рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

По курсу Основы энергосбережения

По курсу Основы энергосбережения - раздел Образование, Министерство Образования Республики Беларусь Белорусский Национальны...

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

 

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (ПРАКТИКУМ)

 

по курсу «Основы энергосбережения»

для студентов технических специальностей

ISBN 985-479-264-1

М и н с к 2 0 0 5

УДК 620.9.004.18 (076.5) ББК 31.19я7 Л12

Содержание

Введение
Лабораторная работа №1 Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. исследование фотоэлектрического преобразователя энергии - солнечной батареи
Лабораторная работа №2 Исследование сравнительных характеристик электрических источников света
Лабораторная работа №3 Изучение потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по трубопроводу
Лабораторная работа №4 Цикл теплового насоса
Лабораторная работа № 5 Определение эффективности рекуперативного тепло-обменника
Лабораторная работа №6 Тепловые трубы (сравнительное исследование тепловой трубы)
Лабораторная работа №7 Изучение принципа преобразования энергии ветра в электрическую энергию
Лабораторная работа №8 Определение эффективности рекуперативного ТЕПЛООБМЕННИКА на тепловых трубах
Лабораторная работа №9 ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЯ (СВП)
Лабораторная работа №10 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА
ЛИТЕРАТУРА  
ПРИЛОЖЕНИЕ 1  
ПРИЛОЖЕНИЕ 2  
ПРИЛОЖЕНИЕ 3  
ПРИЛОЖЕНИЕ 4  

Введение

Курс «Основы энергосбережения» включается в образовательные стандарты всех специальностей вузов Министерства образования РБ и является базовой дисциплиной для последующего изучения специальных вопросов эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях народного хозяйства.

Настоящий лабораторный практикум предназначен для проведения лабораторных работ по курсу «Основы энергосбережения» для студентов технических специальностей. Практикум содержит теоретический материал, описание экспериментальных установок и методический материал по выполнению работ и обработке результатов измерений.

Материал практикума охватывает основные методы преобразования световой энергии и энергии ветра в электрическую; основные источники потерь энергии при транспортировке жидкостей и газов по трубопроводу; методы использования низкопотенциального тепла (тепловые насосы); методы более эффективной передачи тепла от одного теплоносителя к другому; методы переноса энергии с помощью тепловой трубы как наиболее эффективной теплопередающей системы; методы преобразования солнечной энергии в тепловую; методы изучения парникового эффекта. Студенты имеют возможность сравнить различные источники света и выбрать наиболее эффективные из них.

Материал практикума построен таким образом, чтобы им могли пользоваться студенты различных технических специальностей с различным уровнем начальной подготовки.

 

Лабораторная работа №1

РЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ - СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Цель работы:изучить принцип преобразования солнечной энергии в электрическую. Исследовать основные технические характеристики фотоэлектрической батареи.

 

Общие сведения

 

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 107 К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К. Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в космическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1,2×1017 Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно, 1 кВт/м2. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10 % и поток солнечной энергии 17 МДж/м2 в день, то требуемую для одного человека энергию можно получить со 100 м2 площади земной поверхности. При средней плотности населения в городах 500 человек на 1 км2 на одного человека приходится 2000 м2 земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5 % этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения используются следующие основные величины.

Поток излучения– величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения – Дж/с = Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность)– величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения плотности потока излучения – Вт/м2.

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой , которая равна 1367 Вт/м2.

Световой поток. Световым потоком называется поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн. Обычно при дневном освещении глаз наиболее чувствителен к свету с длиной волны 555 нм. Поэтому одинаковые по мощности потоки излучения, но разных длин волн вызывают разные световые ощущения у человека. Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен(лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6×10-3 Вт (или 1 Вт = 217 лм).

Освещенность – величина, равная отношению светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Освещенность измеряется в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м2. Для белого света 1 лк = 4,6×10-3 Вт/м2 (или 1 Вт/м2 = 217 лк).

Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами.

 

 

Освещенность, создаваемая различными источниками

 

Источники Освещенность, лк Освещенность, Вт/м2
Солнечный свет в полдень (средние широты)
Солнечный свет зимой
Облачное небо летом 5000-20000 23-92
Облачное небо зимой 1000-2000 4,6-9,2
Рассеянный свет в светлой комнате (вблизи окна) 0,46
Светильники, создающие необходимую для чтения освещенность 30-50 0,14-0,23
Полная Луна, облучающая поверхность Земли 0,2 0,92×10-3

 

В связи с большим потенциалом солнечной энергии чрезвычайно заманчивым является максимально возможное непосредственное использование ее для нужд людей.

При этом самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании электрическую энергию.

Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Фотоэффектомназываются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n) (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость).

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости (p–n) между ними устанавливается разность потенциалов (фотоЭДС). Это явление называется вентильным фотоэффектом, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение максимальной электрической мощности вырабатываемой элементом, к падающему потоку излучения. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10-15 % (т.е. при освещенности 1 кВт/м2 вырабатывают электрическую мощность 1-1,5 Вт) при создаваемой разности потенциалов около 1 В.

Типичная структура солнечного элемента с p–n–переходом изображена на рис. 1.1 и включает в себя: 1 – слой полупроводника (толщиной 0,2–1,0 мкм) с n‑проводимостью; 2 – слой полупроводника (толщиной 250–400 мкм) с p‑проводи–мостью; 3 – добавочный потенциальный барьер (толщиной 0,2 мкм); 4 – металлический контакт с тыльной стороны; 5 – соединительный проводник с лицевой поверхностью предыдущего элемента; 6 – противоотражательное покрытие; 7 – лицевой контакт; 8 – соединительный проводник к тыльному контакту следующего элемента. Характерный размер солнечного элемента 10 см.

Рис. 1.1. Структура солнечного элемента

 

Солнечные элементы последовательно соединяются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Э – солнечный элемент; М – солнечный модуль;

Б – солнечная батарея

В 1958 г. впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали… Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие… Основные компоненты солнечной энергетической установки изображены на рис. 1.3 и включают в себя: Б – солнечную батарею…

Экспериментальная установка

  Рис. 1.4. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

а). Исследование характеристик холостого хода солнечного элемента. 1. Удостовериться, что нагрузка на солнечный модуль отсоединена. 2. Измерить ширину а (м) и высоту b (м) рабочей поверхности солнечного модуля и определить ее площадь S = ab, м2.

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 1

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Основные величины, характеризующие солнечное излучение.

3. Какова температура поверхности Солнца?

4. Каким образом энергия Солнца достигает поверхности Земли?

5. Поток излучения, единицы измерения.

6. Плотность потока излучения, единицы измерения.

7. Световой поток, единицы измерения.

8. Освещенность, единицы измерения освещенности. Приборы для измерения освещенности.

9. На каком явлении основано действие фотоэлектрических преобразователей энергии?

10. Фотоэффект, виды фотоэффекта.

11. Физический смысл коэффициента преобразования солнечной энергии в электрическую.

12. Какие основные компоненты должна содержать солнечная энергетическая установка?

13. Области применения солнечных батарей.

14. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

15. Методика исследования характеристики холостого хода солнечного элемента.

16. Как зависит ЭДС солнечного модуля от плотности потока излучения, падающего на его поверхность?

17. Методика определения вольтамперной характеристики солнечного модуля.

 

В начало

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Цель работы состоит в изучении устройства, принципа действия и сравнении основных параметров наиболее распространенных типов электрических источников света.

 

Общие сведения

 

Свет представляет собой электромагнитные волны длиной 4×10-7¸8×10-7 м. Электрические волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом или молекула начали излучать, им необходимо передать определенное количество энергии. Излучая, они теряют полученную энергию, поэтому для непрерывного свечения необходим постоянный приток энергии извне.

Поток излучения,Физлэнергия, переносимая электромагнитными волнами за 1 секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения Дж/с = Вт.

Энергетическая освещенность,Еэн (плотность потока излучения) – отношение потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения энергетической освещенности Вт/м2.

Световой поток,Фпоток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн (наиболее чувствителен глаз при дневном освещении к свету с длиной волны 555 нм). Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6×10-3Вт (1 Вт = 217 лм).

Освещенность, Е- отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Измеряется в люксах (лк), где люкс – освещенность, при которой на 1 м2 поверхности равномерно распределен световой поток в 1 люмен.

Освещенность поверхности прямо пропорциональна световому потоку и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.

Тепловое излучение - электромагнитное излучение тела, обусловленное возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы или молекулы. При столкновении друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, которая затем превращается в световую.

Люминесцентное излучение связано с переходом излучающих атомов, молекул и ионов в возбужденное состояние и последующим их возвращением в нормальное или менее возбужденное состояние, сопровождающееся испусканием света (избыточное над тепловым при той же температуре). Это излучение может быть вызвано бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества, видимым светом, рентгеновским и гамма-излучением, а также некоторыми химическими реакциями в веществе. Вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами.

 

Электрические источники света, их конструкции и параметры

Электрические источники света по способу генерирования ими излучения делятся на температурные (лампы накаливания) и люминесцентные (люминесцентные и… Принцип действия ламп накаливания основан на вышеописанном тепловом излучении.… Основные недостатки ламп накаливания:

Экспериментальная установка

Вариант–1 Вариант – 2

Порядок выполнения работы

 

Вариант –1

1. Установить необходимый диапазон измерений люксметра.

2. Включить лампу накаливания. Люксметром 4 измерить величину освещенности в 5 точках на поверхности включенного светильника.

3. По ваттметру 2 определить величину мощности N, потребляемой лампой накаливания.

4. Выключить лампу накаливания.

5. Включить люминесцентную лампу и произвести для нее аналогичные измерения.

6. Измерить диаметр d и высоту h цилиндрического светильника и определить площадь его поверхность , м2.

7. Полученные данные занести в табл. 2.1.

8. По результатам расчетов сделать вывод об экономичности рассмотренных источников света и целесообразности их использования.

 

Вариант –2

1. Установить необходимый диапазон измерений люксметра.

2. Установить поворотный стол по отметкам 0.

3. Направление тубус на штативе выставить на среднюю область лампы.

4. Включить лампу выключателем 3. Люксметром 4 измерить величину освещенности на поверхности включенного светильника при данном положении стола.

5. Изменить положение светильника на поворотном столе по горизонтали на необходимый угол (45, 90, 120, 160°) и измерить величину освещенности при данных углах.

6. По ваттметру 2 определить величину мощности N, потребляемой лампой.

7. Выключить лампу.

8. После остывания лампы, заменить ее лампой другого типа.

9. Повторить измерения.

10. Измерить диаметр d (м) и высоту h (м) цилиндрического светильника и определить его поверхность , м2.

11. Полученные данные занести в табл. 2.1.

12. По результатам расчетов сделать вывод об экономичности рассмотренных источников света и целесообразности их использования.

 

Таблица 2.1

 

Параметры Включенный электрический источник света
лампа накаливания люминесцентная лампа, частота 12000 Гц люминесцентная лампа, частота 35000 Гц
Потребляемая мощность N, Вт      
Освещенность Е на поверхности светильника, в точках, лк      
     
     
     
     
Расчетное значение освещенности , лк      
Расчетное значение светового потока , лм      
Поток излучения , Вт      
КПД источника света %      
Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) , Вт/м2      
Светоотдача источника света, C, лм/Вт      

 

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 2

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что собой представляет свет?

3. Поток излучения, единицы измерения.

4. Плотность потока излучения (энергетическая освещенность), единицы измерения.

5. Световой поток, единицы измерения.

6. Освещенность, единицы измерения. Приборы для измерения освещенности.

7. От каких величин зависит освещенность?

8. Тепловое излучение. От какого вида источников оно получается?

9. Люминесцентное излучение. От какого вида источников оно получается?

10. Основные виды электрических источников света.

11. .Принцип действия ламп накаливания. Основные недостатки и достоинства ламп накаливания.

12. Конструкция и принцип действия люминесцентной лампы.

13. С помощью каких характеристик можно сравнивать эффективность различных источников света?

14. КПД источников света.

15. Почему лампы накаливания менее эффективны по сравнению с люминесцентными лампами?

16. Какой источник света является наиболее экономичным и целесообразным для использования и почему?

17. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

18. Порядок выполнения работы.

 

В начало

Лабораторная работа № 3

 

ИЗУЧЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ПО ТРУБОПРОВОДУ

 

Цель работы: экспериментальное определение потерь энергии на транспортирование жидкостей и газов по сложному трубопроводу, включающему в себя магистральный трубопровод и участки с резким изменением геометрии потока.

 

Общие сведения

 

Транспортирование текучих сред (жидкостей и газов) по трубопроводам осуществляется с помощью нагнетательных устройств (насосов, вентиляторов и т.п.). Для того чтобы перемещать текучую среду, нагнетательное устройство должно затрачивать некоторую энергию. Оказывается, эта энергия зависит не только от физических свойств текучей среды, но и от характеристик трубопроводной системы. Эксплуатационные расходы энергии на транспортирование можно существенно сократить за счет выбора оптимальной геометрии трубопроводной системы, что может быть реализовано только после изучения основных закономерностей течения жидкостей и газов по трубопроводам.

Поток жидкости либо газа можно характеризовать объемным расходом Q 3/с) и средней по сечению трубы скоростью v (м/с). Расход является одной из основных характеристик потоков жидкости либо газа. Расходом называется количество жидкости или газа, которое перемещается через поперечное сечение трубопровода в единицу времени. Объемный расход и скорость связаны между собой соотношением

, (3.1)

где S - площадь поперечного сечения трубы, м2.

При движении реальных жидкостей и газов часть механической энергии движения необратимо превращается в тепловую. Эта часть энергии называется потерей энергии . Потери энергии обусловлены существованием сил вязкого трения в жидкостях и газах, т.е. вязкости. С потерями энергии связаны потери давления

,  

и потери напора

,  

где – плотность жидкости либо газа, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Потери давления измеряются в Па, потери напора м.

Существование сил вязкости приводит к затратам энергии на перемещение текучих сред. Часть мощности, затрачиваемая нагнетательным устройством на транспортирование по трубопроводу текучих сред с расходом Q, определяется выражением

, Вт.  

 

Гидравлические потери давления (напора) обычно делят на два вида. Первый вид представляет собой потери давления на трение Dртр при стабилизированном движении жидкости в длинных трубах. Эти потери равномерно распределяются по всей длине трубы. Потери второго вида (Dрм) сосредоточены на сравнительно коротких участках трубопроводов и вызываются местными изменениями конфигурации канала. Эти сопротивления называются местными. Примерами местных сопротивлений могут служить участки резкого расширения и сужения трубопровода, места слияния и разделения потоков, различного рода трубопроводная аппаратура (вентили, клапаны, задвижки, дроссели и т.п.). Характерной особенностью движения жидкости через местные сопротивления является образование вихрей в потоке, что вызывает значительные потери энергии (давления, напора).

Таким образом, полные потери давления и напора определяются выражениями:

, (3.2)
,

Потери напора по длине для случая установившегося движения жидкости по трубопроводу круглого сечения определяются по формуле Дарси-Вейсбаха:

,  

где l – коэффициент гидравлического трения (коэффициент потерь напора по длине);

l – длина рассматриваемого участка трубы, м;

d – диаметр трубопровода, м;

v – средняя скорость движения жидкости, м/с.

Из формулы Дарси-Вейсбаха видно, что величина потерь напора на гидравлическое трение по длине возрастает с увеличением скорости потока и длины трубы и уменьшается с увеличением диаметра трубопровода.

Местные потери напора определяются по формуле

,  

где – коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент гидравлического трения l зависит от режима течения жидкости и шероховатости трубы. Эта зависимость называется законом сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления также зависит от режима течения и от вида и конструктивного исполнения местного сопротивления.

Сравнительный анализ различных гидравлических сопротивлений показывает, что потери энергии значительно возрастают при резком изменении диаметра трубы, при резких поворотах и т.п.

Значения коэффициентов сопротивления, как правило, определяются опытным путем и в обобщенном виде содержатся в справочниках в виде эмпирических формул, таблиц, графиков. В приложении к работе приведены некоторые данные по гидравлическим сопротивлениям.

Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов по сложным трубопроводам:

§ использование труб с гладкой внутренней поверхностью;

§ обеспечение плавных поворотов потока;

§ устройство более плавного изменения поперечного сечения потока жидкости;

§ устройство плавных входов и выходов из труб;

§ разогрев при перекачивании высоковязких жидкостей;

§ введение полимерных добавок в поток жидкости.

 

Экспериментальная установка

Схема установки приведена на рис. 3.1. Вода из напорного бака 1 проходит последовательно через входной вентиль 2, магистральный трубопровод 3,… Пьезометрический напор в жидкости на различных участках трубопровода…  

Порядок выполнения работы

1. Включить насос 11 и заполнить напорный бак 1. 2. Открыть вентиль 2 полностью и с помощью вентиля 9 установить заданное… 3. При данном значении расхода снять показания всех пьезометров, данные занести в табл. 3.1.

Обработка экспериментальных данных

1. Определить потери напора на отдельных участках трубопровода, например, Dh1,2 = h1 - h2. Данные занести в табл. 3.2. 2. По перепаду напора на диаграмме h9,10 = h9 - h10 с помощью тарировочной… 3. Определить среднюю скорость воды в трубопроводе V = 4Q/pd2, м/с. (3.3)

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 3

 

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

3. Какие величины характеризуют поток жидкости или газа?

4. Какие устройства используются для перекачивания жидкостей и газов?

5. Расход жидкости. Единицы измерения объемного расхода. Зависимость объемного расхода от скорости.

6. Чем обусловлены потери энергии при транспортировании жидкостей в трубопроводах?

7. Виды гидравлических потерь.

8. Виды местных сопротивлений.

9. Как определить мощность, затрачиваемую на транспортирование текучих сред по трубопроводу?

10. Как зависят потери энергии от скорости потока, длины и диаметра трубопровода? Влияние качества поверхности труб, их геометрии на потери энергии.

11. Основные методы снижения потерь энергии при транспортировании жидкостей и газов.

 

В начало

Лабораторная работа № 4

 

ЦИКЛ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

 

Цель работы: Изучение цикла теплового насоса. Определение отопительного коэффициента цикла e. Определение количества низкопотенциальной теплоты Q2, отбираемой у окружающей среды. Определение количества теплоты Q1, передаваемой в систему отопления помещения.

 

Общие сведения

 

Альтернативой традиционным способам теплоснабжения, основанным на сжигании топлива, является выработка тепла с помощью теплового насоса.

Тепловой насос − установка, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме теплоты, от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения.

Независимо от типа теплового насоса и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает по крайней мере в 1,1-2,3 раза больше тепла, чем при прямом сжигании топлива.

Такая высокая эффективность производства тепла достигается тем, что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, природных водоемов, грунтовых вод) и техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, вентиляция и т.д.) с температурой от +3 до +40 °С, т.е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Естественно, что тепловые насосы довольно интенсивно вытесняют традиционные способы теплоснабжения, основанные на сжигании органического топлива.

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает 15–18 млн. тепловых насосов различной мощности – от нескольких киловатт до сотен мегаватт. В США более 30 % жилых домов оборудованы тепловыми насосами. В Швеции с 1984 г. по 1986 г. введены в эксплуатацию 74 крупные (от 5 до 80 МВт) теплонасосные станции. Наиболее крупной теплонасосной установкой является стокгольмская установка мощностью 320 МВт, работающая на принципе охлаждения воды, поступающей из Балтийского моря. Эта установка, расположенная на причаленных к берегу баржах, использует и зимой морскую воду с температурой 4 °С, охлаждая ее до 2 °С. Себестоимость тепла от этой установки на 20 % ниже себестоимости тепла, получаемого от газовой котельной. Общее количество тепла, вырабатываемого тепло насосными установками в Швеции, составляет около 50 % от потребного.

Результатом работы всякого холодильного цикла является охлаждение холодного источника и нагрев горячего за счет подвода внешней работы. Кельвин (1852 г.) предложил применить обратный цикл для целей отопления, используя его в качестве теплового насоса, который перекачивал бы теплоту, отобранную от холодного источника (внешней среды) в горячий.

Введем следующие обозначения:

q2 – удельная теплота, отбираемая от холодного источника, кДж/кг (низко потенциальная теплота);

q1 – удельная теплота (теплота, приходящаяся на единицу массы), передаваемая горячему источнику, кДж/кг (теплота, передаваемая в систему отопления помещения);

lцикла – удельная работа, подводимая от внешнего источника, кДж/кг.

Можно записать

; (4.1)
, (4.2)

 

где e – коэффициент преобразования или отопительный коэффициент цикла. Этот коэффициент характеризует эффективность цикла теплового насоса.

Рабочий цикл теплового насоса представлен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Рабочий цикл теплового насоса

 

Низко потенциальная теплота Q2 поступает в испаритель теплового насоса, где ее воспринимает рабочее тело (хладагент), циркулирующее в цикле. Источником низко потенциальной теплоты могут быть наружный воздух, природные водоемы, грунт, питьевая вода, промышленные стоки, вентиляционные выбросы и т.д. В качестве хладагентов в циклах используются теплоносители с низкой температурой кипения – углекислота, аммиак, фреоны. Хладагент поступает в испаритель в жидком состоянии. В процессе подвода теплоты Q2 к жидкому хладагенту происходит его превращение в пар (при постоянном давлении и температуре). Пары хладагента поступают в компрессор, где сжимаются, повышается их давление и температура. При сжатии в компрессоре от внешнего источника (электродвигателя) подводится работа lцикла. Нагретые пары хладагента поступают в конденсатор, где отдают свое тепло Q1 в систему отопления помещения и за счет отдачи теплоты конденсируются (превращаются в жидкость) при постоянном давлении и температуре. Жидкий хладагент поступает в дроссель, где его давление падает до давления в испарителе, а температура снижается до температуры низко потенциального источника. Цикл замыкается.

 

 

Экспериментальная установка

Рис. 4.2. Схема экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка включает в себя: 1 – компрессор; 2 – конденсатор; 3 – дроссельный вентиль; 4 – испаритель; 5 – электродвигатель; 6 – манометры; 7 – хромель-копелевые термопары; 8 – переключатель термопар; 9 – милливольтметр; 10 – барометр; 11 – термометр.

 

Порядок выполнения работы

1. Включить установку в сеть. 2. Дождаться выхода работы установки на стационарный режим, о котором… 3. Измерить при помощи манометров давление за компрессором и за дроссельным вентилем перед испарителем.

Методика расчета

Манометры измеряют избыточное давление (давление, превышающее атмосферное). Абсолютное давление – сумма манометрического (избыточного) и… Р = В + Р ман ,

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 4

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Для чего нужны тепловые насосы, область их применения?

3. Устройство и принцип работы теплового насоса.

4. Источники низко потенциальной теплоты.

5. Какие вещества можно использовать в качестве хладагента в тепловых насосах?

6. Каким образом хладагент поглощает теплоту, а затем отдает ее?

7. Могут ли использоваться для теплоснабжения низко потенциальные источники теплоты напрямую без специальных устройств?

8. Является ли целесообразным обогрев помещения с помощью теплового насоса? Если да, то почему?

9. В каком направлении тепловой насос переносит теплоту (от холодного источника к горячему или наоборот)?

10. Что происходит при испарении хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?

11. Что происходит при конденсации хладагента (выделение или поглощение тепловой энергии)?

12. Что характеризует отопительный коэффициент теплового насоса? Порядок его величины.

13. За счет чего происходит повышение температуры хладагента в тепловом насосе?

14. В какой части установки осуществляется подвод энергии?

15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

16. Перечислить величины, измеряемые в лабораторной работе, единицы измерения.

17. С помощью каких приборов проводились измерения?

 

Лабораторная работа№ 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Цель работы:определение эффективности водо-водяного рекуперативного теплообменника, экспериментальное нахождение коэффициента теплопередачи, сравнение прямотока и противотока.

 

Общие сведения

 

Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах, диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению, – экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.

Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

Регенеративные теплообменные аппараты – это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает тепло от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты работают большей частью в стационарном режиме.

В смесительных теплообменных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.

Характер изменения температур рабочих сред по поверхности рекуперативного теплообменного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее простыми схемами движения являются: прямоток (рис. 5.1, а), противоток (рис. 5.1, б) и перекрестный ток (рис. 5.1, в). Существуют аппараты и с более сложными схемами движения теплоносителя.

 

а б в

 

Рис. 5.1. Схемы движения рабочих сред

 

От того, какая схема движения сред применена, во многом зависит эффективность теплообменного аппарата.

Расчет ТА, работающих в стационарном режиме, ведется на основе двух уравнений – теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса означает равенство количества тепла, отдаваемого горячим теплоносителем (Qгор), сумме количеств тепла, воспринимаемого холодным теплоносителем, (Qхол) и потерь в окружающую среду Qос:

 

Qгор = Qхол + Qос .  

 

Пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, имеем Qгор = Qхол = Q или

Q = Gгор ×гор × DT гор = Gхол × хол × DTхол , ( 5.1 )

 

здесь Gгор, Gхолсоответственно массовые расходы горячей и холодной воды, кг/с; ×гор, хол средние изобарные удельные теплоемкости горячей и холодной воды; ×гор=хол = 4187 Дж/(кг×К); DTгор и DTхол – изменения температур горячей и холодной воды.

DTгор = Тгорвх – Тгорвых; DTхол = Тхолвых - Тхолвх .  

 

Уравнение теплопередачи определяет количество теплоты Q, передаваемой через заданную поверхность площадью F, если заданы средние температуры греющего гор и нагреваемого хол теплоносителей [1]:

 

Q = К(гор хол) F,  

 

где К – коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м2×К);

F ‑ площадь поверхности теплообменника, м2;

Следовательно К – коэффициент теплопередачи равен:

 

; ( 5.2 )
гор = (Тгорвх + Тгорвых)/2; хол= холвх + Тхолвых)/2 . ( 5.3 )

 

Коэффициент теплопередачи, К характеризует интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

Термодинамическая эффективность теплообменника − это отношение количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству теплоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно большой поверхностью теплообмена с теми же параметрами на входе. Эффективность теплообменника определяется по формуле

  ( 5.4 )

Сравнение прямотока с противотоком

 

Преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой определяются из сравнения количества теплоты, передаваемой при равных условиях, и коэффициентов теплопередачи.

Во всех случаях при прямотоке передается меньшее количество теплоты, т.е. противоток более экономичен по сравнению с прямотоком.

 

Экспериментальная установка

Установка (рис. 5.2) представляет собой поверхностный теплообменник 1, выполненный из двух труб, размещенных одна внутри другой. По внутренней трубе… Для определения температур горячей воды на входе и выходе из теплообменника… Расход горячего теплоносителя из термостата 8, протекающего через теплообменник, измеряется с помощью ротаметра 6.…

Порядок выполнения работы

Установка включается по прямоточной схеме. Открываются вентили, и в теплообменник при предельных расходах подается горячая и холодная вода. При… Результаты измерений вносятся в табл. 5.1. Таблица 5.1

Обработка экспериментальных данных

1. Определить средние значения параметров для каждого режима (прямотока и противотока). Температура горячего теплоносителя определяется по… 2. Расход горячего теплоносителя по тарировочной (Приложение 4) кривой… 3. Количество теплоты, переданной от одного теплоносителя к другому, определяется из выражения (5.1).

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 5

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что такое теплообмен?

3. В каких случаях возникает теплообмен?

4. Основные способы переноса теплоты и их особенности.

5. Что называется теплообменным аппаратом? Виды теплообменных аппаратов

6. Что такое рекуперативный теплообменник?

7. Что такое теплоноситель?

8. Назвать основные схемы движения теплоносителей.

9. Как определить количество теплоты, передаваемое при теплопередаче?

10. Единицы измерения количества теплоты.

11. Что такое коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы измерения?

12. От чего зависит коэффициент теплопередачи рекуперативного теплообменника?

13. Как определить термодинамическую эффективность теплообменника?

14. Как определить преимущества одной схемы течения теплоносителей перед другой?

15. При какой схеме движении теплоносителей можно нагреть воду в теплообменнике до более высокой температуры?

16. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

17. Какими приборами измеряется температура и расход теплоносителей в лабораторной установке.

В начало

 

 

Лабораторная работа № 6

 

ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ

  Цель работы: определение и сравнение коэффициентов эффективной… Общие сведения

Экспериментальная установка

Основными элементами лабораторной установки (рис. 6.3) являются укрепленные на штативах тепловая труба (1) и медный стержень (2) одинаковой длины l… Рис. 6.3. Схема лабораторной установки:

Порядок выполнения работы

1.Открыть кран системы охлаждения тепловой трубы и медного стержня. 2.Включить блок питания электрических нагревателей тепловой трубы и медного… 3.Включить питание потенциометра КСП-4.

Обработка экспериментальных данных

При обработке экспериментальных данных считать, что вся потребляемая нагревателями электрическая мощность W превращается в тепловую и полностью… С учетом этого, формулы (6.1), (6.2) для вычисления коэффициентов… 1. Используя экспериментальные данные стационарного режима, вычислить по этим формулам коэффициент теплопроводности l…

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 6

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что такое теплообмен?

3. Основные способы переноса теплоты и их особенности.

4. Что такое коэффициент теплопроводности: физический смысл, единицы измерения.

5. Градиент температуры, его физический смысл.

6. Описать устройство и принцип действия тепловых труб.

7. Чем обусловлена высокая эффективность переноса теплоты тепловой трубой?

8. В какой части трубы происходит поглощение теплоты?

9. Что происходит в зоне испарения тепловой трубы? Что происходит в зоне конденсации?

10. Как осуществляется возврат сконденсированной жидкости в зону испарения?

11. Основные преимущества тепловых труб с фитилем.

12. Требуются ли затраты энергии (подвод электроэнергии) на перенос теплоты тепловой трубой?

13. Какие вещества используются в качестве жидкости-теплоносителя для тепловых труб?

14. Перечислить области применения тепловых труб.

15. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

16. Какое устройство (тепловая труба или медный стержень) быстрее выходит на стационарный режим и имеет более равномерное распределение температур по длине? Почему?

17. Сравнить коэффициенты теплопроводности для тепловой трубы и медного стержня.

18. Какое устройство обеспечивает перенос одинакового количества тепла при минимальной разности температур: тепловая труба или медный стержень? Почему?

 

В начало

Лабораторная работа № 7

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

 

Цель работы: изучение принципа преобразования энергии ветра в электрическую энергию, устройства ветроколеса и определение коэффициента мощности ветроэнергетической установки.

 

Общие сведения

 

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является преобразованной в механическую энергией Солнца.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками.

Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 1970-х – начале 1980-х гг. на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими.

Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей автономного обеспечения. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки.

При правильной организации использования ветроэнергетики такой дешевый и неиссякаемый источник энергии, как ветер, может удовлетворить большую часть потребностей в любой отрасли народного хозяйства. Установки, преобразующие энергию ветра в электрическую, тепловую и механическую, могут обеспечить:

§ автономное энергоснабжение различных локальных объектов (оросительные системы, механизмы животноводческих ферм, вентиляцию, устройства микроклимата и т.п.);

§ горячее водоснабжение, отопление, энергообеспечение холодильных агрегатов;

§ подъем воды для садовых участков, на пастбищах и т.п.;

§ откачку воды из систем вертикального и горизонтального дренажа и прочих систем.

По сравнению с другими видами источников энергии ветроэнергетические установки имеют следующие преимущества:

§ отсутствие затрат на добычу и транспортировку топлива;

§ снижение более чем в 10 раз трудозатрат на сооружение ветроэнергетической установки по сравнению со строительством тепловых или атомных станций;

§ широкий технологический диапазон прямого использования энергии ветроустановок (автономность или совместная работа с централизованными сетями, совместимость с другими источниками возобновляемой энергетики и т.п.);

§ минимальные сроки ввода мощностей в эксплуатацию;

§ улучшение экологической обстановки за счет снижения уровня загрязнения окружающей среды.

 

Принцип действия и классификация ВЭУ

 

В ветроэнергетических установках энергия ветра преобразуется в механическую энергию их рабочих органов. Первичным и основным рабочим органом ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и, как правило, преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо.

Вращение ветроколеса под действием ветра обуславливается тем, что в принципе на любое тело, обтекаемое потоком газа со скоростью u0, действует сила FР , которую можно разложить на две составляющие: 1 – вдоль скорости набегающего потока, называемую силой лобового сопротивления FC, и 2 – в направлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, называемую подъемной силой FП (рис. 7.1).

 

Рис. 7.1. Силы, действующие на тело, обтекаемое потоком газа

 

Величины этих сил зависят от формы тела, ориентации его в потоке газа и от скорости газа. Действием этих сил рабочий орган ветроустановки (ветроколесо) приводится во вращение.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой. Если перпендикулярна – вертикально-осевой.

Ветроколесо с горизонтальной осью, использующее подъемную силу (двух- или трехлопастное ветроколесо), показано на рис. 7.2 (а, б, в, г).

Ветроустановки, использующие силу лобового сопротивления, состоят из укрепленных вертикально оси лопастей различной конфигурации (рис. 7.2 е, ж, з, и, к).

На рис. 7.2, д представлено ветроколесо, использующее эффект Магнуса (эффект возникновения подъемной силы, перпендикулярной направлению ветра, при вращении цилиндра или конуса).

Установки, использующие силу лобового сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра. А установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, существенно, большую скорости ветра.

Каждое ветроколесо характеризуется:

n ометаемой площадью S, ветроколеса называют площадь, покрываемоя его лопастями при вращении в плоскости перпендикулярной направлению потока. Для репеллерного ветроколеса (горизонтально осевого) −

S = pD2/4, (7.1)

где D – диаметр ветроколеса,

для ветроколеса Савониуса (вертикально осевого) −

S = h b, (7.2)

где h и b – соответственно высота ротора и его средний диаметр;

n геометрическим заполнением, равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой площади (так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное);

n коэффициентом мощности CP, характеризующим эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящим от конструкции ветроколеса;

n коэффициентом быстроходности Z, представляющим собой отношение скорости конца лопасти к скорости ветра.

Рис. 7.2. Типы ветряных колес

 

При скорости ветра u0 и плотности воздуха ветроколесо с ометаемой площадью S развивает мощность

N = CN Su0 3/2 .  

Из этой формулы видно, что эта мощность пропорциональна кубу скорости ветра.

По теории Н. Жуковского, максимальное значение коэффициента мощности 0,6–0,69. На практике лучшие быстроходные колеса имеют CN ~ 0,45 – 0,48; у тихоходных колес CN ~ 0,35 – 0,38.

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые используются, например, в водяных насосах и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

 

Экспериментальная установка

Работа выполняется на аэродинамической трубе (1) (рис. 7.3). В трубе воздушный поток создается осевым вентилятором (на рисунке не показан). Величина… Рис. 7.3. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с разными типами ветряных колес. По указанию преподавателя установить необходимый тип ветроколеса в рабочую зону аэродинамической… 2. В отсутствие потока воздуха в трубе отметить начальное показание… 3. Включить блок питания, аэродинамической трубы. Установить необходимое значение скорости воздушного потока в…

Обработка экспериментальных данных

1. Вычислить скорость потока воздуха uo по формуле , (7.3) где rж – плотность спирта в микроманометре (rж = 809,5 кг/м3); rв – плотность воздуха (rв = 1,2 кг/м3);

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 7

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что является источником ветра?

3. Можно ли преобразовать энергию ветра в электрическую? Если да, то с помощью какого устройства?

4. Для чего предназначены ветроэнергетические установки?

5. Позволяют ли климатические условия использовать энергию ветра на территории Беларуси?

6. Области применения ветроэнергетических установок (ВЭУ).

7. Преимущества ВЭУ по сравнению с другими видами источников энергии.

8. Наилучшие места установки ветроэнергетических установок.

9. Принцип действия ВЭУ.

10. Классификация ВЭУ.

11. Назвать основные величины, характеризующие ветроколесо.

12. От каких величин зависит мощность, развиваемая ветроколесом?

13. Как зависит мощность ветроколеса от геометрического заполнения?

14. Сравнить характеристики колеса Савониуса и репеллерного колеса.

15. Чем характеризуется эффективность преобразования ветроколесом энергии ветра в электрическую?

16. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

17. Какое устройство преобразует механическую энергию ветроколеса в электрическую?

18. Как определить скорость потока воздуха?

19. Как зависит коэффициент мощности ветроколеса от скорости ветра?

 

В начало

Лабораторная работа № 8

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ТЕПЛООБМЕННИКА НА ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ

 

Цель работы:изучение принципа действия теплообменника на тепловых трубах, его конструктивного исполнения и экспериментальное определение его характеристик: коэффициента эффективности и количество теплоты, воспринятое воздухом в теплообменнике.

 

Общие сведения

Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды.

Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах – диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучением.

В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвективный перенос теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Одна из основных проблем, поставленных в Государственной программе Республики Беларусь по энергосбережению – проблема экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов нашей страны, эффективное использование теплоиспользующего оборудования.

Примером такого оборудования являются теплообменные аппараты (ТА).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рабочими веществами в теплообменных аппаратах являются, как правило, текучие среды - жидкости и газы.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки.

Регенеративные теплообменные аппараты – это устройства, в которых одна и та же поверхность омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости.

Всмесительных теплообменных аппаратахтеплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.

Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. (Принцип действия тепловой трубы и ее устройство описаны в лабораторной работе № 6). Благодаря этому с ее помощью можно осуществить эффективный перенос теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Схема такого переноса изображена на рис. 8.1. Горячий теплоноситель омывает одну половину тепловой трубы и нагревает ее. Поступившая теплота передается вдоль тепловой трубы на вторую ее половину, которая омывается холодным теплоносителем. Холодный теплоноситель нагревается и уносит поступившую теплоту.

Пучок тепловых труб, заключенных в единый корпус, с раздельными каналами для холодного и горячего теплоносителя, представляет собой основной элемент теплообменника, общий вид которого изображен на рис. 8.2. Наличие развитого оребрения на внешней теплообменной поверхности тепловых труб и реализация внутри них замкнутого испарительно-конденсационного цикла обеспечивает высокую эффективность теплопередачи при сравнительно небольших габаритах таких устройств.

В силу своих особенностей теплообменники на тепловых трубах оказываются особо эффективными, если теплоносителями являются газы, и могут, например, широко использоваться в воздушных системах вентиляции для утилизации теплоты выбрасываемого загрязненного воздуха. Кроме того, с их помощью можно осуществлять эффективную утилизацию теплоты газообразных продуктов сгорания топлива.

Используя различные рабочие жидкости в тепловых трубах можно создавать теплообменники на их основе для работы в самых различных температурных диапазонах. В качестве рабочих тел в тепловых трубах наиболее часто применяються вода, хладоны, ацетон, спирты, аммиак, криогенные жидкости.

Эффективность работы теплообменного аппарата определяется по количеству переданного тепла и коэффициенту термодинамической эффективности теплообменного аппарата.

Термодинамическая эффективность теплообменника есть отношение количества теплоты, передаваемого в данном теплообменнике, к максимально возможному количеству теплоты, передаваемому в теплообменнике с бесконечно-большой поверхностью теплообмена, при одних тех же параметрах теплоносителей на входе и выходе. Эффективность теплообменника определяется по формуле

(8.1)

 

где Тхолвх , Тхолвыхтемпературы холодной воздуха на входе и выходе,

Тгорвх ,температуры горячей воздуха на входе.

 

Рис. 8.1. Схема передачи тепловой энергии в оребренной тепловой трубе

 

При этом количество теплоты, воспринятое воздухом в теплообменнике, определяется выражением

  где св – объемная теплоемкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м3×К); tпр – температура воздуха нагретого…

Экспериментальная установка

В канал горячего воздуха комнатный воздух всасывается с помощью вентилятора В–1, далее поступает в конфузор, в котором расположен спиральный… В канал холодного воздуха комнатный воздух всасывается с помощью вентилятора… Вентилятор В–1 и нагреватели питаются непосредственно от сети переменного тока напряжением 220 В.

Порядок работы с лепестковым анемометром

Лепестковый анемометр представляет собой прибор для измерения средней скорости воздушных потоков. Чувствительным элементом прибора, реагирующим на воздушный поток, является… Крестовина с лепестками крепится на оси, соединенной со счетчиком числа оборотов.

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 8

1. Цель лабораторной работы и объект исследования.

2. Что такое теплообмен?

3. Основные способы переноса теплоты и их особенности.

4. Что называется теплообменным аппаратом? Виды теплообменных аппаратов

5. Что такое рекуперативный теплообменник?

6. Что такое теплоноситель?

7. Как определить количество теплоты, передаваемое при теплопередаче?

8. Единицы измерения количества теплоты.

9. Что такое коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы измерения?

10. От чего зависит коэффициент теплопередачи рекуперативного теплообменника?

11. Как определить термодинамическую эффективность теплообменника?

12. Основные элементы экспериментальной установки и их назначение.

13. С помощью каких приборов измеряется температура и расход теплоносителя в лабораторной установке.

14. Описать устройство и принцип действия тепловых труб.

15. Чем обусловлена высокая эффективность переноса теплоты тепловой трубой?

16. В какой части трубы происходит поглощение теплоты?

17. Что происходит в зоне испарения тепловой трубы? Что происходит в зоне конденсации?

18. Как осуществляется возврат сконденсированной жидкости в зону испарения?

19. Требуются ли затраты энергии (подвод электроэнергии) на перенос теплоты тепловой трубой?

 

В начало

Лабораторная работа №9

ИСЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЯ (СВП)

Цель работы:Определение коэффициента полезного действия СВП. Определение скорости циркуляции воды.

 

Общие сведения

 

Электромагнитным излучением солнечная энергия передается через космическое пространство на поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Солнца мощность около 1, 2х1017 Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю составляет примерно 1кВт/м2. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м2 в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека, или примерно 170 МДж энергии в день.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения -величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) –величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м2.

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м2.

Коэффициент поглощения (поглощательная способность) тела– величина, измеряемая отношением потока излучения, заключенного в узком спектральном интервале частот, поглощаемого поверхностью тела, к потоку излучения, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент поглощения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к черному телу является сажа.

Коэффициент отражения (отражательная способность) тела -величина, равная отношению потока излучения, отраженного поверхностью тела, к падающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, которые рассеивают падающее солнечное излучение, эту величину также называют альбедо.

 

Поверхность Альбедо
Водная поверхность 0, 03-0, 04
Поверхность суши 0, 15-0, 30
Снежный покров 0, 5-0, 6
Поверхность Земли (среднее значение) 0, 34

 

Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели).Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, то есть в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.

Для энергетических целей наиболее распространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Использование солнечной энергии в республике в настоящее время рассматривается по двум направлениям:

§ гелиотепловое;

§ гелиоэлектрическое.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогревательных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими технические решения делают их производство более технологичным и многократно снижают их вес. К 2010 году планируется их применение, обеспечивающее эквивалентную экономию 50 тыс. т. условного топлива в год.

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом также их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100 0С.

На рис.9.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения.

Рис. 9.1. Последовательность приемников солнечного излучения в порядке возрастания их эффективности и стоимости

 

Простые приемники (рис.9.1, а-д) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть.

Приемники более сложной конструкции (рис.9.2, е-и) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре, что позволяет снижать теплопотери системы в целом.

Остановимся кратко на характеристиках каждой из этих конструкций.

Рис.9.1 а) – открытый резервуар на поверхности земли (например, бассейн) - простейший возможный нагреватель воды. Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к земле и воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды.

Рис.9.1 б) – открытый резервуар, теплоизолированный от земли. Повышение температуры воды ограничено высоким коэффициентом отражения поверхности воды, теплоотдачей к воздуху, затратой части поглощенного тепла на испарение воды.

Рис.9.1 в) – черный резервуар. Жидкость заключена в емкости с черной матовой поверхностью, обычно располагаемой на крыше здания. Потери тепла на испарение отсутствуют, коэффициент поглощения черной поверхности близок к единице. Нагреватели этого типа достаточно недороги, просты в изготовлении и позволяют нагревать воду до температуры около 45 0С. Очень широкое распространение получили в Японии, Израиле. Параметры нагревателя ограничены тепловыми потерями с поверхности, особенно их увеличением в ветреную погоду.

Рис.9.1 г) – черный резервуар с теплоизолированным дном. Потери тепла в предыдущей конструкции можно уменьшить почти в два раза, если теплоизолировать дно приемника. Для достижения этого достаточно всего нескольких сантиметров изолирующего слоя, в качестве которого можно использовать практически любой пористый материал с размером пор до 10.2 мм.

Рис.9.1 д) – закрытые черные нагреватели. Для исключения теплоотдачи от приемника в воздух, особенно в ветреную погоду, емкость нагревателя помещается в контейнер с прозрачной для солнечного излучения крышкой. Лучшим материалом для крышек является стекло. Используются также специальные покрытия из пластика, имеющие подобные стеклу оптические свойства, но менее хрупкие.

Рис.9.1 е) – металлические проточные нагреватели. В такой системе вода протекает по параллельным трубкам, закрепленным на зачерненной металлической пластине. Обычно диаметр трубок составляет около 2 см, расстояние между ними 20 см, толщина пластины 0,3 см. Пластину с трубками для защиты от ветра помещают в контейнер со стеклянной крышкой.

Характеристики проточного нагревателя могут быть улучшены за счет:

- уменьшения конвективного переноса между приемной пластиной и стеклянной крышкой, если над первой крышкой поместить еще одну дополнительную стеклянную крышку (рис.9.1, ж),

- уменьшения радиационных потерь от пластины, если ее поверхность делать не черной, а селективной, то есть сильно поглощающей, но слабо излучающей в определенной области спектра (рис.9.1, з),

- использования вакуумированных приемников, в которых заполненная жидкостью черная трубка помещается внутри наружной стеклянной трубки и в пространстве между ними создается вакуум. Вакуумирование исключает конвективный перенос тепла через наружную поверхность (рис.9.1, и).

Нагретую в проточном нагревателе жидкость можно использовать сразу или запасать. Скорость прокачки выбирают такой, чтобы температура воды повышалась примерно на 4оС при каждом проходе через нагреватель. Прокачка нагретой жидкости может осуществляться как принудительно (насосом) (рис.9.2), так и естественной циркуляцией (естественной конвекцией) (рис.9.3). В последнем случае нагреватель должен находиться ниже накопителя нагретой воды.

Системы с принудительной циркуляцией выгодны, поскольку для их создания можно использовать существующие водонагревательные системы, вводя в них приемник солнечного излучения и насос. Кроме того, в них нет необходимости располагать накопительную емкость выше приемника. Недостатком их является зависимость от электроэнергии, потребляемой насосом.

К системам с принудительной циркуляцией относятся многоконтурные (n-контурные) системы (рис.9.4). К достоинствам данных систем можно отнести использование в первом контуре в качестве рабочего тела вещества с низкой температурой замерзания (кристаллизации), что позволяет использовать их круглогодично.

Рис.9.2. Нагревательная система c принудительной циркуляцией

 

Рис.9.3. Нагревательная система с естественной циркуляцией

 

 

Рис.9.4. Двухконтурная нагревательная система с принудительной циркуляцией:

1 – приемник излучения; 2 – теплоизолированный накопительный резервуар;

3 – насос; 4-теплообменник

 

СВП относится к наиболее простым устройствам утилизации энергии солнечного излучения (плотность излучения его, примерно, 1 кВт/м2). Затраты энергии на подогрев воды для бытовых нужд составляют в наших широтах до 20% от среднегодового потребления энергии на душу населения, подогрев воды для производственных нужд увеличивают эту долю почти вдвое.

Между тем, анализ и эксперименты показывают, что солнечное излучение, даже когда солнце за облаками, позволяет в условиях Белоруссии в период с апреля по октябрь включительно, т.е. более полугода, обеспечивать бытовые потребности в горячей воде (с температурой 50–80°С), имея солнечный водоподогреватель площадью 1,5–2,5 м2 на человека.

Любая поверхность, на которую попадают солнечные лучи, нагревается. Степень этого нагрева зависит от ориентации поверхности относительно потока лучей (максимально нагревается поверхность перпендикулярная этому потоку), поглощающей способности (степени черноты), потерь тепла, которые применительно к СВП следует разделить на полезные (нагрев воды) и вредные (потери тепла в окружающую среду).

Исключительная простота конструкции и исполнения позволяет изготавливать СВП самостоятельно любому человеку, имеющему элементарные трудовые навыки, из широкого набора доступных материалов.

Для того чтобы конструкция такого СВП оказалась эффективной, необходимо оценить влияние отдельных конструктивных элементов на служебные свойства – способность нагревать воду.

Эффективный СВП должен:

1) быть ориентирован относительно солнца;

2) иметь большую поглощающую способность воспринимающей излучение поверхности;

3) иметь минимальное термическое сопротивление при передаче тепла к воде от воспринимающей поверхности;

4) совершенную теплоизоляцию от окружающей среды.

В представленном в данной лабораторной работе СВП вышеперечисленные принципы на технически целесообразном уровне реализованы следующим образом:

§ конструктивным наклоном воспринимающей поверхности СВП в соответствии с широтным расположением Белоруссии (~ 60°);

§ черными матовыми воспринимающими поверхностями (степень черноты ~0,6);

§ малой толщиной (~ 0,3 мм) стенок металлических каналов для воды и наличием перемещения воды в этих каналах за счет конвекции;

§ слоем пенопласта (~50 мм) на тыльной стороне воспринимающей поверхности, воздушным промежутком (~10 мм) и стеклом (толщиной ~ 6 мм) на лицевой стороне, деревянной рамой обрамляющей этот пакет.

 

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис.9.5) состоит из описанной выше воспринимающей панели (1), водопроводящих резиновых трубок (2), соединяющих панель с… Рис. 9.5. Схема экспериментальной установки.

Определение коэффициента полезного действия СВП

Qв – количество тепла запасенного водой СВП; Qизл – количество тепла, полученного от излучателей. Количество тепла, воспринимаемого СВП Q СВП =Qв + Qк , (9.2)

Порядок выполнения работы

1. Включить излучатели (светильники), Зафиксировать время начала эксперимента. 2. Измерить при помощи термопар Т1,Т2 и Т3 и милливольтметра начальные… 3. Люксметром измерить величину освещенности на поверхности СВП в 15 точках. Полученные данные занести в таб. 9.1

Таблица 9.2

 

№ п/п t, мин Т1, Т2 Т3 Тос, °С
мВ °С мВ °С мВ °С
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
             
             
             
             
             
             
             

10. По последним показаниям термопар определить среднее значение конечных температур tк аналогично п.1

. (9.14)

11. Вычислить количество энергии, поглощенной СВП, по формуле (9.8).

12. Вычислить количество энергии, поступающей от излучателей, по формуле (9.9).

13. Вычислить кпд СВП по формуле (9.1).

В системе СВП содержится объем V = 10 л воды.

 

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 9

 

1. Что позволяет обеспечить нагрев воды в гелиоводоподогревателе (СВП) до температур выше 50°С?

2. Что такое КПД СВП?

3. Что такое кратность циркуляции в СВП.?

4. Типы СВП.

5. Какие преимущества и недостатки имеет СВП с естественной циркуляцией?

6. Каковы достоинства и недостатки СВП с принудительной циркуляцией?

7. Что такое концентраторы энергии СВП?

8. Каково потребление тепловой энергии на подогрев воды в РБ?

9. Какова продолжительность эффективной работы СВП в течение года в РБ?

10. Расчетная потребность горячей воды на человека?

 

В начало

Лабораторная работа №10

 

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

 

Цель работы:определение значений равновесной температуры поверхности в условиях лучистого теплообмена при изменении коэффициента пропускания промежуточного слоя.

 

Общие положения

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины. Поток излучения–величина, равная энергии, переносимой электромагнитными… Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) –величина, равная отношению потока излучения к площади…

Коэффициент отражения (отражательная способность) тела -величина, равная отношению потока излучения, отраженного поверхностью тела, к падающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, которые рассеивают падающее солнечное излучение, эту величину также называют альбедо.

Альбедо – отношение потока излучения, рассеиваемого поверхностью, к падающему на поверхность потоку излучения

Парниковый эффект– свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей.

Закон Стефана–Больцмана:величина, численно равная полной энергии излучения тела с единицы его поверхности в единицу времени, называется энергетической светимостью или энергетической яркостью тела и представляет собой плотность потока лучистой энергии.

E0 = s0 T 4 , (10.1)

 

где s0 = 5,67 ×10–8 Вт/(м2×К4), называется постоянной Стефана-Больцмана (константа излучения абсолютно черного тела ).

Т – температура тела, К.

Энергетическая светимость реальных тел при той же температуре меньше, чем абсолютно черного тела. Для не абсолютно черных («серых») тел в закон Стефана-Больцмана вводится поправочный коэффициент e, называемый интегральной излучательной способностью или степенью черноты серого тела, и этот закон записывается в виде

 

Е = es0 T 40 Т 4 , Вт/м2, (10.2)

 

где С0=5,67 Вт/(м2×К) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – температура тела, К.

Для абсолютно черного тела e = 1, для «серого» тела – e < 1.

Закон смещения Вина. Тепловое излучение содержит широкий спектр длин электромагнитных волн. Однако каждому значению температуры тела соответствует определенная длина волны lmax, на которую приходится наибольшая доля переносимой энергии. Значение этой длины волны обратно пропорционально температуре тела и определяется следующим законом смещения Вина:

lmax = b/T , (10.3)

 

где b = 2,898×10–3 (м×К), называется постоянной Вина.

Из этого закона видно, что с ростом температуры эта длина волны уменьшается и смещается из красной в сторону фиолетовой области спектра.

Например:

§ на поверхности Солнца Т = 6000 К и lmax = 0,483 мкм,

§ на поверхности Земли Т = 300 К и lmax = 9,66 мкм,

§ криогенные температуры (жидкий азот) Т = 4,2 К и lmax = 690 мкм.

Из приведенных выше цифр видно, что тепловое излучение тел с температурами, обычно достигаемыми в земных условиях, сосредоточено в инфракрасной области.

Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, т.к. альбедо земной поверхности мало.

На поверхность земного шара попадает около 1,2×1017 Вт солнечной энергии, что примерно в 20000 раз больше мощности всех электростанций планеты. Мощность солнечного излучения за пределами атмосферы составляет 1396 Вт/м2, однако на земной поверхности эта величина меньше из-за поглощения атмосферой. Около 31% падающего на Землю коротковолнового излучения Солнца отражается обратно в космос, а 19% этого излучения поглощается атмосферой и вызывает ее нагрев.

Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.

Особенно эффективными поглотителями солнечной радиации в атмосфере являются водяной пар, двуокись углерода, кислород и озон. Остальное количество излучения достигает поверхности земного шара в виде прямого и рассеянного излучения.

Из этого потока солнечной энергии 3% отражается от поверхности Земли, а 47% превращается в тепло. При этом происходит повышение температуры и поверхность испускает часть поглощенной энергии в виде излучения. Она переизлучает в окружающее пространство в длинноволновой области спектра (поскольку максимум излучения поверхности Земли согласно закону Вина лежит в инфракрасном диапазоне). Почти вся солнечная радиация, достигающая Земли имеет длину волны менее 4 мкм, тогда как излучение земной поверхности имеет более широкий диапазон (от 4 до 40 мкм).

Поглощение в атмосфере, которое сравнительно невелико в диапазоне 500-1000 нм, намного выше для излучения поверхности Земли из-за присутствия молекул воды, углекислого газа, кислорода и метана, имеющих сильные полосы поглощения в инфракрасной области. В диапазонах 3,0-4,5 мкм и 8,5-14 мкм земная атмосфера имеет окна прозрачности, а в остальных областях почти полностью поглощает инфракрасное излучение. Поскольку поверхность Земли находится в равновесном состоянии (т.е. отдает в космос такое же количество энергии, которое получает), то температура поверхности и атмосферы возрастает для сохранения баланса. В этом состоит явление парникового эффекта в земной атмосфере.

Температура поверхности Земли для состояния термодинамического равновесия определяется, таким образом, из баланса потоков теплового излучения в данной системе:

 

(1–АВ)Е0 p R2=s Tэфф4 4 R2 , (10.4)

 

где: АВ – интегральный полусферический коэффициент отражения поверхности планеты;

Е0 поток излучения от Солнца, Вт/м2;

s –постоянная Стефана-Больцмана; R радиус планеты;

Тэфф эффективная температура планеты.

Под эффективной температурой понимается фиктивное значение, при котором расчетная энергия, излучаемая абсолютно черным телом с той же поверхностью, что и у планеты, совпадает с энергией, излучаемой планетой во всем спектре. Сравнение значений средней и эффективной температуры поверхности позволяет судить о влиянии парникового эффекта в атмосфере на тепловой режим планеты.

При использовании замкнутых светопроницаемых объемов для создания парникового эффекта в растениеводстве устраняется, кроме того, влияние конвекции на унос теплоты от поверхности грунта и температура изолированной поверхности возрастает в еще большей степени.

 

Методика расчета

Максимальное значение длины волны теплового излучения (мкм) для излучающей поверхности определяется из закона Вина:   lmaxT=2896 . (10.5)  

Описание установки

  Рис. 10.1. Схема экспериментальной установки:

Порядок выполнения работы

1. Извлеките окна пропускания из мест их установки и отложите их в сторону. 2. Включите питание двухканального цифрового термометра и убедитесь в… 3. Включите питание протяженного излучателя (галогенная лампы) в сеть через линейный автотрансформатор (ЛАТР),…

Таблица 10.1

 

№ п/п Температуры ячеек без окон прозрачности, К Средняя температура поверхности, К Температуры ячеек с окнами прозрачности, К Средняя температура поверхности, К
T1 Т2 T1 Т2 T1 Т2 T1 Т2
               
       
       
       

 

Таблица 10.2

 

№ п/п Температуры ячеек без окон прозрачности, К Температуры ячеек с окнами прозрачности, К
T1 Т2 T1 T2
         
         
         

Обработка результатов измерений

Для каждого теплового режима исследуемой поверхности определите среднее значение температуры. Относительное значение повышения температуры поверхности из-за парникового…   (10.8)

Контрольные вопросы по лабораторной работе № 10

 

1. Сколько процентов солнечного излучения отражается от земной атмосферы?

2. Что поглощает солнечное излучение в атмосфере?

3. Что такое коэффициент поглощения?

4. Что такое альбедо?

5. Что понимается под эффективной температурой?

6. В чем заключается парниковый эффект?

7. Что выражает закон Стефана-Больцмана?

8. Что такое смещение Вина?

 

В начало

Литература

 

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии. М., Энергоатомиздат, 1990.

2. Курс лекций «Основы энергосбережения». Под ред. Хутской Н.Г. Мн, Технология, 1999.

3. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М., 1981.

4. Кондратьев К. Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1956.

5. Закон Республики Беларусь об энергосбережении. Энергоэффективность. -1998. №7.

6. Государственная научно-техническая программа "Энергосбережение". Мн., 1996.

7. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды В.В.Харитонов и др.; Под ред. ВВ. Харитонова: Мн., Выш. школа,1988.

8. Драгун В,Л., Конев С.В. Тепловые насосы, В мире тепла Мн., Наука и техника, 1991.

9. Рэи Д., Макмаикл Д. Тепловые насосы.- М., Энергоиздат, 1982

10. Марочкин В.К., Баилук Н Д., Брилевский М.Ю. Использование вторичных топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве. Мн., Ураджай, 1989.

11. Кондратьев К. Я. Актинометрия. Л., Гидрометеоиздат, 1965.

12. Емцов Б.Т. Техническая гидромеханика. Л.,Машиностроение, 1987.

13. Лабораторный практикум по курсу «Основы энергосбережения». Под ред. В.Г. Баштового. Мн, БГПА, 2000.

14. Кириленко А.И, Янцевич И.В. Методическое пособие «Энергоэффективное освещение». Мн, БГПА, 2000.

15. Камке Д., Крамер К. Физические основы единиц измерения. М., 1980.

В начало


ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

Тарировочная кривая для определения расхода воды

по перепаду давления на диафрагме

 

 

В начало


ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Градуировочная таблица для термопар.

Термопара «хромель-копель»

 

Темпера-тура рабо-чего конца °С ТермоЭДС, мВ, температура, °С
                   
-90 -5,146 -5,196 -5,246 -5,296 -5,346 -5,396 -5,445 -5,494 -5,543 -5,592
-80 -4,634 -4,686 -4,738 -4,790 -4,841 -4,892 -4,943 -4,994 -5,045 -5,096
-70 -4,106 -4,160 -4,213 -4,266 -4,319 -4,372 -4,425 -4,478 -4,530 -4,582
-60 -3,562 -3,617 -3,672 -3,727 -3,782 -3,836 -3,890 -3,945 -3,999 -4,052
-50 -3,003 -3,059 -3,116 -3,172 -3,228 -3,284 -3,340 -3,396 -3,451 -3,507
-40 -2,429 -2,487 -2,545 -2,603 -2,660 -2,718 -2,775 -2,832 -2,889 -2,946
-30 -1,841 -1,901 -1,960 -2,019 -2,078 -2,137 -2,196 -2,254 -2,313 -2,371
-20 -1,240 -1,301 -1,361 -1,422 -1,482 -1,542 -1,602 -1,662 -1,722 -1,782
-10 -0,626 -0,688 -0,750 -0,812 -0,873 -0,935 -0,996 -1,057 -1,118 -1,179
-0,063 -0,126 -0,189 -0,252 -0,315 -0,377 -0,440 -0,502 -0,564
                     
0,063 0,127 0,190 0,254 0,318 0,381 0,445 0,509 0,574
0,638 0,702 0,767 0,832 0,896 0,961 1,026 1,091 1,157 1,222
1,287 1,353 1,418 1,484 1,550 1,616 1,682 1,748 1,815 1,881
1,947 2,014 2,081 2,148 2,214 2,282 2,349 2,416 2,483 2,551
2,618 2,686 2,753 2,821 2,889 2,957 3,025 3,094 3,162 3,260
3,299 3,367 3,436 3,505 3,574 3,643 3,712 3,781 3,850 3,920
3,989 4,059 4,128 4,198 4,268 4,338 4,408 4,478 4,548 4,619
4,689 4,760 4,830 4,901 4,972 5,042 5,113 5,184 5,255 5,327
5,398 5,469 5,541 5,612 5,684 5,756 5,828 5,899 5,971 6,043
6,116 6,188 6,260 6,333 6,405 6,478 6,550 6,623 6,696 6,769
                     
6,842 6,915 6,988 7,061 7,135 7,208 7,281 7,355 7,429 7,502
7,576 7,650 7,724 7,798 7,872 7,946 8,021 8,095 8,169 8,244
8,318 8,393 8,468 8,543 8,618 8,693 8,768 8,843 8,918 8,993
9,069 9,144 9,220 9,295 9,371 9,446 9,522 9,598 9,674 9,750
9,826 9,902 9,979 10,055 10,131 10,208 10,284 10,361 10,438 10,514
10,591 10,688 10,745 10,822 10,899 10,976 11,054 11,131 11,208 11,286
11,363 11,441 11,519 11,596 11,674 11,752 11,830 11,908 11,986 12,064
12,142 12,221 12,299 12,377 12,456 12,534 12,613 12,692 12,770 12,849
12,928 13,007 13,086 13,165 13,244 13,323 13,403 13,482 13,561 13,641
13,720 13,800 13,879 13,959 14,039 14,119 14,199 14,278 14,359 14,439

 

 

В начало


ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Свойства насыщенных паров фреона-12

Окончание прил. 3 … В начало ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Учебное издание

 

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (ПРАКТИКУМ)

по курсу «Основы энергосбережения»

для студентов технических специальностей

 

 

Составители:

БАШТОВОЙ Виктор Григорьевич

ВОЛКОВ Юрий Анатольевич

КЛИМОВИЧ Сергей Викторович и др

 

Редактор

Подписано в печать

Формат 60х84 1/16. Бумага тип. № 2. Офсет. печать.

Усл. печ. л. , . Уч. изд. л. 2, . Тираж . Зак. .

Издатель и полиграфическое исполнение:

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Лицензия ЛВ № 155 от 30.01.99. 220027, Минск, пр. Ф. Скорины, 65.

 

– Конец работы –

Используемые теги: курсу, основы, энергосбережения0.069

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: По курсу Основы энергосбережения

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Краткий курс механики в качестве программы и методических указаний по изучению курса Физика Краткий курс механики: Программа и методические указания по изучению курса Физика / С
Федеральное агентство железнодорожного транспорта... Омский государственный университет путей сообщения...

Ведение в курс "Основы экономической теории" (Введення в курс "Основи економiчної теорiї)
В працях Ксенофонта 430 355 рр. до н. е Платона 427 347 рр. .о н. Аристотеля 384 322 рр. до н. е а також мислителв стародавнього Риму, нд, Китаю… Але не кожна економчна думка розвиваться у систему поглядв ста економчним… Н в рабовласницькому, н у феодальному суспльств ще не снувало струнко системи економчних поглядв на економчн процеси.…

Курс лекций по деталям машин Детали машин являются первым из расчетно-конструкторских курсов, в котором изучаются основы проектирования машин и механизмов
Детали машин являются первым из расчетно конструкторских курсов в котором... Машина устройство выполняющее преобразование движения энергии материалов и информации В зависимости от функций...

В КУРС ОСНОВЫ РИМСКОГО ПРАВА В центре внимания нашего курса находится правовая система, сложившаяся в Древнем Риме
ВВЕДЕНИЕ... В КУРС ОСНОВЫ РИМСКОГО ПРАВА Право Древнего Рима это яркая и значительная страница мировой истории В своем зрелом классическом состоянии оно восходит к наиболее выдающимся...

КУРС ЛЕКЦІЙ з курсу Основи роботи з графічним редактором AutoCAD................................................................. 3
КУРС ЛЕКЦІЙ... з курсу КОМП ЮТЕРНЕ ПРОЕКТУВАННЯ...

Предмет и задачи курса Основы идеологии белорусского государства. Понятийный аппарат курса Понятие источников идеологии. Источники идеологии белорусского государства
Предмет и задачи курса Основы идеологии белорусского государства Понятийный аппарат курса... Эволюция содержания понятия идеология и его современное значение Теория... Понятие источников идеологии Источники идеологии белорусского государства...

Курс русской истории Лекции I—XXXII Курс русской истории – 1 КУРС РУССКОЙ ИСТОРИИ Лекции I—XXXII Василий Осипович Ключевский
Курс русской истории Лекции I XXXII... Курс русской истории...

Лекція 1. Вступ до курсу історії України 1. Курс історії України в системі гуманітарних наук. Предмет, мета та завдання курсу. 2. Періодизація історії України
Лекція Вступ до курсу історії України План...

Социология. Краткий курс Социология. Краткий курс. : ООО Питер Пресс ; Санкт-Петербург; 2007 Социология. Краткий курс Предмет и история социологии Борис Акимович Исаев
Социология Краткий курс... RU http www litru ru bd b Социология Краткий курс ООО Питер Пресс Санкт Петербург...

Основы планирования. Теоретические основы управления проектами. Основы планирования. Планирование проекта в MS Project 7
Использованная литература В В Богданов Управление проектами в Microsoft Project Учебный курс Санкт Петербург Питер г...

0.046
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам