1457

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)»

Кафедра городского строительства и хозяйства

ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

Методические указания к лабораторным работам для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля подготовки

«Теплогазоснабжение и вентиляция»

Составитель В.Д. Галдин

Омск

СибАДИ

2012

1

УДК 697.34 ББК 31.38

Рецензент д-р техн. наук, доц. И.Л. Чулкова

Работа одобрена научно-методическим советом специальности 270107 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и научно-методическим советом направления 270800 «Строительство» в качестве методических указаний.

Виртуальная лаборатория по технической термодинамике: методические указания к виртуальным лабораторным работам для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»/ сост. В.Д. Галдин. Омск: СибАДИ, 2012. 36 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Тепломассообмен и техническая термодинамика» для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Табл. 6. Ил. 11.

ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2012

2

В В Е Д Е Н И Е

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

Лабораторные исследования дают возможность более глубоко понимать 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.

В состав виртуальной лаборатории включены три работы по технической термодинамике. Применение компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ помогает значительно расширить диапазон как качественных, так и количественных характеристик исследуемых процессов. Использование виртуальной лаборатории позволяет руководителю занятий ставить перед обучаемыми индивидуальные задания по исследованию теплотехнических процессов.

Виртуальные лабораторные работы разработаны Б.Ф. Кузнецовым и Г.Д. Тарановой на кафедре «Гидравлика, теплотехника и гидропривод» Тверского государственного технического университета и приобретены в 2010 г. Сибирской государственной автомобильно-дорожной академией (СибАДИ).

Лабораторная работа 1

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ В ПРИЛОЖЕНИИ

КРЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

1.Цель работы. Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемой 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 вещества имеет вид

3

qJ lJ h ЭКИН ЭПОТ ,

(J ) (J)

где qJ и lJ – суммарные количества теплоты и технической

(J ) (J )

работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы;

h h2 h1 – изменение энтальпии рабочего вещества;

рабочего вещества;

ЭПОТ g z2 z1 – изменение потенциальной энергии потока 1 кг рабочего вещества;

h1, W1 и z1 − энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего вещества;

h2, W2 и z2 − то же для выходного сечения потока рабочего вещества.

Вся термодинамическая система, представленная на рис. 1.3, делится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного сечения I до сечения IIа, а второй – от сечения IIа до сечения II. Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на рис. 1.3 оболочки 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 I участка (подсистемы) (рис. 1.1) приобретает вид

Работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяется по уравнению

где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; NЭ – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям

4

амперметра и вольтметра. Часть этой мощности передается воздуху в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть – в виде теплоты; qН1 – количество теплоты, отдаваемое системой на I участке в окружающую среду (рис. 1.1).

IIa h1, W1, z1

h2a, W2a, z2

I I

IIa

qH1

lЭ1

Рис. 1.1. Расчетная схема I участка

Работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяется по уравнению

где NН – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в теплоту и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qН2 – количество теплоты, отдаваемое системой на II участке в окружающую среду.

5

Рис. 1.2. Расчетная схема II участка

Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1.1) и (1.2) и представляется в виде

3. Схема и описание установки. Рабочее вещество − воздух компрессором 1 (см. рис. 1.3) забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5.

1 11

Рис. 1.3. Схема экспериментальной установки

6

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. 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 подведенной теплоты воздух, проходя от сечения I−I, где его температура равна температуре окружающей среды t1 = tОКР, нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором.

Таблица 1.1

Протокол наблюдений

6

Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы».

4.Расчетные формулы и расчеты.

1.Атмосферное давление, Па, находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

В 102

pАТМ 1 1,815 10 4tОКР .

2. Перепад давления воздуха, Па, в воздухомере:

p gH,

где ρ = 1000 кг/м3 – плотность воды в U-образном вакуумметре; g = = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод. ст.

3. Плотность воздуха, кг/м3, по состоянию в «горле» воздухомера

pВ рАТМ р ,

R t1 273

где R = 287 Дж/(кг К) – газовая постоянная воздуха. 4. Расход воздуха, кг/с:

G0,525 10 3 В р.

5.Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу, Па:

p2a pАТМ gHК ,

где НК – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод. ст.

8

6.Плотность воздуха, кг/м3, на выходе из компрессора и на входе

вгоризонтальную трубу:

где t2а – температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение IIа), ОС.

7. Плотность воздуха, кг/м3, на выходе из трубы:

где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), ОС. 8. Значение энтальпии воздуха, кДж/кг, в сечениях I, IIa и II

определяется по общему уравнению

hj cP ,tj ,

где сР = 1,006 кДж/(кг К) – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры; tj – температура в рассматриваемом сечении, ОС; j – индекс рассматриваемого сечения (I, IIa или II).

9. Средняя скорость потока, м/с, в сечениях IIa и II вычисляется по общему уравнению

G wj jF ,

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35·10-3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j – индекс рассматриваемого сечения

(IIa или II).

Скорость потока воздуха в сечении I (на входе в воздухомер из окружающей среды) должна быть принята равной w1 = 0.

10. Изменение потенциальной энергии, кДж/кг, на участке I − IIа:

ЭПОТ g z2a z1 10 3.

Так как в данной работе (z2а – z1) = 0,4 м, то ЭПОТ = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1.1) можно пренебречь.

11. Работа электрического тока, кДж/кг, на I участке (подсистеме):

9