Обробка експериментальних даних

При обробці експериментальних даних вважати, що вся споживана нагрівачами електрична потужність W перетворюється на теплову і повністю передається через теплову трубу і мідний стрижень. (При цьому нехтують втратами теплоти через їх бічні теплоізольовані поверхні). Тоді кількість теплоти Q, що передається через поперечний перетин теплової труби і мідного стрижня в одиницю часу, рівна потужності нагрівачів W: Q/Dt =W.

З урахуванням цього, формули (4.1), (4.2) для обчислення коефіцієнтів теплопровідності набудуть вигляду

l = W/ F grad t, де grad t = .

(4.3)

 

1. Використовуючи експериментальні дані, обчислити за цими формулами коефіцієнти теплопровідності l для теплової труби і мідного стрижня і занести їх до табл. 4.1. (Переконатися в тому, що значення цих коефіцієнтів у теплової труби значно вищі, ніж у мідного стрижня).

2. Побудувати графік залежності температури теплової труби і мідного стрижня в часі (за свідченнями середніх термопар). Переконатися, що теплова труба значно швидше виходить на стаціонарний режим роботи.

3. Побудувати графік розподілу температур по довжині теплової труби і мідного стрижня в стаціонарному режимі за свідченнями всіх термопар. Переконатися в тому, що розподіл температури уздовж теплової труби більш рівномірний, ніж уздовж мідного стрижня.

 

ПРИМІТКИ:

1. Обчислений коефіцієнт теплопровідності для теплової труби має деяке ефективне значення, оскільки основним механізмом перенесення теплоти в нім є не теплопровідність, а конвекція. Проте порівняння цієї величини з теплопровідністю мідного стрижня дає їх порівняльну характеристику на користь теплової труби.

2. Як перепад температур t для обчислень використовувати різницю свідчень в стаціонарному режимі крайніх термопар 1 і 3 для мідного стрижня і термопар 4 і 6 для теплової труби.

3. Площі F поперечного перетину теплової труби і мідного стрижня визначаються за їх діаметрами, діаметр теплової труби d = 13 мм, довжина L = 250 мм, діаметр стрижня d = 12 мм, довжина L = 250 мм. F = p d2/ 4.

 

Література

1. Дан П.Д., Рэй Д.А. Теплові труби.– М.: Енергія, 1979. – 272 с.

2. Уазільев Л.Л. Теплообмінники на теплових трубах. - Мінськ: Наука і техніка, 1981. – 143 с.

3. Низькотемпературні теплові труби Під ред. Л.Л.Васильева.– Мінськ: Наука і техніка, 1976. – 133 с.

4. Харітну В.В., Глубеу В.М., Овчинників В.М., Ліхдіевзій В.Л. Вторинні теплоенергоресурси і охорона навколишнього середовища. – Мінськ: Виш. школа, 1988. – 181 с.

 

Лабораторна робота № 5 ВИВЧЕННЯ ПРИНЦИПУ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ ВІТРУ У ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ

 

Мета роботи: вивчення принципу перетворення енергії вітру в електричну енергію, пристрої вітроколеса і визначення коефіцієнта потужності вітроенергетичної установки.

 

Загальні відомості

 

Вітер є рух повітряних мас земної атмосфери, викликаний перепадом температури в атмосфері із-за нерівномірного нагріву її Сонцем. Таким чином, використовувана енергія вітру є перетвореною в механічну енергією Сонця.

Пристрої, що перетворюють енергію вітру в корисну механічну, електричну або теплову види енергії, називаються вітроенергетичні установками (ВЕУ), або вітроустановками.

Енергія вітру в механічних установках, наприклад, на млинах і у водяних насосах, використовується вже декілька сторіч. Після різкого стрибка цін на нафту в 1973 році інтерес до таких установок різко зріс. Велика частина існуючих вітроустановок побудована в кінці 70-х – на початку 80-х років на сучасному технічному рівні при широкому використанні останніх досягнень аеродинаміки, механіки, мікроелектроніки для контролю і управління ними.

Білоруська енергетична програма до 2010 року основними напрямами використання вітроенергетичних ресурсів на найближчий період передбачає їх застосування для приводу насосних установок і як джерела енергії для електродвигунів автономного забезпечення. Ці області застосування характеризуються мінімальними вимогами до якості електричної енергії, що дозволяє різко спростити і здешевити вітроенергетичні установки.

При правильній організації використання вітроенергетики таке дешеве і невичерпне джерело енергії, як вітер, може задовольнити велику частину потреб в будь-якій галузі народного господарства. Установки, що перетворюють енергію вітру в електричну, теплову і механічну, можуть забезпечити:

- автономне енергопостачання різних локальних об'єктів (зрошувальні системи, механізми тваринницьких ферм, вентиляцію, пристрої мікроклімату і т.п.);

- гаряче водопостачання, опалювання, енергозабезпечення холодильних агрегатів;

- під'їм води для садових ділянок, на пасовищах і т.п.;

- відкачування води з систем вертикального і горизонтального дренажу і інших систем.

Порівняно з іншими видами джерел енергії вітроенергетичні установки мають наступні переваги:

- відсутність витрат на здобич і транспортування палива;

- зниження більш ніж в 10 разів трудовитрат на споруду вітроенергетичної установки порівняно з будівництвом теплових або атомних станцій;

- широкий технологічний діапазон прямого використання енергії вітроустановок (автономність або спільна робота з централізованими мережами, сумісність з іншими джерелами поновлюваної енергетики і т.п.);

- мінімальні терміни введення потужностей в експлуатацію;

- поліпшення екологічної обстановки за рахунок зниження рівня забруднення навколишнього середовища.

 

Принцип дії і класифікація ВЕУ

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетвориться в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом ВЕУ, що безпосередньо приймає на себе енергію вітру і, як правило, що перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітрове колесо.

Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на будь-яке тіло, обтічне потоком газу із швидкістю u_0, діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: 1 – уздовж швидкості набігаючого потоку, звану силою лобового опору FC, і 2 – в напрямі, перпендикулярному швидкості набігаючого потоку, звану підйомною силою FП(рис. 5.1).

Рис. 5.1. Сили, що діють на тіло, обтічне потоком газу

 

Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу і від швидкості газу. Дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітроколесо) приводиться в обертання.

Вітроустановки класифікуються за двома основними ознаками -геометрією вітроколеса і його положенням щодо напряму вітру.

Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою.

Вітроколесо з горизонтальною віссю, що використовує підйомну силу (дво- або трилопатеве вітроколесо), показано на рис. 5.2 (а, б, в, г).

 

 

Рис. 5.2. Типи вітряних коліс

 

Вітроустановки, що використовують силу лобового опору, складаються з укріплених вертикально-осьових лопатей різної конфігурації (рис. 5.2 е, ж, з, и, д).

На рис. 5.2, д представлене вітроколесо, що використовує ефект Магнуса (ефект виникнення підйомної сили, перпендикулярної напряму вітру, при обертанні циліндра або конуса).

Установки, що використовують силу лобового опору, як правило, обертаються з лінійною швидкістю, меншою за швидкість вітру, а установки, що використовують підйомну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей, істотно більшу за швидкість вітру.

Кожне вітроколесо характеризується:

- площею S (для горизонтально-осьових вітроколіс), тобто площею, що покривається його лопатями при обертанні, і рівною S = pD²/4, де D – діаметр вітроколеса, або площею лобового опору (для вертикально-осьових вітроколіс) S = h b, де h і b – відповідно висота ротора і його середній діаметр;

- геометричним заповненням, рівним відношенню площі проекції лопатей на площину, перпендикулярну потоку, до площі (так, наприклад, при однакових лопатях чотирилопатеве колесо має удвічі більше геометричне заповнення, чим дволопатеве);

- коефіцієнтом потужності CP, що характеризує ефективність використання вітроколесом енергії вітрового потоку і залежний від конструкції вітроколеса;

- коефіцієнтом швидкохідності Z, що є відношенням швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

При швидкості вітру u₀ і щільності повітря вітроколесо з площею S розвиває потужність N = CN S u₀ ^3/2.

З цієї формули видно, що ця потужність пропорційна кубу швидкості вітру.

За теорію Н. Жуковського максимальне значення коефіцієнта потужності 0,6-0,69. На практиці кращі швидкохідні колеса мають CN ~ 0,45-0,48; у тихохідних коліс CN ~ 0,35-0,38.

ВЕУ з великим геометричним заповненням вітроколеса розвивають значну потужність при відносно слабкому вітрі, і максимум потужності досягається при невеликих оборотах колеса. ВЕУ з малим заповненням досягають максимальної потужності при великих оборотах і довше виходять на цей режим. Тому перші використовуються, наприклад, у водяних насосах і навіть при слабкому вітрі зберігають працездатність, а другі – як електрогенератори, де потрібна висока частота обертання.

 

Експериментальна установка

 

Робота виконується на аеродинамічній трубі 1 (рис. 5.3). У трубі повітряний потік створюється осьовим вентилятором (на малюнку не показаний). Величина швидкості потоку в трубі регулюється зміною струму живлення вентилятора. Швидкість повітряного потоку в робочій області труби визначається за допомогою трубки Піто-прандтля 2 і мікроманометра 3. У робочу зону труби 1 встановлене вітроколесо 4 з електричним генератором 5. До генератора підключено навантаження 6. У ланцюг навантаження підключені також вольтметр 7 і амперметр 8.

Рис. 5.3. Схема експериментальної установки

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з різними типами вітряних коліс. За вказівкою викладача встановити необхідний тип вітроколеса в робочу зону аеродинамічної труби.

2. У разі відсутності потоку повітря в трубі відзначити початкове свідчення мікроманометра l₀.

3. Включити блок живлення аеродинамічної труби. Встановити необхідне значення швидкості повітряного потоку в робочій зоні шляхом зміни струму живлення вентилятора аеродинамічної труби.

4. Зміряти значення швидкості u₀ потоку за допомогою трубки Піто-прандтля. Для цього необхідно зняти свідчення мікроманометра l. Дані записати до табл. 7.1.

5. Зміряти напругу U, що створюється електричним генератором, і струм I в навантаженні 6.

6. Змінити величину швидкості повітряного потоку в аеродинамічній трубі. Провести всі вищезгадані вимірювання.

Замінити вітроколесо. Виконати вимірювання, описані в пп. 3-6.

 

Заменіти вітроколесо. Виконати розрахунки, описані в пп. 3-6.

 

Таблиця 5.1

Тип вітроколеса	№ досліду	Показання мікроманометра	u 0, м/с	Параметри генератора вітроустановки	CN
l 0, мм	l, мм	U, В	I, А	N, Вт