Испытание центробежного насоса

4.1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ

Опытное получение основных характеристик центробежного насоса.

4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Рабочей характеристикой центробежного насоса является зависимость напора Н, потребляемой мощности N, коэффициента полезного действия h от его подачи Q при постоянном числе оборотов (n=const). Эту характеристику получают экспериментальным путем, изменяя подачу насоса, для чего на выходе из насоса устанавливают вентиль, степень открытия которого при испытании насоса постепенно изменяют.

4.3. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Лабораторная установка (рисунок 4.1) состоит из центробежного насоса 1, приводящегося во вращение электродвигателем 2 с постоянным числом оборотов. Вода из левого отделения приемного бака 3 через всасывающую трубу 4 поступает в центробежный насос, а затем по нагнетательной трубе 5 подается в правое отделение приемного бака. Отделения бака разделены перегородкой. Для измерения подачи насоса в перегородке выполнен треугольный вырез, образующий водослив.

Рисунок 4.1 - Схема лабораторной установки

По высоте подъема жидкости над вершиной треугольного водослива определяют подачу насоса при различной степени открытия вентиля. Для определения высоты подъема жидкости на боковой стенке бака установлена водомерная трубка со шкалой 6.

Напор насоса определяется по показаниям вакуумметра 7, установленного на всасывающей линии, и манометра 8 - на нагнетательной.

Для измерения мощности потребляемой насосом, установлены амперметр 9 и вольтметр 10, включенные в цепь электродвигателя.

4.4. УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории С-106 кафедры «Теплотехника, ТГСиВ», утвержденной 26.02.1999 года.

4.5. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

– перед включением насоса полностью закрывают вентиль на нагнетательном трубопроводе и полностью открывают на всасывающем;

– включают электродвигатель насоса;

– проводят замеры показаний манометра, вакуумметра, амперметра и вольтметра при полностью закрытой задвижке;

– открывают вентиль таким образом, чтобы уровень воды в водомерной трубке треугольного водослива поднялся на заданную высоту (обычно принимают 2-6 см, с шагом 1 см) и удерживался на этой отметке;

– проводят замеры показаний приборов при каждой высоте подъема воды в водомерной трубке и по тарировочной кривой определяют подачу насоса, результаты заносят в таблицу 4.1;

– после того, как проведены все необходимые замеры, полностью закрывают вентиль на нагнетательной линии и выключают насос.

Все результаты замеров сводят в таблицу 4.1, а затем производят необходимые расчеты для получения основных характеристик центробежного насоса.

По тарировочной кривой водослива, приведенной ниже (рисунок 4.2), или по формуле (1) определяют подачу Q.

Q=1,343×h^2,47 [м³/с] (1) где h - высота подъема волны над вершиной водослива [м].

Величину давления Р можно определить по показаниям манометра и вакуумметра

P=P_ман+Р_вак [Па]_, (2) где Р_ман - показания манометра [Па];

Р_вак - показания вакуумметра [Па].

Напор, развиваемый насосом, рассчитываем по формуле (предварительно переведя показания манометра и вакуумметра из кГс/см² в Па, 1кГс/см² = 10⁵Па):

Н=Р/rg [м], (3)

где r - плотность жидкости (плотность воды 1000 кг/м³);

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²).

Рисунок 4.2 - Тарировочная кривая треугольного водослива

Полезная мощность насоса N_п т.е. мощность, передаваемая насосом перекачиваемой жидкости, может быть определена по зависимости:

N_п=P×Q [Вт], (4)

где Р выражено в Па, Q-в м³/с.

Мощность, потребляемая электродвигателем насоса, определяется зависимостью:

N₃=√3UIcosφ [Вт], (5)

где U - показания вольтметра;

I - показания амперметра;

сosφ - косинус угла сдвига фаз.

Мощность на валу насоса равна:

N_в=N_эη_эд [Вт], (6)

где η_эд - к.п.д. электродвигателя.

Величины η_эд и cosφ являются функциями момента на валу электродвигателя и для условий выполнения данной работы η_эд=0,85, а cosφ=0,89.

Коэффициент полезного действия насоса равен отношению полезной мощности к мощности на валу насоса:

η=N_п /N_в . (7)

Таблица 4.1 - Итоги обработки результатов испытаний насоса

По результатам расчетов строят графики зависимостей Н₁=f(Q₁), Nп₁=f(Q1), η=f(Q₁). Примерный вид основных характеристик центробежного насоса представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Пример основных характеристик центробежного насоса

4.6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ЕГО ФОРМА

Отчет по лабораторной работе выполняется в тетради или на листах формата А4. В отчете должны быть записаны: номер и наименование лабораторной работы, цель работы, начерчены принципиальная схема опытной установки, таблица для записи основных параметров установки и опытных данных, необходимые расчетные зависимости. К отчету прилагается график, выполненный на миллиметровой бумаге.

Выполнив все необходимые записи показаний измерительных приборов, надо произвести вычисления, занести в таблицу, сделать краткие выводы по работе (в часы лабораторных занятий или часы самостоятельной работы).

Работа должна быть защищена и подписана преподавателем, под руководством которого она проводилась.

4.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАЩИТА РАБОТЫ

1. Основная характеристика центробежного насоса.

2. Напор насоса, его составляющие.

3. На что расходуется напор, развиваемый насосом?

4. Подача насоса (теоретическая и действительная).

5. Полезная мощность насоса. Формула для его расчета.

6. Гидравлический, механический, объемный и общий К.П.Д. насоса.

Защита проводится в виде собеседования.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

Определение коэффициента теплопроводности
сыпучих материалов методом трубы

5.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплопроводности исследуемого материала методом трубы и установление зависимости величины коэффициента теплопроводности от температуры, а также физической сущности процесса.

5.2. Теоретическое обоснование

Интенсивность передачи тепла в твердых телах, в соответствии с законом Фурье, обуславливается температурным градиентом и величиной коэффициента теплопроводности, который характеризует собой способность материалов проводить тепло.

.

(5.1)

В общем случае коэффициент теплопроводности зависит как от химической природы тела, обуславливающей все его свойства, так и от параметров его состояния (температура, давление и т. д.). Значения коэффициента теплопроводности отдельных материалов определяются опытным путем.

Для испытания теплопроводности сыпучих материалов наиболее подходящим является метод трубы. При этом исследуемому материалу придается форма цилиндрического слоя, на внутренней и внешней поверхностях которого поддерживаются некоторые средние значения температур, соответственно и , причем . При установившемся тепловом режиме количество тепла, проходящего через исследуемый слой сыпучего материала, можно определить по известной формуле для теплового потока через цилиндрическую стенку:

,

(5.2)

где L и λ_c – длина и коэффициент теплопроводности исследуемого материала.

Определение по этой формуле коэффициента теплопроводности по известным остальным величинам не представляет трудности.

5.3. Аппаратура и материалы

Экспериментальная установка (рис. 5.1) состоит из двух труб – наружной (d₁) и внутренней (d₂), между которыми помещен исследуемый сыпучий материал, коэффициент теплопроводности которого надо определить.

Основные геометрические характеристики лабораторной установки:

– наружный диаметр наружной трубы d₃ = 90 мм,

– внутренний диаметр наружной трубы d₂ = 82 мм,

– внутренний диаметр внутренней трубы d₁ = 32 мм,

– длина установки (каждой трубы) L = 1500 мм.

Во внутренней трубе размещен электронагреватель (4), тепловой поток которого распространяется в радиальном направлении через слой сыпучего материала и наружную трубу, в окружающую среду. Это количество тепла определяется по расходу электроэнергии на электрический нагреватель. Потребляемая нагревателем мощность регулируется автотрансформатором (7). Для возможности расчета мощности нагревателя в его электрическую цепь подключен амперметр (5) и вольтметр (6).

Рисунок 5.1 – Схема лабораторной установки

Благодаря хорошему контакту исследуемого сыпучего материала с внутренней и внешней поверхностями трубы можно считать, что соответствующие соприкасающиеся поверхности материала и трубы имеют одну и ту же температуру.

В наружную поверхность внутренней и наружной трубы зачеканено по три термопары соответственно (1) и (2), соединительные провода которых подключены к потенциометру (3).

Для учета искажения температурного поля по длине исследуемого материала эти термопары расположены равномерно по длине труб – три на внутренней поверхности трубы и три на наружной поверхности трубы. Для того чтобы тепловой поток распространялся только в радиальном направлении, торцы установки имеют тепловую изоляцию.

5.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

5.5. Методика и порядок проведения работы

Коэффициент теплопроводности исследуемого сыпучего материала определяется из общего выражения для теплового потока через цилиндрическую двухслойную стенку, состоящую из слоя материала и наружной трубы

,

(5.3)

где t_вс – температура внутренней поверхности сыпучего материала (наружной поверхности внутренней трубы), ºC,

t_нт – температура наружной поверхности наружной трубы, ºC;

Q – тепловой поток, проходящий через двухслойную цилиндрическую конструкцию в радиальном направлении, Вт,

l_c и l_тр – соответственно коэффициенты теплопроводности исследуемого сыпучего материала и наружной трубы, Вт/(м К).

Из выражения (1.3) искомая величина коэффициента теплопроводности сыпучего материала будет равна:

.

(5.4)

Геометрические характеристики установки (d₁, d₂, d₃, L) – известны из описания установки (п. 5.3.), l_тр = 23 Вт/(м·К). Т.о. необходимо опытным путем определить только значение теплового потока и значения температур внутренней и наружной поверхности цилиндрического слоя материала.

Значение теплового потока не сложно подсчитать по затрачиваемой мощности электронагревателя , Вт.

Значения внутренних и наружных температур определяются с помощью соответствующих термопар и потенциометра, к которому они подключены. Затем полученные значения температур усредняются для наружной и внутренней поверхности соответственно.

, ºC и , ºC,

где t₂, t₄, t₆ – показания внутренних термопар, ºC,

t₁, t₃, t₅ – показания наружных термопар, ºC.

Полученное таким образом значение коэффициента теплопроводности следует относить к средней температуре исследуемого материала:

,

где t_нс – температура наружного слоя сыпучего материала, т.е. внутренней стенки наружной трубы, определяемая по известной величине l_c из рассматриваемого процесса теплопроводности только через цилиндрический слой исследуемого сыпучего материала.

На основании формулы (5.2) получим

, ºС.

Все приведенные вычисления справедливы только для стационарного (равновесного) теплового режима, когда количество тепла воспринятого внутренней поверхностью равно количеству тепла отданного наружной поверхностью. Поэтому, прежде чем снимать показания приборов, необходимо убедиться в том, что внутренние и наружные температуры с течением времени перестали меняться и остаются постоянными. Экспериментальные величины необходимо свести в таблицу 5.1.

В связи с тем, что все тепловые процессы инерционны, в данной работе для установления стационарного теплового режима требуется существенное время. Поэтому за время занятия рекомендуется провести всего два-три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.

Таблица 5.1 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений

Результаты обработки экспериментальных данных по всем режимам необходимо представить в виде таблицы 5.2 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.

Таблица 5.2 – Результаты обработки опытных данных

Затем на основании проверенных расчетных данных надо построить график функциональной зависимости .

Известно, что изменение коэффициента теплопроводности от температуры для подавляющего большинства материалов подчиняется линейному закону. Следовательно, вид функции имеет следующий вид:

,

где l₀ – значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала при нуле ºС; b –постоянная, численно равная тангенсу угла наклона линии изменения l_с к оси температуры. Величины l₀ и b определяются из графика.

При возможности расчеты и построение графика также рекомендуется выполнять в Excel. Кроме того, инструменты точечной диаграммы Excel позволяют автоматически рассчитывать эмпирические коэффициенты l₀ и b.

Данная лабораторная работа считается выполненной, кода студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.

5.6. Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

– тема работы;

– цель работы;

– краткое описание работы;

– принципиальную схему опытной установки;

– протокол записи показаний измерительных приборов и таблицу результатов обработки опытных данных;

– подробные расчеты с краткими пояснениями для первого опыта;

– график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры;

– определение опытных величин b и l₀ и сопоставление результатов опыта с литературными данными;

– выводы по данной лабораторной работе.

5.7. Вопросы для защиты работы

1. Физическая сущность процесса теплопроводности.

2. Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам простой геометрической формы.

3. Коэффициент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину.

4. Устройство опытной установки, осуществление предпосылок теории.

5. Дать определение градиента температуры.

6. Единица измерения количества теплоты.

7. Как описывается температурное поле?

8. Как определяется тепловой поток в лабораторной работе?

9. Назвать основные виды теплообмена.

10. Определить тепловой поток через поверхность 5 м паропровода с внутренним диаметром d_в=220 мм, изолированного изоляцией толщиной d_из=50 мм. Коэффициент теплопроводности трубы l_т =58 Вт/(м×К), изоляции l_из =0,047 Вт/(м×К). Температура на внутренней поверхности трубы t_в=170ºС, и на наружной поверхности изоляции t_н =50 ºС.

11. Определить значение коэффициента теплопроводности для
t_c=500 ºС, используя уравнение его линейной зависимости от температуры (по результатам эксперимента в лабораторной работе).

12. Определить коэффициент теплопроводности кирпичной стенки печи толщиной d = 38 мм, если температура на внутренней поверхности стенки t_в=900ºС и на наружной t_н = 110 ºС. Потери теплоты через стенку q=300 Вт/м².

13. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности стальной стенки парового котла, если стенка покроется слоем накипи
d_н = 5 мм с коэффициентом теплопроводности l_н = 0,23 Вт/(м×К). Толщина стального листа d_с =12 мм, коэффициент теплопроводности l_с = 45 Вт/(м×К).

14. Размерность коэффициента теплопроводности.

15. Размерность коэффициента термического сопротивления.

16. Связь между температурами измеренными по шкале Цельсия и по шкале Кельвина.

17. Связь между удельным и абсолютным тепловым потоком, их размерности.

18. Термическое сопротивление многослойной плоской стенки.

19. Указать параметры неустановившегося температурного поля.

20. Уравнение закона Фурье.

21. Формула для определения линейной плотности теплового потока для многослойной цилиндрической стенки.

22. Формула для определения теплового потока через многослойную плоскую стенку.

23. Через плоскую металлическую стенку топки котла толщиной
d_с = 7 мм от газов к воде проходит удельный тепловой поток q = 2500 Вт/м². Коэффициент теплопроводности стали l_c = 32 Вт/(м×К). Определить перепад температуры на поверхностях стенки.

24. Что такое температурный напор?

Лабораторная работа 6

Поиск по сайту: