Тинькова С.М., Веретнова Т.А. Металлургическая теплотехника

Подождите немного. Документ загружается.









273

íàðâ

ñë

gltt

t







, (3.7)

где g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с

ℓ - характерный размер (при горизонтальном расположении плоской стенки -

это меньший ее размер, при вертикальном - высота), м;

- средняя температура воздуха в пограничном слое,

= 0,5·(t

нар

+ t

), ºС;

, ν

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙К) и коэффициент кинематиче-

ской вязкости воздуха при t

, м

/с;

с, п - коэффициент и показатель степени, определяемые в зависимости от

произведения Gr·Pr, ( таблице 3.1).

Таблица 3.1

Значение с и n в уравнении (3.6)

Gr Pr 1·10

- 5·10

5·10

- 2·10

>2·10

с 1,18 0.54 0,135

n 0,125 0,25 0,33

Коэффициент теплоотдачи излучением α

можно определить по выра-

жению

5,67

100100

íàð

íàðâíàðâ

Òâ

tttt









































(3.8)

где q

- плотность теплового потока, излучаемого поверхностью стенки,

Вт/м

; С

- коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67

Вт/(м

·К

); ε

- степень черноты излучающей поверхности; Т

нар

, Т

- абсолют-

ные температуры наружной поверхности стенки и воздуха, К.

С наружной поверхности стенки во внешнюю среду теплота уходит за

счет конвекции q

и излучения q

. Этот тепловой поток называется суммар-

ным q

= q

+ q

= α

нар

– t

). (3.9)

В стационарных условиях, то есть когда температура в любой точке

кладки не изменяется во времени, тепловой поток, проходящий только по

толщине стенки (2), проходящий от внутренней поверхности стенки к возду-

ху (4) и уходящий с наружной поверхности стенки (9) должен быть одинако-

вым.

Описание установки

Опытная установка (рис. 3.3) состоит из печи 1 с карборундовыми на-

гревателями 2, верх печи выполнен в виде плоской стенки, часть которой од-

нослойная 3 (из огнеупорного кирпича), другая часть двухслойная 4 (из тако-

го же огнеупорного кирпича и теплоизоляционного кирпича). По толщине

кирпичей вмонтированы хромель-алюмелевые термопары 5, которые под-

ключены к самопишущему потенциометру 6, каждая под своим номером.

Потенциометр снабжен диаграммной лентой 7, на которой через определен-

ные промежутки времени фиксируются температуры по толщине стенки.

Температура окружающего воздуха замеряется термометром 8.

Питание печи осуществляется от сети через автотрансформатор 9.

Рис. 3.3 Схема экспериментальной установки

Последовательность проведения эксперимента

Печь, ввиду значительного времени выхода на режим, включается за-

ранее лаборантом.

Студенты включают потенциометр, начинается автоматическая запись

температур по толщине одно- и двухслойной стенки. На диаграммной ленте

температура каждой точки фиксируется под своим номером.

Запись температур ведут до достижения стационарного теплового ре-

жима, затем отключают потенциометр, вынимают диаграммную ленту из по-

тенциометра и записывают температуру окружающего воздуха t

Обработка результатов эксперимента

По номерам, соответствующим показаниям термопар на диаграммной

ленте, и по цене деления диаграммной ленты (ширина ленты соответствует

шкале потенциометра) записать температуру каждой точки.

По полученным данным построить графики распределения температур

по толщине одно- и двухслойной, стенки (примерный вид графиков показан

на рис. 3.4). По оси ординат отражена температура, по оси абсцисс - толщина

стенки (слоев) и расстояния от внутренней поверхности стенки, на которые

заглублены соответствующие термопары.

рис. 3.4 Распределение температуры по ширине (а) относлойной и (б) двух-

слойной стенки

По графикам определить значения температур внутренней и наружной

поверхностей для одно- и двухслойной стенки путем продолжения на графи-

ке линий распределения температур до пересечения с ординатами соответст-

вующими толщине стенок. На границе двух слоев отметить температуру гра-

ницы t

гр

Полученные данные занести в соответствующие колонки таблицы 3.2;

дальнейшие расчеты провести согласно алгоритму расчета, приведенному в

этой таблице.

Таблица 3.2

Результаты обработки экспериментальных данных

№

п/п

Величина Размерность

Экспериментально-

расчетные значения вели-

чин

Однослойная

стенка

Двухслойная

стенка

1 t

вн

нар

Продолжение таблицы 3.2

№

п/п

Величина Размерность

Однослойная

стенка

Двухслойная

стенка

гр

= (t

нар

+ t

)/2

ñë

λ, по приложению 1, при

ñë

Вт/(м·К)

8 δ/λ м

·К/Вт

âííàð











Вт/м

по приложению 2, при

Вт/(м·К)

/с









273

íàðâ

ñë

gltt

t







Gr·Pr

см. текст, табл. 1

Nи =c(Gr Pr)

=1,3·Nи·λ

/ℓ

Вт/(м

·К)

5,67

100100

íàð

íàðâ

Òâ









































Вт/(м

·К)

= α

+ α

Вт/(м

·К)

= α

нар

– t

)

Вт/м

âíâ













Вт/м

По полученным значениям удельных тепловых потоков сделать выво-

ды.

Контрольные вопросы

1. Что является признаком стационарного теплового режима?

2. Каким или какими способами переносится теплота внутри стенок, от

поверхности стенок к воздуху? Написать выражения для соответствующих

тепловых потоков. В каком отношении находятся между собой эти потоки

при стационарных условиях?

3. Как распределяются температуры по толщине, одно- или многослой-

ной стенки?

4. От чего зависит тепловое сопротивление стенки; среды, окружающей

стенку?

5. Что характеризуют критерии, применяемые в расчетах, какие вели-

чины в них входят?

Лабораторная работа 4

Определение теплоты сгорания твердого и жидкого топлива

Цель работы:

Ознакомиться с методом определения теплоты сгорания каменных и

бурых углей калориметрическим способом.

Теоретическое введение

При сгорании топлива выделяется тепловая энергия.

Количество теплоты, выделившейся при полном сжигании единицы

массы (объема) топлива, называется теплотой сгорания топлива (Q).

Теплота сгорания топлива непосредственно связана с его химическим

составом.

В технике различают высшую Q

и низшую Q

теплоты сгорания топ-

лива.

Высшей теплотой сгорания называется то количество тепла, которое

выделяется при сжигании единицы топлива до продуктов полного сгорания

при условии, что вся влага, образовавшаяся при сгорании, находится в жид-

ком состоянии.

В действительности пары воды в газообразном состоянии уносятся с

продуктами сгорания и конденсируются за пределами системы, поэтому по-

нятие высшей теплоты сгорания имеет теоретическое значение. Для прибли-

жения к практике введено понятие низшей теплоты сгорания.

Низшей теплотой сгорания называется то количество тепла, которое

выделяется при сгорании единицы топлива до продуктов полного сгорания

при условии, что влага, содержащаяся в продуктах сгорания, находится в ви-

де пара.

Количественная разница между Q

и Q

на 1 кг H

O составляет

- Q

= 2516 кДж/кг. (4.1)

Поскольку в продуктах сгорания содержится пары влаги топлива и во-

ды, полученной от сгорания водорода, разность между высшей и низшей те-

плотой (т.е. теплота конденсации) с учетом процентного содержания влаги и

водорода в рабочей массе топлива составляет

- Q

= Q

= 25(W

+ 9Н

), кДж/кг. (4.2)

При практическом использовании топлива необходимо знать его теп-

лоту сгорания. Теплота сгорания может быть определена расчетным или экс-

периментальным методом.

Расчетный метод основан на суммировании теплоты сгорания отдель-

ных составляющих, т.е. исходит из значения точного состава топлива и теп-

ловых эффектов сгорания горючих составляющих топлива. Для отечествен-

ных видов твердого и жидкого топлива достаточно точные результаты дает

формула Д. И. Менделеева

= 340С

+ 1260Н

+ 109(S

– O

). (4.3)

Экспериментальный метод основан на сжигании навески испытуемого

угля в калориметрической бомбе в среде сжатого кислорода, насыщенного

водяным паром, и определения количества теплоты, выделившейся при сго-

рании топлива, а также при образовании и растворении в воде серной и азот-

ной кислот в условиях испытания.

Описание установки

Схема калориметрической установки представлена на рис. 4.1. Оболоч-

ка (кожух) калориметра 1 представляет собой двустенный бак с двойным

дном. Наружная и внутренняя его поверхности никелированы для уменьше-

ния теплообмена лучеиспусканием. Внутреннее пространство между двой-

ными стенками и двойным дном кожуха заполняется водой, кожух калори-

метра снабжен крышкой 2, состоящей из двух половин. В месте стыка их

имеется три отверстия: для термометра, стержня мешалки и токоведущих

проводов.

Калориметрический сосуд (3) имеет цилиндрическую форму, никели-

рован снаружи и изнутри и имеет две ручки для опускания в кожух калори-

метра и извлечения из него. Калориметрический сосуд, наполненный дистил-

лированной водой с погруженной в нее калориметрической бомбой (4), уста-

навливается в кожух на теплоизоляционной подставке (5).

Перемешивание воды в калориметрическом сосуде производится вер-

тикальной мешалкой, которая состоит из трех горизонтальных серповидных

пластинок (6), прикрепленных к стержням (7). При помощи стержня (8) и

муфты (9) мешалка соединяется с приводным механизмом.

Рис. 4.1 Схема калориметрической установки

Для определения изменения температуры при проведении калоримет-

рического испытания служит метастатический термометр (10). Шкала тер-

мометра имеет длину около 25 см и разделена на 5 градусов, причем каждый

градус разделен на сотые доли градуса, что позволяет при пользовании лупой

производить отсчеты с точностью до 0,001 ˚С.

Устройство самоуплотняющейся бомбы показано на рис. 4.2. Она пред-

ставляет собой стакан (1) из легированной нержавеющей стали емкостью 300

мл, снабженный крышкой (2), гайкой (3), металлическим кольцом (4) и рези-

новым кольцом (5). Герметичность бомбы достигается следующим образом:

при повышении давления в бомбе, крышка (2) поднимается вверх и прижи-

мает резиновое кольцо (5) к металлическому кольцу (4) и гайке (3). Резино-

вое кольцо, деформируясь, плотно прилегает к стенкам стакана и крышки,

чем создается надежная герметизация, которая будет тем лучше, чем больше

давление внутри бомбы.

В крышке имеется два вертикальных канала – канал в штуцере (6) для

заполнения бомбы кислородом, переходящий в трубку (7), ввинченную в

крышку снизу, и канал в штуцере (8) для вытеснения воздуха кислородом и

выпуска из бомбы продуктов сгорания после опыта.

Штуцер с надписью «впуск» имеет клапан обратного действия, поджи-

маемый пружиной. Клапан под давлением входящего в бомбу кислорода от-

крывается. При выравнивании внешнего давления с давлением в бомбе кла-

пан закрывается пружиной.

Рис. 4.2 Устройство самоуплотняющейся бомбы

После опыта через штуцер (8) выпускают газы и только после снятия

давления внутри бомбы отвинчивают крышку. Для зажигания навески угля

(брикета) к бомбе подводится электрический ток с помощью двух электро-

дов. Один электрод проходит через тело крышки и тщательно изолирован от

нее. Внутри бомбы он переходит в трубку (7). Через эту трубку впускается

кислород в бомбу и через нее же подводится электрический ток. Вторым

электродом является штифт (9) с кольцом, на которое устанавливается ча-

шечка (10) с брикетом угля. Этот штифт ввинчен непосредственно в крышку.

Запальная проволочка прикрепляется к электродам (7) и (9) поближе к ча-

шечке. В нижней части стакана имеется три ножки (11), на которых бомба

устанавливается в сосуд с водой, чтобы вода омывала ее дно.

Подготовка установки

Навеску угля 0,7 - 1,0 г. брикетируют на ручном винтовом прессе. Го-

товый брикет очищают от приставших несбрикетированных частиц кисточ-

кой, помещают на часовое стекло и взвешивают на аналитических весах с

точностью до 0,1 г.

Калориметрический сосуд наполняют дистиллированной водой, пред-

варительно взвешенной, всегда в одном и том же количестве из расчета, что-

бы вода покрывала бомбу. Температура должна быть не более одного, двух

градусов ниже комнатной температуры.

Крышку бомбы устанавливают на штатив с кольцом, устанавливают

чашечку с брикетом угля между двумя электродами, натягивают запальную

проволочку, к середине которой привязывают хлопчатобумажную нить, кон-

цы которой укладывают в чашечку под брикет. Проволочка и нить должны

быть предварительно взвешены на аналитических весах.

После этого ставят бомбу на подставку, наливают в нее пипеткой 10 мл

дистиллированной воды, которая необходима для растворения образующихся

окислов серы и азота, а так же для насыщения внутреннего объема бомбы

водяными парами, и плавно завинчивают крышку.

После этого приступают к наполнению бомбы кислородом. Для этого

открывают оба вентиля крышки, присоединяют кислородную трубку к вы-

ходному отверстию.

Затем медленно открывают вентиль баллона с кислородом и осторожно

наполняют бомбу кислородом. Для вытеснения воздуха из бомбы вентиль (8)

открывают на две минуты, после чего выходное отверстие закрывают и бом-

бу заполняют кислородом. Когда давление в бомбе достигает 2,5-2,9 МПа

(25-30 кгс/см2), закрывают кран кислородного баллона, отсоединяют от бом-

бы кислородную трубку и закрывают оба отверстия винтовыми пробками

(колпачками).

Наполненную кислородом бомбу устанавливают в калориметрический

сосуд, держа ее за вентили так, чтобы не касаться пальцами воды. Затем при-

соединяют токоведущие провода к клеммам бомбы, устанавливают мешалку

и приводят ее в действие, чтобы проверить, что она не задевает бомбу или

стенки сосуда, устанавливают термометр и закрывают калориметр крышкой.

Последовательность проведения опыта

Весь опыт делится на три периода: начальный, главный и конечный.

Начальный период предшествует сжиганию топлива. По данным этого пе-

риода учитывается теплообмен между калориметром и окружающей средой в

условиях начальной температуры опыта. Конечный период имеет то же на-

значение, но уже в условиях конечной температуры. По данным начального и

конечного периодов рассчитывают поправку на радиацию. Главный период –

промежуток времени, в течение которого происходит сгорание топлива и по-

глощение калориметром выделяющейся теплоты. Реперными точками этого

периода являются начальная и конечная температуры.

Пустив мешалку, убеждаются в правильности сборки установки и при-

ступают к замеру измерения температуры. После того как изменение темпе-

ратуры за одинаковые промежутки времени (30 сек) станут примерно рав-

ными (обычно через 5 минут после начала опыта), приступают к записи по-

казаний термометра через каждые 30 секунд. Десятой записью, т.е. еще через

5 минут заканчивают начальный период и тотчас же зажигают уголь, замкнув

ток нажатием кнопки на панели.

С момента зажигания угля начинается главный период, в течение кото-

рого показания термометра регистрируют также через 30 секунд. При первых

записях главного периода температуру отмечают с точностью до 0,01

С, т.к.

более точные отсчеты в это время не возможны вследствие быстрого подъема

температуры. Последние же отсчеты должны быть сделаны с точностью до

0,001 ˚С. Обычно, после быстрого подъема, рост показаний термометра за-

медляется и, достигнув своего максимума, удерживается короткое время, по-

сле чего начинает спадать. На этом главный период заканчивается. Его про-

должительность бывает обычно 6-13 минут (12-26 отсчетов).

Непосредственно вслед за главными периодом начинается конечный,

который длится 5 минут. Запись температур ведется через каждые 30 секунд.

После этого останавливают мешалку и опят считают законченным.

Бомбу вынимают из воды, обтирают, выпускают газообразные продукты,

взвешивают зольный остаток и несгоревшую часть запальной проволоки.

Обработка результатов

Вычисление теплоты сгорания по бомбе по результатам опыта произ-

водится по формуле:

кгкДж/ ,

])()[(

221100

MQMQththtKH

−

∆

−

(4.4)

где: К - водяное число (эквивалент) калориметра, учитывающее поглощение

тепла частями калориметрической установки (устанавливается сжиганием в

бомбе бензольной кислоты), иначе, теплоемкость частей прибора выражается

через равновеликую ей по теплоемкости массу воды;

Н - значение градуса при работе с метастатическим термометром, рав-

ное 1,001;

- конечная температура главного периода по шкале термометра;

- поправка на калибр термометра при температуре

к;

- начальная температура главного периода по шкале термометра;

- поправка на калибр термометра при температуре t

;

- теплота сгорания запальной проволоки, Дж/г;

- вес сгоревшей части запальной проволоки, г;

- теплота сгорания нити, Дж/г;

- вес нити, г;

М - масса сгоревшего угля, г;

Δt - поправка на радиацию, вычисляется по формуле Щукарева А.Н.