LR-Termodinamika

5.Постепенно открывая регулирующий клапан 5 и трехходовой кран 6, обеспечить подачу пара в электрический нагреватель 9.

6.Поскольку во всем диапазоне изменений β необходимо иметь давление пара на входе в установку одинаковым, то перед началом опытов с помощью клапана 5 следует установить давление пара примерно на 0,01– 0,02 МПа меньше максимального (0,22–0,24 МПа), чтобы на случай падения давления в паровой линии можно было, открывая клапан 5, восстановить давление пара.

7.Регулятором электрического нагревателя 9 установить температуру пара перед соплом около 200 °С.

8.Для проведения первого опыта необходимо полностью открыть клапан 16. Это будет соответствовать минимальному значению β = р2 р1 .

9.Первый опыт можно начать после того, как установится стационарный режим истечения. Главным критерием этого будет постоянство температуры пара на входе в установку t1 в пределах 1–3 °С, а давления p1,

иp2 при этом не должны изменяться.

10.Опыт проводится следующим образом. Переключая трехходовой кран 18, осуществляется слив конденсата в тарированную емкость 19. Одновременно начинается отсчет времени заполнения емкости. Сбор конденсата продолжать 5 мин. В течение всего времени τ заполнения конденсатом

емкости–расходомера необходимо записывать через 1 мин температуру t1 и давления p1 и p2. После остановки секундомера в журнал наблюдений записывается его показание τ, а значения t1, p1 и p2 усредняются (в таблицу заносятся избыточные давления).

11.Рассчитав из опыта β = р2 р1 , переходят к проведению опыта в

другом режиме, при котором значение β на 0,1 больше, чем в предыдущем. Для этого, закрывая клапан 16, поднимают давление р2 в камере за соплом до значения, соответствующего новому значению β. После того как установится новый стационарный режим, нужно провести второй опыт на новом режиме.

12.Затем можно перейти к третьему опыту, установив такое давление за соплом, чтобы значение β было большим, чем во втором опыте, вновь на 0,1. Подобным образом нужно провести последовательно несколько опытов при значениях β, отличающихся друг от друга на 0,1. Последний опыт следует провести при β≈0,96.

13.По окончании последнего опыта следует выключить установку и приступить к обработке полученных результатов.

5.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

5.1.Расчет параметров процесса истечения через суживающееся сопло

41

1. Для каждого опыта необходимо рассчитать расход пара по форму-

тать величину критического давления р2кр. В случае β<βкр. давление за соплом р2 равно р2кр.

определить теоретический расход водяного пара G через сопло для параметров, соответствующих одной экспериментальной точке при β<βкр и одной точке при β>βкр. Сравнить эти значения с расходами пара, полученным в опыте. По формуле (4.13)

µ = GGд ,

определить коэффициент расхода µ.

Диаметр минимального сечения сопла, необходимый для расчета F2 (4.5), равен dc=2,02 мм. Для расчета параметров пара в изоэнтропном процессе истечения (h1, h2, v2) необходимо воспользоваться h-s – диаграммой водяного пара, где по принятым параметрам пара на входе в сопло р1 и t1 и давлении пара на выходе из сопла р2 строится процесс истечения (как это показано на рис.4.2). Расход пара Gд принимается на основании экспериментальных данных.

Необходимо помнить, что для β<βкр давление р2 – это критическое давление ркр; скорость истечения w2 – это критическая скорость wкр, равная местной скорости звука; а расход G – это максимальный расход Gmax (см.

рис.4.1).

4. Определить коэффициент скорости сопла по формуле (4.11)

ϕ = w2д , w2

для одной экспериментальной точки при β<βкр и для одной точки при β>βкр. Теоретическая скорость истечения пара из сопла w2 рассчитывается по формуле (4.4), аналогично как в предыдущем пункте.

Расчет действительной скорости истечения w2д проводится подбором, так как действительное состояние пара в выходном сечении сопла

42

(точка 2д на рис. 4.2) неизвестно. Для нахождения w2д можно воспользоваться уравнениями (4.10) и (4.5)

где h1, h2д – энтальпии, Дж/кг; все остальные величины в единицах СИ. Значения h2д и v2д следует взять по h-s – диаграмме. Но так как поло-

жение точки 2д на изобаре р2 неизвестно, то ее надо выбирать на изобаре так, чтобы значение w2д, рассчитанное по (4.15) и (4.16), получилось одинаковым.

5. Результаты расчетов свести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Результаты расчета параметров процесса истечения через суживающееся сопло

5.2. Оценка точности экспериментальных данных

Максимально возможная относительная ошибка определения коэффициента скорости сопла равна

Теоретическая скорость w2 определяется по уравнению (4.4), поэтому величина δw2 зависит от точности взятых для расчета значений энтальпии h1 и h2

Ошибки значений энтальпии определяются погрешностями измерения параметров пара во время опыта

43

Значения производных согласно дифференциальным уравнениям термодинамики /1, 2, 3/

где ср1 – истинная изобарная теплоемкость перегретого пара при давлении р1 и температуре t1, кДж/(кг·К); v2 – удельный объем пара в конце обратимого расширения при давлении в устье сопла, м3/кг.

Значение производной (∂h1 ∂p1 )t1 определяется по таблицам /8/.

Абсолютные ошибки определения параметров пара (∆р1, ∆р2, ∆t1) зависят от класса точности применяемых приборов и точности отсчета измерения.

При расчете по формулам (4.19) и (4.20) следует внимательно контролировать размерность величин, входящих в эти уравнения.

Действительная скорость истечения рассчитывается по данным опы-

Погрешность величины удельного объема δv2д зависит от того, насколько точно рассчитанная скорость w2д одновременно удовлетворяет уравнениям (4.15) и (4.16).

Ошибка определения сечения сопла рассчитывается при условии, что абсолютная погрешность измерения диаметра сопла составляет

∆dc=0,01 мм.

Максимально возможная относительная ошибка определения коэффициента расхода сопла равна

Величина δGд определена ранее по (4.23), а относительная ошибка теоретического расхода пара

где δw2 и δF2 определены выше. Погрешность определения объема пара в выходной сечении зависит от точности измерения давления р2 (при условии β<βкр)

44

где k – показатель адиабаты для водяного пара при параметрах в выходном сечении сопла. Приближенно величину k можно принять равной 1,3. Точное значение k можно найти по таблицам /8/.

6.СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

1.Название и цель лабораторной работы.

2.Схема экспериментальной установки с обозначением основных элементов.

3.Протокол записи показаний измерений.

4.Обработка результатов эксперимента.

5.К результатам работы приложить построенный график Gд=f(β), выполненный в масштабе, а также выкопировку из h-s – диаграммы с нанесенными на ней процессами истечения водяного пара.

7.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Какой канал принято называть соплом, а какой – диффузором?

2.Какой процесс называется истечением?

3.Почему при истечении газа из суживающегося сопла наступает критический режим истечения?

4.Как зависят скорость, давление и массовый расход пара на выходе из сопла от β. Чем объясняется такой характер зависимостей?

5.От чего зависит критическое отношение давлений βкр для идеального газа.

6.В чем различие между обратимым и необратимым процессами адиабатного истечения? Изобразить в h-s – координатах процесс истечения водяного пара.

7.Чему равна максимальная скорость истечения газа из суживающегося сопла?

8.Что называется коэффициентом скорости сопла и коэффициентом расхода сопла и от чего они зависят?

9.Какие случайные ошибки могут иметь место в ходе эксперимента?

45

ЛИТЕРАТУРА

1.Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. – М.: Высшая школа, 1975.

2.Техническая термодинамика/ Под ред. В.И. Крутова. – М.: Высшая шко-

ла, 1991.

3.Сборник задач по технической термодинамике/ Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов. – М.: Энергоиздат, 1981.

4.Зубарев В.Н., Александров А.А., Охотин В.С. Практикум по технической термодинамике. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

5.Ривкин С.Л., Александров А.А. Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

6.Попова Т.И., Гончаренко О.В. Теплотехника. Методические указания к учебно-исследовательским лабораторным работам 1, 2. – Саратов: СПИ, 1992.

7.Попова Т.И., Гончаренко О.В. Теплотехника. Методические указания к учебно-исследовательским лабораторным работам 5, 6. – Саратов: СПИ, 1995.

8.Ривкин С.Л., Александров А.А., Кремневская Е.А. Таблицы термодинамических производных воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1977.

46

Приложение 1

Средние теплоемкости сухого воздуха, кДж / (кг · К)

47

Приложение 2

Зависимость объемного расхода воздуха от перепада давлений в дроссельной шайбе

V t , 3,5 м3/ч3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

48

Приложение 3

Давление насыщения водяного пара при различных температурах

49

Приложение 4

Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

50