3. Порядок проведения опытов
Пуск экспериментальной установки производится путем включения в сеть электрокотла, предварительно напитанного водой. Уровень воды в водомерном стекле должен быть не ниже средней отметки. Продувочные краники дренажных магистралей пароперегревателя, паропровода и калориметра устанавливаются в открытое положение. Последовательным включением нагревательных элементов котла устанавливается электрическая мощность, близкая к максимальной (сила тока по показаниям амперметра должна составлять около 30А). Одновременно с котлом включается и основной пароперегреватель на 50% его мощности. Процесс разогрева ведется в данном режиме до достижения избыточного давления в электрокотле порядка (0,2…0,3) кгс/см ((19,6…29,4) кПа). После этого производится включение стенда по воздушной стороне. Для этого необходимо закрыть заслонку на. воздухопроводе установки и осуществить запуск воздуходувки с электрощита управления. Изменение частоты вращения, а следовательно, и производительности осуществляется вручную реостатами ступенчатой и плавной регулировки. Максимальная нагрузка вентилятора устанавливается таким образом, чтобы показания амперметра на щите управления не превышали 45–50 А. Полный напор, развиваемый воздуходувкой, при этом составит (420…480) мм вод. ст. ((4,12…4,71) кПа). Далее по указанию преподавателя устанавливается соответствующий режим работы, определяемый расходом воздуха через установку. Регулировка расхода может быть осуществлена как заслонкой, так и изменением частоты вращения привода вентилятора. Прежде чем приступить к производству замеров, необходимо вывести установку на стационарный гидродинамический и тепловой режимы. Для этого обычно требуется не менее 40–60 мин. В это время необходимо тщательно продуть паровое пространство установки, после чего закрыть краники на пароперегревателе и паропроводе. С помощью реостатов плавной регулировки мощности и продувочного краника калориметра установить необходимое избыточное давление в нем путем совмещения нижнего уровня жидкости гидрозатвора с отметкой на смотровом стекле, включенном в магистраль сбора конденсата. После этого приступить к регулированию перегрева пара реостатами выносного, а если необходимо, и основного пароперегревателей, ведя контроль по показаниям потенциометра и сравнивая их с градуировочной характеристикой термопары. Убедившись в достижении стационарного режима по паровой и воздушной сторонам, приступают к проведению эксперимента.
В начале и конце каждого опыта производится запись показаний следующих приборов: термометров в воздушных коллекторах перед измерительным участком трубопровода t и циклонной камерой tвх, термометра, измеряющего температуру окружающей среды tос, микроманометра, измеряющего перепад давления в сужающем устройстве (нормальной диафрагме) ∆Р, дифференциальных водяных манометров, измеряющих избыточные статические давления в контрольных сечениях перед сужающим устройством Рсд, во входных каналах Рс.вх и на боковой поверхности циклонной камеры Рс.ст, барометра-анероида В.
Конденсат с рабочего участка собирается через гидравлический затвор в специальную емкость, после чего его взвешивают на аналитических весах. Время опыта фиксируют секундомером и также заносят в журнал наблюдений. Для обеспечения необходимой точности измерений тепловых потоков продолжительность отдельного опыта выбирают исходя из получения массы конденсата г.
При переводе установки на новый режим снова производят ее гидродинамическую и тепловую стабилизацию, устанавливают необходимое давление пара в котле и его перегрев, после чего приступают к производству замеров.
Для изучения гидродинамической обстановки в рабочем объеме камеры производится также измерение скоростей и давлений в одном или нескольких радиальных сечениях. Для тепловой задачи основной интерес представляет величина максимальной вращательной скорости wφm, достигаемой на радиусе rφm. Поэтому снятие полей скоростей и давлений производят на одном режиме (обычно максимальном), устанавливая величину rφm, а на остальных режимах замеры осуществляют лишь на данном радиусе.
При проведении аэродинамических измерений трехканальным цилиндрическим зондом необходимо придерживаться следующей последовательности:
1) ввернуть ножку координатника зонда в бобышку измерительного сечения;
2) установить зонд в горизонтальное положение по уровню;
3) поворотом лимба координатника относительно указательной стрелки в соответствующую сторону установить величину угловой поправки к показаниям зонда по данным его аэродинамической тарировки;
4) вращением зонда установить приемные отверстия против потока и продуть сжатым воздухом (с помощью ручного насоса) импульсные трубки;
5) вращением ходовой гайки координатника установить приемные отверстия зонда в начальное положение (относительно стенки камеры), после чего подключить зонд согласно схеме аэродинамических измерений (см. рис. 2) и приступить к производству замеров.
При снятии полей скоростей и давлений производится отсчет и запись следующих величин: радиального расстояния y = RK – r (r – радиус точки замера) от стенки рабочего объема камеры до точки измерения (по рейке координатника); угла скоса потока φ (угла между направлением вектора полной скорости потока и направлением горизонтали), отсчитываемого по лимбу координатника; полного избыточного давления потока A2 перепада давления между центральным и боковым отверстиями A1 пропорционального скоростному напору в точке замера.
4. Обработка результатов наблюдений
Определение расхода воздуха через установку
Модуль сужающего отверстия
.
Плотность воздуха перед сужающим устройством
кг/м3,
где g – ускорение силы тяжести, g = 9,80665 м/с2.
Поправочный множитель на расширение измеряемой среды ε для нормальных диафрагм:
,
где k – показатель адиабаты измеряемой среды (для воздуха k = 1,4).
Величина перепада давления:
мм вод. ст.
где ρж – плотность рабочей жидкости микроманометра (спирта) при 20 °С, г/см3; 0,8095 – плотность эталонного спирта при 20 °С, г/см3; 0,0011 – коэффициент объемного расширения спирта, 1/°С; tж – температура рабочей жидкости, принимаемая равной tОС; kизм – множитель, равный синусу угла наклона измерительной трубки микроманометра; Нпок – показание прибора, отсчитываемое по измерительной шкале, мм.
Теоретический расход воздуха через экспериментальную установку:
м3/с,
где αи – исходный коэффициент расхода; k2 – поправочный множитель на шероховатость измерительного трубопровода; k3 – поправочный множитель на неостроту входной кромки диафрагмы.
Значение αи зависит от типа сужающего устройства и модуля m:
при
.
Произведение поправочных множителей k2,3 = k2 k3 находят из таблицы 2 [1] по значениям m, DТР.
Коэффициент кинематической вязкости воздуха рассчитывают, используя известную формулу Милликена
м2/с.
Число Рейнольдса, отнесенное к диаметру измерительного трубопровода:
Действительный расход воздуха:
м3/с,
где k1 – поправочный множитель на число Рейнольдса, определяемый по номограмме, представленной на рис. 5 [1].
Для основной диафрагмы, используемой на стенде (m= 0,259), k1 можно рассчитать также по приближенному аппроксимационному уравнению
Плотность воздуха во входных каналах циклонной камеры
кг/м3.
Среднерасходная скорость воздуха в шлицах
м/с.
Безразмерное избыточное статическое давление газа на боковой поверхности циклонной камеры
Безразмерное (отнесенное к динамическому давлению на входе) статическое давление во входных каналах
Гидравлическая характеристика циклонной камеры – суммарный коэффициент сопротивления по входу:
где РП – перепад полного давления в циклоне, мм вод. ст.;
РДИН – динамическое давление во входных каналах, мм вод. ст.
Коэффициент кинематической вязкости воздуха при входных условиях
Входное число Рейнольдса вычисляется по формуле
Расчет распределений скоростей и давлений в объеме циклонной камеры (по данным замеров пневмометрическим цилиндрическим зондом)
Избыточное статическое давление потока в произвольной точке
мм вод. ст.,
где А1, А2 – показания пневмометрического насадка, мм вод. ст.;
kЦ, kЦ-Б – поправочные коэффициенты, определяемые тарировкой насадка.
Плотность воздуха в произвольной точке потока
кг/м3.
Полная скорость потока в точке замера
м/с.
Безразмерная осевая составляющая полной скорости
Безразмерная вращательная составляющая полной скорости потока
.
Избыточное безразмерное статическое давление в точке замера
.
Безразмерное избыточное полное давление в точке замера
Размерная величина максимальной вращательной скорости
м/с
Обсчет опытных данных по конвективному теплообмену
Суммарный тепловой поток от калориметра к охлаждающему воздуху определяется по количеству конденсата, собранному за время опыта с рабочего участка:
Вт,
где GК – масса конденсата, кг;
τ – время опыта, с;
rn – теплота парообразования, Дж/кг.
Температуры насыщения
0С,
где РИЗБ – избыточное давление в калориметре, создаваемое столбом воды в гидрозатворе, РИЗБ =НГИДР, мм вод. ст.
Дж/кг.
Лучистый тепловой поток между калориметром и боковой поверхностью циклонной камеры.
где – приведенная степень черноты системы; εЦ, εСТ – соответственно степени черноты калориметра и поверхности циклонной камеры(, ); C0=5,77 – постоянная Стефана-Больцмана, ; ТЦ – абсолютная температура внешней поверхности калориметра, К; TСТ – абсолютная температура внутренней поверхности камеры (); FЦ – площадь поверхности теплообмена калориметра, FЦ=πdЦlЦ, м2; FСТ - площадь боковой поверхности циклонной камеры, , м2.
м2,
м2.
Конвективный тепловой поток:
Вт.
Приращение температуры воздуха, охлаждающего калориметр
0С,
где СР – средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1005 Дж/(кг °С) в диапазоне температур от 0 до 60 0С.
Средняя температура циклонного потока
0С.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией от калориметра к закрученному воздуху
Вт/(м2 0С).
Число Нуссельта
где – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре потока.
Вт/(м2 0С).
Плотность воздуха на радиусе rφm
кг/м3,
где РСТ – избыточное статическое давление воздуха на радиусе rφm, мм вод. ст.
Коэффициент кинематической вязкости воздуха на радиусе rφm
Число Рейнольдса
Статистическая обработка данных
После обработки опытных данных по теплоотдаче для всех исследованных в работе режимов по числу Рейнольдса устанавливается функциональная связь между числами Nu и Re в виде зависимости (6).
Наиболее обоснованным и широко распространенным в практике научных исследований видом аппроксимации опытных данных является метод «наименьших квадратов», связанный со статистическим законом распределения случайных ошибок эксперимента.
Сущность метода заключается в том, что он обеспечивает минимальное значение суммы квадратов отклонений опытных точек по вертикали от расчетной зависимости, описывающей экспериментальные данные.
Применим данный метод для окончательной обработки результатов экспериментов, используя значение показателя степени m при комплекса. D, полученное ранее. (Следует заметить, что m, как правило, значительно меньше n и погрешность в определении m не сказывается существенно на результатах расчетов чисел Nu.).
Запишем зависимость в виде:
где
,
,
Все опытные данные обобщим в координатах , (рисунок 1 приложения).
где z – число опытов.
5. Расчет статистических показателей
Общая дисперсия (рассеивание) точек относительно среднеарифметического значения lgKo:
Дисперсия точек относительно линии регрессии:
где – дисперсия относительно среднего значения lgKo
Среднеквадратичное отклонение точек от прямой линии регрессии:
Граница доверительного интервала по Ко:
где tα – коэффициент Стьюдента, определяемый по табл. 4 [1] в зависимости от величины выборки (числа опытов);
Относительная величина отклонения опытных точек от расчетной зависимости:
Коэффициент корреляции:
Среднеквадратичная погрешность коэффициента корреляции.
Оценка достоверности прямолинейной связи:
, tα =2,78; – условие выполняется
6. Расчет погрешностей измерений
При можно принять, что
.
Учитывая, что
.
Если исследуемая величина является функцией нескольких независимых переменных а, b, …, c, измеряемых в процессе эксперимента, относительная ошибка измерения определяется следующим образом:
.
При расчетах максимально возможные абсолютные погрешности отдельных измерений определяют по ценам делений измерительных приборов.
Предельная относительная погрешность измерения расхода с помощью сужающего устройства равна:
,
где – средняя квадратичная относительная погрешность измерения расхода. Последняя определяется по формуле:
,
где – среднеквадратичные относительные погрешности соответственно коэффициента расхода, поправочного множителя на расширение измеряемой среды, измерения перепада давления дифференциальным микроманометром, плотности измеряемой среды.
Средняя квадратичная относительная погрешность коэффициента расхода для диафрагм:
,
где – среднеквадратичные относительные погрешности соответственно исходного коэффициента расхода, а также поправочных коэффициентов К1, К2, К3; Определяются по номограммам на рис. 8–11 [1].
Среднеквадратичная относительная погрешность поправочного множителя на расширение измеряемой среды ε:
,
где n – множитель, принимаемый равным 0,02 для диафрагм с .
Среднеарифметическая величина отношения перепада давления на диафрагме к абсолютному давлению воздуха перед сужающим устройством:
Средняя квадратичная погрешность измерения перепада давления на диафрагме:
где ∆h – основная допускаемая абсолютная погрешность дифференциального микроманометра, мм вод. ст.
Средняя квадратичная относительная погрешность значения плотности ρ:
Предельная относительная погрешность определения погрешность числа Нуссельта
Предельная относительная ошибка определения коэффициента теплоотдачи конвекцией:
Предельная относительная погрешность определения числа Рейнольдса:
где
,
,
где
где
где , φ – рад.
Страницы: 1, 2
