Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный технический университет

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

Техническая термодинамика

Методические указания к лабораторным работам

Факультет инженерно-строительный

Специальности: 290700 – Теплогазоснабжение и вентиляция

100700 – Промышленная теплоэнергетика

Вологда

2011

УДК 621.1.016.7(076)

Техническая термодинамика: методические указания к лабораторным работам. – Вологда: ВоГТУ, 2011. – 28 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по курсу «Техническая термодинамика» и «Теоретические основы теплотехники» и включают четыре работы, посвященные изучению первого закона термодинамики к решению одного из технических задач, – исследованию процесса истечения воздуха через суживающееся сопло, определению параметров влажного воздуха и определению средней изобарной теплоемкости воздуха.

Каждая работа проводится с использованием математического пакета Mathcad, который позволяет рассчитывать результаты экспериментов, строить графики основных зависимостей.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составитель: Н.Г. Баширов, канд. тех. наук, доцент

Рецензент: Фролов А.А., канд. тех. наук, доцент кафедры УИ и ОП

ВВЕДЕНИЕ

Современные энерготехнологические системы требуют от специалиста глубокого понимания законов и принципов действия теплового оборудования, встроенного в эти системы. Только достаточно высокий уровень обще-теплотехнической подготовки позволит специалисту решать задачи по созданию современных экономически выгодных тепловых установок и находить пути повышения их энергетической эффективности.

Лабораторные исследования позволяют более глубоко понять основные законы термодинамики и теплопередачи, принципы работы тепловых установок. Обработка опытных данных может осуществляться с помощью диаграмм и справочных таблиц, умение пользоваться которыми необходимо инженеру.

Курс тепломассообмена является одним из базовых теоретических курсов для всех теплотехнических специальностей, в том числе и для специальностей 290700 и 100700, и общетехнической дисциплиной для ряда других специальностей, обычно вводимой в таких случаях в виде раздела в курсы: «Термодинамика и теплопередача», «Тепломассообмен», «Энергетические установки» и т.п. Лабораторный практикум способствует закреплению теоретических знаний, знакомит студентов с основами теплофизического эксперимента и закрепляет расчетные навыки с использованием компьютера.

В методические указания включены три лабораторные работы. До начала занятий студенты должны ознакомиться с основными теоретическими положениями и методикой эксперимента, используя настоящие методические указания. По окончании эксперимента и заполнения протокола наблюдений в компьютере студенты должны выполнить расчеты в объеме, указанном преподавателем, и предъявить результаты. Отчет оформляется с использованием математического пакета Mathcad. Защита отчетов проводится на занятиях в оставшееся после выполнения работ время. При подготовке к защите студентам рекомендуется найти ответы на контрольные вопросы. Продолжительность лабораторного занятия – 4 академических часа.

Требования к выполнению отчета. Отчет должен содержать титульный лист, схему установки, метрологическую карту средств измерений, протокол наблюдений, расчетную или расчетно-графическую обработку результатов наблюдений (при выполнении нескольких опытных режимов – в виде таблиц или графиков).

Лаборатораная работа 1. 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

(1)

где и - соответственно, суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы;

Δh – изменение энтальпии рабочего тела, Δh

; (2)

ΔЭ_кин – изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела

; (3)

ΔЭ_пот – изменение потенциальной энергии потока 1 кг рабочего тела

; (4)

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. 1, делится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного сечения I до сечения IIa, а второй - от сечения IIa до сечения II. Каждый из этих участков 5 заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией).

При установившемся режиме теплообмена в установке внутри и с окружающим воздухом температура трубы ( ) не меняется. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для I-го участка (подсистемы) приобретает вид:

(5)

где l_э1 – работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению:

(6)

где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства;

N_э – 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;

q_н1 – количество тепла, отдаваемое системой на I-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схема I-го участка может быть представлена в следующем виде:

Уравнение первого закона термодинамики для II-го участка (подсистемы) приобретает вид:

(7)

где l_э2 – работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению:

(8)

где N_н – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду;

q_н2 – количество тепла, отдаваемое системой на II-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схема II-го участка может быть представлена в следующем виде:

Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (5) и (7) и представляется в виде:

(9)

где q_н1 + q_н2 = q_н – количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду [1].