Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплофизика. Лабораторный практикум
.pdf
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МОДЕЛИ
ИНЖЕКЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ
4.1 Цель работы
Экспериментальное определение величины кратности
инжекции. Исследование влияния конструкции горелки на распределение статического давления по ее длине и
на кратность инжекции. Применение уравнения энергетического баланса инжектора для расчетов параметров инжекционной горелки.
4.2. Основы теории и расчетные формулы
При истечении турбулентной струи в цилиндрическую
камеру, открытую с обоих торцов (рис. 4.1), до соприкосновения со стенками камеры струя ведет себя практически как
свободная, захватывая и увлекая за собой окружающую среду через входной торец камеры.
После соприкосновения со стенками камеры кинетическая энер гия струи уже не может расходоваться на вовлечение в движение захваченной среды, и потому частично
превращается в потенциальную энергию. Это означает, что
такая струя способна совершать работу противодавления.
S
2
S
S
1
S
2
Рис. 4.1. Схема струйного прибора
41
3
Подобные устройства называются струйными прибора-
3
S
2
S
2
S
3
S
2
S
3
S
2
S
3
S
2
p
2
S
3
p
3
S
22 2
3 33 1 11 2 22 3 2 3
()Su Su Su S p pρ −ρ −ρ = −
ми: инжекторами, если они служат для нагнетания газа или
жидкости в пространство, примыкающее к сечению
(cм.
рис. 4.1); эжекторами, если они служат для удаления текучей среды из пространства, примыкающего к сечению
S – площадь сопла, через которое происходит истечение
(
1
жидкости, м
2
;
– часть площади входного торца камеры,
через которую происходит захват (инжекция) окружающей
2
;
среды, м
– площадь выходного сечения камеры, м2).
Частным случаем инжектора является инжекционная го-
релка, в которой кинетическая энергия струи сжигаемого газа
(инжектирующей среды), истекающего через сечение
S , ис-
1
пользуется для вовлечения воздуха (инжектируемой среды),
необходимого для го рения, через сечение
чении
образуется горючая смесь газа с воздухом.
. В результате в се-
Для вывода уравнения, характеризующего работу инжектора, используем закон сохранения количества движения в применении к кон трольному объему, показанному
пунктиром на рис. 4.1.
Пусть u
, u2, u3 – средние по сечениям 1S ,
1
и
скорости инжектирующей среды, инжектируемой среды и смеси,
соответственно, м/с;
– статическое давление в сечении
– статическое давление в сечении
, Па; ρ1, ρ2, ρ3 – со-
ответственно, плотности инжектирующей, инжектируемой
3
сред и смеси, кг/м
.
В соответствии с законом сохранения количества движения результирующий поток количества движения через поверхность контроль ного объема равен равнодействующей
внешних сил, приложенных к этой поверхности. Для рассматриваемого случая это означает:
,
т.е. разность между потоками импульса на выходе из камеры смешения и на входе в нее равна разности сил давления
в этих сечениях (равнодействующей сил давления). Уравнение (4.1) записано без учета силы трения на стенке камеры.
, Н, (4.1)
42
Обозначим через 1M, 2M и 3M потоки массы (массовые
1 111
2 222
3 333
3
S
3
V
3
3
3
V
Su=
12
VV
1
V
2
V
2
1 2 3 112 223 1 2 2 3
( ) ( )( )M M u Muu Muu V V p p+− − =+−
22
11 22
22
Mu Mu
+
2
22
1 23
11 22
22
11 3 22 3
1 23 2
()
22 2
() ()
( )( ) ,
22
M Mu
Mu Mu
Muu Muu
VVp p
+
+= +
−−
++ −+ +
расходы) инжектирующей, инжектируемой сред и смеси, соответственно:
Площадь сечения
расход смеси
и
где
– объемные расходы инжектирующей и инжек-
M Su= ρ
M Su= ρ
M Su= ρ
можно выразить через объемный
, м3/с, и ее скорость:
или
, кг/с;
, кг/с; (4.2)
, кг/с.
S
+
=
3
, (4.3)
u
3
тируемой сред, м3/с.
Подставляя выражения (4.2) и (4.3) в уравнение (4.1) и
умножая затем обе части его на u
, получим:
3
, Вт. (4.4)
Прибавляя к обеим частям уравнения (4.4) величину
,
после простых преобразований получим выражение
которое представляет собой уравнение энергетического ба-
ланса инжектора. Каждый из членов этого уравнения имеет
смысл и размерность потока энергии (мощности): Вт или Дж/с.
Левая часть есть сумма потоков кинетической энергии инжектирующей и инжектируемой сред, а в правой части уравнения
43
Вт, (4.5)
фигурирует сумма потока кинетической энергии смеси с ра-
2
V
111
VVV
3
V
2
S
1
32
pp
2 22
22 2 2
=++
3
13
1
M
uu
M
=
1 11
MV
3 33
MV
ботой противодавления и потерями энергии на удар потоков
(на изменение их скоростей), отнесенными к единице времени.
Как видно из уравнения (4.5), при увеличении кинетической энергии смеси работа противодавления (при прочих
равных условиях) уменьшается, и наоборот, уменьшение кинетической энергии смеси позволяет увеличить работу противодавления. Этим обстоятельством пользуются, устанавливая на выходе из инжектора либо сужающийся насадок
(конфузор), либо расширяющийся (диффузор).
Уравнение энергетического баланса может быть использовано, в частности, для определения скорости инжектирующей среды, необходимой для обеспечения заданных параметров работы инжектора. Одним из таких наиболее важных
параметров явля ется кратность инжекции – n, которая
представляет собой отношение объемных расходов инжектируемой
и инжектирующей сред, т.е.
VV V
V
n
= = = −
−
31 3
2
1
,
где
– объемный расход горючей смеси, м3/с.
В случае, когда площадь сечения
по сравне нию с площадью сопла
нии (4.5) можно пренебречь. Если при этом мала и величина
противодавления
− , то уравнение (4.6) принимает сле-
дующий простой вид:
2
Mu
Mu M u u Mu
11
33 1 1 3 23
откуда после раскрытия скобок и очевидных сокращений
можно получить
= ρ
,
где
= ρ
()
−
, кг/с.
44
очень велика
S , скоростью u2 в уравне-
, Вт, (4.7)
, м/с,
Если плотности инжектирующей среды и смеси одинако-
13
uu
13
unu
вы, из последнего соотношения следует, что
V
3
=
, (4.8)
V
1
откуда с учетом формулы (4.6) может быть получено выражение, связывающее скорости инжектирующей среды и смеси при требуемой величине кратности инжекции:
( 1)
= + , м/с. (4.9)
4.3. Описание лабораторной установки
Установка состоит из модели инжекционной горелки,
двух смен ных насадков (конфузора и диффузора), воздухонагнетателя, питание которого осуществляется через ЛАТР,
ротаметра, установленного в воздухопроводе между воздухонагнетателем и моделью горелки, трубок Прандтля, трубки
Пито и микроманометра.
Схемы модели горелки и насадков показаны на рис. 4.2.
Подаваемый воздухонагнетателем воздух (инжектирующая
среда), пройдя по воздухопроводу через ротаметр, служащий
для измерения расхода, а затем через сопло, инжектирует
из окружающего пространства воздух перед входом в камеру
смешения.
Статическое давление в горелке измеряется с помощью
трубок Прандтля I, II (в корпусе горелки) и III (в корпусе насадка), расположенных перпендикулярно направлению движения воздуха и последовательно соединяемых с микроманометром.
Для измерения динамического давления в корпусе горелки служит трубка Пито IV, установленная в сечении II и соединенная с микроманометром.
При проведении эксперимента инжектор собирается
по следующим схемам:
– схема 1 – горелка без насадка, диаметр выходного от-
верстия – 27 мм;
45
– схема 2 – горелка с конфузором, диаметр выходного
отверстия – 20 мм;
– схема 3 – горелка с диффузором, диаметр выходного
отверстия – 92 мм.
а
б
Рис. 4.2. Модель инжекционной горелки (а) и сменные
насадки: б – конфузор; в – диффузор
в
4.4. Порядок проведения работы
и указания по технике безопасности
1. Собрать модель инжектора по одной из описанных
выше схем.
2. Включить воздухонагнетатель и поворотом ручки
ЛАТРа установить заданный расход инжектирующего воздуха, пользуясь ротаметром для контроля этой величины.
3. С помощью трубки Пито и микроманометра измерить динамическое давление в выходном сечении камеры
смешения.
46
4. Последовательно соединяя трубки Прандтля с микро-
⋅
Bt
ρ+
tδи Bδ
маномет ром резиновыми шлангами, измерить статические
давления в соответствующих сечениях по длине инжектора:
I и II для горелки без насадка и I, II, III – для горелки с насадком (см. рис. 4.2).
5. Повторить все описанные выше действия для других
схем инжек тора.
6. Записать барометрическое давление и температуру
воздуха в лаборатории.
Включение установки и регулирование заданного расхода инжектирующего воздуха осуществляется в присутствии лаборанта!
Запрещается создавать препятствия для выхода воздуха из установки!
4.5. Обработка результатов измерений
и расчеты
1. Определить плотность воздуха при температуре t, °C и
барометрическом давлении В, мм рт. ст. по уравнению состояния идеального газа:
273
ρ=ρ
0
760 ( 273)
В
t
⋅+
,
= 1,293 кг/м3 – плотность воздуха при нормальных ус-
где ρ
0
ловиях;
и оценить ошибку этого определения
где
– абсолютные погрешности определения темпера-
туры и барометрического давления.
δρ δ δ
= +
Bt
47
,
273
2. Оценить относительную ошибку определения с помо-
δδ
рh
рh
δ
δ δρ
= +
ρ
д
д
11
22
II
II
u
p
u
p
3 II II
3
II
II
3
.
V
u
u
V
δ
δ
=
13
VV
3
1
13
инж
u
u
n
u nu
δ
δ
δ
= +
щью микроманометра статических и динамических давлений:
=
,
где h и dh – показания микроманометра и погрешность их
определения, мм.
3. Определить среднюю скорость в выходном сечении ка-
меры смешения:
д
2IIр
=
u
, м/с,
ρ
и оценить погрешность этого определения:
.
4. Найти расход смеси:
S – площадь сечения II (выходного сечения камеры сме-
где
II
шения), м2,
и оценить ошибку его определения:
5. Определить кратность инжекции по формуле (4.6) и
оценить погрешность этого определения:
6. По формуле (4.8) найти скорость инжектирующего
воздуха и оценить погрешность:
n
δ
n
V uS=
V
δ
= +
48
,
V
δ
3
1
.
.
7. Сравнить полученное значение
инж
1
u
расх
1
u
1
V
1
11
uV
δδ
жектирующего воздуха
расхода
S – площадь сечения сопла инжектирующего воздуха,
где
, измеренной ротаметром:
, определенной по величине
V
расх
uS=
1
1
,
1
со скоростью ин-
м2.
8. Сделать вывод о значимости полученных расхождений
с учетом погрешности:
расх
=
u
расх
1
.
V
1
9. Построить график изменения статического давления
по длине инжекционной горелки без насадков и с различными насадками (три кривые в осях p–x).
10. Составить отчет о лабораторной работе по прилагаемой форме.
4.6. Форма отчета
Отчет по лабораторной работе 4
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МОДЕЛИ
ИНЖЕКЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ
Фамилия студента__________________группа________
Допуск:_________Выполнение:________Защита_______
Цель работы:
Схема установки:
Экспериментальные и расчетные данные:
Основы теории и расчетные формулы.
Исходные данные:
Диаметр выходного отверстия горелки d
Диаметр выходного отверстия диффузора d
Диаметр выходного отверстия конфузора d
Длина горелки l
= … мм
0
49
=27 мм
0
= 92 мм
д
= 20 мм
к
Длина диффузора lд = … мм
Длина конфузора l
= … мм
к
Журнал наблюдений:
Температура воздуха, t = … °C
Барометрическое давление, В = … мм рт. ст.
Результаты измерения величин при различных схемах
сборки установки:
Наименование
величины
Расход инжектирующего воздуха
Обозначение
величины
V
1
Единица
измерения
м3/с
Номер схемы инжектора
1(б/н) 2(к) 3(д)
Динамическое
давление
д
р
Па
в се чении II
Статическое
давление в разных
сечениях
р
I
р
II
р
III
Па
Па
Па –
4. Оценка погрешностей измеренных величин:
Наименование
величины
Единица
измерения
Температура °С
Барометр. давле ние мм рт. ст.
3
Расход м
/с
Давление в потоке мм вод. ст.
р
I
р
II
р
III
Абсолютная Относительная
Погрешность
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]