Лабораторная работа № 53. Исследование коэффициентов

Лабораторная работа №4
Исследование коэффициентов теплоотдачи с
поверхностей электрических аппаратов
1. Цель работы
Тепловые расчеты электрических аппаратов тесно связаны с экономическими
и массогабаритными показателями. При этом особое значение приобретает
определение коэффициентов теплоотдачи с поверхностей электрических аппаратов
в различные среды, их сопоставление и выбор рационального способа охлаждения.
Целью настоящей работы является исследование физических процессов в
переходных режимах и снятиях зависимостей коэффициентов теплоотдачи с
цилиндрических поверхностей элементов электрических аппаратов в воздухе, воде и
трансформаторном масле.
Лабораторная работа состоит из двух частей, каждая из резисторов типа ПЭ,
по которым с целью их нагревания пропускается переменный ток.
2. Предмет исследования.
Исследованию подвергаются пять цилиндров разных длин и диаметров,
находящихся в различных средах. Цилиндры представляют собой остеклованные
стандартные резисторы типа ПЭ, по которым с целью нагрева пропускается
переменный ток.
3. Описание установки.
Установка питается от сети переменного тока 220В.
Лабораторная работа расположена на левых полях унифицированного
лабораторного стенда кафедры электроаппаратостроения.
Испытательная установка состоит из цилиндров 4, 6, 8, расположенных в баке
с трансформаторным маслом (см. рис. 1), цилиндра 2 – в воздухе и цилиндра 10 – в
баке с водой. Под цилиндром 2 установлен вентилятор 5. Для возможности
визуального наблюдения в баках имеются смотровые окна, закрытые прозрачными
пластинами из оргстекла.
Рис.1. Расположение исследуемых цилирдров в баках
Параметры исследуемых цилиндров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры исследуемых цилиндров
№
цил
Ди
аметр
индра
лина
d,
мм
2
Д
Сопротив
ление
Охлажда
ющая
l
R, Ом
среда
1
96
Воздух
1
96
Масло
1
195
Масло
1
150
Масло
1
94
Вода
, мм
30
75
4
30
75
6
14
05
8
22
75
10
30
75
Электрическая схема соединения исследуемых цилиндров, схема управления
работой установки и схема измерений изображена на рис. 2.
2
Рис.2. Электрическая схема испытательной установки
Включение установки производится автоматическим выключателем SF. При
этом включаются источники питания всех приборов. О включении установки
свидетельствует сигнальная лампа СЛ над SF и осветительная лампа,
расположенная над баками.
Исследуемые цилиндры поочередно подключается к источнику питания при
помощи четырехплатного переключателя S2, положение которого соответствует
номеру подключаемого цилиндра. Для предотвращения ложных срабатываний в
схеме цилиндры подключены к четным панелям первой платы переключателя S2.
Нечетные панели остаются незадействованными. Цилиндр 2, находящийся в
3
воздухе, подключен к источнику питания через реостат R2 для возможности
регулирования протекающего тока. Остальные цилиндры подключены к источнику
через ограничительные резисторы.
Рубильник S4 предназначен для включения и выключения вентилятора В.
Четвертая плата переключателя S2 предназначена для подсоединения сигнальных
ламп СЛ2 – СЛ10, которые расположены под соответствующими цилиндрами и
включаются одновременно с подключением цилиндров. Для измерения величины
тока, протекающего через цилиндры, в схеме предусмотрен амперметр РА. Значение
температуры поверхностей цилиндров измеряется при помощи хромель – копелевых
термопар, которые переключателем S3 поочередно подключаются к
автоматическому потенциометру PN типа КВП-503. На поверхности каждого
цилиндра установлено по три термопары – одна в средней части, а две другие в
непосредственной близости к торцам. Часть схемы, коммутация которой
осуществляется второй и третьей платами переключателя S2, предназначена для
исследования адиабатического процесса нагрева цилиндров.
Секундомеры С1 и С2 запускаются одновременно с подключением цилиндров.
В цепь запуска секундомеров включены контакты РП1 и РП2 реле РП
автоматического потенциометра PN. Реле РП является температурным реле, уставки
срабатывания которого производят при помощи вращающихся дисков,
расположенных на лицевой части потенциометра PN под его шкалой. После
достижения значения температур уставок υ1 и υ2 реле РП своими размыкающими
контактами РП1 и РП2 разрывает цепи управления секундомеров С1 и С2. Показания
секундомеров С1 и С2 соответствуют интервалам времен от начала подключения
цилиндра к сети до достижения температуры на его поверхности υ1 и υ2
соответственно. Кнопки К1 и К2 предназначены для возврата стрелок секундомеров
в нулевое положение.
4.
1.
Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
При выполнении работы воспрещается включать органы управления,
расположенные на стенде и не относящиеся к данной работе.
4
2.
Воспрещается устранять неполадки, возникшие в процессе выполнения
лабораторной работы. В этом случаи необходимо обратиться к лаборанту.
3.
В случаи возникновения аварийной ситуации необходимо отключить
установку автоматическим выключателем SF.
5
ЧАСТЬ I
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ С
ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ СПОКОЙНОГО ВОЗДУХА
5.
1.
Задание
Ознакомится с испытательной установкой, расположением органов
управления и измерительных приборов.
2.
Снять участок кривой нагрева, соответствующий адиабатическому
процессу нагрева, а также полную кривую нагрева цилиндра, находящегося в
спокойном воздухе при разных значениях мощности источников тепла.
Полученные данные представить в виде таблицы и графиков.
3.
Экспериментально снять кривую распределения температуры вдоль
длины цилиндра, находящегося в спокойном воздухе при максимальной мощности
источников тепла в установившемся режиме нагрева. Полученные данные
представить в виде таблицы и графиков.
4.
Рассчитать значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности
цилиндра в воздухе при различных значениях установившейся температуры по
данным эксперимента и теоретически. Полученные данные представить в виде
таблицы и графиков.
5.
Рассчитать значения теплоемкости и постоянной времени нагрева
цилиндра в спокойном воздухе.
6.
Методические указания
К пункту 1 задания.
Переключатели S2 и S3 установить в положение 1, ручку реостата R2
повернуть в крайнее левое положение, рубильник S4 выключить, включить
установку автоматическим выключателем SF. В присутствии лаборанта открыть
дверцу автоматического потенциометра, включить его и установить минимальную
υ1 и максимальную υ2 уставки реле РП. Проверить нуль потенциометра PN. Закрыть
6
его дверцу. Нажатием на кнопки К1 и К2 возвратить стрелки секундомеров в нулевое
положение.
К пункту 2 задания.
Переключатель S3 поставить в положение 2, записать значение температуры
υнач, по часам с секундной стрелкой зафиксировать начало опыта и одновременно
перевести S2 в положение 2. Через каждые 30 с производить отсчеты показаний по
шкале PN в течение 60 мин. Зафиксировать значения тока, протекающего через
цилиндр. Увеличить ток через цилиндр до значения I=0,8 A и через каждые 30 с
производить отсчеты показаний PN в течение 60 мин. Затем увеличить ток до I=1,0
A и производить отсчеты показаний PN через каждые 30 с в течение 45 мин. Не
выключая установку, выполнить пункт 3 задания.
Снять показания секундомеров С1 и С2, а также значения уставок υ1 и υ2 реле
РП.
Данные измерений внести в таблицу и изобразить графически.
К пункту 3 задания.
Значения температур на поверхности цилиндра 2 снимаются после
достижения установившегося процесса нагрева при токе I=1,0 A в спокойном
воздухе в трех точках на поверхности цилиндра при помощи термопар 1, 2 и 3.
(Термопара 2 находится в средней части цилиндра, а термопары 1 и 3 на расстоянии
10 мм от торцов цилиндра).
Перевести переключатели S2 и S3 в положение 1. Возвратить стрелки
секундомеров С1 и С2 в нулевое положение, выключить SF.
К пункту 4 задания.
Экспериментальные значения коэффициентов теплоотдачи с поверхностей
цилиндров определяются из формулы Ньютона для конвективной теплоотдачи.
где Р – тепловая мощность, выделяемая в цилиндре в установившемся
процессе нагрева, которая равна
,
7
υ уст – установившееся значение температуры, определяемое из опыта,
υ0 – температура окружающей среды.
В данном случае можно принять υ0=υнач,
F=πdl – охлаждающая поверхность цилиндра.
Для цилиндра в спокойном воздухе следует определить коэффициенты
теплоотдачи для значения токов:
I=0,5 A; I=0,8 A; I=1,0 A
Теоретические значения коэффициентов теплоотдачи конвекцией
определяются по формуле
где значение критерия Nu определяется по формуле Михеева для свободной
конвекции (см. напр. [1] стр. 72) ,
λ – коэффициент теплопроводности жидкости или газа,
d – диаметр цилиндра (см. табл. 1).
Значение параметров жидкости или газа определяется по таблицам (см. напр.
[2] стр. 181 и 182).
Для воздуха кроме коэффициента теплоотдачи конвекцией необходимо
определить коэффициент теплоотдачи излучением по формуле
где ε – степень черноты поверхности цилиндра (см. напр. [2] стр. 183).
Общий коэффициент теплоотдачи с поверхности цилиндра в воздухе
вычисляется как
Данные расчетов свести в табл. 3 и изобразить на одном графике
теоретические и экспериментальные зависимости коэффициентов теплоотдачи с
поверхности цилиндра от температуры его поверхности в установившемся режиме.
8
К пункту 5 задания.
Значение теплоемкости цилиндра определяется из уравнения адиабатического
процесса нагрева [1]:
,
Где
– мощность источников тепла в цилиндре,
t и ϑ – координаты любой точки на опытной прямой адиабатического нагрева,
построенной по данным пункта 1.
Постоянная времени нагрева определяется как
где kT=kT эксп
В заключение необходимо определить время, в течение которого процесс
нагрева с погрешностью, не превосходящей 5%, можно считать адиабатическим
tад=0,1Т.
Значения С, Т и tад заносятся в табл. 3.
Общие указания:
Графические зависимости необходимо изобразить на миллиметровой бумаге
стандартного формата, все рисунки и таблицы необходимо нумеровать и снабжать
подписями. Каждый рисунок изображается на отдельном листе.
9
ЧАСТЬ II
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ С
ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПРИ
ИНТЕНСИФАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЯ
Параграфы 1 – 4 те же, что и для части I.
5. Задание
1.
Ознакомиться с испытательной установкой, расположением органов
управления и измерительных приборов.
2.
Экспериментально снять кривую нагрева и ее часть, соответствующую
адиабатическому процессу, для цилиндра в воздухе при постоянной мощности
источников тепла и кривую остывания цилиндра в условиях вынужденной
конвекции. Полученные данные занести в таблицу и изобразить графически.
3.
Экспериментально снять участки кривых нагрева, соответствующие
адиабатическому процессу, и кривые нагрева цилиндров в масле и в воде при
постоянных значениях мощности источников тепла в них.
4.
Рассчитать значения коэффициентов теплоотдачи с поверхностей всех
цилиндров в установившемся режиме нагрева по данным экспериментов и
теоретически с использованием критериальных уравнений. Полученные данные
свести в таблицу и сопоставить.
5.
Рассчитать значения теплоемкостей и постоянных времени нагрева всех
цилиндров.
6.
Построить экспериментальные и теоретические зависимости
коэффициентов теплоотдачи с поверхностей цилиндров в масле от диаметра
цилиндра.
6. Методические указания
К пункту 1 задания.
Переключатели S2 и S3 установить в положение 1, ручку реостата R2
повернуть в крайнее правое положение, включить рубильник S4, включить
10
установку автоматическим выключателем SF. В присутствии лаборанта открыть
дверцу автоматического потенциометра, включить его и установить минимальную
ϑ1 и максимальную ϑ2 уставки реле РП. Проверить нуль потенциометра PN и
закрыть дверцу. Нажатием кнопки К1 и К2 возвратить стрелки секундомера в
нулевое положение.
К пункту 2 задания.
Для снятия кривых нагрева цилиндров переключатели S2 и S3
необходимо сначала установить в положение готовности, указанное в табл. 4, и
нажатием кнопки К1 и К2 стрелки секундомеров возвратить в нулевое положение.
Затем S2 устанавливается в положение работы и в течение времени, указанного для
каждого цилиндра в табл. 2, производятся измерения температуры поверхности
цилиндра. Интервалы времени, через которые производятся измерения, приведены
для каждого цилиндра в табл. 2 и отсчитываются по часам.
Таблица 2
Исходные данные для исследования процесса нагрева цилиндров
№
цилиндра
Положение S2
гото
вность
ра
Поло
жение S3
бота
Вр
Инте
емя
рвалы
нагрева
времени
tнаг
Среда
∆t, с
, мин
2
1
2
2
15
15
воздух
с
вентилятором
1
4
3
4
5
15
15
масло
6
5
6
8
15
15
масло
8
7
8
12
15
15
масло
9
10
14
15
15
мас
11
Зависимости температур от времени при длительном процессе нагрева
для всех цилиндров и цилиндра в воздухе с включенным вентилятором изобразить
на одном графике, а при кратковременном процессе нагрева для тех же случаев – на
другом графике.
После окончания опыта нагревания цилиндра в воздухе зафиксировать
время по часам и одновременно с этим переключатель S3 перевести в положение 3.
Через каждые 30 с производят отсчеты по шкале PN до тех пор, пока температура
поверхности цилиндра будет отличаться от постоянной температуры в опыте пункта
2 не более, чем на 3° С. Данные опыта свести в таблицу.
Таблица 3
Время адиабатического процесса нагрева цилиндров
№
цилиндра
Охлажд
. среда
Время t (c) достижения температуры
ϑнач =
ϑ1 = °С
ϑ2 = °С
°С
воздух
2
спокойный
0
(из части I)
2
воздух
0
с
вентилятором
4
масло
0
…
…
…
Таблица 4
Процесс остывания цилиндра в воздухе при условии вынужденной
конвекции
t, мин
ϑ, °С
0
0.5
…
…
12
После окончания опыта с остыванием цилиндра в воздухе необходимо
выключить вентилятор и перейти к опыту со следующим цилиндром.
По достижении установившегося значения температуры поверхности
цилиндра необходимо:

снять показания амперметра и записать их в протокол;

снять показания секундомеров и занести их в таблицу.

перейти к опыту со следующим цилиндром.
После окончания опыта с последним цилиндром необходимо
переключатели S2 и S3 возвратить в положение 1, установить стрелки секундомеров
в положение «нуль» и выключить SF.
К пункту 4 задания.
Выполняется аналогично п. 4 задания из части I настоящей работы.
Данные заносятся в табл. 7. Для цилиндра в воздухе теоретическое значение
коэффициента теплоотдачи определять не следует.
К пункту 5 задания.
Выполняется аналогично п. 5 задания из части I настоящей работы.
Данные заносятся в таблицу.
13
7.
Контрольные вопросы
1.
Что такое адиабатический процесс нагрева?
2.
Объясните физический смысл коэффициента теплоотдачи с поверхности
3.
Дайте основное определение постоянной времени нагрева.
4.
Практически через сколько постоянных времени нагрева процесс
тела.
нагрева можно считать установившимся?
5.
Почему коэффициент теплоотдачи в воде больше, чем в масле, а в масле
больше, чем в воздухе?
6.
Какими видами теплоотдачи теплота распространяется в жидкости, газе
и твердом теле?
7.
Каким способом можно теоретически определить коэффициент
теплоотдачи с поверхностей электрических аппаратов?
8. Вопросы программированного контроля
1.
При помощи какого вида теплоотдачи теплота распространяется в
пограничном слое жидкости?
2.
В течение какого времени в долях от постоянной времени нагрева
процесс нагрева с точностью не менее 5% можно считать адиабатическим?
3.
Как изменится время адиабатического нагрева аппарата, если
постоянная времени увеличится в 3 раза?
4.
Укажите правильное написание кривой нагрева тела.
5.
Чему равно превышение температуры тела через время нагрева, равное
по величине постоянной времени нагрева?
6.
Как изменится постоянная времени нагрева аппарата, если коэффициент
теплоотдачи уменьшится в 2 раза?
7.
Дайте аналитические определения постоянной времени нагрева.
8.
Почему коэффициент теплоотдачи в воде больше, чем в масле?
9.
Какими видами теплоотдачи распространяется теплота в жидкостях?
10.
Укажите правильное выражение формулы Ньютона для конвективной
теплоотдачи.
14
ЛИТЕРАТУРА
1.
Дегтярь В. Г., Годжелло А. Г. Конспект лекций по курсу электрические
аппараты. – М.: МЭИ, 1976 – 78 с.
2.
Буткевич Г. В., Дегтярь В. Г., Сливинская А. Г. Задачник по
электрическим аппаратам. – М.:Высш. школа, 1977 – 99 с.
15