451

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

"ТЕПЛОТЕХНИКА "

Омск 2012

1

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕПЛОТЕХНИКА»

Составитель В.И. Подгурский

Омск

СибАДИ

2012

2

УДК 621.317.7

ББК 31.31

Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю.А. Буров

Работа одобрена научно-методическим советом направления 140501 в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплотехника» для студентов всех форм обучения.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплотехника» / сост. В.И. Подгурский. Омск: СибАДИ, 2012.

32 с.

В методических указаниях представлены лабораторные работы по дисциплине «Теплотехника». Описание каждой лабораторной работы дополнено краткой теорией, методическими указаниями и списком контрольных вопросов. Справочный материал вынесен в приложение. Словарь терминов содержит используемые понятия и их определения.

Табл. 3. Ил. 4. Библиогр: 3 назв.

ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2012

3

Введение

Цели лабораторного практикума – закрепление студентами материала лекционного курса, развитие навыков самостоятельной работы с приборами при проведении теплотехнических экспериментов, обучение методам определения теплофизических свойств рабочего тела и проведению расчетов, а также умению делать выводы на основании полученных результатов.

Лабораторные работы выполняются с использованием программы «Виртуальная лаборатория по технической термодинамике и теплопередаче», разработанной Б.Ф. Кузнецовым и Г.Д. Тарановой на кафедре «Гидравлика, теплотехника и гидропривод» Тверского государственного технического университета и приобретённой СибАДИ в 2010 году.

Основные понятия и определения, используемые в процессе выполнения лабораторных работ, сведены в словарь терминов.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Правила работы в лаборатории.

Находясь в лаборатории, студент обязан строго соблюдать правила техники безопасности. В целях обеспечения безопасности при проведении испытаний двигателя студенты перед выполнением первой работы должны пройти инструктаж по технике безопасности и противопожарным мерам. Инструктаж регистрируется в специальном журнале с росписью каждого студента о том, что он ознакомлен с правилами и обязуется их выполнять. Студенты, не прошедшие инструктаж, к выполнению лабораторных работ не допускаются. Включение лабораторных стендов разрешается только в присутствии обслуживающего персонала или преподавателя после проверки готовности студента к работе. При выполнении лабораторных работ следует соблюдать инструкции по эксплуатации измерительных приборов и оборудования.

2. Порядок выполнения лабораторных работ.

Студенту необходимо подготовиться к выполнению лабораторной работы, изучив соответствующий материал лекций, учебников, а также данного методического руководства. При этом

4

студент должен усвоить цель работы, методику выполнения, схему лабораторной установки, а также подготовить протокол испытаний.

Перед началом работы преподаватель проводит опрос студентов для выяснения уровня их подготовки.

После проведения экспериментов студент подписывает у преподавателя протокол испытаний и расчеты, приводит в порядок свое рабочее место, оформляет и защищает отчет по выполненной работе.

Выполнение и защита работ производится группами, состоящими из 5−6 студентов. К выполнению следующей лабораторной работы допускаются студенты только после защиты предыдущей работы.

В конце семестра при условии защиты всех работ студент получает зачет по лабораторному практикуму.

3. Требования к оформлению отчета.

Отчет по лабораторной работе выполняется рукописным или машинописным способом, аккуратно и грамотно.

Отчет должен содержать:

краткое изложение теории и схему экспериментальной установки;

протокол испытаний;

необходимые расчеты, графики;

выводы, где даются оценка и заключение о полученных результатах.

Изложение содержания отчета должно быть логически последовательным и кратким. Сокращение слов в тексте, за исключением общепринятых в русском языке, не допускается. Результаты экспериментов оформляют в виде таблиц. Значения символов и числовых коэффициентов расшифровывают непосредственно под формулой в той последовательности, в какой они приведены в ней, например:

q t1 t2 ,

где q − плотность теплового потока, Вт/м2; λ − коэффициент теплопроводности материала образца, Вт/(м∙К); δ − толщина образца, м;

t1 и t2 – значения температур на противоположных поверхностях образца, оС.

5

Лабораторнаяработа№1

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ВПРИЛОЖЕНИИ КРЕШЕНИЮОДНОГОИЗВИДОВТЕХНИЧЕСКИХЗАДАЧ

1.1. Цели и задачи работы

Цели лабораторной работы: закрепление знаний по разделу «Первый закон термодинамики», исследование энергетического баланса газового потока.

Задача исследования: определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки.

Оборудование и оснащение: имитационная экспериментальная установка по определению параметров газового потока, создаваемого компрессором.

1.2. Основы теории

Первый закон термодинамики является основой термодинамической теории и имеет огромное прикладное значение при исследовании термодинамических процессов изменения состояния рабочего тела. Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона превращения и сохранения энергии применительно к термодинамическим явлениям: «Энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах».

Тела, участвующие в термодинамическом процессе, обмениваются энергией. Передача энергии от одного тела к другому происходит двумя способами:

1-й способ реализуется при непосредственном контакте тел, имеющих различную температуру, путем обмена кинетической энергией между молекулами соприкасающихся тел либо лучистым переносом внутренней энергии. При этом энергия передается от более нагретого к менее нагретому. Количество энергии, переданной 1-м способом от одного тела к другому, называется количеством теплоты или теплотой Q [Дж], а способ – передачей энергии в форме теплоты.

2-й способ связан с наличием силовых полей или внешнего давления. Для передачи энергии этим способом тело должно либо

6

передвигаться в силовом поле, либо изменять свой объем под действием внешнего давления, т. е. передача энергии происходит при условии перемещения всего тела или его части в пространстве. При этом количество переданной энергии называется работой L [Дж], а способ передачи энергии совершается в форме работы. Количество энергии, полученное телом в форме работы, называется работой, совершенной над телом, а количество энергии отданной называется затраченной телом работой.

Теплота, полученная (отданная) телом, и работа, совершенная (затраченная) над телом, зависят от условий перехода тела из начального состояния в конечное, т.е. зависят от характера термодинамического процесса. Таким образом, теплота и работа − это энергетические характеристики процессов механического и теплового взаимодействий системы с окружающей средой.

Для термодинамических процессов закон устанавливает взаимосвязь между теплотой, работой и изменением внутренней энергии термодинамической системы. В общем случае первый закон термодинамики для закрытой термодинамической системы можно записать

где Q − количество теплоты, подведенное (отведенное) к системе; L − работа, совершенная системой (над системой); (U2 – U1) − изменение внутренней энергии в данном процессе.

Теплота, сообщаемая системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение внешней работы:

Q > 0 – теплота подводится к системе;

Q < 0 – теплота отводится от системы;

L > 0 – работа совершается системой;

L < 0 – работа совершается над системой.

Для 1кг рабочего тела уравнение первого закона термодинамики имеет следующий вид:

Основные уравнения первого закона термодинамики (1) и (2) были выведены для процессов, в которых работа расширения газа затрачивалась на преодоление внешних сил и была равна их работе. Изменение кинетической и потенциальной энергии газа при рас-

7

ширении не учитывалось ввиду его незначительности. В поршневых двигателях внутреннего сгорания (впуск свежего заряда и выпуск продуктов сгорания); в компрессорах и турбинах паросиловых установок и агрегатах наддува, двигателей внутреннего сгорания; в теплообменных аппаратах и других устройствах газ перемещается с большой скоростью. Пренебрегать изменением кинетической энергии движущихся масс газа нельзя и поэтому уравнение первого закона термодинамики принимает другой вид.

С целью облегчения анализа процесса принимаются следующие допущения:

движение газа по каналу установившееся и неразрывное;

скорости по сечению, перпендикулярному оси канала, постоянны;

трением частичек газа между собой и о стенки канала пренебрегаем;

параметры потока во всех точках поперечного сечения канала неизменны.

Для закрытой термодинамической системы l обозначало работу, связанную с изменением объёма от v1 до v2. Открытые системы в отличие от закрытых могут обмениваться со средой массой, которая перемещается с большой скоростью, в этом случае работа l для потока газа разделяется на составляющие:

lпрот = p2∙v2 – p1∙v1 – работа проталкивания, затрачиваемая на движение потока;

lтехн – техническая работа (турбины, компрессора, насоса, вентилятора и т.д.);

кинетической энергии потока, где W1 ,W2 – скорости потока в начале и

вконце канала;

lh = g∙(Z2 – Z1) – работа, обуславливающая изменение потенциальной энергии потока, где Z1 , Z2 – геометрическая высота положения начала и конца канала.

Таким образом, уравнение первого закона термодинамики для потока, выраженное через внутреннюю энергию, будет иметь следующий вид:

Выражение u+pv, входящее в уравнение (3), является параметром состояния газа, поскольку u и pv для каждого газа имеют вполне определенные значения. Сумму u+pv называют энтальпией газа и обозначают буквой h.

Следовательно,

h2 = u2 + p2·v2; h1 = u1 + p1·v1.

Тогда уравнение первого закона термодинамики для потока газа, выраженное через энтальпию (4), примет вид

1.3. Схема и описание установки

Лабораторная работа выполняется на экспериментальной установке в режиме имитации термодинамических процессов в потоке газа. Моделирование процесса выполнено с использованием основных термодинамических зависимостей в сочетании с эмпирическими математическими моделями, полученными опытным путём. Установка состоит из персонального компьютера и имитационной модели лабораторного стенда, предназначенного для определения параметров воздушного потока, создаваемого компрессором.

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 2 типа «Труба Вентури».

Количество воздуха, проходящее через установку, может изменяться с помощью заслонки 3. Для этого необходимо поместить курсор на соответствующую стрелку (← или →). 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, на входе в компрессор Нв и за компрессором Нн. В результате подведенного тепла, воздух, проходя от сечения I−I, где его температура равна

9

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Мощность, израсходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы». Для повышения напряжения необходимо поместить курсор на ползунок реостата и, нажав левую кнопку мыши, переместить его.

Разделим всю термодинамическую систему на два участка (две подсистемы): первый участок от входного сечения I до сечения IIа, а второй от сечения IIа до сечения II (рис. 2). Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией).

10