Лаб. работа 1 Word 2007
.docx
Работа № 1
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
В ПРИЛОЖЕНИИ К РЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
-
Цель работы
Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду, и коэффициента полезного действия компрессора в условиях лабораторной установки.
-
Основные положения
Энергия – количественная мера различных видов движения материи, способных переходить из одного в другое. Передача энергии от одних тел к другим происходит в результате их взаимодействия. Несмотря на большое многообразие видов движения материи, способов их передачи, а, следовательно, и способов передачи энергии существует только два – совершение работы и передача теплоты. Эти способы отличаются друг от друга.
Передача энергии в результате упорядоченного макроскопического движения называется работой. Работа – макроскопическая форма передачи энергии.
Передача энергии в результате обмена хаотическим (тепловым) движением составляющих тела частиц (атомов, молекул) называется передачей теплоты. Передача теплоты – микрофизическая форма передачи энергии.
Согласно первому началу (закону) термодинамики изменение энергии закрытой системы Δu происходит в результате совершения работы l и подвода теплоты q:
Δu = q - l .
(1)
Здесь Δu, q и l - удельные величины, рассчитанные для 1 кг массы системы. Если это выражение переписать следующим образом
q = Δu + l, (2)
то его можно трактовать так: подводимая к системе теплота затрачивается на изменение внутренней энергии системы и на совершение ею работы.
При этом если теплота подводится к системе, то она считается положительной величиной q > 0, если теплота отводится, то q < 0. Если система совершает работу, то l > 0, если работа совершается над системой, то l < 0.
Для открытой (проточной) системы (например, для стационарного потока газа внутри трубы) уравнение первого начала термодинамики в расчете на 1 кг массы газа имеет следующий вид:
q = Δh+ Δw2/2 + gΔz + lтех. (3)
где – q - суммарное количество теплоты, переносимое через контрольную оболочку термодинамической системы (через поверхность трубы); Δh = h2 – h1 – изменение энтальпии рабочего тела Δw2/2 =(w22- w12)/2 – изменение кинетической энергии потока 1 кг газа, gΔz =g(z2- z1) – изменение потенциальной энергии потока 1кг газа; h1, w1 и z1 − соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока газа; h2, w2 и z2 − соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока газа, lтех – техническая работа, совершаемая над некоторым внешним объектом (например, над лопатками турбины).
Если это выражение переписать так:
q - lтех = Δh+ Δw2/2 + gΔz. (4)
то его можно сформулировать следующим образом: подводимая к потоку 1 кг газа от внешнего источника теплота и совершаемая внешним объектом (компрессором) техническая работа затрачиваются на увеличение энтальпии, кинетической и потенциальной энергий газа.
Принципиальная схема исследуемой термодинамической системы стационарного потока газа изображена на рис. 1. Она заключена в контрольную оболочку, показанную штриховой линией. С боковой поверхности для потока газа такой контрольной оболочкой является труба, по которой он движется.
Рис. 1
В лабораторной установке техническая работа над потоком газа совершается размещенным внутри трубы компрессором, который приводится в движение электродвигателем. Электрическая энергия, потребляемая электродвигателем в расчете на 1 кг потока газа, определяется по уравнению:
Ээлдв = Iк·Uк/G , (5)
где G – массовый расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; Iк·Uк – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям амперметра и вольтметра. Однако не вся потребляемая электродвигателем электрическая энергия преобразуется в техническую работу – часть ее за счет трения преобразуется в теплоту, передаваемую потоку газа.
Теплота к потоку газа подводится от размещенного на поверхности трубы электрического нагревателя. Количество теплоты, выделяющееся в нагревателе в расчете на 1 кг газа, определяется из выражения:
Ээлнагр = Iн·Uн/G . (6)
Однако не вся выделяемая в электронагревателе теплота передается потоку газа – часть ее отдается в окружающую среду. Кроме того, некоторая часть теплоты от нагретого за счет трения в компрессоре потока газа передается через стенку трубы в окружающую среду на участке течения от компрессора до электронагревателя. Поэтому от компрессора и электронагревателя в поток газа передается меньше теплоты и совершается над ним меньше технической работы на величину потерь теплоты в окружающую среду через стенку трубы
q - lтех = Ээлдв + Ээлнагр - qпот , (7)
где qпот - общее количество теплоты, передаваемое в окружающую среду.
Окончательно для рассматриваемого процесса движения газа в лабораторной установке в условиях стационарного (установившегося) режима уравнение первого начала термодинамики имеет вид:
Ээлдв + Ээлнагр = Δh+ Δw2/2 + gΔz + qпот. (8)
Это выражение и используется для расчета величины потерь теплоты в окружающую среду по измеряемым и рассчитываемым характеристикам процесса.
Полезная техническая работа компрессора состоит в увеличении механической энергии 1 кг газа – сумме ( Δw2/2 + gΔz ) его кинетической и потенциальной энергий . На электропривод компрессора затрачивается в расчете на 1 кг газа работа Ээлдв = Iк·Uк/G . Характеристикой эффективности действия компрессора является его коэффициент полезного действия η, определяемый в виде отношения совершенной им полезной работы к затраченной на его привод:
η = ( Δw2/2 + gΔz)·G/ Iк·Uк. (9)
-
Схема и описание установки
Рабочее тело (воздух) (рис. 2) забирается из окружающей среды, сжимается компрессором 1 и поступает в горизонтальный участок трубы 5. При этом воздух 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 10 «Окружающая среда» (ртутный чашечный барометр и жидкостный стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры», расположены два U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н) и за компрессором (Нн). В результате сжатия в компрессоре воздух нагревается от температуры окружающей
Рис. 2. Схема установки
среды t1 = tокр до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором 12. Далее воздух проходит через обогреваемый участок трубы 5, где его температура повышается до температуры t2. Температура воздуха на выходе из трубы измеряется термопарами 7 в комплекте с регистрирующим прибором 11. Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходуемая на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 9 «Нагрев трубы».
-
Выполнение работы
Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима – положение заслонки 3 (деления в диапазоне 20 – 80) и положение ползунка на панели 9 «Нагрев трубы» (деления в диапазоне 0 - 30). Затем включить установку нажатием на кнопку «Вык». Подождать установления стационарного режима, после чего зафиксировать показания всех приборов. Далее установить параметры следующего режима. По окончании измерений переписать данные измерений в табл. 1.
Таблица 1
Протокол измерений
№ п/п |
Измеряемая величина |
Обоз-на-чение |
Едини-ца из-мере-ния |
Номер опыта |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
1 |
Положение заслонки |
|
Деле-ния |
|
|
|
|
|
2 |
Положение ползунка на панели «Нагрев трубы» |
|
Деле-ния |
|
|
|
|
|
3 |
Температура воздуха на входе в воздуховод |
t1 |
°С |
|
|
|
|
|
4 |
Температура воздуха после компрессора |
t2а |
°С |
|
|
|
|
|
5 |
Температура воздуха на выходе из трубы |
t2 |
°С |
|
|
|
|
|
6 |
Показания вакуумметра (горло воздухомера) |
H |
мм. вод.ст |
|
|
|
|
|
7 |
Показания пьезометра (после компрессора) |
Hн |
мм. вод.ст |
|
|
|
|
|
8 |
Напряжение и сила тока, потребляемого электро- двигателем компрессора |
Uк |
В |
|
|
|
|
|
Iк |
А |
|
|
|
|
|
||
9 |
Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы |
Uн |
В |
|
|
|
|
|
Iн |
А |
|
|
|
|
|
||
10 |
Показания барометра |
В |
мбар |
|
|
|
|
|
11 |
Температура окружающей среды |
tокр |
°С |
|
|
|
|
|
-
Расчетные формулы и расчеты
При выполнении расчетов следует использовать следующие выражения.
1. Атмосферное давление находится по формуле:
Ратм = 100· В, Па
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
ΔP = ρ ·Н·g, Па
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера:
, кг/м3
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг. К.
Таблица 2
Результаты обработки опытных данных
№ п/п |
Рассчитываемая величина |
Обоз-на-чение |
Едини-ца из-мере-ния |
Номер опыта |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
1 |
Атмосферное давление |
Ратм |
Па |
|
|
|
|
|
2 |
Перепад давления воздуха в воздухомере |
ΔP |
Па |
|
|
|
|
|
3 |
Плотность воздуха в воздухомере |
ρв |
кг/м3 |
|
|
|
|
|
4 |
Расход воздуха |
G |
кг/с |
|
|
|
|
|
5 |
Плотность воздуха на выходе из трубы |
ρв2 |
кг/м3 |
|
|
|
|
|
6 |
Средняя скорость потока на выходе из трубы |
w2 |
м/с |
|
|
|
|
|
7 |
Полная электрическая энергия, потребленная электродвигателем и электронагревателем |
Ээлдв + Ээлнагр |
кДж/ кг |
|
|
|
|
|
8 |
Изменение энтальпии потока при движении через трубу |
Δh |
кДж/ кг |
|
|
|
|
|
9 |
Изменение кинетической энергии потока при движении через трубу |
Δw2/2 |
кДж/ кг |
|
|
|
|
|
10 |
Количество теплоты, отданное в окружающую среду |
qпот |
кДж/ кг |
|
|
|
|
|
11 |
Коэффициент полезного действия компрессора |
η |
|
|
|
|
|
|
4. Массовый расход воздуха
, кг/с.
5. Плотность воздуха на выходе из трубы
, кг/м3 ,
где t2 - температура воздуха на выходе из трубы, оС
6. Средняя скорость воздуха на выходе из трубы
где F = 1,35·10-3 м2 – площадь выходного сечения трубы. Начальную скорость потока воздуха перед входом в трубу следует принять равной нулю: w1 = 0.
7. Изменение потенциальной энергии потока воздуха в пределах трубы
gΔz = g(z2- z1)·10- 3 = 0,0039 кДж/кг одинаково во всех опытах и мало по сравнению с остальными слагаемыми уравнения (8), потому что мало изменение высоты (z2- z1 ) = 0,4 м. Поэтому величиной этого слагаемого gΔz в уравнении (8) можно пренебречь.
8. Изменение энтальпии воздуха в пределах трубы вычисляется по формуле
Δh = h2 – h1 = сp(t2 –t1), кДж/кг.
где сp =1,008 кДж/кг – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая принимается постоянной в условиях опытов.
Все слагаемые уравнения (8) при записи в табл.2 выражены в единицах кДж/кг. Для этого рассчитанные численные значения слагаемых необходимо умножить на переводной коэффициент 10-3 кДж/Дж.
9. Увеличение кинетической энергии потока газа в трубе
Δw2/2 =(w22- w12)·10-3/2 = w22·10-3/2, кДж/кг.
10. Полная электрическая энергия, потребленная электродвигателем и электронагревателем
Ээлдв + Ээлнагр = (Iк·Uк + Iн·Uн)·10-3 /G, кДж/кг/
11. Потери теплоты в окружающую среду
qпот = (Ээлдв + Ээлнагр ) - Δh - Δw2/2.
6. Контрольные вопросы
-
Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?
-
Чем различаются замкнутая и разомкнутая термодинамические системы?
-
Какое отношение имеет первый закон термодинамики к всеобщему закону сохранения энергии?
-
Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой термодинамических систем.
-
Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой термодинамических систем?
-
Дайте определение и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
-
Что означают знаки « + » и « − » для теплоты и работы?
-
На что и каким образом влияет изменение нагрева трубы при постоянном расходе воздуха?
-
На что расходуется мощность, подведенная для нагрева трубы, и как она определяется?
-
Как осуществляется выбор контрольной оболочки (границ) системы применительно к данной лабораторной работе?
-
Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
-
Какими методами измеряется температура в данной работе?
-
Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
-
На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?
-
В каком месте и почему границы подсистем (системы) размыкаются?
-
Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
-
Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.