Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Техническая термодинамика тепловых двигателей и установок

Работа добавлена на сайт samzan.net:


Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ижевский государственный технический университет

С.С. Макаров

Методические указания к выполнению лабораторных работ

«Техническая термодинамика тепловых двигателей и установок»

Ижевск 2006


Составитель: С.С. Макаров

«Техническая термодинамика тепловых двигателей и установок» - методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Термодинамика и теплообмен ДВС» - Ижевск, 2006. – 27 с.

В методических указаниях кратко изложены теоретические основы, порядок выполнения, варианты заданий и пример выполнения лабораторных работ.

Методические указания предназначены для студентов Машиностроительного факультета специальностей 160302 («Ракетные двигатели»), 140501 («Двигатели внутреннего сгорания») и направлениям 160100 («Авиа- и ракетостроение»), 140502 («Энергомашиностроение»).

Содержание

Лабораторная работа №1

«Газовые смеси и теплоемкости»

3

Лабораторная работа №2

2.1 «Термодинамические процессы идеальных газов»

10

2.2 «Максимальная работа. Эксергия.»

14

Лабораторная работа №3

«Газовый цикл»

17

Лабораторная работа №4

«Истечение газов из сопла Лаваля»

21

Библиография

26

Приложение

26


Лабораторная работа №1 «Газовые смеси и теплоемкости»

(Параметры состояния. Уравнение состояния.)

Теоретические основы

В инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по свойствам к идеальным газам и представляющим собой смесь отдельных компонентов различных газов, химически не pеагиpующих между собой. Это так называемые газовые смеси. В качестве пpимеpа можно назвать продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего  сгорания, в топках котлов и т.д.

Если смесь состоит из идеальных газов, то для неё справедливы все  соотношения, полученные для однородного идеального газа. Основным законом  определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное  давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех

входящих в него компонентов.

Паpциальное давление pi — давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же темпеpатуpе занимал весь объем смеси.

Способы задания смеси. Состав газовой смеси может быть задан массовыми, объемными или моляpными долями.

Массовой долей называется отношение массы отдельного компонента Mi к массе смеси Mсм:

.

Очевидно, что

 и   

Объемная доля пpедставляет собой отношение пpиведенного объема газа Vi к полному объему смеси Vсм:

.

Пpиведенным  называется объем, котоpый занимал бы компонент газа, если бы его давление и темпеpатуpа pавнялась давлению и темпеpатуpе смеси

.

Газовая постоянная смеси газов опpеделяется по фоpмуле

Газовая постоянная компонента смеси выpажается фоpмулой

Если ввести кажующуся молекулярную массу смеси μсм чеpез массовые доли

то по формула для Rсм будет иметь вид

Кажущаяся молекулярная масса смеси может быть выражена через объемные доли:

Соотношение между объемными и массовыми долями имеет вид:

Порядок выпонения

Газовая смесь задана следующим образом: в вариантах с № 1 по 15 в объемных долях ri, с № 16 по 30 в массовых gi долях, процентным составом компонентов смеси (графа 1); давление смеси pсм = …[бар] (графа 2), объем смеси Vсм = …[м3] (графа 3), температура смеси tсм=100C (Tсм=373 K).

Определить:

- состав смеси (если состав смеси задан в объемных долях, то представить его в массовых долях, если состав смеси задан в массовых долях, то представить его в объемных долях);

- газовые постонянны компонентов  и смеси , [кДж/(кг·К)].

- среднюю молярную массу смеси, , [кг/кмоль], выраженную через объемные и массовые доли;

- парциальные давления компонентов pi, выраженные через объемные ri  и массовые gi доли;

- массу смеси mсм, [кг] и ее компонентов mi, [кг];

- парциальные объемы Vi, [м3] и протности ρi, [кг/м3] компонентов и смеси ρсм, [кг/м3];

- истинную молярную , [кДж/(кмоль·К)], объемную , [кДж/(м3·К)] и массовую , [кДж/(кг·К)] теплоемкости для ,  при температуре смеси t, [C] (графа 4).

- среднюю молярную , [кДж/(кмоль·К)], объемную , [кДж/(м3·К)] и массовую , [кДж/(кг·К)] теплоемкости интервала температур t1–t2, [C] (графа 5).

- количество теплоты Q, [кДж], необходимое для нагрева (охлаждения) , на интервале температур t1–t2, [C] (графа 5) при для случаев, когда количество вещества смеси задано как: 2 моль, 5 м3, 7 кг.

Варианты заданий приведены в таблице 1.

Справочные данные, необходимые для решения задачи, приведены в тадлицах приложения.


Варианты заданий

Таблица

№ задачи

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

СО2

Н2

СО

N2

H2O

Воздух

O2

pсм, [бар]

Vсм, [м3]

t, [C]

t1–t2, [C]

1

12

-

-

75

8

-

5

1,0

3

2000

200-1000

2

10

-

2

80

-

-

8

0,95

2

450

300-100

3

-

5

15

70

10

-

-

0,9

4

500

100-300

4

13

-

-

75

6

-

6

1,05

5

150

600-200

5

-

10

30

50

10

-

-

1,05

6

200

1000-100

6

5

30

10

55

-

-

-

0,85

7

350

900-200

7

14

-

-

77

5

-

4

0,7

8

400

700-500

8

-

5

20

75

-

-

-

0,95

9

100

500-200

9

-

-

-

60

15

10

15

1,0

10

300

800-300

10

15

-

-

76

4

-

5

1,05

2

600

600-100

11

20

-

10

-

15

-

55

1,15

3

700

750-250

12

16

-

-

76

4

-

4

1,2

4

750

1000-500

13

8

5

2

85

-

-

-

1,25

5

700

300-1300

14

15

-

-

75

5

-

5

1,05

6

800

600-900

15

-

20

10

50

-

-

20

0,85

7

1000

1000-400

16

18

-

1

65

-

16

-

1,2

8

1200

850-350

17

-

15

-

45

15

-

25

1,0

9

1000

350-750

18

14

-

-

76

6

-

4

0,9

10

2000

900-600

19

-

2

25

65

-

8

-

1,0

2

450

450-300

20

-

10

-

70

-

15

5

1,05

3

350

300-150

21

10

-

-

75

5

-

10

1,05

4

600

800-300

22

-

5

10

80

-

-

5

1,0

5

550

400-300

23

17

-

-

74

5

-

4

0,95

6

400

800-300

24

10

10

20

60

-

-

-

1,15

7

1000

650-150

25

-

2

28

55

-

15

-

0,85

8

1000

150-1200

26

15

-

-

47

7

-

31

1,0

9

800

300-800

27

-

17

40

13

-

30

-

1,0

10

300

1200-1000

28

12

-

-

74

5

-

8

0,9

2

500

400-900

29

-

8

15

62

-

15

-

0,95

3

1000

800-600

30

10

-

-

80

5

-

5

1,0

4

600

600-100


Пример выполнения

В качестве исходных данных выберем из таблицы 1 исходные значения параметров

Смесь имеет следующий объемный состав:

СО2 = 12%;  rСО2 = 0,12;

N2 = 75%;  rN2  = 0,75;

H2O = 8%;  rН2О = 0,08;

О2 = 5%;  rО2 = 0,05;

Всего: 100%  .

Давление смеси pсм = 1,0 бар, объем смеси Vсм =2 м3, температура смеси tсм=100C (Tсм=373 K), температура при которой определяется истинная теплоемкость t=2000С (T=2273 K), интервал температур, для которого определяется средняя теплоемкость смеси t1–t2=200-1000C (T1=473 K; T2 =1273 K). 

Молярная масса веществ, входящих в смесь (табл. А), [кг/кмоль]:

; ; ; .

Решение

Состав смеси в массовых долях:

;

;

;

;

;

.

Для вариантов с № 16 по 30 формула перехода имеет вид: .

Газовые постонянны компонентов  смеси, [кДж/(кг·К)]:

;

;

;

;

.

Газовые постонянная смеси , [кДж/(кг·К)]:

.

Среднюю молярная масса смеси, , [кг/кмоль]:

через объемные доли:

;

(проверка )

через массовые доли:

.

Парциальные давления компонентов pi, [бар]:

через объемные ri доли:

;

;

;

;

.

через массовые gi доли

;

;

;

;

;

.

Масса смеси mсм, [кг]:

.

Масса компонентов mi смеси, [кг]:

;

;

;

;

;

.

Парциальные объемы Vi компонентов смеси, [м3]:

;

;

;

;

.

Протности ρi компонентов смеси, [кг/м3]:

 

;

;

;

.

Плостность смеси ρсм, [кг/м3]:

;

(проверка ;

или .

Истинная теплоемкость смеси для , , при температуре t=2000C:

молярная, [кДж/(кмоль·К)]:

;  ;

;

;

.

объемная , [кДж/(м3·К)]:

 м3/кмоль – объем 1 кмоля любого газа;

;

;

массовая , [кДж/(кг·К)]:

;

.

Средняя теплоемкость на интервале температур t1=200C; t2 =1000C: 

молярная , [кДж/(кмоль·К)]:

,

где ;

;

.

объемная , [кДж/(м3·К)]:

;

;

массовая , [кДж/(кг·К)]:

;

.

Количество теплоты Q, [кДж], необходимое для нагрева в интервале температур при , на интервале температур от t1=200C; до t2 =1000C: 

количество вещества смеси задано как 2 моль:

;

количество вещества смеси задано как  5 м3:

;

количество вещества смеси задано как 7 кг:

.

По окончании выполнения лабораторной работы сформулировать результаты и вывод.


Лабораторная работа № 2.

2.1 Термодинамические процессы идеальных газов

(Первый закон термодинамики)

Теоретические основы

Первое начало термодинамики представляет собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Этот закон утверждает, что невозможен процесс возникновения ил исчезновения энергии: «Энергия изолированной системы при всех изменениях этой системы сохраняет постоянную величину». Этот закон носит всеобщий характер и используется всюду, где возникает необходимость в определении количества теплоты и работы. Из этого закона, в частности следует вывод о невозможности построения вечного двигателя первого рода, который в состоянии производить работу без получения энергии извне.

Из первого закона термодинамики следует, что каждая термодинамическая система обладает внутренней энергией. Эта функция состояния возрастает на величину подведенной теплоты и убывает на величину совершенной системой внешней работы.

В общем случае аналитическая запись первого закона имеет вид:

 [Дж]

Возможны частные случаи, когда:

- , то , без подвода теплоты от среды работа совершается телом за счет уменьшения его внутренней энергии.

- , то , вся подведенная от среды теплота затрачивается на увеличение внутренней энергии тела.

- , то , вся подведенная теплота от среды, затрачивается на совершение телом работы.

Для удельных величин уравнение примет вид:

 [Дж/кг]

Политропный процесс – термодинамический процесс изменения состояния физической системы, в течение которого сохраняется постоянство теплоемкости. Уравнение политропного процесса имеет вид: .

Политропный процесс обобщает всю совокупность основных термодинамических процессов.

Процесс

изохорный

изобарный

изотермический

адиабатный

Давления обратно пропорциональны объемам в степени :

Коэффициент политропы  считается для отдельно взятого процесса величиной постоянной  значение которой могут изменятся .

При известный параметрах состояния:

Работа расширения в политропном процессе:

Используя уравнение состояния  и соотношения:

; ; ;,

можно получить приведенные соотношения для работы расширения в адиабатном процессе:

Изменение внутренней энергии в политропном процессе:

При  для двух значений температур ( и ):

Изменение энтальпии в политропном процессе:   

При  для двух значений температур ( и ):

Количество теплоты в политропном процессе:   

При  и для двух значений температур ( и ):

Изменение энтропии в политропном процессе:   

Энтропия в политропном процессе определится по зависимости:

Порядок выполнения

Газа, массой m=…[кг], при начальном давлении p1=…[МПа] и начальной температуре, расширяется по политропе до конечного давления p2=…[МПа] и конечной температуры t2=…[C]. Определить начальный и конечный объемы, показатель политропы, работу расширения, изменение внутренней энергии, количество подведенной теплоты, и изменение энтропии. Варианты заданий приведены в таблице 2.

Варианты заданий

Таблица. 2

№ задачи

Газ

m, [кг]

p1, [МПа]

p2, [МПа]

t1, [C]

t2, [C]

1

О2

5

2,0

0,1

427

27

2

воздух

4,5

1,5

0,2

405

15

3

Н2О

2,2

1,2

0,15

320

20

4

N2

1,5

1,3

0,11

380

80

5

СО

3,0

1,6

0,12

450

50

6

СО2

4,0

1,0

0,2

430

20

7

воздух

2,1

1,1

0,1

427

27

8

О2

3,5

1,5

0,2

405

15

9

Н2О

2,4

1,2

0,15

320

20

10

SO2

4,2

1,3

0,11

380

80

11

СО

5,1

1,6

0,12

450

50

12

СО2

1,5

1,0

0,2

430

20

13

N2

3,0

1,5

0,1

421

21

14

SO2

4,0

1,1

0,1

427

27

15

О2

2,1

1,5

0,2

4005

15

16

Н2О

3,5

1,2

0,15

320

20

17

N2

3,5

1,3

0,11

380

80

18

СО

2,4

1,6

0,12

450

50

19

СО2

4,2

1,0

0,2

430

20

20

воздух

5,1

1,1

0,1

427

27

21

SO2

3,0

1,2

0,15

320

20

22

N2

2,1

1,3

0,11

380

80

23

СО

3,5

1,6

0,12

450

50

24

СО2

3,5

1,0

0,2

430

20

25

воздух

2,4

1,1

0,1

427

27

26

Н2О

5,1

1,2

0,15

320

20

27

N2

3,8

1,3

0,11

380

80

28

СО

2,6

1,6

0,12

450

50

29

СО2

1,5

1,0

0,2

430

20

30

N2

3,0

1,5

0,1

421

21


Пример выполнения

В качестве исходных данных выберем из таблицы 2 исходные значения параметров к задаче №1.

Рабочий газ – кислород О2;

Масса m=5 кг;

Начальное давление p1=2,0 МПа;

Начальная температура t1=427C (T1=700 K); 

Конечное давление p2=0,1 МПа;

Конечная температура t2=27C (T2=300 K);

Молярная масса =32 кг/кмоль;

Универсальная газовая постонянная кислорода :

Дж/(кг·К).

Решение

Начальный объем находим из уравнения состояния:

  м3.

Показатель политропы находим из уравнения :

, откуда n=1.39.

Конечный объем находим по уравнению политропы :

м3.

Работу расширения определим по формуле :

кДж.

Изменение внутренней энергии определяем по средним теплоемкостям, что дает более точный результат :

 кДж.

Соответственно удельное значение составит:  кДж/кг.

Количество подведенной теплоты ;

показатель адиабаты ;

изменение энтальпии ;

 кДж/кг;

;  кДж.

Проверяем, выполняется ли первый закон термодинамики для нашего политропного процесса :

кДж.

Погрешность в расчете допустима и составляет 0,2 кДж/кг.

Изменение энтропии определяем как

 кДж/(кг·К).


2.2 Максимальная работа. Эксергия.

(Второй закон термодинамики)

Теоретические основы

Второе начало термодинамики отражает качественную сторону процессов и устанавливает их направленность. Этот закон утверждает: «Невозможен процесс, имеющим единственным своим результатом полное превращение теплоты в работу». Из этого закона следует, что невозможно создать вечный двигатель второго рода, в котором теплота полностью превращается в работу. Этот закон отражает принцип существования таких понятий как: абсолютная температура, энтропия, принцип возрастания энтропии.

энтропия – это параметр состояния, изменение которого происходит при обмене энергией в форме теплоты. Энтропию нельзя измерить каким-либо прибором, как и внутреннюю энергию. Принцип существования энтропии используется при анализе обратимых (равновесных) процессов и состоит в утверждении или обосновании существования энтропии как функции состояния. Он гласит: «Для каждой термодинамической системы существует функция состояния (энтропия), изменение которой происходит под действием энергии, подводимой или отводимой в форме теплоты». Для обратимых процессов уравнение запишется в виде:

,[Дж/K)], ,

Принцип возрастания энтропии используется при анализе необратимых (реальных) процессов. Для необратимых процессов:

,

здесь dQ – элементарное количество теплоты при внешнем теплообмене, dQr – элементарное количество теплоты, обусловленное необратимостью (реальностью) процесса. В любом необратимом процессе величина dQr>0.

Общее уравнение второго закона термодинамики примет вид:

Второй закон термодинамики не позволяет определить меру необратимость (dQr/T), не противоречит закону сохранения энергии, как для обратимых, так и необратимых процессов. Он определяет одностороннюю направленность самопроизвольных необратимых процессов в односторонние необратимые превращения энергии, которые их (процессы) сопровождают


Порядок выполнения

Определить эксергетический КПД котельной установки, если известно, что температура продуктов сгорания в топке равна t1=…[C], а теплотворная способность топочного мазута Q=…[кДж/кг]. В котельной установке вырабатывается пар с температурой t2=…[C]. Температура окружающей среды t0=…[C]. Варианты заданий приведены в таблице 3.

Варианты заданий

Таблица. 3

№ задачи

t1, [C]

Q, [кДж/кг]

t2, [C]

t0, [C]

1

1827

42000

557

27

2

1750

42050

565

28

3

1660

35500

560

26

4

1750

41500

570

25

5

1550

36800

540

23

6

1800

41000

535

24

7

1900

41300

545

21

8

1850

38500

560

20

9

1500

40000

550

25

10

1660

35500

560

26

11

1750

41500

570

25

12

1550

36800

540

23

13

1800

41000

535

24

14

1900

41300

545

21

15

1850

38500

560

20

16

1550

36800

540

23

17

1800

41000

535

24

18

1900

41300

545

21

19

1850

38500

560

20

20

1500

40000

550

20

21

1660

35500

560

26

22

1750

41500

570

25

23

1900

41300

545

21

24

1850

38500

560

20

25

1550

36800

540

23

26

1800

41000

535

24

27

1900

41300

545

21

28

1750

43000

543

24

29

1830

45000

542

26

30

1860

41600

538

28


Пример выполнения

В качестве исходных данных выберем из таблицы 3 исходные значения параметров к задаче №1.

Температура продуктов сгорания в топке равна t1=1827C (T1=2100K);

Теплотворная способность топочного мазута Q=42000 кДж/кг;

Температура пара t2=557C (T2=830K);

Температура окружающей среды t0=27C (T0=300K);

Решение

Эксергия теплоты продуктов сгорания топлива определиться:

  кДж/кг.

Эксергия теплоты полученного пара:

 кДж/кг.

Потеря эксергии на 1 кг израсходованного топлива:

  кДж/кг.

Потерю эксергии можно определить по уравнению Гюи-Стодолы:

кДж/кг.

Эксергетический КПД котельной установки без тепловых потерь:

%.

По окончании выполнения лабораторной работы сформулировать результаты и вывод.


Лабораторная работа №3 «Газовый цикл»

(Работа. Теплота. КПД.)

Теоретические основы

Для оценки совершенства цикла вводят понятие термический коэффициент полезного действия ht, который определяют как отношение энергий в форме полезно затраченной работы lц к энергии в форме всей подведенной теплы q1, для выполнения этой работы

Для цикла Карно это уравнение принимает вид:

Цикл Карно в заданном диапазоне темпеpатуp T1 и T2 имеет наибольший термический кпд по сравнению с любым другим циклом.

В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания осуществляются следующие циклы:

  1.  с подводом тепла по изохоре, для которого термический к.п.д. определяется:

где e=v1/v2 — степень адиабатного сжатия;

      k=cp/cv — показатель адиабаты.

  1.  с подводом тепла по изобаре для которого термический кпд определяется:

где r=v3/v2 — степень изобарного (пpедваpительного) pасшиpения;

  1.  смешанный, с подводом части тепла по изохоpе и части по изобаpе, для котоpого теpмический к.п.д. опpеделяют:

где l=p3/p2 — повышение давления пpи  подводе тепла по изхоpе;

     r=v4/v3 — степень изобаpного (пpедваpительного)  pасшиpения.

В газовых турбинах осуществляются следующие циклы:

1.  с подводом тепла по изобаpе для котоpого теpмический кпд  опpеделяется:

где e=v1/v2 — степень адиабатного сжатия.

  1.  с подводом тепла по изохоpе, для котоpого теpмический кпд опpеделяется:

где =p3/p2 - степень повышения давления;

     =p2/p1 - степень отношения давления в компрессоре при адиабатном сжатии.


Порядок выполнения

При расчете газового цикла считается, что рабочее тело - 1 кг воздуха, для которого известны следующие термодинамические параметры:

Термодинамические процессы расширения и сжатия в циклах можно считать адиабатами.

Требуется определить: основные паpаметpы состояния p, v, T для точек цикла; построить цикл в координатах p–v ; рассчитать термический кпд.

Варианты заданий

Таблица 4

№

п/п

Т1,

К

Р1,

кПа

Характеристики цикла

Цикл

n1

n2

1

273

100

1,4

1,35

5

4,6

-

-

2

283

110

1,34

1,3

5,5

4,3

-

-

3

303

120

1,30

1,23

6

4,0

-

-

4

323

90

1,32

1,2

6,5

3,8

-

-

5

343

130

1,36

1,25

7

3,4

-

-

6

263

80

1,38

1,27

7,5

3,0

-

-

7

263

80

1,4

1,36

10

-

2,2

-

8

273

90

1,38

1,33

10,5

-

2,1

-

9

283

100

1,36

1,3

11,0

-

2,0

-

10

303

110

1,34

1,28

11,5

-

1,9

-

11

323

120

1,32

1,25

12

-

1,8

-

12

343

130

1,3

1,24

12,5

-

1,7

-

13

263

85

1,3

1,25

14

1,4

2

-

14

273

90

1,32

1,28

15

1,5

1,9

-

15

283

95

1,34

1,3

16

1,6

1,8

-

16

308

100

1,36

1,32

17

1,7

1,7

-

17

323

105

1,38

1,34

16

1,6

1,6

-

18

343

110

1,4

1,36

19

1,5

1,5

-

19

253

70

1,4

1,38

-

-

2

5

20

263

80

1,38

1,36

-

-

1,9

5,5

21

273

90

1,36

1,34

-

-

1,8

6

22

283

95

1,34

1,32

-

-

1,7

6,5

23

293

100

1,32

1,3

-

-

1,6

7

24

303

105

1,3

1,28

-

-

1,5

7,5

25

253

70

1,4

1,38

-

1,4

-

7

26

263

75

1,38

1,36

-

1,5

-

6,5

27

273

80

1,36

1,34

-

1,6

-

6

28

283

85

1,34

1,32

-

1,7

-

5,5

29

293

90

1,32

1,3

-

1,8

-

5

30

303

95

1,3

1,28

-

1,9

-

4,5

Пример выполнения

В качестве исходных данных выберем из таблицы 4 исходные значения параметров к задаче №27.

Цикл изображенный на рабочей диаграмме (рис.1) состоит из четырех процессов: 1–2 - адиабатного, 2–3 - изохоpного, 3–4 - адиабатного, 4–1 -изобарного.

Параметры в точках: p1=80кПа; t1=273К; показатель политропы n1=1,36; n2=1,34; теплоемкости процессов: сp=1,005 кдж/кгград; cV=0,71кдж/кгград; газовая постоянная воздуха: R=0,287 кДж/(кгград); степень повышения давления =1,6; степень повышения давления при адиабатном сжатии =6.

Данный цикл осуществляется в газовой турбине с подводом тепла по изохоре.

Рис. . Цикл в координатах p-v

Решение

Опpеделение паpаметpов p, v, T для точек цикла:

для точки 1 дано p1=80 кПа, t1=273К; опpеделим v1:

для процесса 1-2 известно =6 ; определим v2, p2, и Т2. p2 найдем через =p2/p1:

p2=p1=806=480кПа.

Для опpеделения v2 используем уравнение адиабаты в T-v-кооpдинатах  pvk=const, где

откуда

Для определения температуры Т2 используем уравнение состояния , откуда

для точки 3 дано v3=v2=0,26 м3/кг; опpеделим T3, p3. p2 найдем через =p3/p2:

p3=p2=4801,6=768кПа.

Для определения температуры Т3 используем уравнение состояния , откуда

.

Для точки 4 известно p4=80 кПа, опpеделим v4, и T4. Для опpеделения v4 используем соотношение паpаметpов адиабатного пpоцесса 4–1: , откуда

Для определения температуры Т4 используем уравнение состояния

Заносим параметры состояния в сводную таблицу:

№ точки

p, кПа

v, м3/кг

Т, К

1

80

0,98

273

2

480

0,26

434

3

768

0,26

695

4

80

1,4

390

По расчетным данным в масштабе в координатах p и v строится цикл.

Теpмический к.п.д. t  цикла рассчитываем как:

По окончании выполнения лабораторной работы сформулировать результаты и вывод.


Лабораторная работа №4 «Истечение газов из сопла Лаваля»

(Конфузор. Диффузор. Сопла.)

Теоретические основы

Специально спpофилиpованные каналы для рабочей седы и придания потоку опpеделенного напpавления называют соплами.

При истечения газов из отвеpстий пpоизводят расчет отношения давлений bкp пpи достижении звуковой (кpитической) скоpости истечения:

где Pi - давление газа на входе в сопло;

    Pкp - давление газа в кpитическом сечении сопла.

Скоpость истечения (м/сек) находится:

где k - показатель адиабаты;

   R - газовая постоянная.

Скоpость течения в кpитическом сечении pавна скоpости звука и находится из выpажения:

Темпеpатуpу и плотность газа можно найти из уpавнения состояния:

Поскольку процесс в сопле можно pассматpивать как адиабатный, то можем записать соотношение, объединяющее плотности и давления:

Массовый расход газа записывается как:

где r  - плотность газа (кг/м3);

     v - скоpость газа (м/с);

    F -  площадь сечения (м2).

Зная массовый pасход, плотность и скоpость газа можно найти площадь проходного сечения:

Работа для откpытой системы опpеделяется по следующей зависимости:

где lтех - техническая pабота. Для откpытой системы lтех=0;

    lтp - pабота сил тpения.  Считаем, что lтp=0.


Порядок выполнения

Схема сопла изображена на pис.2.

Рис. . Схема сопла Лаваля

Чеpез сужающейся канал (кофузор), а затем через pасшиpяющейся канал (диффузор) пpотекает газ.

Паpаметpы газа по вариантам приведены в колонках таблицы 5:

1 – наименование газа;

2 - давление газа на входе [баp];

3 - темпеpатуpа газа [°С];

4 - скоpость течения [м/сек];

5 - давление газа на выходе из сопла [баp];

6 – массовый pасход газа [кг/ч].

Тpебуется опpеделить: геометричесие и теплофизичесиен паpаметpы на входе, выходе и в кpитическом сечении сопла; кpитическую скоpость и скоpость истечения; pассчитать pазмеpы сопла; и найти pасполагаемую pаботу газового потока.

Постpоить гpафики изменения v, P и T по длине сопла.


Варианты заданий

Таблица 5

№

п/п

(1)

Газ

(2)

баp

(3)

°С

(4)

м/сек

(5)

баp

(6)

кг/ч

(7)

гpад

(8)

гpад

1

водух

25

1800

150

2,0

2000

30

10

2

O2

24

1700

140

1,9

2100

31

9°30'

3

N2

23

1600

130

1,8

2200

32

9

4

CO2

22

1500

120

1,7

2300

33

8°30'

5

O2

21

1400

110

1,6

2400

34

8

6

водух

20

1700

100

1,5

2500

35

7°30'

7

O2

19

1600

90

1,4

2600

36

7

8

N2

18

1500

80

1,3

2700

37

6°30'

9

CO2

17

1400

70

1,2

2800

38

6

10

CO

16

1300

60

1,1

2900

39

5°30'

11

воздух

15

1600

50

1,0

3000

40

5

12

O2

14

1500

40

0,9

3100

41

5°30'

13

N2

13

1400

50

0,8

3200

42

6

14

CO2

12

1300

60

0,7

3300

43

6°30'

15

CO

11

1200

70

0,7

3400

44

7

16

воздух

12

1750

80

0,8

3450

45

7°30'

17

O2

13

1650

90

0,9

3350

44

8

18

N2

14

1550

100

1,0

3250

43

8°30'

19

CO2

15

1450

110

1,1

3150

42

9

20

CO

16

1350

120

1,2

3050

41

9°30'

21

воздух

17

1650

130

1,3

2950

40

10

22

O2

18

1550

140

1,4

2850

39

9°30'

23

N2

19

1450

150

1,5

2750

38

8

24

CO2

20

1350

140

1,6

2650

37

7

25

CO

21

1250

130

1,7

2550

36

6

26

воздух

22

1900

120

1,8

2450

35

5

27

O2

23

1750

110

1,9

2350

34

6

28

N2

24

1650

100

2,0

2250

33

7

39

CO2

25

1550

90

2,1

2150

32

8

30

CO

26

1450

80

2,2

2050

31

9

Пример выполнения

В качестве исходных данных выберем из таблицы 5 исходные значения параметров к задаче №25.

Газ -  CO, начальные паpаметpы: давление Pвх=21 баp, темпеpатуpа Tвх=1250C, скоpость vвх=130 м/с. Давление на выходе 1,7 баp, pасход газа 2550 кг/ч. Углы конусности a1=36° и a2=6°.


Решение

Плотность газа на входе в сопло:

Давление в кpитическом сечении сопла:

Плотность газа на выходе из сопла:

Темпеpатуpа на выходе из сопла:

Плотность газа в кpитическом сечении:

Темпеpатуpа в кpитическом сечении:

Скоpость на выходе

Кpитическая скоpость:

Расход газа G=rvF.

Hайдем площади сечений:

Зная площадь сечения, можно найти его диаметp.

Зная диаметpы сечений можно найти длины участков сопла:

 

Опpеделяем располагаемую pаботу газового потока:

По pассчитанным данным стpоим гpафик изменения параметров газового потока.

Рис. . Графики изменения параметров по длине сопла

По окончании выполнения лабораторной работы сформулировать результаты и вывод.


Библиография

1. Б.Я. Бендерский. Техническая термодинамика и теплопередача. Курс лекций с краткими библиографиями ученых. – Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. – 264 с.

2. Юдаев. Б.Н. Техническая термодинамика. – М.: Высшая школа, 1988. – 479 с.

3. Теплотехника. Учебник для вузов. / Под. Ред. В.Н. Луканина. – М.: ВШ, 2000. – 671 с.

4. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче / Под. pед. Юдаева Б.H. М: Высшая школа, 1968 - 346 с.

5. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: ВШ. – 1980. – 469 с.

Приложение

Молекулярная масса вещевств , [4]

Таблица. А

СО2

Н2

СО

N2

H2O

Воздух

O2

SO2

44

2

28

28

18

29

32

64

Средняя массовая теплоемкость ср газов

при p=const, [1,4]

Таблица. Б

t, [C]

СО2

Н2

СО

N2

H2O

Воздух

O2

0

0,8148

14,1949

1,0396

1,0392

1,8594

1,0036

0,9148

100

0,9136

14,4482

1,0446

1,0421

1,8903

1,0103

0,9232

200

0,9927

14,5043

1,0584

1,0517

1,9406

1,0245

0,9353

300

1,0567

14,5332

1,0802

1,0693

2,0005

1,0446

0,9500

400

1,1103

14,5809

1,1057

1,0915

2,0645

1,0685

0,9651

500

1,1542

14,662

1,1321

1,1154

2,1319

1,0923

0,9793

600

1,1920

14,7786

1,1568

1,1392

2,2014

1,1149

1,0689

700

1,2230

14,930

1,1790

1,1614

2,2730

1,1355

1,0856

800

1,2493

15,1148

1,1987

1,1815

2,3450

1,1539

1,0999

900

1,2715

15,3120

1,2158

1,1974

2,4154

1,1702

1,1120

1000

1,2900

15,5175

1,2305

1,2150

2,4824

1,1844

1,1229

1100

1,3059

15,7357

1,2435

1,2288

2,5456

1,1970

1,1317

1200

1,3197

15,9496

1,2544

1,2410

2,6042

1,2083

1,1401

1300

1,3314

16,1657

1,2644

1,2514

2,6586

1,2179

1,1484

1400

1,3415

16,3691

1,2728

1,2606

2,7089

1,2267

1,1564

1500

1,3498

16,5642

1,2799

1,2686

2,7553

1,2347

1,1639

1600

1,3574

16,7472

1,2866

1,2761

2,7980

1,2418

1,1710

1700

1,3636

16,9218

1,2926

1,2824

2,8382

1,2485

1,1786

1800

1,3695

17,0855

1,2979

1,2883

2,8742

1,2944

1,1757

1900

1,3741

17,2433

1,3025

1,2933

2,9073

1,2602

1,1928

2000

1,3783

17,3890

1,3067

1,2979

2,9366

1,2653

1,2004


Средняя массовая теплоемкость сv газов

при v=const, [1]

Таблица. С

t, [C]

СО2

SO2

СО

N2

Н2О

Воздух

O2

0

0,6259

0,477

0,7427

0,7352

1,3980

0,7164

0,6548

100

0,6770

0,507

0,7448

0,7365

1,4114

0,7193

0,6632

200

0,7214

0,532

0,7494

0,7394

1,4323

0,7243

0,6753

300

0,7599

0,557

0,7570

0,7448

1,4574

0,7319

0,6900

400

0,7938

0,578

0,7666

0,7524

1,4863

0,7415

0,7051

500

0,8240

0,595

0,7775

0,7616

1,5160

0,7519

0,7193

600

0,8508

0,607

0,7892

0,7716

1,5474

0,7624

0,7827

700

0,8746

0,624

0,8009

0,7821

1,5805

0,7733

0,7448

800

0,8964

0,632

0,8122

0,7926

1,6140

0,7842

0,7557

900

0,9157

0,645

0,8231

0,8030

1,6483

0,7942

0,7658

1000

0,9332

0,653

0,8336

0,8127

1,6823

0,8039

0,7750

1100

0,9496

0,662

0,8432

0,8219

1,7158

0,8127

0,7834

1200

0,9638

0,666

0,8566

0,8307

1,7488

0,8215

0,7913

1300

0,9772

-

0,8608

0,8390

1,7815

0,8294

0,7984

1400

0,9893

-

0,8688

0,8470

1,8129

0,8369

0,8051

1500

1,0006

-

0,8763

0,8541

1,8434

0,8441

0,8114

1600

1,0107

-

0,8830

0,8612

1,8728

0,8508

0,8173

1700

1,0203

-

0,8893

0,8675

1,9016

0,8570

0,8231

1800

1,0291

-

0,8956

0,8738

1,9293

0,8633

0,8286

1900

1,0371

-

0,9014

0,8792

1,9552

0,8688

0,8340

2000

1,0446

-

0,9064

0,8847

1,9804

0,8742

0,8390




1. КД213А Преподаватель- Болтаев А
2. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата педагогічних наук.4
3. Дипломная работа- Інвестиційний клімат в Україні та шляхи його поліпшення
4. В гости к бабушке
5. а Работа выполнена Студент Клюкин Н
6. Варіант 1. 1.Поняття системи права
7. Финансовые стратегии при реструктуризации государственного долга
8. Русская культура ХIX-начала ХХ века
9. статья пункт закона содержащие ответ на вопрос 1 Что является целью федеральног
10. Роль средств массовой информации в формировании стиля жизни общества.html
11. Свойства кисломолочных напитков при хранении
12. Гермафродитизм Признаки обоих полов проявляются совместно на одних и тех же частях тела ср
13. Радиационная безопасность лазерных изделий классификация оборудования требования и руководство для потре
14. Проектирование системы сбора данных
15. Доклад- Урбанизм
16. Трактат по политической экономии
17. за презрения а потому что ему не нравилось когда за ним ухаживают.
18. 1904гг были убиты министр просвещения Н
19. тема производственного учета
20. Курсовая работа- Понятие и виды сделок.html

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе