – дифтордихлорметана)

tн, oC

pн, бар

tн,oC pн, бар tн,oC

pн, бар

tн,oC pн, бар

-30 1,014 -10 2,219 10 4,285 30 7,529

-28 1,108 -8 2,377 12 4,550 32 7,931

-26 1,202 -6 2,550 14 4,831 34 8,344

-24 1,302 -4 2,734 16 5,123 36 8,771

-22 1,412 -2 2,926 18 5,428 38 9,217

-20 1,527 0 3,125 20 5,739 40 9,687

-18 1,649 2 3,330 22 6,065 42 10,17

-16 1,779 4 3,555 24 6,408 44 10,67

-14 1,919 6 3,788 26 6,765 46 11,18

-12 2,067 8 4,031 28 7,140 48 11,72

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ:

1. Схема и описание холодильной установки.

2. Таблицы замеров и расчетов.

3. Выполненное задание.

Лабораторная работа № 10

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ  РАБОТЫ  СОЛНЕЧНОГО  ФОТОЭЛЕМЕНТА

Цель занятия - Определение зависимостей  солнечного элемента от силы освещения.

План занятий:

         1. Изобразить  графические  характеристики U-Iдля напряжения имитатора солнечной энергии  (лампы) в 160V,  80V и 220V в соответствующей системе координат.

        2. Показать характеристики мощности  для 5 разных освещений и отметьте точки максимальной мощности.

        3. Изобразить в системе координат зависимость напряжения или тока солнечного элемента от измеренной силы освещения (характеристики I = f (E) или U = f

         4.Оценить результаты с теоретическими показателями.

Используемое электротехническое оборудование:

Солнечный элемент (СЭ), свинцово-кислотный аккумулятор (АКБ), имитатор солнечной энергииNr (лампа), люксметр, электроизмерительные приборы

СЭАКБNr

Рисунок 10.1- Электротехническое оборудование

Таблица 10.1 – Техническая характеристика фотомодуля

Наименование Характеристика

Размеры модуля 1200 х 540 х 30 мм мм

Вес 8 кг

Фронтальное стекло Калёное просветленное стекло 3,2 мм

Рама Анодированный алюминий

Клеммная коробка IP 65

Количество диодов 2

Ветровая нагрузка 5400 Па

Пиковая электрическая мощность (Pmax) 100 Вт

Номинальное напряжение (Unom) 12 В

Напряжение в точке максимальной мощности (Ump) 19.3 В

Ток в точке максимальной мощности (Imp) 5.18 А

Ток короткого замыкания (Isc) 5.56 А

Напряжение холостого хода (Uoc) 22.9 В

КПД элемента ФЭМ 17.65 %

Практический КПД модуля 15.43 %

Общие сведения

        Солнечный элемент(СЭ) и свинцово-кислотный аккумулятор (АКБ)являются оба электрическими составляющими источника напряжения (Рисунки 10.2 и 10.3).  Оба имеют нисходящую в первом квадранте характеристику (система координатU-I), хотя у свинцового аккумулятора она линейна, а у солнечного элемента –  совсем нелинейна (похожа на параболу).   Эффективная мощность аккумулятора повышается с повышением температуры, а усолнечного элемента  – понижается!

На рисунке 10.4 показаны схемы подключения аккумулятора и солнечного элемента.  Мощность солнечного элемента сильно зависит от  силы освещения.   Максимальная мощность аккумулятора –  0,5∙ UL, а у солнечного элемента 0,5∙ IKв зависимости от коэффициента уплотнения возможно значительно выше.   Солнечный элемент не несёт потери в спокойном состоянии или при холостом ходе.

Ток короткого замыкания у аккумулятора  есть увеличенный во много раз номинальный ток, у солнечного элемента они приблизительно равны.

            аккумулятора: солнечного элемента

Рисунок 10.2– Характеристики силы тока и напряжения I-U

аккумулятора: солнечного элемента:

Рисунок 10.3– Характеристики мощности и напряжения  P-U

аккумулятора: солнечного элемента:

Рисунок 10.4 – Схемы соединений аккумулятора и солнечного элемента

Вид электрической схемы позволяет подстроиться под требования системы, при этом последовательное соединение солнечных элементов увеличивает напряжение энергоисточника, а параллельное – ток.

         Напряжение зависит от: силы освещения (Е,lux) и частоты испускаемого электромагнитного излучения,  температуры элемента  (ок. -0,4%/K)

        Ток зависит отсилы освещения (Е,lux) ичастоты испускаемогоэлектромагнитного излучения, температуры элемента (ок.+0,07%/K),  поверхности СЭ,  КПД элемента и соответствие с нагрузкой.    Повышение температуры ведёт к снижению напряжения и тем самым к уменьшению мощности.

В соответствии с условием для выхода

электронов из кристаллической решётки  полупроводникового материала: действует следующее отношение для предельной длины волны монокристаллического кремния:

Солнечная радиация с длиной волны 2000нм не оказывает тем самым никакого влияния на энергетическое преобразование, поскольку энергия фотонов очень мала для выработки свободных носителей заряда.

Амперметр:теоретическое требование для внутреннего сопротивления: 0Ω;  практическое требование: RMessgerätRLast , т. к. иначе потери напряжения в измерительном приборе увеличатся и нарушит результат измерения напряжения.

Вольтметр:теоретическое требование: ∞Ω;   практическое требование: Rизм. приб.Rнагруз., чтобы ток в измерительном органе прибора оставался очень маленьким и не нарушил  измерение тока (разделение тока).

         На рисунках 10.5 и 10.6 теоретические характеристики солнечного элемента при различной освещенности.

Рисунок 10.5 – Характеристика U-Iсолнечного элемента при U=220V,  160V и 80V

Рисунок 10.6 – Характеристика мощности солнечного элементаNr при

U=220V,  160V и 80V

Из характеристик  (рисунок 10.7) уже очень отчётливо видна сильная зависимость тока от силы освещения, в то время как напряжение понижается только незначительно. Точно так же выходит зависимость имеющейся мощности солнечного элемента от степени освещённости.

Рисунок 10.7 – Зависимость тока короткого замыкания и напряжения холостого хода от силы освещения

        Теоретические данные показывают, что ток короткого замыкания солнечного элемента  находится в линейной зависимости от освещённости, а напряжение холостого хода имеет логарифмическую характеристику. Это означает, что уже при малой радиации очень скоро возникает номинальное напряжение солнечного элемента, в то время как суммарный ток – только при максимальной освещённости (STC).

Порядок выполнения  работы

Определения  зависимостей  солнечного элемента от силы освещенности

1. Снимите значенияU-I для напряжения имитатора энергии Nrв 180V, 140V, 120V, 100V,  80V  и занесите в таблицу 10.2;

Таблица 10.2 - Характеристика солнечного элемента от силы освещения

№ п/п Uсети (лампа) E UL СЭ IK СЭ PMPP

[V] [lux] [V] [mA] [mW]

1 80

2 100

3 120

4 140

5 160

6 180

7 220

         2.Пополученным значения, на основании теоретических данных, изобразите графические  характеристики U-I для напряженияNrв соответствующей системе координат (при определении масштаба обратите внимание на пункт 3).

         3.Перенесите характеристику U-Iдля напряжения имитатора энергии  в 220V.

4.Кроме этого изобразите характеристики мощности  для пяти разных освещений и отметьте точки максимальной мощности. Что позволяет говорить о зависимости мощности солнечного элемента от силы освещения?

5.Изобразите на второй системе координат зависимость напряжения или тока солнечного элемента от измеренной силы освещения (характеристики I = f (E) или U = f (E).

6.Опишите, по полученным  результатам опытов, сравнительную характеристику солнечного элемента с теоретическими показаниями.

Контрольные вопросы

         1. Назовите сходства и различия в электрическом  поведении солнечного элемента и свинцово-кислотного аккумулятора как источника энергии (схема соединения, характеристика U-I и P-U).

         2. От чего зависит выбор электрического соединения (последовательного  илипараллельного)?

         3. Какие величины определяют ток короткого замыкания и какие – напряжение  холостого хода солнечного элемента?

          4. Какое влияние на фотоэлектрическое преобразование энергии оказывает нагревание солнечного элемента?

           5. Какое воздействие на  фотоэлектрическое  преобразование  энергии оказывает солнечная радиация с длиной волны 2000nm в монокристаллическом кремниевом солнечном элементе?

          6. Каким требованиям (теоретически и практически) должно отвечать внутреннее сопротивление измерительных приборов, используемых для  измерения тока  или напряжения?

Основная литература

1. Круглов Геннадий Александрович. Теплотехника : рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по агроинженерномуобразованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Агроинженерия» / Г. А. Круглов, Р. И. Булгакова, Е. С. Круглова. - 2-е изд., стереотипное. - Cанкт-Петербург : Лань, 2015. - 208 с. – 15 экз. Библиотека БГСХА

2. Драганов Б. Х.Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве : учебник для студентов высш. учеб.заведений по инженерным спец. сельского хозяйства / Б. Х. Драганов. - М. :Агропромиздат, 1990. - 463 с. – 158 экз. Библиотека БГСХА

3. Теплотехника: Учебное пособие / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, Е.В. Стефанюк. - М.: КУРС: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 424 с.: ил.; 60x90 1/16. - (Высшее образование). http://znanium.com/catalog/product/486472

Дополнительная литература

1. Захаров А. А.Применение теплоты в сельском хозяйстве : учебник для студентов высш. с.-х. учеб.заведений по инженерным спец. / А. А. Захаров. - 3-е изд. перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1986. - 288 с. – 53 экз. Библиотека БГСХА

2. Теплотехника: Учебник/Ю.П.Семенов, А.Б.Левин - 2 изд. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 400 с.: 60x90 1/16. - (Высшее образование:Бакалавриат) http://znanium.com/catalog/product/470503

3. Теоретические основы теплотехники/Ляшков В. И. - М.: КУРС, НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 328 с.: 60x90 1/16 (Переплёт) ISBN 978-5-905554-85-8 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/496993

Учебное издание

Бадмаев Юрий Цыредоржиевич

Балданов МункоБазарович

Шкедова Людмила Павловна

Лабораторный практикум по теплотехнике

учебно-методическое пособие

Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия» / Сост.: Бадмаев Ю.Ц., Балданов М.Б., Шкедова Л.П. – Улан-Удэ: ФГБОУ ВО БГСХА, 2020. -    с. Системные требования: PC не ниже класса IntelCeleron 2 ГГц; 512 MbRAM ;AdobeAcrobatReader.Условных печатных листов 5,62.

ФГБОУ ВО «Бурятская государственная

Сельскохозяйственная академия им. В.Р.Филиппова

670034, г. Улан-Удэ, ул.Пушкина, 8

Microsoft OfficeProPlus 2016 RUS OLP NL Acdmc. Договор № ПП-61/2015 г. О поставке программных продуктов от 9 декабря 2015 года

Microsoft Windows Vista Business Russian Upgrade Academic OPEN No Level Государственный контракт № 25 от 1 апреля 2008 года

http://www.garant.ru/

- использование специализированных (адаптированных) рабочих программ дисциплин (модулей) и методов обучения и воспитания, включая наличие альтернативной версии официального сайта организации в сети «Интернет» для слабовидящих;

- использование специальных учебников, учебных пособий и других учебно-методических материалов, включая альтернативные форматы печатных материалов (крупный шрифт или аудиофайлы);

- использование специальных технических средств обучения (мультимедийное оборудование, оргтехника и иные средства) коллективного и индивидуального пользования, включая установку

мониторов с возможностью трансляции субтитров, обеспечение надлежащими звуковыми

воспроизведениями информации;

- предоставление услуг ассистента (при необходимости), оказывающего обучающимся необходимую техническую помощь или услуги сурдопереводчиков / тифлосурдопереводчиков;

- проведение групповых и индивидуальных коррекционных занятий для разъяснения отдельных вопросов изучаемой дисциплины (модуля);

- проведение процедуры оценивания результатов обучения возможно с учетом особенностей нозологий (устно, письменно на бумаге, письменно на компьютере, в форме тестирования и т.п.) при использовании доступной формы предоставления заданий оценочных средств и ответов на задания (в печатной форме увеличенным шрифтом, в форме аудиозаписи, в форме электронного документа, задания зачитываются ассистентом, задания предоставляются с использованием сурдоперевода) с

использованием дополнительного времени для подготовки ответа;

- обеспечение беспрепятственного доступа обучающимся в учебные помещения, туалетные и другие помещения организации, а также пребывания в указанных помещениях (наличие пандусов, поручней, расширенных дверных проемов и других приспособлений);

- обеспечение сочетания онлайн и офлайн технологий, а также индивидуальных и коллективных форм работы в учебном процессе, осуществляемом с использованием дистанционных образовательных технологий;

- и другие условия, без которых невозможно или затруднено освоение ОПОП ВО.

В целях реализации ОПОП ВО в академии оборудована безбарьерная среда, учитывающая потребности лиц с нарушением зрения, с нарушениями слуха, с нарушениями опорно-двигательного

аппарата. Территория соответствует условиям беспрепятственного, безопасного и удобного передвижения инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья. Вход в учебный корпус

оборудован пандусами, стекла входных дверей обозначены специальными знаками для слабовидящих, используется система Брайля. Сотрудники охраны знают порядок действий при прибытии в академию лица с ограниченными возможностями. В академии создана толерантная социокультурная среда, осуществляется необходимое сопровождение образовательного процесса,

при необходимости предоставляется волонтерская помощь обучающимся инвалидам и лицам с ограниченными возможностями здоровья.

2. Оценочные материалы является составной частью нормативно-методического обеспечения системы оценки качества освоения обучающимися указанной дисциплины (модуля).

3. При помощи оценочных материалов осуществляется контроль и управление процессом формирования обучающимися компетенций, из числа предусмотренных ФГОС ВО в качестве результатов освоения дисциплины (модуля).

4. Оценочные материалы по дисциплине (модулю) включают в себя:

- оценочные средства, применяемые при промежуточной аттестации по итогам изучения дисциплины (модуля).

- оценочные средства, применяемые в рамках индивидуализации выполнения, контроля фиксированных видов ВАРО;

- оценочные средства, применяемые для текущего контроля;

5. Разработчиками оценочных материалов по дисциплине (модулю) являются преподаватели кафедры, обеспечивающей изучение обучающимися дисциплины (модуля), в Академии. Содержательной основой для разработки оценочных материалов является Рабочая программа дисциплины (модуля).

Оценка «хорошо» (71-85 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему полное знание учебно-программного материала, успешное выполнение заданий, предусмотренных программой в типовой ситуации (с ограничением времени), усвоение материалов основной литературы, рекомендованной в программе, способность к самостоятельному пополнению и обновлению знаний в ходе дальнейшей работы над литературой и в профессиональной деятельности. При ответе на вопросы экзаменационного билета студентом допущены несущественные ошибки. Задача решена правильно или ее решение содержало несущественную ошибку, исправленную при наводящем вопросе экзаменатора.

Оценка «неудовлетворительно» (менее 56 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему пробелы в знаниях основного учебно-программного материала, допустившему принципиальные ошибки в выполнении предусмотренных программой заданий, слабые побуждения к самостоятельной работе над рекомендованной основной литературой. Оценка «неудовлетворительно» ставится обучающимся, которые не могут продолжить обучение или приступить к профессиональной деятельности по окончании академии без дополнительных занятий по соответствующей дисциплине.

Основы водоподготовки и котельные установки

2) охватывает все разделы дисциплины

2. Рабочее тело. Основные термодинамические параметры состояния  (ОПК-1)

3. Характеристическое уравнение Менделеева-Клапейрона. Физический смысл величин, входящих в уравнение, и их единицы измерения (ОПК-1)

4. Газовые смеси. Способы задания газовой смеси. Закон Дальтона (ОПК-1).

5. Постоянная, переменная, средняя и истинная теплоёмкости (ОПК-1)

6. Сущность первого и второго законов термодинамики (ОПК-1).

7. Первый закон термодинамики. Работа расширения идеального газа. (ОПК-1).

8. Энтальпия. Первый закон термодинамики через энтальпию (ОПК-1).

9. Второй закон термодинамики. Круговые термодинамические процессы.(ОПК-1).

10. Энтропия идеального газа. Графики термодинамических процессов в координатах  s-T (ОПК-1)

11. Термодинамические процессы идеального газа. Политропный процесс. (ОПК-1).

12. Изохорный процесс идеального газа. Первый закон термодинамики для изохорного процесса. (ОПК-1).

13. Изобарный процесс идеального газа. Первый закон термодинамики для изобарного процесса. (ОПК-1).

14. Изотермический процесс идеального газа. Первый закон термодинамики для изотермического процесса. (ОПК-1).

16. Второй закон термодинамики. Термодинамические циклы. (ОПК-1).

17. Цикл Карно. Эксэргия. (ОПК-1).

18. Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме. (ОПК-1).

19. Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

20. Термодинамический цикл поршневого ДВС со смешанным подводом теплоты.(ОПК-1)

21. Сравнительная эффективность термодинамических циклов ДВС. (ОПК-1)

22. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении. (ОПК-1)

23. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объёме. (ОПК-1)

24. Многовальные ГТУ. Область применения многовальных ГТУ. (ОПК-1)

25. Поршневой компрессор с вредным пространством и принцип его работы.

26. Термодинамический цикл поршневого компрессора  (ОПК-1).

27. Многоступенчатое сжатие. Особенности работы многоступенчатого поршневого компрессора (ОПК-1).

28. Процесс парообразования в паровом котле (ОПК-1).

29. Диаграмма водяного пара в координатах s-i. Параметры состояния влажного, сухого и перегретого пара. (ОПК-1).

30. Цикл Карно для водяного пара. Принципиальная схема паросиловой установки. (ОПК-1).

31. Цикл Ренкина для водяного пара. Принципиальная схема паросиловой установки. (ОПК-1).

32. Принципиальная схема воздушной холодильной машины. Термодинамический цикл. (ОПК-1).

33. Принципиальная схема паровой холодильной машины. Термодинамический цикл. (ОПК-1).

34. Влажный воздух. Специфические параметры влажного воздуха. (ОПК-1).

35. Диаграмма влажного воздуха Рамзина. Приборы для измерения параметров влажного воздуха. (ОПК-1).

36. Особенности истечения газов и паров через сопла различной формы. Сопло Лаваля. Дросселирование паров. (ОПК-1).

37. Виды теплообмена. Теплопроводность через плоские однослойную и многослойную стенки. (ОПК-1).

38. Классификация теплообменных аппаратов. Основы расчета теплообменных аппаратов.

39. Топливо. Основные определения. Состав топлив. (ОПК-1).

40. Процесс горения топлив. Коэффициент избытка воздуха. Высшая и низшая теплотворная способность топлива. (ОПК-1).

41. Котельные установки. Классификация котельных установок. (ОПК-1)

42. Топки котельных установок. Тепловые характеристики топок. (ОПК-1)

43. Основные элементы парового котла. Тепловой баланс котельного агрегата. (ОПК-1)

44. Классификация паровых котлов. Схема котельной установки  (ОПК-1).

45. Дополнительные элементы котельного агрегата.

46. Вспомогательные устройства котельной. (ОПК-1)

47. Подготовка воды для парового котла. (ОПК-1)

48. Правила эксплуатации котельных установок. (ОПК-1).

49. Методы очистки котлов. (ОПК-1).

50. Техническое освидетельствование парового котла.

51. Применение тепла в сельском хозяйстве. (ОПК-1).

52. Способы сушки продуктов с.-х. производства(ОПК-1).

53. Процесс сушки с.-х. продукции. Методика расчета процесса сушки. (ОПК-1).

54. Применение теплоты на животноводческих фермах и комплексах. (ОПК-1).

55. Применение холода в сельском хозяйстве.

56. Классификация систем отопления. (ОПК-1).

57. Водяные системы отопления с естественной циркуляцией.(ОПК-1).

58. Водяные системы отопления с принудительной циркуляцией.(ОПК-1).

59. Воздушные системы отопления. Область применения. (ОПК-1).

60. Паровые системы отопления. Область применения. (ОПК-1).

61. Горячее водоснабжение. (ОПК-1).

62. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома. (ОПК-1).

63. Типы культивационных сооружений защищенного грунта. (ОПК-1).

64. Способы обогрева культивационных сооружений защищенного грунта.

65. Пути экономии теплоэнергетических ресурсов в сельском хозяйстве. Использование нетрадиционных источников энергии. (ОПК-1).

1. Цикл Карно. Эксэргия.

2. Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.

3. Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

4. Термодинамический цикл поршневого ДВС со смешанным подводом теплоты.

5. Сравнительная эффективность термодинамических циклов ДВС.

6. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении.

7. Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном объёме.

8. Многовальные ГТУ. Область применения многовальных ГТУ.

9. Поршневой компрессор с вредным пространством и принцип его работы.

11. Многоступенчатое сжатие. Особенности работы многоступенчатого поршневого компрессора.

12. Процесс парообразования в паровом котле.

13. Диаграмма водяного пара в координатах s-i. Параметры состояния влажного, сухого и перегретого пара.

14. Цикл Карно для водяного пара. Принципиальная схема паросиловой установки.

15. Цикл Ренкина для водяного пара. Принципиальная схема паросиловой установки.

16. Принципиальная схема воздушной холодильной машины. Термодинамический цикл.

17. Принципиальная схема паровой холодильной машины. Термодинамический цикл.

18. Влажный воздух. Специфические параметры влажного воздуха.

19. Диаграмма влажного воздуха Рамзина. Приборы для измерения параметров влажного воздуха.

20. Особенности истечения газов и паров через сопла различной формы. Сопло Лаваля. Дросселирование паров.

Оценка «хорошо» (71-85 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему полное знание учебно-программного материала, успешное выполнение заданий, предусмотренных программой в типовой ситуации (с ограничением времени), усвоение материалов основной литературы, рекомендованной в программе, способность к самостоятельному пополнению и обновлению знаний в ходе дальнейшей работы над литературой и в профессиональной деятельности. При ответе на вопросы экзаменационного билета студентом допущены несущественные ошибки. Задача решена правильно или ее решение содержало несущественную ошибку, исправленную при наводящем вопросе экзаменатора.

Оценка «удовлетворительно» (56-70 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему знание основного учебно-программного материала в объеме, достаточном для дальнейшей учебы и предстоящей работы по специальности, знакомство с основной литературой, рекомендованной программой, умение выполнять задания, предусмотренные программой. При ответе на экзаменационные вопросы и при выполнении экзаменационных заданий обучающийся допускает погрешности, но обладает необходимыми знаниями для устранения ошибок под руководством преподавателя. Решение задачи содержит ошибку, исправленную при наводящем вопросе экзаменатора.

Оценка «неудовлетворительно» (менее 56 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему пробелы в знаниях основного учебно-программного материала, допустившему принципиальные ошибки в выполнении предусмотренных программой заданий, слабые побуждения к самостоятельной работе над рекомендованной основной литературой. Оценка «неудовлетворительно» ставится обучающимся, которые не могут продолжить обучение или приступить к профессиональной деятельности по окончании академии без дополнительных занятий по соответствующей дисциплине.

зачет /оценка «хорошо» (71-85 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему полное знание учебно-программного материала, успешное выполнение заданий, предусмотренных программой в типовой ситуации (с ограничением времени), усвоение материалов основной литературы, рекомендованной в программе, способность к самостоятельному пополнению и обновлению знаний в ходе дальнейшей работы над литературой и в профессиональной деятельности.

зачет /оценка «удовлетворительно» (56-70 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему знание основного учебно-программного материала в объеме, достаточном для дальнейшей учебы и предстоящей работы по специальности, знакомство с основной литературой, рекомендованной программой, умение выполнять задания, предусмотренные программой.

незачет /оценка «неудовлетворительно» (менее 56 баллов) ставится обучающемуся, обнаружившему пробелы в знаниях основного учебно-программного материала, допустившему принципиальные ошибки в выполнении предусмотренных программой заданий, слабые побуждения к самостоятельной работе над рекомендованной основной литературой. Оценка «неудовлетворительно» ставится обучающимся, которые не могут продолжить обучение или приступить к профессиональной деятельности по окончании академии без дополнительных занятий по соответствующей дисциплине.

оценка «удовлетворительно» (56-70 баллов) - дополнительное снижение оценки может быть вызвано выполнением работы не в полном объеме, или неспособностью студента правильно интерпретировать полученные результаты, или неверными ответами на вопросы по существу проделанной работы;

оценка «неудовлетворительно» (менее 56 баллов) - выставление этой оценки осуществляется при несамостоятельном выполнении работы, или при неспособности студента пояснить ее основные положения, или в случае фальсификации результатов, или установленного плагиата.

зачет /оценка «отлично» (86-100 баллов) ставится обучающемуся:

- отчет выполнен в соответствии с заданием, грамотно, характеризуется логичным, последовательным изложением материала с соответствующими выводами и /или обоснованными расчетами, предложениями; не содержит ошибок;  

- проведено научное исследование в соответствие с полученным заданием;

- отчет выполнен с использованием современных информационных технологий и ресурсов;

- обучающийся при выполнении и защите отчета демонстрирует продвинутый уровень сформированности компетенций, предусмотренных программой практики;

- отчет о прохождении производственной практики имеет положительную характеристику руководителей практики от предприятия и кафедры на обучающегося;  

зачет /оценка «хорошо» (71-85 баллов) ставится обучающемуся:

- отчет выполнен в соответствии с заданием, грамотно, характеризуется логичным, последовательным изложением материала, допущены небольшие неточности при формировании выводов/расчетов, предложений; содержит незначительные ошибки/опечатки в текстовой части отчета;  

- проведено научное исследование в соответствие с полученным заданием;

- отчет выполнен с использованием современных информационных технологий и ресурсов;

- обучающийся при выполнении и защите отчета демонстрирует базовый уровень сформированности компетенций, предусмотренных программой практики;

- отчет о прохождении производственной практики имеет положительную характеристику руководителей практики от предприятия и кафедры на обучающегося;  

зачет /оценка «удовлетворительно» (56-70 баллов) ставится обучающемуся:

- отчет выполнен в соответствии с заданием, материал изложен последовательно, допущены неточности при формировании выводов/расчетов, предложений; содержит ошибки/опечатки в текстовой части отчета;  

- присутствуют элементы научного исследования, творческий подход к решению поставленных задач проявляется незначительно;

- отчет выполнен с использованием современных информационных технологий и ресурсов;

- обучающийся при выполнении и защите отчета демонстрирует пороговый уровень сформированности компетенций, предусмотренных программой практики;

- отчет о прохождении производственной практики имеет положительную характеристику руководителей практики от предприятия и кафедры на обучающегося;  

незачет /оценка «неудовлетворительно» (менее 56 баллов) ставится обучающемуся:

- отчет выполнен не в соответствии с заданием, материалы не подтверждены соответствующими выводами и/или обоснованными расчетами, предложениями; текстовая часть отчета содержит многочисленные ошибки;  

- творческий подход к решению поставленных задач не проявляется; отсутствуют элементы научного исследования;

- отчет выполнен с использованием современных пакетов компьютерных программ, информационных технологий и информационных ресурсов;

- обучающийся при выполнении и защите отчета показывает не сформированность компетенций, предусмотренных программой практики;

- отчет имеет отрицательную характеристику руководителей практики от предприятия и кафедры на обучающегося.

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

– правильность ответа по содержанию задания (учитывается количество и характер ошибок при ответе);

– полнота и глубина ответа (учитывается количество усвоенных фактов, понятий и т.п.);

– сознательность ответа (учитывается понимание излагаемого материала);

– логика изложения материала (учитывается умение строить целостный, последовательный рассказ, грамотно пользоваться специальной терминологией);

– использование дополнительного материала;

– рациональность использования времени, отведенного на задание (не одобряется затянутость выполнения задания, устного ответа во времени, с учетом индивидуальных особенностей обучающихся).

Примерная шкала оценивания:

для учета в рейтинге (оценка)

«отлично»

«хорошо»

«удовлетво-рительно»

«неудовлетворительно»

для учета в рейтинге (оценка)

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

- теоретический уровень знаний;

- качество ответов на вопросы;

- подкрепление материалов фактическими данными (статистические данные или др.);

- практическая ценность материала;

- способность делать выводы;

- способность отстаивать собственную точку зрения;

- способность ориентироваться в представленном материале;

- степень участия в общей дискуссии.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

(дискуссии, полемики, диспута, дебатов)  

«отлично»

используется терминология; показано умение иллюстрировать теоретические положения конкретными примерами, применять их в новой ситуации; высказывать свою точку зрения.

«хорошо»

«удовлетво-рительно»

«неудовлетворительно»

для учета в рейтинге (оценка)

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

– полнота раскрытия темы;

– правильность формулировки и использования понятий и категорий;

– правильность выполнения заданий/ решения задач;

– аккуратность оформления работы и др.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

(обязательно для дисциплин, где по УП предусмотрена контрольная работа)

«отлично»

«хорошо»

«удовлетво-рительно»

«неудовлетворительно»

Примерные критерии оценивания:

– правильность выполнения задания на практическую/лабораторную работу в соответствии с вариантом;

– степень усвоения теоретического материала по теме практической /лабораторной работы;

– способность продемонстрировать преподавателю навыки работы в инструментальной программной среде, а также применить их к решению типовых задач, отличных от варианта задания;

– качество подготовки отчета по практической / лабораторной работе;

– правильность и полнота ответов на вопросы преподавателя при защите работы

и др.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания практических занятий (лабораторных работ):

для учета в рейтинге (оценка)

«отлично»

«хорошо»

«удовлетво-рительно»

«неудовлетворительно»

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

В качестве критериев могут быть выбраны, например:

– соответствие срока сдачи работы установленному преподавателем;

– соответствие содержания и оформления работы предъявленным требованиям;

– способность выполнять вычисления;

– умение использовать полученные ранее знания и навыки для решения конкретных задач;

– умение отвечать на вопросы, делать выводы, пользоваться профессиональной и общей лексикой;

– обоснованность решения и соответствие методике (алгоритму) расчетов;

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

расчетно-графической работы,  работы на тренажере

для учета в рейтинге (оценка)

«отлично»

«хорошо»

«удовлетво-рительно»

«неудовлетворительно»

для учета в рейтинге (оценка)

Материалы тестовых заданий следует сгруппировать по темам/разделам изучаемой дисциплины (модуля) в следующем виде:

Тема (темы) / Раздел дисциплины (модуля)

Тестовые задания по данной теме (темам)/Разделу с указанием правильных ответов.

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

- отношение правильно выполненных заданий к общему их количеству

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

для учета в рейтинге (оценка)

Задачи реконструктивного уровня

Задачи творческого уровня

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

– полнота знаний теоретического контролируемого материала;

– полнота знаний практического контролируемого материала, демонстрация умений и навыков решения типовых задач, выполнения типовых заданий/упражнений/казусов;

– умение самостоятельно решать проблему/задачу на основе изученных методов, приемов, технологий;

– умение ясно, четко, логично и грамотно излагать собственные размышления, делать умозаключения и выводы;

– полнота и правильность выполнения задания.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

для учета в рейтинге (оценка)

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

– полнота раскрытия темы;

– степень владения понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины;

– знание фактического материала, отсутствие фактических ошибок;

– умение логически выстроить материал ответа;

– умение аргументировать предложенные подходы и решения, сделанные выводы;

– степень самостоятельности, грамотности, оригинальности в представлении материала (стилистические обороты, манера изложения, словарный запас, отсутствие или наличие грамматических ошибок);

– выполнение требований к оформлению работы.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся).

Примерная шкала оценивания письменных работ:

(рефератов, докладов, сообщений)

Ответ четко структурирован и выстроен в заданной логике. Части ответа логически взаимосвязаны. Отражена логическая структура проблемы (задания): постановка проблемы – аргументация – выводы. Объем ответа укладывается в заданные рамки при сохранении смысла.

Продемонстрировано умение аргументировано излагать собственную точку зрения. Видно уверенное владение освоенным материалом, изложение сопровождено адекватными иллюстрациями (примерами) из практики.

Высокая степень самостоятельности, оригинальность в представлении материала: стилистические обороты, манера изложения, словарный запас. Отсутствуют стилистические и орфографические ошибки в тексте.

Работа выполнена аккуратно, без помарок и исправлений.

Продемонстрировано владение понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины (уместность употребления, аббревиатуры, толкование и т.д.), отсутствуют ошибки в употреблении терминов.

Показано умелое использование категорий и терминов дисциплины в их ассоциативной взаимосвязи.

Ответ в достаточной степени структурирован и выстроен в заданной логике без нарушений общего смысла. Части ответа логически взаимосвязаны. Отражена логическая структура проблемы (задания): постановка проблемы – аргументация – выводы. Объем ответа незначительно превышает заданные рамки при сохранении смысла.

Продемонстрировано умение аргументированно излагать собственную точку зрения, но аргументация не всегда убедительна. Изложение лишь отчасти сопровождено адекватными иллюстрациями (примерами) из практики.

Достаточная степень самостоятельности, оригинальность в представлении материала. Встречаются мелкие и не искажающие смысла ошибки в стилистике, стилистические штампы. Есть 1–2 орфографические ошибки.

Работа выполнена аккуратно, без помарок и исправлений.

Продемонстрировано достаточное владение понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины, есть ошибки в употреблении и трактовке терминов, расшифровке аббревиатур.

Ошибки в использовании категорий и терминов дисциплины в их ассоциативной взаимосвязи.

Ответ плохо структурирован, нарушена заданная логика. Части ответа логически разорваны, нет связок между ними. Ошибки в представлении логической структуры проблемы (задания): постановка проблемы – аргументация – выводы. Объем ответа в существенной степени (на 25–30%) отклоняется от заданных рамок.

Нет собственной точки зрения либо она слабо аргументирована. Примеры, приведенные в ответе в качестве практических иллюстраций, в малой степени соответствуют изложенным теоретическим аспектам.

Текст работы примерно наполовину представляет собой стандартные обороты и фразы из учебника/лекций. Обилие ошибок в стилистике, много стилистических штампов. Есть 3–5 орфографических ошибок.

Работа выполнена не очень аккуратно, встречаются помарки и исправления.

Продемонстрировано крайне слабое владение понятийно-терминологическим аппаратом дисциплины (неуместность употребления, неверные аббревиатуры, искаженное толкование и т.д.), присутствуют многочисленные ошибки в употреблении терминов.

Продемонстрировано крайне низкое (отрывочное) знание фактического материала, много фактических ошибок – практически все факты (данные) либо искажены, либо неверны.

Ответ представляет собой сплошной текст без структурирования, нарушена заданная логика. Части ответа не взаимосвязаны логически. Нарушена логическая структура проблемы (задания): постановка проблемы – аргументация – выводы. Объем ответа более чем в 2 раза меньше или превышает заданный. Показаны неверные ассоциативные взаимосвязи категорий и терминов дисциплины.

Отсутствует аргументация изложенной точки зрения, нет собственной позиции. Отсутствуют примеры из практики либо они неадекватны.

Текст ответа представляет полную кальку текста учебника/лекций. Стилистические ошибки приводят к существенному искажению смысла. Большое число орфографических ошибок в тексте (более 10 на страницу).

Работа выполнена неаккуратно, с обилием помарок и исправлений. В работе один абзац и больше позаимствован из какого-либо источника без ссылки на него.

для учета в рейтинге (оценка)

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

- соответствие решения сформулированным в кейсе вопросам (адекватность проблеме и рынку);

- оригинальность подхода (новаторство, креативность);

- применимость решения на практике;

- глубина проработки проблемы (обоснованность решения, наличие альтернативных вариантов, прогнозирование возможных проблем, комплексность решения).

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

для учета в рейтинге (оценка)

Концепция игры

Роли:

Задания (вопросы, проблемные ситуации и др.)

Ожидаемый (е) результат(ы)

Примерные критерии оценивания:

­ качество усвоения информации;

­ выступление;

­ содержание вопроса;

­ качество ответов на вопросы;

­ значимость дополнений, возражений, предложений;

­ уровень делового сотрудничества;

­ соблюдение правил деловой игры;

­ соблюдение регламента;

­ активность;

­ правильное применение профессиональной лексики.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

для учета в рейтинге (оценка)

для учета в рейтинге (оценка)

Индивидуальные творческие задания (проекты):

Критерии оценивания (устанавливаются разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерные критерии оценивания:

- актуальность темы;

- соответствие содержания работы выбранной тематике;

- соответствие содержания и оформления работы установленным требованиям;

- обоснованность результатов и выводов, оригинальность идеи;

- новизна полученных данных;

- личный вклад обучающихся;

- возможности практического использования полученных данных.

Шкала оценивания (устанавливается разработчиком самостоятельно с учетом использования рейтинговой системы оценки успеваемости обучающихся)

Примерная шкала оценивания:

п/п