Елабужский институт Казанского (Поволжского)федерального университета Кафедра общей инженерной подготовки Б.Н.Киреев Методическое пособие «Лабораторный практикум по предмету «Теплотехника»» Елабуга 2013

Содержание Стр. Лабораторная работа № 1. Изучение адиабатного процесса. Краткие теоретические сведения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Порядок выполнения работы. Расчёты Выводы Контрольные вопросы. Лабораторная работа № 2. Изучение изотермического процесса. Краткие теоретические сведения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Порядок выполнения работы. Расчёты Выводы Контрольные вопросы. Лабораторная работа № 3. Изучение изобарного процесса. Краткие теоретические сведения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Порядок выполнения работы. Расчёты Выводы Контрольные вопросы. Лабораторная работа № 4. Изучение изохорного процесса. Краткие теоретические сведения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Порядок выполнения работы. Расчёты Выводы Контрольные вопросы. Лабораторная работа № 5. Изучение работы одноступенчатого поршневого компрессора. Краткие теоретические сведения. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Порядок выполнения работы. Расчёты Выводы Контрольные вопросы. Лабораторная работа № 6. Использование тепловых диаграмм и таблиц для нахождения основных характеристик паровой турбины. Расчётно-графическая работа с использованием диаграммы i-S для водяного пара. Краткие теоретические сведения. Порядок выполнения работы. Расчёты.

Лабораторная работа № 1.

Изучение адиабатного процесса.

Цель работы: рассчитать основные термодинамические функции, теплоту и работу процесса.

Краткие теоретические сведения. Адиабатным называют термодинамический процесс изменения состояния рабочего тела, протекающий без теплообмена с окружающей средой :

δQ=0 (1-1)

Рисунок 1.1 Взаимное расположение адиабаты 1 и изотермы 2.

Адиабата, как и изотерма представляет гиперболу, но идущую более круто.

Уравнение адиабатного процесса имеет вид: P· V^γ = сonst (1-2)

Соотношения между основными параметрами рабочего тела в адиабатном процессе:

(V₁/V₂)^γ-1 = (T₂/T₁)= (P₂/P₁) ^{(γ -1)/ γ} (1-3) P₁V₁ ^γ= P₂ V₂^γ (1-4) В случае адиабатного процесса работа расширения совершается за счет изменения внутренней энергии рабочего тела: δQ=dU+δL =0, (1-5) δL= - dU. ( 1-6) где γ − показатель адиабаты, числено равный отношению теплоемкостей в изобарном и изохорном процессах

γ = c_p / c_v (1-7)

Удельные энергетические характеристики адиабатного процесса определяются следующими уравнениями: а) удельная работа расширения l = [(R_μ·T₁)/(γ -1)] ·[1 – (P₂/P₁) ^{(γ -1)/ γ}] (1-8) для воздуха γ=1,4 R_μ= 287 дж/кг град Следует иметь в виду, что при адиабатном сжатии и адиабатном расширении знаки работы будут меняться на противоположные. При Р₁ > Р₂ (расширение газов) работа положительная, а при сжатии (Р₁ < Р₂) работа отрицательная. Кроме работы расширения газ (воздух) может совершать работу по преодолению внешнего давления (техническая работа): l^* = -Δi = (i₁- i₂) = γ•l = [γ•(R_μ·T₁)/(γ -1)] ·[1 – (P₂/P₁) ^{(γ -1)/ γ}] (1-9)

В формулах (1-3), (1-4), ( 1-8) и (1-9) используются абсолютные значения давлений. например P₁^изб –избыточное давление, измеренное с помощью манометра. Абсолютное давление P₁= P₁^изб+ Р_атм . Нормальное атмосферное давление равно Р_атм = 0,1 Мпа = 100 Кпа.

б) изменение удельной внутренней энергии u = с_v·(t₂ – t₁) (1-10) с_v = С_v^μ /μ. Для воздуха: с_v = (5/2)R_μ = 2,5 · ( 8314 /29) дж/кг град = 716,7 дж/кг град в) удельная массовая теплоемкость c_ад= δq/dT=0 (1-11) г) изменение удельной энтропии dS = δQ /T =0 или ds = δq /T=0 ; s = 0, s = сonst (1-12)

д) теплота процесса q = 0 ; из первого начала термодинамики q= u + l можно найти работу через изменение внутренней энергии l = -u (1-13)

Сравнить значения удельной работы, полученной с помощью (формул 1-8) и (1-13)

Для исследования термодинамических процессов используется стенд НТЦ-117 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТЕНДА. Схема стенда приведена на рис. 1.2. В состав стенда входят: пневмостанция, объекты исследований, гидростанция, пневмо- и гидроаппаратура, информационно-измерительная система.

Рисунок 1.2. Схема установки.

В состав пневмостанции входят компрессор К, регулируемый пневмоклапан КП1, вентиль В1.

На стенде установлены три объекта исследований - (АК1, АК2 и АК3) представляют собой пневмоаккумуляторы. Пневмоаккумулятор АК3 и пневмоцилиндр одностороннего действия Ц1 имеют непосредственную связь рабочих полостей. Стенки пневмоаккумулятора АК1 термоизолированы, что позволяет в большей степени выполнить требования, предъявляемые к адиабатным процессам.

Пневмоаккумулятор АК2 имеет систему охлаждения, что позволяет исследовать изотермические процессы. При отключенной системе охлаждения на данном объекте возможно также исследование политропных процессов.

Для исследования изобарных процессов используется пневмоцилиндр Ц1 напрямую соединенный с пневмоаккумулятором АК3. Газ подается в поршневую полость цилиндра. Для создания нагрузки на штоке пневмоцилиндра Ц1 используется гидроцилиндр Ц2. Величина нагрузки определяется уровнем давления, обеспечиваемого гидростанцией. Давление изменяется с помощью переливного клапана КП2. В процессе отдачи тепла в окружающую среду через стенки емкости АК3 давление внутри нее падает. Тогда с помощью ручного распределителя Р4 осуществляется выдвижение поршня гидроцилиндра Ц2 со штоком до восстановления прежнего значения давления. Предлагаемая схема позволяет достаточно точно определять внешнюю работу, выполняемую в изобарном процессе.

Гидростанция содержит насос Н, гидробак Б, регулируемый напорный гидроклапан КП2 (который работает в режиме либо переливного либо предохранительного). Гидростанция используется для подачи жидкости в систему охлаждения при исследовании изотермических процессов, а также для создания давления в поршневой полости гидроцилиндра Ц2 при исследовании изобарных процессов.

Комплект пневмо- и гидроаппаратуры включает: пневмораспределители с электромагнитным управлением Р1, Р2 и Р3, гидрораспределитель Р4 с ручным управлением, обратные клапаны КО1, КО2, КО3 и вентили В1 – В4.

Обратные клапаны (КО1 – КО2) предназначены для запирания газа в рабочих полостях объектов исследований (АК2, АК3 и Ц1).

Вентили В1, В2 и В4 предназначены для соединения рабочих полостей объектов исследований с атмосферой и слива конденсата (установлены под столешницей справа). Вентиль В3 регулирует доступ охлаждающей жидкости к пневмоаккумулятору АК2.

Информационно-измерительная система стенда включает два манометра (МН1 и МН2), термометр (Т), три микропроцессорных датчика давления (Д₁, Д₂ и Д₃) и три датчика температуры (Т₁, Т₂, Т₃). В качестве первичных преобразователей температуры используются термопары.

Кроме того, предусмотрена цифровая индикация результатов измерения температуры (Т₁, Т₂ и Т₃) и давления (Д₁, Д₂ и Д₃).