Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Тверской государственный технический университет
Кафедра «Гидравлика, теплотехника и гидропривод»
ТЕПЛОТЕХНИКА
Методические указания к лабораторным работам
для студентов всех специальностей и форм обучения
Тверь 2007
УДК 621.1(075.8)
ББК 31.3 я 7
Содержится описание семи лабораторных работ (четыре работы по термодинамике и три по теплообмену), действующих в настоящее время в теплотехнической лаборатории.
Основу содержания практикума составляют методические указания к лабораторным работам по теплотехнике, составленные в 1983 году. В предлагаемом пособии расширено теоретическое обоснование проводимых экспериментов, введены дополнительные формулы для расчета ряда величин, повышающие точность обработки опытных данных, значительно увеличен перечень контрольных вопросов к каждой лабораторной работе.
Предназначено для студентов ТГТУ, обучающихся по специальностям: 090500, 171800, 230100, 210200, 250500, 070100, 170600, 170500, 171100 при изучении дисциплин: «Термодинамика», «Теплотехника», «Техническая термодинамика и теплотехника»,
Подготовлено на кафедре «Гидравлика, теплотехника и гидропривод» Тверского государственного технического университета.
Обсуждено и рекомендовано к изданию на заседании кафедры (протокол № __ от __ ________ 2007г.).
© Тверской государственный
технический университет, 2007
ВВЕДЕНИЕ
Современные энерготехнологические системы требуют от специалиста глубокого понимания законов и принципов действия теплового оборудования, встроенного в эти системы. Только достаточно высокий уровень общеэнергетической подготовки позволит специалисту решать задачи по созданию современных экономически выгодных агрегатов и по повышению их энергетической эффективности. Лабораторные исследования позволяют более глубоко понять основные законы термодинамики и теплообмена, принципы работы тепловых машин. Обработка ряда опытных данных осуществляется с помощью диаграмм и таблиц, умение пользоваться которыми необходимо каждому инженеру. В лаборатории студент знакомится с некоторыми методами определения теплофизических величин, что очень важно при использовании новых материалов.
Указания по оформлению отчетов к лабораторным работам
2. Результаты выполнения лабораторной работы должны быть занесены в «Таблицу наблюдений» чернилами (пастой) и предъявлены преподавателю для подписи.
3. Расчеты должны быть полностью приведены в отчете с указанием используемых формул и пояснением к ним.
4. При расчетах обязательно указывать размерности определяемых величин.
5. Графический материал оформлять на миллиметровой бумаге с указанием выбранных масштабов.
6. Защита лабораторных работ проводится в соответствии с учебным графиком. После защиты отчет по данной работе сдается преподавателю.
Работа 1. Первый закон термодинамики
1. Цели работы
Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, подведенного к рабочему телу (воздуху) в условиях лабораторной установки; определение адиабатного кпд компрессора.
2. Основные положения
Математическое выражение первого закона термодинамики для потока рабочего тела для данной лабораторной установки в расчете на 1 кг рабочего тела имеет вид
, (1)
где – означают соответственно изменение энтальпии, кинетической и потенциальной энергии потока; q и lт – означают соответственно теплоту и техническую работу на рассматриваемом участке.
Адиабатным коэффициентом полезного действия (ηк) называется отношение мощности, расходуемой на изоэнтропное сжатие (Nо), к мощности, сообщаемой компрессору (Nк):
(2)
или отношение теоретической работы при адиабатном сжатии (lообр) к действительной работе (технической), затрачиваемой на привод компрессора (lт):
. (3)
Тогда мощность, затраченная на изоэнтропное сжатие(Nо) при известном расходе рабочего тела (G), находится по формуле
.
Мощность, подведенная к компрессору (Nк), расходуется на изоэнтропное сжатие (Nо) и на преодоление потерь (Nп) , сопровождающих процесс сжатия, т.е.
.
Численное значение мощности, подведенной к компрессору (Nк), можно определить через мощность (Nэ), потребляемую электродвигателем компрессора, и коэффициент полезного действия привода компрессора (ηпр):
, (4)
где ηпр – коэффициент полезного действия привода компрессора, учитывающий потери в электродвигателе (ηэ), механические потери (ηм) и передачу тепла потоку рабочего тела при охлаждении электродвигателя, за счет обтекания его потоком рабочего тела. Численное значение ηпр находится специальными опытами и в данном случае равно значению 0,51 (51%); Nэ – мощность, подведенная к электродвигателю компрессора.
3. Схема и описание установки
Рабочее тело – воздух – компрессором 1 (рис. 1) забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Воздух на пути из окружающей среды в компрессор проходит через воздухомерное устройство 3 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящего через установку, может изменяться с помощью заслонки 6. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 9 «Окружающая среда» (ртутный, чашечный барометр и жидкостно-стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры» расположены три U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н), на входе в компрессор (Нв) и за компрессором (Нн). В результате подведенного к трубе 5 тепла, воздух, проходя от сечения I–I, где его температура равна температуре окружающей среды, нагревается до температуры tвII, которая измеряется термопарой 7 в комплекте с вторичным прибором.
Рис. 1. Схема установки
Для определения мощности, подведенной к электродвигателю 2 компрессора служит панель 8 «Работа компрессора», с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Индикатор 10 фиксирует удлинение трубы при её нагреве, которое прекращается в момент установления стационарного режима.
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включить электронагрев трубы 5 и, спустя некоторое время ( по указанию преподавателя), компрессор 1, предварительно установив заслонку 6 в исходное положение.
2. По истечении времени выхода установки на стационарный режим, снять показания приборов и соответствующие величины записать в протокол наблюдений (табл. 1).
3. Изменив расход воздуха с помощью заслонки 6 и выждав время перехода установки в новое тепловое равновесие, снять показания приборов и занести в протокол.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||||
|
1 |
Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I–I) |
tвI |
°С |
||||||
|
2 |
Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II–II) |
tвII |
°С |
||||||
|
3 |
Показания вакуумметра («горло») воздухомера |
H |
мм вод.ст. |
||||||
|
4 |
Показания вакуумметра перед компрессором |
Нв |
мм вод.ст. |
||||||
|
5 |
Показания пьезометра после компрессора |
Нн |
мм вод.ст. |
||||||
|
6 |
Напряжение и сила тока, потребляемого компрессором |
Uк |
в |
||||||
|
Iк |
а |
||||||||
|
7 |
Показания барометра |
B |
мбар |
||||||
|
8 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
,кг/м3 ,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
4. Расход воздуха
,кг/с.
5. Плотность воздуха на выходе из трубы
,кг/м3.
6. Средняя скорость воздуха на выходе из трубы
,м/с,
где F = 1,35·10-3, м2 – живое сечение трубы.
7. Кинетическая энергия в выходном сечении II – II
,кДж/кг.
Так как WI <<<WII, то можно считать WI = 0 и найденное значение Экин одновременно соответствует величине изменения кинетической энергии потока в уравнении (1).
8. Изменение потенциальной энергии на участке I – II
,кДж/кг.
Так как в данной работе (ZII – ZI) = 0,4 м, то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.
9. Теоретическая работа сжатия воздуха в компрессоре может быть найдена из рассмотрения процесса сжатия на диаграмме P-v (рис. 2).
, Дж/кг.
10. Значения абсолютных давлений находятся через показания манометров по известному соотношению
, Па. (5)
В соответствии с выражением (5) абсолютное давление перед компрессором Р1 и после компрессора Р2 находится по формулам
, Па, , Па,
где Нв – показание вакуумметра перед компрессором, переведенное в м вод.ст.; Нн - показание пьезометра после компрессора, переведенное в м вод.ст.
11. Удельные объемы воздуха на входе в компрессор и на выходе из него, соответственно, определяются
по уравнению Клапейрона , м3/кг;
по уравнению адиабаты , м3/кг; k = 1,4.
Примечание. Численные значения удельных объемов следует рассчитать с достаточно высокой точностью (не менее шести значащих цифр после запятой).
12. Значения удельной энтальпии воздуха в сечениях I – I и II – II определяются по общему уравнению в зависимости от температуры воздуха
, кДж/кг,
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1,006 кДж/(кг·град).
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозначение |
Единицы измерения |
Номера опытов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||||
|
1 |
Атмосферное давление |
Ратм |
Па |
||||||
|
2 |
Перепад давления воздуха в воздухомере |
ΔР |
Па |
||||||
|
3 |
Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера |
ρв |
кг/м3 |
||||||
|
4 |
Расход воздуха |
G |
кг/с |
||||||
|
5 |
Плотность воздуха на выходе из трубы |
ρвII |
кг/м3 |
||||||
|
6 |
Средняя скорость воздуха на выходе из трубы |
WII |
м/с |
||||||
|
7 |
Изменение кинетической энергии потока |
ΔЭкин |
кДж/кг |
||||||
|
8 |
Абсолютное давление перед компрессором |
Р1 |
Па |
||||||
|
9 |
Абсолютное давление за компрессором |
Р2 |
Па |
||||||
|
10 |
Удельный объем воздуха на входе в компрессор |
v1 |
м3/кг |
||||||
|
11 |
Удельный объем воздуха на выходе из компрессора |
v2 |
м3/кг |
||||||
|
12 |
Теоретическая работа сжатия воздуха |
lообр |
кДж/кг |
||||||
|
13 |
Удельная энтальпия воздуха в сечении I – I |
hI |
кДж/кг |
||||||
|
14 |
Удельная энтальпия воздуха в сечении II – II |
hII |
кДж/кг |
||||||
|
15 |
Мощность, потребляемая двигателем компрессора |
Nэ |
кВт |
||||||
|
16 |
Мощность, затраченная на изоэнтропное сжатие |
Nо |
кВт |
||||||
|
17 |
Мощность, подведенная к компрессору |
Nк |
кВт |
||||||
|
18 |
Действительная работа сжатия воздуха |
lт |
кДж/кг |
||||||
|
19 |
Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора |
ηк |
% |
||||||
|
20 |
Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II |
q |
кДж/кг |
13. Мощность, потребляемая электродвигателем компрессора Nк, находится по формуле (4),где Nэ = Iк·Uк·10-3, кВт.
14. Действительная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (техническая работа), находится по соотношению
, кДж/кг.
15. Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора рассчитывается по формуле (2) или (3).
16. Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II, определяется с учетом знаков полученных величин по формуле
, кДж/кг.
17. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
6. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?
6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.
7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?
8. Дайте определения и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
9. Что означают знаки « + » и « – » для теплоты и работы?
10. Сравните величины lообр и lт. Какая из них больше и почему? Дайте пояснения к формулам, по которым они рассчитываются.
11. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
12. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.
13. Дайте понятие адиабатного коэффициента полезного действия компрессора.
Работа 2. Первый закон термодинамики В ПРИЛОЖЕНИИ
К РЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
1. Цель работы
Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки.
2. Основные положения
Одно из возможных формульных представлений первого закона термодинамики в расчете на 1 кг массы рабочего тела имеет вид
,
где – соответственно суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы; Δh – изменение энтальпии рабочего тела,; ΔЭкин – изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела, ; ΔЭпот – изменение потенциальной энергии потока 1 кг рабочего тела, ; h1, W1 и Z1 – соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего тела; h2, W2 и Z2 – соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока рабочего тела.
Вся термодинамическая система, представленная на рис. 3., делится на два участка (две подсистемы): первый участок – от входного сечения 1 до сечения 2а, второй – от сечения 2а до сечения 2. Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией).
При установившемся режиме теплообмена в установке внутри и с окружающим воздухом температура трубы (tx) не меняется. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для 1-го участка (подсистемы) приобретает вид
, (1)
где lэ1 – работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению
,
где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; Nк – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности передается воздуху в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть – в виде тепла; qн1 – количество тепла, отдаваемое системой на 1-ом участке в окружающую среду.
Расчетная схема 1-го участка (подсистемы) может быть представлена в виде схемы (Рис. 1.).
Уравнение первого закона термодинамики для 2-го участка (подсистемы) приобретает вид:
, (2)
где lэ2 – работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению
,
где Nн – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qн2 – количество тепла, отдаваемое системой на 2-ом участке в окружающую среду.
Расчетная схема 2-го участка может быть представлена в виде схемы (Рис. 2.)
Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде
,
где qн1 + qн2 = qн – общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду.
3. Схема и описание установки
Рабочее тело – воздух – компрессором 1 забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Воздух на пути из окружающей среды в компрессор проходит через воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящего через установку, может изменяться с помощью заслонки 3.
Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11 «Окружающая среда» (ртутный, чашечный барометр и жидкостно-стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры» расположены три U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н), и за компрессором (Нн). В результате подведенного тепла воздух, проходя от сечения 1–1, где его температура равна температуре окружающей среды t1 = tокр, нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором. Температура воздуха на выходе из трубы находится по показаниям прибора 7. Тепловая мощность, необходимая для нагрева трубы, обеспечивается трансформатором 9. Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора», с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы». Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора», с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы».
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включить электронагрев трубы 5 и, спустя некоторое время (по указанию преподавателя), включить компрессор 1, предварительно установив заслонку 3 в исходное положение.
2. При установившихся показаниях приборов (стационарный режим) снять показания приборов и соответствующие величины записать в протокол наблюдений (табл. 1).
3. Изменив расход воздуха с помощью заслонки 3 и выждав время перехода установки в новое тепловое равновесие, снять показания приборов и занести в протокол.
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
, кг/м3,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||||
|
1 |
Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I) |
t1 |
°С |
||||||
|
2 |
Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIа) |
t2а |
°С |
||||||
|
3 |
Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II) |
t2 |
°С |
||||||
|
4 |
Показания вакуумметра («горло» воздухомера) |
Н |
мм вод.ст. |
||||||
|
5 |
Показания пьезометра (после компрессора) |
Нн |
мм вод.ст. |
||||||
|
6 |
Напряжение и сила тока, потребляемого компрессором |
Uк |
в |
||||||
|
Iк |
а |
||||||||
|
7 |
Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы |
Uн |
в |
||||||
|
Iн |
а |
||||||||
|
8 |
Показания барометра |
B |
мбар |
||||||
|
9 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
4. Расход воздуха
, кг/с.
5. Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу
, Па,
где Нн - показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
6. Плотность воздуха на выходе из компрессора в сечение 2а
, кг/м3,
где t2а – температура воздуха на выходе из компрессора и входе в горизонтальную трубу (сечение 2а), °С.
7. Плотность воздуха на выходе из трубы
, кг/м3,
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение 2), °С.
8. Значения энтальпии воздуха h в сечениях 1, 2a и 2 определяются по общему уравнению
, кДж/кг,
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения (1, 2a или 2).
9. Средняя скорость потока Wj в сечениях 2a и 2 определяется по общему уравнению
, м/с,
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечний IIa и II и равная 1,35·10-3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j - индекс рассматриваемого сечения (2a или 2).
Скорость потока воздуха в сечении 1 (на входе в воздухомер из окружающей среды) должна быть принята равной W1 = 0.
10. Изменение потенциальной энергии на участке 1 – 2а
, кДж/кг.
Так как в данной работе (Z2а – Z1) = 0,4 м, то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.
11. Работа электрического тока lэ1 на 1-ом участке (подсистеме)
, кДж/кг,
где Iк – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, а; Uк – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в.
12. Работа электрического тока lэ2 на 2-ом участке (подсистеме)
, кДж/кг,
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.
13. Результаты расчетов должны быть представлены в сводной табл. 2.
14. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении строк таблицы результатов расчета: ,
Таблица 2.
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||||
|
1 |
Атмосферное давление |
Ратм |
Па |
||||||
|
2 |
Перепад давления воздуха в воздухомере |
ΔР |
Па |
||||||
|
3 |
Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера |
ρв |
кг/м3 |
||||||
|
4 |
Расход воздуха |
G |
кг/с |
||||||
|
5 |
Плотность воздуха в сечении IIа |
ρ2a |
кг/м3 |
||||||
|
6 |
Средняя скорость потока в сечении IIa |
W2a |
м/с |
||||||
|
7 |
Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II) |
ρ2 |
кг/м3 |
||||||
|
8 |
Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II) |
W2 |
м/с |
||||||
|
9 |
Работа электрического тока на первом участке (подсистеме) |
lЭ1 |
кДж/кг |
||||||
|
10 |
Изменение энтальпии потока на первом участке (подсистеме) |
Δh1 |
кДж/кг |
||||||
|
11 |
Изменение кинетической энергии потока на первом участке (подсистеме) |
ΔЭкин1 |
кДж/кг |
||||||
|
12 |
Количество теплоты, отдаваемое на первом участке в окружающую среду |
qн1 |
кДж/кг |
||||||
|
13 |
Работа электрического тока на втором участке (подсистеме) |
lЭ2 |
кДж/кг |
||||||
|
14 |
Изменение энтальпии потока на втором участке (подсистеме) |
Δh2 |
кДж/кг |
||||||
|
15 |
Изменение кинетической энергии потока на втором участке (подсистеме) |
ΔЭкин2 |
кДж/кг |
||||||
|
16 |
Количество теплоты, отдаваемое на втором участке в окружающую среду |
qн2 |
кДж/кг |
||||||
|
17 |
Общее количество тепла, отдаваемое в окружающую среду термодинамической системой |
qн |
кДж/кг |
6. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?
6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.
7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?
8. Дайте определения и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
9. Что означают знаки « + » и « – » для теплоты и работы?
10. На что и каким образом влияет изменение нагрева трубы при постоянном расходе воздуха?
11. На что расходуется мощность, подведенная для нагрева трубы, и как она определяется?
12. . Как осуществляется выбор контрольных оболочек (границ) подсистем (системы) применительно к данной лабораторной работе?
13. В каком месте и почему границы подсистем (системы) размыкаются?
14. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
15. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.
Работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗдУХА
1. Цели работы
Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и освоение методик определения параметров влажного воздуха.
2. Основные положения
Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов процессов сушки влажных материалов и изделий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.
Закон Дальтона – общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси, Па, где В – барометрическое давление; рв и рп – парциальные давления, соответственно, сухого воздуха и водяного пара.
Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано для сухого воздуха и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в виде
(1)
или для 1 кг рабочего тела:
, (2)
где р – парциальное давление компонента, Па; V – объем газовой смеси, м3; m – масса газа, кг; R – характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг·К); Т – абсолютная температура, К; v – удельный объем газа, м3/кг.
Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено по-разному: через абсолютную или относительную влажности, или влагосодержание.
Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1 м3 влажного воздуха. Так как объем водяного пара в 1 м3 влажного воздуха составляет 1 м3, то можно сказать, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара в смеси ρп, кг/м3. Таким образом, абсолютная влажность представляет собой объемную концентрацию пара. Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к насыщению зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше движущая сила процесса сушки, определяемая разностью парциальных давлений паров растворителя над материалом и в окружающем воздухе. Влага переходит из материала в воздух до наступления состояния равновесия. При насыщении воздух не поглощает влагу, и избыточная влага начинает конденсироваться. Поэтому в процессе сушки очень важно знать способность воздуха к насыщению, которая характеризуется относительной влажностью φ.
Относительная влажность — это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха к концентрации водяного пара насыщенного воздуха при одинаковых температурах и давлениях, т. е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре и том же барометрическом давлении
,
где ρп – плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м3; ρн – плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м3.
Из уравнения (2) относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциаль ного давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что водяной пар является идеальным газом, составляет приблизительно 1,5%, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность воздуха при температуре t менее 100°С
.
При температуре выше 100°С относительная влажность определяется по формуле,
где В – барометрическое давление, Па; , кг/м3.
Для абсолютно сухого воздуха, когда рп = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для воздуха, насыщенного водяными парами, рп = рн и φ= 1. Поэтому относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.
Влагосодержание воздуха. Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящаяся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха:
, г/кг,
где Мп и Мв — соответственно, масса водяного пара и сухого газа, кг.
Используя уравнение состояния (1) для влажного воздуха, запишем
, г/кг сух.воз. (3)
Величина В, входящая в формулу, зависит от геогра фического положения местности (для центральных частей России В = 745 мм рт. ст.).
При температуре более 100 °С рн = В, тогда формула (3) приобретает вид
, г/кг сух.воз.,
т. е. величина d при t > 100 °С зависит только от φ.
Теплосодержание влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму теплосодержаний (энтальпий) сухого газа и водяного пара. Теплосодержание I влажного воздуха относится обычно к 1 кг сухого воздуха
, кДж/кг,
где hв = 1,006·t — энтальпия сухого воздуха, кДж/кг (1,006 — средняя удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг·град); hп = (2500+1,97·t) — энтальпия водяного пара, равная сумме его теплосодержания при 0°С и тепла пере грева от 0°C до t (1,97 — средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, кдж/(кг·град).
Таким образом, теплосодержание влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле
, кДж/кг. (4)
Исходя из формулы (4) энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.
Температура точки росы является одной из характеристик влажного воздуха. По этой температуре можно определить относительную влажность воздуха. Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным. При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы (φ = 1). Парциальное давление водяного пара рп равно давлению в состоянии насыщения рн. Температуру точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении насыщения рн или по I–d диаграмме влажного воздуха (рис. 3).
3. Схема и описание установки
Лабораторная установка (рис. 1) состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 5 и так называемого мокрого 4. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды. Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра вентилятором 7 создается поток воздуха, скорость которого измеряется чашечным анемометром 2. При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tс, а мокрый – температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tм.
Причем чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tс – tм). Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6.
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включить вентилятор и при достижении стационарного режима снять показания сухого tс и мокрого tм термометров с точностью до 0,1 °С.
2. С помощью чашечного анемометра определить скорость потока воздуха с точностью до 0,01 м/с и соответствующие величины записать в протокол наблюдений (табл. 1).
3. Включив электронагреватель, перейти к следующему опыту. Выждав время перехода установки в новое тепловое равновесие, снять показания приборов и занести в протокол.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|
|
1 |
2 |
||||
|
1 |
Температура сухого термометра |
tс |
°С |
||
|
2 |
Температура мокрого термометра |
tм |
°С |
||
|
4 |
Скорость потока воздуха |
W |
м/с |
||
|
8 |
Показания барометра |
B |
мбар |
||
|
9 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Приступая к вычислениям, необходимо рассчитать истинное значение температуры мокрого термометра tм– по формуле
, °С,
где tм – показание мокрого термометра в психрометре, °С; Δ – ошибка в процентах от измеренной психрометрической разности (tс – tм), определяемая по графику рис. 2; tс – температура по сухому термометру, °С.
2. Определение относительной влажности:
а) по психрометрической формуле
, %, (5)
где рм – давление насыщения водяного пара при измеренной температуре мокрого термометра; рн – давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра, которые находятся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или по рекуррентной формуле полинома
, Па.(6)
Поправочный коэффициент А, учитывающий влияние скорости воздуха, находится по формуле
, (7)
где В – барометрическое давление; W – скорость воздуха, м/с.
Величины всех парциальных давлений р и барометрического давления В в формулах должны иметь одинаковую размерность (например бар или Па).
б) по I–d диаграмме (рис.3). Для нахождения относительной влажности на диаграмме следует найти точку пересечения изотерм tс и tм′. Затем путем интерполяции между линиями φ = const определяется относительная влажность в %. Кроме того, по I–d диаграмме влажного воздуха в соответствии с найденным положением точки изотерм tс и tм′ определяются: влагосодержание, теплосодержание, температура точки росы и парциальное давление водяного пара во влажном воздухе.
3. Абсолютная влажность воздуха находится по уравнению состояния
, кг/м3,
где φ – относительная влажность в долях единицы; Rп – характеристическая газовая постоянная водяного пара равная 462 Дж/(кг·град); рн – давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра, Па;
4. Влагосодержание воздуха определяется по формуле (3).
5.Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха находится по формуле (4).
6. Парциальное давление пара во влажном воздухе определяем по формуле
, Па.
7. Результаты расчетов по формулам и найденные по I–d диаграмме влажного воздуха должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
6. Контрольные вопросы.
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Как вы понимаете такие состояния, как насыщенный и ненасыщенный влажный воздух?
4. Как вы относитесь к термину «пересыщенный» влажный воздух?
5. Как формулируется и записывается закон парциальных давлений для влажного воздуха?
6. Что называется абсолютной, относительной влажностью и влагосодержанием влажного воздуха?
7. Как выражается и из чего складывается теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха?
8. Почему с увеличением температуры влажного воздуха его относительная влажность уменьшается?
9. Чем вы можете объяснить влияние скорости воздуха на отклонение показаний смоченного термометра от истинного значения температуры мокрого термометра?
10. Как устроена диаграмма I-d влажного воздуха и каким образом определяются параметры влажного воздуха с помощью диаграммы по показаниям сухого и мокрого термометров?
11. Покажите на диаграмме и поясните процессы «сухого» нагрева и охлаждения влажного воздуха.
12. Покажите на диаграмме и поясните процесс адиабатного насыщения влажного воздуха.
13. Дайте определение понятию точки росы и покажите на диаграмме, как определяется температура точки росы.
14. Какова связь между относительной влажностью воздуха и его влагосодержанием?
15. Дайте вывод аналитической формулы для расчета абсолютной влажности воздуха.
16. Дайте вывод аналитической формулы для расчета влагосодержания воздуха.
17. Дайте вывод аналитической формулы для расчета теплосодержания (энтальпии) воздуха.
18. Поясните, в чем различие расчетных формул для определения относительной влажности и влагосодержания воздуха при температурах до 100 °С и более 100 °С.
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|||
|
по расчету |
по I – d диаграмме |
||||||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
||||
|
1 |
Истинное значение мокрого термометра |
tм′ |
°С |
– |
– |
||
|
2 |
Относительная влажность |
φ |
% |
||||
|
3 |
Влагосодержание |
d |
г/кг сух.возд. |
||||
|
4 |
Абсолютная влажность |
ρп |
кг/м3 |
||||
|
5 |
Теплосодержание (энтальпия) |
I |
кДж/кг |
||||
|
6 |
Парциальное давление пара |
рп |
Па |
||||
|
7 |
Парциальное давление насыщения |
рн |
Па |
||||
|
8 |
Температура точки росы |
tтр |
°С |
– |
– |
Работа 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА
ЧЕРЕЗ СУЖИВАЮЩЕЕСЯ СОПЛО
1. Цели работы
Исследование зависимости массового расхода воздуха через суживающееся сопло от отношения давления за соплом к давлению перед соплом. Определение коэффициентов потери скорости и энергии для реального сопла.
2. Основные положения
Канал, в котором с уменьшением давления скорость газового потока возрастает, называется соплом; канал, в котором скорость газа уменьшается, а давление возрастает, называется диффузором.
Поскольку назначением сопла является преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую, для анализа происходящего в нем процесса начальная скорость потока является несущественной, и можно принять W1 = 0.
Тогда уравнение первого закона термодинамики при адиабатном истечении рабочего тела через сопло принимает вид
.
Исходя из равенства W02/2 = h0, теоретическую скорость истечения рабочего тела через сопло в рассматриваемом случае можно определить по формуле
, м/с,
Здесь h0 выражено в кДж/кг. Это соотношение справедливо для любого рабочего тела.
Рассмотрим адиабатное истечение газа через суживающееся сопло из резервуара (рис.1) достаточно большого объема, в котором изменением давления можно пренебречь (P ≈ Const).
В резервуаре газ имеет параметры Р1, T1, v1 (ρ1), а на выходе из сопла – Р2, Т2, v2 (ρ2), W2; давление среды, в которую происходит истечение газа, обозначим Р0. Основной характеристикой процесса истечения является отношение конечного давления к начальному, т. е. величина β = Р0/Р1.
В зависимости от отношения давлений можно выделить три характерных режима истечения газа: при β > βкр – докритический, β = βкр – критический и β < βкр– сверхкритический режимы.
Значение β, при котором расход газа достигает максимума, называется критическим βкр, и находится по формуле
. (1)
Как и показатель адиабаты, величина βкр является физической константой газа, т. е. одной из характеристик его физических свойств.
Скорость газа на выходе из суживающегося сопла определяется по формуле:
для первого случая, когда β > βкр Р2 = Р0,
;
для второго и третьего случая, когда β = βкр Р2 = Ркр = Р1·βкр = Р0 и β < βкр Р2 = Ркр = Ρ1·βкр > Ρ0
,
или, подставив значение βкр из формулы (1), получим:
,
тогда при условиях адиабатного истечения
.
Полученная формула показывает, что критическая скорость истечения газа из сопла равна скорости распространения звуковой волны в этом газе при его параметрах Ркр и vкр, т е местной скорости звука С в выходном сечении сопла.
В этом содержится физическое объяснение тому, что при снижении внешнего давления Р0 ниже Ркр скорость истечения не изменяется, а остается равной Wкр.
В отличие от теоретического - изоэнтропийного действительный процесс истечения реального газа происходит при трении частиц газа между собой и о стенки канала. При этом работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, преобразуется в теплоту, в результате чего температура и энтальпия газа в выходном сечении канала возрастают.
Истечение газа с трением становится необратимым процессом и сопровождается увеличением энтропии.
На рис. 2 в sh–координатах представлены процессы расширения газа 1–2 при истечении без трения и 1–2д при истечении с трением. При одинаковом перепаде давлений Р1 – Р2 действительный теплоперепад Δhд = h1–h2д меньше располагаемого Δh = h1 – h2.
В результате этого действительная скорость истечения газа оказывается меньше теоретической.
Отношение разности располагаемого и действительного теплоперепадов (потери теплоперепада) к располагаемому теплоперепаду называется коэффициентом потери энергии
ζс = (Δh – Δhд)/Δh. (2)
Отсюда
Δhд = (1 – ζс)·Δh.
Коэффициентом потери скорости называется отношение действительной скорости истечения к теоретической
. (3)
Коэффициент потери скорости, учитывающий уменьшение действительной скорости по сравнению с теоретической, в современных соплах равен 0,95 – 0,98 .
Отношение действительного теплоперепада Δhд к теоретическому Δh или действительной кинетической энергии Wд2/2 к теоретической W2/2 называется коэффициентом полезного действия канала:
. (4)
С учетом выражений (2) и (3)
. (5)
3. Схема и описание установки
Воздух от ресивера поршневого компрессора (на схеме не показан) (рис. 3) по трубопроводу поступает через измерительную диафрагму 1 к суживающемуся соплу 2.
В камере 3 за соплом, куда происходит истечение, можно устанавливать различные давления выше барометрического путем изменения проходного сечения для воздуха с помощью вентиля 4. А затем воздух направляется в атмосферу. Сопло выполнено с плавным сужением. Диаметр выходного сечения сопла 2,15 мм. Суживающийся участок сопла заканчивается коротким цилиндрическим участком с отверстием для отбора и регистрации давления в выходном сечении сопла Р2′.
Измерительная диафрагма 1 представляет собой тонкий диск с круглым отверстием по центру (диаметр отверстия указан на стенде) и вместе с дифманометром 5 служит для измерения расхода воздуха.
Температура воздуха перед измерительной диафрагмой замеряется с помощью термопары 6 в комплекте с потенциометром 7, а перед соплом – термопарой 8 в комплекте с потенциометром 9. Температура и давление воздуха в окружающей среде измеряются соответственно ртутным жидкостным термометром 10 и чашечным барометром 11.
1. Экспериментальное исследование процесса истечения заключается в измерении действительного расхода воздуха при различных давлениях в камере за соплом, т.е. при различных отношениях давлений β=Р2/Р1, начиная с β=1 и кон
чая минимально возможным.
2. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включить компрессор при полностью закрытом вентиле 4. После того как давление воздуха в ресивере достигнет требуемого значения, записать показания первого опыта в таблицу наблюдений 1. При этом перепад давлений в сопловом канале отсутствует, и расход воздуха равен 0. Все четыре манометра должны показывать одинаковые значения.
3. Далее следует плавно открыть вентиль 4, понизив давление за соплом до отношения β–0,95. После того как установится стационарный режим, характеризующийся постоянством давлений, снять показания приборов и записать их в протокол наблюдений (табл. 1).
4. Изменив расход воздуха с помощью вентиля 4 и понизив давление за соплом Р2 до значения β – 0,9, продолжить запись показаний приборов в протокол наблюдений.
5. Вблизи критического отношения давлений β ≈ 0,5 рекомендуется уменьшить шаг изменения β до 0,05.
5. Расчетные формулы и расчеты.
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
, Па.
2. Перевод показаний образцовых манометров Рм, Р1м, Р2м' и Р2м в абсолютные значения давлений определяем по формуле
, Па,
где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Рмj – показания одного из четырех манометров из табл. 1; Рв.п – верхний предел измерения давления соответствующего образцового манометра, кгс/см2.
3. Перепад давления воздуха на диафрагме
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; Н – показание дифманометра, переведенное в м вод.ст.
4. Плотность воздуха по состоянию перед диафрагмой
, кг/м3,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
5. Действительный расход воздуха через диафрагму (следовательно, через сопло)
, кг/с.
6. Теоретическая скорость истечения в выходном сечении сопла
, м/с.
7. Значения энтальпий воздуха h1 и h2 в сечениях на входе и на выходе из сопла определяются по общему уравнению
, кДж/кг,
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения.
8. Теоретическое значение температуры в выходном сечении сопла находится из условия адиабатного процесса истечения по формуле
, К, а t2 = T2 – 273, °C, (6)
где β – значение отношения давлений. Величину β принимают по данным таблицы результатов расчета (табл. 2) для конкретного опыта, когда режим истечения докритический, т.е. β > βкр; для всех остальных опытов, когда β = βкр – критический и β < βкр– сверхкритический режимы, величина β в формуле (6) равна βкр (независимо от данных таблицы 2), и находится по уравнению(1) при k = 1,4.
9. Действительный процесс истечения сопровождается увеличением энтропии и температуры Т2д (рис. 2), которая может быть найдена при совместном решении двух уравнений:
, м/с,
, м/с.
Преобразование системы уравнений (7) относительно Т2д приводит к виду
– с + в· Т2д + а· Т2д2 = 0, (8)
где ; ; ;
R = 287, Дж/(кг·град); Ср = 1,006 кДж/(кг·град); fmin = 3,629·10-6, м2.
Решение уравнения (8) можно представить в виде
, К.
10. Коэффициент потери энергии находится по формуле (2).
11. Коэффициент потери скорости находится по формуле (3).
12. Коэффициент полезного действия канала рассчитывается по формуле (4) или (5).
13. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл.2.
14. По результатам расчетов построить в соответствующем масштабе график зависимости расхода газа от отношения давления.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||||
|
1 |
Показание манометра перед диафрагмой |
Рм |
(деления) |
|||||||||
|
2 |
Показание манометра перед соплом |
Р1м |
(деления) |
|||||||||
|
3 |
Показание манометра в выходном сечении сопла |
Р2м' |
(деления) |
|||||||||
|
4 |
Показание манометра за соплом |
Р2м |
(деления) |
|||||||||
|
5 |
Показания дифманометра |
H |
мм вод.ст. |
|||||||||
|
6 |
Температура перед диафрагмой |
t |
°С |
|||||||||
|
7 |
Температура перед соплом |
t1 |
°С |
|||||||||
|
8 |
Температура окружающей среды |
tв |
°С |
|||||||||
|
9 |
Показания барометра |
B |
мбар |
Примечание. При выполнении замеров необходимо дополнительно записать: предел измерения давления всех образцовых манометров (Рвп=……кгс/см2); диаметр отверстия диафрагмы d0=……мм; диаметр сопла dmin=……мм.
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||||
|
1 |
Давление перед диафрагмой |
Р |
Па |
|||||||||
|
2 |
Давление перед соплом |
Р1 |
Па |
|||||||||
|
3 |
Давление в выходном сечении сопла |
Р2' |
Па |
|||||||||
|
4 |
Давление за соплом |
Р2 |
Па |
|||||||||
|
5 |
Отношение давлений |
β |
– |
|||||||||
|
6 |
Перепад давления на диафрагме |
ΔР |
Па |
|||||||||
|
7 |
Плотность воздуха перед диафрагмой |
ρ |
кг/м3 |
|||||||||
|
8 |
Действительный расход воздуха (с точностью до трех значащих цифр) |
Gд |
кг/с |
|||||||||
|
9 |
Теоретическая температура в выходном сечении сопла |
T2 |
°К |
|||||||||
|
10 |
Действительная температура в выходном сечении сопла |
T2д |
°К |
|||||||||
|
11 |
Теоретическая скорость истечения |
W2 |
м/с |
|||||||||
|
12 |
Действительная скорость истечения |
W2д |
м/с |
|||||||||
|
13 |
Коэффициент потери энергии |
ζс |
– |
|||||||||
|
14 |
Коэффициент потери скорости |
φc |
– |
|||||||||
|
15 |
Коэффициент полезного действия канала |
ηк |
– |
6. Контрольные вопросы.
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Дайте определение процессов истечения и дросселирования.
4. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу истечения.
5. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу дросселирования.
6. Как изменяется скорость истечения через суживающееся сопло при изменении β от 1 до 0 (покажите качественное изменение на графике расхода)?
7. Чем объясняется проявление критического режима при истечении?
8. В чем различие теоретического и действительного процессов истечения?
9. Как изображаются теоретический и действительный процессы истечения в координатах s – h?
10. Почему отличаются теоретическая и действительная температуры воздуха на выходе из сопла при истечении?
11. На каком основании процесс дросселирования используется при измерении расхода воздуха?
12. Как может изменяться температура воздуха в процессе дросселирования?
13. От чего зависят величины коэффициентов: потери скорости φс, потери энергии ζс и полезного действия канала ηк?
14. Какие каналы называются соплами?
15. От каких параметров зависят расход и скорость газа при истечении через сопло?
16. Почему температуры воздуха перед диафрагмой и перед соплом равны?
17. Как изменяются энтальпия и энтропия потока газа при прохождении через диафрагму?
18. Как изменяются энтальпия и энтропия потока газа при прохождении через сопло?
Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
(метод цилиндрического слоя).
1. Цели работы
Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности вещества (метод цилиндрического слоя) и закрепление знаний по теории теплопроводности.
2. Основные положения
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.
Перенос теплоты теплопроводностью в чистом виде имеет место только в твердых телах с малым коэффициентом термического расширения и выражается эмпирическим законом Био-Фурье, согласно которому вектор удельного теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры:
. (1)
Знак «минус» в уравнении (1) показывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры, а коэффициент пропорциональности λ характеризует способность тел проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности. Количественно коэффициент теплопроводности λ – это тепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м2) при единичном градиенте температур (Κ/м), и имеющий размерность Вт/(м·Κ).
Коэффициент теплопроводности – физическая характеристика, зависящая от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и ряда других факторов. Коэффициент теплопроводности имеет максимальные значения для чистых металлов и минимальные для газов.
Рассмотрим цилиндрическую стенку (трубку) длиной l с внутренним r1 и внешним r2 радиусами (рис. 1). Заданы температуры T1 внутренней и T2 наружной поверхностей стенки. Условием одномерности теплового потока будет условие l >>> r2, откуда следует дq/дl = 0.
Дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах при λ=const и отсутствии внутреннего источника теплоты (Qv=0) имеет вид (r – текущий радиус)
.
При заданных граничных условиях
r = r1; T = T1;
r = r2; T = T2.
Получим
. (2)
Согласно уравнению (2) температура цилиндрической стенки меняется по логарифмической зависимости (рис. 1).
Удельный тепловой поток q (поток через единицу площади цилиндрической поверхности) будет величиной переменной
.
Мощность теплового потока Q = q·F через цилиндрическую поверхность площадью F = 2π ·r·l (l – длина цилиндрической стенки) есть постоянная величина, равная
. (3)
Формулу (3) можно записать, используя понятие термического сопротивления:
,
где – термическое сопротивление цилиндрической стенки, м·Κ /Вт.
Удельный тепловой поток на единицу длины стенки ql = Q/l:
.
Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения коэффициента теплопроводности основан на измерении:
мощности теплового потока, проходящего через цилиндрический слой;
перепада температур между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции;
геометрических характеристик слоя тепловой изоляции.
3. Схема и описание установки
Исследуемый материал 1 (рис. 2) нанесен в виде цилиндрического слоя (d1 = 0,02, м; d2 = 0,05, м) на наружную поверхность металлической трубы Длина цилиндра тепловой изоляции составляет 1 м, что значительно больше наружного диаметра. Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 4. Для определения мощности теплового потока служат вольтметр 5 и амперметр 6. Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 8 в комплекте с потенциометром 9.
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включив электропитание установки, по указанию преподавателя установить по вольтметру 5 требуемую величину напряжения. Далее в течение всего опыта мощность теплового потока поддерживается постоянной. Таким образом, мощность теплового потока определяется по показаниям вольтметра и амперметра.
2. Через каждые 5 – 10 минут выполняются замеры термоЭДС термопар по потенциометру 9, а затем, пользуясь тарировочным графиком, переводят значения термоЭДС в величины температур, °С (с учетом температур холодных спаев термопар). Результаты измерений заносят в протокол наблюдений (табл. 1).
Таблица 1.
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
1 |
Сила тока |
I |
а |
|||||
|
2 |
Напряжение |
U |
в |
|||||
|
3 |
Температура внутренней поверхности слоя изоляции |
t2 |
°С |
|||||
|
4 |
Температура наружной поверхности слоя изоляции |
t1 |
°С |
3. При достижении стационарного режима, который характеризуется постоянством измеряемых температур на наружной и внутренней поверхностях тепловой изоляции, завершают отсчеты всех измеряемых величин, и единичный опыт считается законченным.
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Все расчеты сводятся к вычислениям коэффициента теплопроводности на основе выражения (3) по формуле
, Вт/(м·оС).
2. Мощность теплового потока определяется по формуле
, Вт.
3. Средняя температура тепловой изоляции
, оС.
4. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл.2.
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
1 |
Тепловой поток |
Q |
Вт |
|||||
|
2 |
Средняя температура исследуемого материала |
tcр |
°С |
|||||
|
3 |
Коэффициент теплопроводности исследуемого материала |
|
Вт/ (м·оС) |
6. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы вычислить коэффициент теплопроводности?
4. Какова физическая сущность передачи тепла теплопроводностью?
5. Сформулируйте понятия: температурное поле, градиент температуры, мощность теплового потока, удельный тепловой поток.
6. Покажите на схеме установки, как направлен вектор теплового потока и градиента температуры.
7. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности и от каких факторов он зависит?
8. Каков характер изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
9. Какова взаимосвязь между коэффициентом теплопроводности и наклоном температурной кривой по толщине тепловой изоляции?
10. Дайте определение понятию термического сопротивления стенки.
11. Как зависит коэффициент теплопроводности различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей и газов) от температуры? Ответ обосновать.
12. Сформулируйте основной закон теплопроводности. В чем его сущность?
13. Каковы основные трудности тепловых расчетов при переносе тепла теплопроводностью?
14. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?
Работа 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ
ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ (метод струны).
1. Цели работы
Определение экспериментальным путем на лабораторной установке коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Изучение методики обработки опытных данных с применением теории подобия и составления критериального уравнения по результатам эксперимента.
2. Основные положения
Теплообмен в условиях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса тепла играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в различных областях техники. Например, нагревание комнатного воздуха отопительными приборами, а также нагревание и охлаждение ограждающих конструкций помещений (стены, окна, двери и пр.) осуществляется в условиях естественной конвекции, или так называемого свободного потока.
Экспериментально коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции может быть определен из основного уравнения теплоотдачи Ньютона-Рихмана
, (1)
где Q – количество тепла, отдаваемое путем свободной конвекции в окружающую среду; F – теплоотдающая поверхность; Δt – температурный напор (разность температур между поверхностью и средой).
Свободный конвективный теплообмен тел в различных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался различными исследователями. Опыты проводились с телами простейшей формы (плиты, цилиндры, шары) с размерами от 15 мк (проволоки) и до 16 м (шары) в различных средах (различные газы и жидкости).
Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Рr, что находится в полном соответствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи.
Для расчета коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции предложено уравнение:
. (2)
В уравнении (1) определяющим размером является диаметр проволоки d, м, а определяющей температурой – температура потока tп, °С. Данная формула справедлива для потока воздуха, у которого критерий Pr – 0,7 практически не зависит от температуры.
3. Схема и описание установки
В экспериментальной лабораторной установке (рис.1) теплоотдающей стенкой является нихромовая проволока 3(струна) длиною 1540 мм и диаметром 0,5 мм, по которой пропускается электрический ток напряжением до 30 в. Таким образом, размеры струны определяют теплоотдающую поверхность F = 2,419. 10-3, м2.
Струна удерживается в вертикальном положении стойкой 1 с двумя кронштейнами. В верхнем кронштейне 2, изолированном от массы установки, неподвижно закреплен один конец струны. Другой конец струны зажат в головке индикатора часового типа 5. Головка индикатора свободно перемещается в изоляторе-держателе 4 нижнего кронштейна. Груз 6 обеспечивает постоянное по величине натяжение струны. Напряжение от сети 220 в подводится через автотрансформатор 9 к держателю 2 и головке индикатора 5. Для определения мощности теплового потока служат вольтметр 7 и амперметр 8.
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов.
2. Перед началом опыта совместить «ноль» шкалы индикатора со стрелкой прибора путём поворота циферблата индикатора. Во время проведения опыта должны быть исключены возможные причины, вызывающие дополнительные, не связанные со свободной конвекцией, потоки воздуха вблизи струны (резкие движения и хождение вблизи струны, открытие окон и т.д.).
3. Установить с помощью автотрансформатора минимальное напряжение, подводимое к струне (≈ 5, в).
4. Убедившись в стационарности режима теплоотдачи (стрелка индикатора должна прекратить перемещение по циферблату), записать необходимые показания приборов в протокол наблюдений (табл. 1) и перейти к следующему опыту.
5. Количество опытов задается преподавателем. Во избежание перегорания струны максимальное значение напряжения, подаваемого на струну не более 25 вольт.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
1 |
Удлинение струны |
Δl |
мм |
|||||
|
2 |
Сила тока |
I |
а |
|||||
|
3 |
Напряжение |
U |
в |
|||||
|
4 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
|||||
|
5 |
Показания барометра |
B |
мбар |
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па.
2. Температурный напор (разность температур струны и окружающей среды) находится по эмпирической формуле в зависимости от удлинения струны
, °С,
где Δl – удлинение струны, мм.
3. Средняя температура струны , °С.
4. Мощность теплового потока, выделенная при прохождении электрического тока по струне , Вт.
5. Мощность теплового потока через поверхность струны в окружающую среду за счет теплового излучения определяется по закону Стефана-Больцмана
, Вт,
где ε = 0,64...0,76 – степень черноты нихромовой проволоки, С0 = 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К4); F – теплоотдающая поверхность струны, равная 2,419·10-3, м2.
Таким образом, с учетом численных значений параметров
, Вт.
6. Тогда мощность теплового потока через поверхность струны в окружающую среду за счет свободной конвекции , Вт.
7. Коэффициент теплоотдачи , Вт/(м2·оС).
8. Теплофизические свойства воздуха (окружающей среды), необходимые для расчета критериев подобия, находятся по формулам:
плотность , кг/м3; теплоемкость ср = 1006, Дж/(кг·оС),
Коэффициент объемного расширения , 1/К.
Коэффициент теплопроводности
λ = 0,000074·tопр + 0,0245, Вт/(м·град).
Коэффициент кинематической вязкости
ν = (0,000089·tопр2 + 0,088·tопр + 13,886)·10-6, м2/c.
Коэффициент температуропроводности , м2/c.
9. Критерий Нуссельта .
10. Критерий Грасгофа .
11. Критерий Прандтля .
12. Результаты расчетов заносятся в сводную табл. 2.
13. По результатам расчетов построить в соответствующем масштабе и логарифмических координатах график зависимости критерия Nu от произведения (Gr·Pr)
.
14. Характер зависимости представить в виде прямой линии. Решив уравнение прямой линии, получить уравнение (2) в явном виде.
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
1 |
Температурный напор (разность температур струны и окружающей среды) |
Δtm |
°С |
|||||
|
2 |
Средняя температура струны |
tcт |
°С |
|||||
|
3 |
Количество тепла, выделенное электрическим током |
Qэ |
Вт |
|||||
|
4 |
Количество тепла, отданное излучением |
Qи |
Вт |
|||||
|
5 |
Количество тепла, отданное конвекцией |
Q |
Вт |
|||||
|
6 |
Коэффициент теплоотдачи |
α |
Вт /(м2·град) |
|||||
|
7 |
Коэффициент объемного расширения воздуха |
β |
1/град |
|||||
|
8 |
Теплоемкость воздуха |
ср |
кДж/(кг·град) |
|||||
|
9 |
Коэффициент теплопроводности воздуха |
λ |
Вт /(м·град) |
|||||
|
10 |
Плотность воздуха |
ρ |
кг/м3 |
|||||
|
11 |
Коэффициент температуропроводности воздуха |
а |
м2/с |
|||||
|
12 |
Коэффициент кинематической вязкости воздуха |
ν |
м2/с |
|||||
|
13 |
Критерий Нуссельта |
Nu |
– |
|||||
|
14 |
Критерий Грасгофа |
Gr |
– |
|||||
|
15 |
Критерий Прандтля |
Pr |
– |
|||||
|
16 |
Критериальное уравнение |
– |
– |
6. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Как определяется средняя температура струны в данной установке?
4. Для чего замеряется барометрическое давление в данной работе?
5. Как определяется количество теплоты, отданное струной окружающему воздуху посредством конвекции?
6. Как определяется количество теплоты, отданное струной окружающему воздуху посредством излучения?
7. Что такое свободная и вынужденная конвекция?
8. Какой вид теплообмена называется «теплоотдачей»? Запишите и поясните основной закон теплоотдачи.
9. Каков физический смысл и размерность коэффициента теплоотдачи?
10. Какие факторы определяют интенсивность конвективного теплообмена?
11. Что такое критерий подобия?
12. Что такое «определяющая температура» и «определяющий» размер?
13. Какие критерии называются «определяющими» и «определяемыми»?
14. Для чего и как составляются критериальные уравнения?
15. Как определяется коэффициент теплоотдачи α из критериального уравнения?
16. Что характеризуют критерии Nu , Gr , Рr?
Работа 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА
ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
1. Цели работы
Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе. Экспериментальное определение коэффициентов конвективной теплоотдачи и сравнение их с вычисленными по критериальным уравнениям.
2. Основные положения
При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана
,
где F – поверхность, участвующая в теплообмене; Δt – средний температурный напор.
В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны – естественной. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q1, естественной – Q2 и соответственно коэффициенты теплоотдачи α1 и α2.
Введем также обозначения: Fвн – внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; Fнар – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции; Δt1 – температурный напор со стороны внутренней поверхности; Δt2 – температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.
Таким образом, в опыте должны быть определены Q1 и Q2, Δt1 и Δt2, а также заданы Fвн и Fнар. В таком случае из опыта становится возможным определение α1оп и α2оп и сравнение со значениями α1расч и α2расч, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений.
Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Qэ. В таком случае уравнение первого закона термодинамики как частный случай закона сохранения энергии приобретает вид
,
где Q1 – мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q2 – мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q3 – мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы.
Тепловой поток Q3 имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы tx = const, Q3 = 0 и уравнение упрощается:
. (1)
Мощность теплового потока Q1, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка от сечения I–I до сечения II–II (рис. 1):
. (2)
При выполнении расчетов следует иметь ввиду, что изменение потенциальной энергии потока равна нулю и техническая работа, совершаемая потоком, также равна нулю.
Тогда (3)
и . (4)
Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене при движении потока воздуха в трубах рекомендуются формулы на основе критериальных уравнений:
для ламинарного режима Re<2·103: (5)
развитого турбулентного режима Re>104: (6)
где –средний критерий Нуссельта; –критерий Рейнольдса; –критерий Прандтля при температуре потока воздуха в трубе;
для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 103 до 108:
, (7)
где – средний критерий Нуссельта; – критерий Грасгофа; – критерий Прандтля при температуре потока окружающей среды.
3. Схема и описание установки
Воздух, являющийся в данном случае рабочим телом, забирается компрессором 1 из окружающей среды(рис. 1.), сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Параметры воздуха в окружающей среде измеряются ртутным барометром и термометром, расположенными на панели 11 «Окружающая среда». Далее поток воздуха проходит через воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество проходящего воздуха регулируется заслонкой 3. С помощью U-образных манометров, расположенных на панели 4 «Статические напоры», измеряются разрежение в «горле» воздухомера и давление в сечении на выходе из компрессора – на входе в горизонтальную трубу. Горизонтальный участок трубы нагревается за счет электрического тока, подводимого через трансформатор 6. Температура воздуха в сечении I–I измеряется термопарой 7, а в сечении II–II – термопарой 8. Мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы, находится по показаниям амперметра и вольтметра, расположенных на панели 9 «Нагрев трубы». Температура трубы измеряется косвенным путем по показаниям индикатора удлинения трубы 10.
4. Порядок проведения опыта
1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Перед началом опыта совместить «ноль» шкалы индикатора со стрелкой прибора путём поворота циферблата индикатора.
2. Включить нагрев трубы при неработающем компрессоре (в целях уменьшения продолжительности нагрева). Когда центральная стрелка индикатора сде
лает 1 – 2 оборота, включить компрессор.
3. Установить с помощью поворотной заслонки определенный расход воздуха.
4. При достижении стационарного режима снять показания всех необходимых приборов и занести значения в протокол наблюдений (табл. 1).
5. Опыт целесообразно повторить при ином расходе воздуха.
Таблица 1
|
№ |
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|
|
1 |
2 |
||||
|
1 |
Удлинение трубы |
Δl |
мм |
||
|
2 |
Температура воздуха при входе в трубу (сечение I – I) |
t1 |
°С |
||
|
3 |
Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II – II) |
t2 |
°С |
||
|
4 |
Показания вакуумметра (горло воздухомера) |
H |
мм вод.ст. |
||
|
5 |
Показания пьезометра (после компрессора) |
Hн |
мм вод.ст. |
||
|
7 |
Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы |
Uн |
в |
||
|
Iн |
а |
||||
|
8 |
Показания барометра |
B |
мбар |
||
|
9 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
5. Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па,
где В – показание барометра, мбар; tокр – температура окружающей среды, равная температуре воздуха при входе в воздухомер, °С.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
, кг/м3,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
4. Расход воздуха
, кг/с.
5. Абсолютное давление в сечении I – I
, Па,
где Hн – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
6. Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную трубу
, кг/м3,
где t1 – температура воздуха при входе в трубу (сечение I-I), °С.
7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы
, кг/м3,
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II-II), °С.
8. Значения энтальпии воздуха в сечениях I и II определяются по общему уравнению
, кДж/кг,
где cр – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения (I или II).
9. Средняя скорость потока в сечениях I – I и II – II определяется по общему уравнению
, м/с,
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений I-I и II-II и равная 1,35·10-3, м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j – индекс рассматриваемого сечения (I-I или II-II).
10. Мощность теплового потока, переданного вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы, находится с учетом (2) по формуле
, Вт.
11. Тогда с учетом формулы (1) мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией, от наружной поверхности трубы
, Вт.
12. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения I – I до сечения II – II находится по показаниям вольтметра и амперметра
, Вт,
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.
13. Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (3) и (4), в которых Fвн – внутренняя поверхность трубы, равная 0,352, м2; Fнар – наружная поверхность трубы, равная 0,386, м2; средний температурный напор при вынужденной конвекции Δt1 = tx – 0,5·(t1 + t2), °C; средний температурный напор при естественной конвекции Δt2 = tx – tокр, °C. Температура трубы tx, °С находится по удлинению трубы l, мм: tx = tокр+30,87·Δl,°С.
14. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для вынужденной конвекции находим с учетом (5) или (6) по формуле
, Вт/(м2·°C). (8)
При вычислении критериев подобия по уравнению (5) или (6) и коэффициента теплоотдачи по формуле (8) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока в трубе равной tп = 0,5·(t1 + t2); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы dвн = 0,0415, м.
15. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для свободной конвекции находим с учетом (7) по формуле
, Вт/(м2·°C) (9)
При вычислении критериев подобия по уравнению (7) и коэффициента теплоотдачи по формуле (9) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока окружающего трубу, равной tп = 0,5·(tх + tокр); определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы dнар = 0,0455, м.
16. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета: 10 – , Дж/кг, 11 – , Дж/кг.
17.Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл.2.
Таблица 2
|
№ |
Расчетная величина |
Обозна- |
Единицы |
Номера опытов |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
||||
|
1 |
Атмосферное давление |
Ратм |
Па |
||||||
|
2 |
Перепад давления воздуха в воздухомере |
ΔР |
Па |
||||||
|
3 |
Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера |
ρв |
кг/м3 |
||||||
|
4 |
Расход воздуха |
G |
кг/с |
||||||
|
5 |
Плотность воздуха в сечении I – I |
ρ1 |
кг/м3 |
||||||
|
6 |
Средняя скорость потока воздуха в сечении I – I |
W1 |
м/с |
||||||
|
7 |
Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II) |
ρ2 |
кг/м3 |
||||||
|
8 |
Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II) |
W2 |
м/с |
||||||
|
9 |
Теплота, вносимая электрическим током в систему (нагрев трубы) |
Qэ |
Вт |
||||||
|
10 |
Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе (трубе) |
Δh |
Дж/кг |
||||||
|
11 |
Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе |
ΔЭкин |
Дж/кг |
||||||
|
12 |
Теплота, передаваемая потоку воздуха в трубе |
Q1 |
Вт |
||||||
|
13 |
Теплота, передаваемая окружающему трубу воздуху |
Q2 |
Вт |
||||||
|
14 |
Средний температурный напор в условиях внутреннего теплообмена |
Δt1 |
°С |
||||||
|
15 |
Средний температурный напор в условиях внешнего теплообмена |
Δt2 |
°С |
||||||
|
16 |
Критерий Рейнольдса |
Reп |
– |
||||||
|
17 |
Критерий Прандтля в условиях вынужденной конвекции |
Pr1п |
– |
||||||
|
18 |
Критерий Нуссельта в условиях вынужденной конвекции |
Nu1п,d |
– |
||||||
|
19 |
Критерий Грасгофа |
Grп |
– |
||||||
|
20 |
Критерий Прандтля в условиях естественной конвекции |
Pr2п |
– |
||||||
|
21 |
Критерий Нуссельта в условиях естественной конвекции |
Nu2п,d |
– |
||||||
|
22 |
Коэффициент теплоотдачи в условиях внутреннего теплообмена (вынужденная конвекция) |
α1 оп |
Вт/(м2·°С) |
||||||
|
α1 расч |
Вт/(м2·°С) |
||||||||
|
23 |
Коэффициент теплоотдачи в условиях внешнего теплообмена (свободная конвекция) |
α2 оп |
Вт/(м2·°С) |
||||||
|
α2 расч |
Вт/(м2·°С) |
6. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?
6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?
7. Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.
8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.
9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?
10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?
11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?
12. В чем сущность «Теории подобия» и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?
13. Как составляются критериальные уравнения?
14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.
15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?
16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?
17. Что такое «определяемый» и «определяющий» критерий?
18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?
Библиографический список
Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. Л.: Машгиз, 1957. 87 с.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
A
V