Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1681

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
07.01.2021
Размер:
1.56 Mб
Скачать

е р и я в н у т р и в у з о в с к и х См е т о д и ч е с к и х у к а з а н и й С и б А Д И

Министерствоинауки высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования « ибирский государственный автомо ильно-дорожный университет (СибАДИ)»

Кафедра «Городское стро тельство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости» б ТЕРМОДИНАМИКАА

Методические указанияДк лабораторным работам

Составитель В. . Галдин

И Омск ▪ 2018

УДК 697.34 ББК 31.38 Т35

_____________________________

Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.

_____________________________

Рецензент

канд. техн. наук, доц. А.Л. Иванов (СибАДИ)

СибАДИСодержат нео ход мые справочные данные и контрольные вопросы для закрепления изучаемого материала.

Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качест-

ве метод ческ х указан й.

Т35 Термод нам ка [Электронный ресурс] : методические указания к лабораторным работам / сост. В.Д. Галдин. – (Серия внутривузовских методических

указаний бАДИ). – Электрон. дан. –

Омск : СибАДИ, 2018. – URL: http://

bek.sibadi.org/cgi-bin/irbis64r plus/cgiirbis

64 ft.exe. - Режим доступа: для

авторизованных пользователей.

 

Имеют интерактивное оглавление в виде закладок.

Предназначены для студентов направления подготовки «Строительство» профиля «Теплогазосна жение и вентиляция» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Тепломассообмен и техническая термодинамика».

Подготовлены на кафедре «Городское строительство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости».

Текстовое (символьное) издание (2 МБ)

Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов:

Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader

Техническая подготовка Н.В. Кенжалинова Издание первое. Дата подписания к использованию 01.08.2018

Издательско-полиграфический комплекс . 644080, г. Омск, пр. Мира, 5 РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

© ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2018

В В Е Д Е Н И Е

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

эффект вности.

ПримененЛабораторные сследования дают возможность более глубоко понимать основные законы термодинамики и теплопередачи, принципы

работы тепловых установок. О работка опытных данных может осуществляться с помощью диаграмм и справочных таблиц, умение пользоватьсябАкоторыми нео ходимо специалисту.

компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ помогает значительно расширить диапазон как качественных, так кол чественных характеристик исследуемых процессов. Использован е в ртуальных лабораторных работ позволяет руководителю занятий ставить перед обучаемыми индивидуальные задания по исследованию теплотехнических процессов.

Виртуальные ла ораторные ра оты разработаны Б.Ф. Кузнецовым и Г.Д. Тарановой на кафедре «Гидравлика, теплотехника и гидропри-

КРЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВДТЕХНИЧЕСК Х ЗАДАЧ

1.Цель работы. Определение с помощьюИуравнения 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

qJ lJ h ЭКИН ЭПОТ ,

(J ) (J)

3

где qJ

и

lJ – суммарные количества теплоты и технической ра-

(J )

 

 

 

(J )

 

 

 

 

 

 

боты, переносимые через контрольную оболочку тер-

h h2 h1

модинамической системы;

– изменение энтальпии рабочего вещества;

ЭКИН

W 2

W 2

 

 

 

 

2

1

 

– изменение кинетической энергии потока 1 кг ра-

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бочего вещества;

ЭПОТ

g z2 z1

зменение потенциальной энергии потока 1 кг

 

 

 

 

рабочего вещества;

Сh1, W1 z1 − энтальп

я, скорость и геометрическая высота от условно-

 

 

 

 

го уровня отсчета для входного сечения потока рабоче-

 

 

 

 

го вещества;

рис. 1.3 оболочкипоказаны пунктирной линией).

h2, W2

z2

− то же для выходного сечения потока рабочего вещества.

иВся термод нам ческая система, представленная на рис. 1.3, де-

лится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного

сечения I до сечен я IIа, а второй – от сечения IIа до сечения II. Каж-

дый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на

При установившемсяАрежиме 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) приобрета-

ет вид

lЭ1 h2a h1

W 2

W 2

g z2a

z1 qH1.

 

 

 

2a

1

(1.1)

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Д

 

Работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель

компрессора, определяется по уравнению

И

l

Э1

 

NЭ

 

IК UК

,

 

 

 

 

 

G

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра

воздухомерного устройства; NЭ – 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 теплоты;

4

qН1 – количество теплоты, отдаваемое системой на I участке в окружающую среду (рис. 1.1).

IIa

h1, W1, z1

 

С

 

 

 

 

 

 

h2a, W2a, z2

I

 

 

 

 

I

qH1

 

 

IIa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lЭ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

с. 1.1. Расчетная схема I участка

 

 

бАG G

 

 

Уравнен е первого закона термодинамики для II участка (подсис-

темы) (р с. 1.2)

меет в д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lЭ2

h2

h2a

W22

W22a g z2 z2a qH 2.

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, опре-

деляется по уравнению

 

 

 

NH

 

IH UH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

Э2

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где NН – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая це-

ликом в теплоту

и оцениваемая по показаниям амперметра и вольт-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

метра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qН2

количество теплоты, отдаваемоеДсистемой на II участке в окружаю-

щую среду.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIa

 

lЭ2

 

 

 

 

 

 

 

qH2

 

 

 

 

 

II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2a, W2a, z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2, W2, z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

 

 

 

 

Рис. 1.2. Расчетная схема II участка

 

 

5

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W 2

W 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l l

 

 

h h

 

 

2

1

g z z q

 

q ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

2

1

 

 

 

 

 

 

2

1

 

H1

 

Н 2

 

 

 

 

Э1

 

 

Э2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

где qH1 и qH 2

– общее количество теплоты, отдаваемое в окружаю-

щую среду на участках I и II.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

хема

 

оп сан е установки. Рабочее вещество − воздух ком-

прессором 1 (см. р с. 1.3) забирается из окружающей среды, сжима-

ется

поступает в гор

зонтальный участок трубы 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ра ота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

9

 

10

Нагрев

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

компрессора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трубы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

12

 

 

 

 

5

 

 

7

 

 

 

 

 

 

IIa

 

 

 

 

 

 

 

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

 

 

 

 

 

 

Статические напоры

I

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

бА

 

 

Окружающая

 

3

 

 

НН

 

 

 

 

НВ

 

Н

2

 

 

 

 

 

 

 

среда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z1

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

Рис. 1.3. Схема экспериментальной установки

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

6

заслонки 3. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11 «Окружающая среда» (ртутный, ча-

шечный барометр и жидкостно-стеклянный термометр). На панели 4

« татические напоры» расположены три U-образных манометра для

измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера Н,

С

НВ и за компрессором НН. В результате подве-

на входе в компрессор

денной теплоты воздух, проходя от сечения I−I, где его температура

равна температуре окружающей среды t1 = tОКР, нагревается до темпе-

ратуры t2а,

которая змеряется термопарой 6 в комплекте с вторич-

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ным пр бором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1

 

 

 

 

Протокол наблюдений

 

 

трубу

Еди-

 

Номера опытов

 

 

 

ница

 

 

 

 

 

 

 

 

Измеряемая вел ч на

О оз-

 

 

 

 

 

 

 

 

на-

изме-

1

2

3

4

5

6

 

 

 

 

 

 

чение

 

 

 

 

 

 

 

рен.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Температура воздуха при

t1

ОС

 

 

 

 

 

 

 

 

входе в воздухомер (сечение I)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Температура воздуха при

t2а

ОС

 

 

 

 

 

 

 

 

входе в

 

(сечение IIа)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Температура воздуха при

t2

ОС

 

 

 

 

 

 

 

 

выходе из трубы (сечение II)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мм

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Показания вакуумметра

Н

Д

 

 

 

 

(«горло» воздухомера)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аст.

 

 

 

 

5. Показания пьезометра (по-

НН

мм

 

 

 

 

 

 

 

 

сле компрессора)

 

 

ст.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Напряжение и сила тока,

UК

В

И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

потребляемого компрессором

IК

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Напряжение и сила тока,

UН

В

 

 

 

 

 

 

 

 

потребляемого на нагрев тру-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IН

А

 

 

 

 

 

 

 

 

бы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Показания барометра

B

мбар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Температура окружающей

tОКР

ОС

 

 

 

 

 

 

 

 

среды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

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 расширен я столб ка ртути барометра по формуле

С

p

 

В 102

АТМ

 

.

1 1,815 10 4tОКР

 

 

 

 

2. Перепад давлен я воздуха, Па, в воздухомере:

бА

 

p gH,

 

3

 

 

U-образном вакуумметре; g =

гдеиρ = 1000 кг/м – плотность воды в

= 9,81 м/с2 – ускорен е сво одного падения; Н – показание вакуум-

метра («горло») воздухомера, переведенное в м вод. ст.

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

pВ

 

р ТМ р

 

 

 

,

 

R t 273

 

 

1

 

 

 

 

 

Д

где R = 287 Дж/(кг К) – газовая постоянная воздуха.

4. Расход воздуха, кг/с:

 

 

 

 

 

G 0,525 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.

 

 

 

 

И

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

вгоризонтальную трубу:

p2

р2a

,

R t2a 273

8

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:

С

p2

рАТМ

 

,

R t2 273

 

 

 

где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), ОС.

8. Значен е энтальп и воздуха, кДж/кг, в сечениях I, IIa и II опре-

деляется по общему уравнению

риваемого

 

hj cP ,tj ,

где сР = 1,006 кДж/(кг К) – теплоемкость воздуха при постоянном

бА

давлен , которая может ыть принята не зависящей от температуры; tj – температура в рассматриваемом сечении, ОС; j – индекс рассмат-

сечен я (I, IIa или II).

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

 

 

w

j

 

G

,

 

 

 

 

 

jF

 

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая

 

 

 

 

Д

для сечений IIa и II и равная 1,35·10-3

 

м2; ρj

– плотность воздуха в рас-

сматриваемом сечении, кг/м3; j – индекс рассматриваемого сечения

(IIa или II).

 

 

 

 

 

 

 

 

Скорость потока воздуха в сечении I (на входе в воздухомер из ок-

ружающей среды) должна быть принята равной w1 = 0.

10. Изменение потенциальной энергии, к

И

ж/кг, на участке I − IIа:

Э

ПОТ

g z

2a

z 10 3.

 

 

 

 

 

1

 

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):

lЭ1 IК UК 10 3, G

9

где IК – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, А; UК – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, В.

12. Работа электрического тока, кДж/кг, на II участке (подсистеме):

lЭ2

 

IH UH

10 3,

 

 

 

G

где IН – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А; UН – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В.

Результаты расчетов должны быть продублированы в форме свод-

ной табл. 1.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

Результаты расчетов

 

 

 

 

Таблица 1.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обоз

н

Едини-

 

Номера опытов

 

 

 

 

Измеряемая вел ч на

 

 

 

ца

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

чени

 

изм.

 

1

2

3

4

5

6

 

 

 

1

 

 

2

 

3

 

4

5

6

7

8

9

 

 

1.

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

Атмосферное давление

 

р ТМ

 

Па

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Перепад давления воздуха в

 

р

 

Па

 

 

 

 

 

 

 

 

 

воздухомере

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Плотность воздуха по состоя-

 

Г

 

кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нию в горле воздухомера

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Расход воздуха

 

 

G

 

кг/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Плотность воздуха в сечении

 

ρ2a

 

кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IIа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Средняя скорость потока в се-

 

w2a

 

м/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чении IIa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

Плотность воздуха при выходе

 

ρ2

 

кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из трубы (сечение II)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

Средняя скорость потока при

 

w2

 

м/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выходе из трубы (сечение II)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

Работа электрического тока на

 

lЭ1

кДж/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

первом участке (подсистеме)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

10. Изменение энтальпии потока

 

h1

кДж/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

на первом участке (подсистеме)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Изменение кинетической

 

Экин1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

энергии потока на первом участке

 

кДж/кг

 

 

 

 

 

 

 

 

(подсистеме)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]