Виртуальная лаборатория по технической термодинамике и теплопередаче

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Тверской государственный технический университет

Кафедра «Гидравлика, теплотехника и гидропривод»

Методические указания

«Виртуальная лаборатория по технической термодинамике и теплопередаче»

Составители: доц. Кузнецов Б.Ф.,

доц. Тарантова Г.Д.

Тверь 2003

Содержание

Введение

1. Первый закон термодинамики в применении к решению одной из технических задач

2. Определение параметров влажного воздуха

3. Исследование процесса истечения из суживающегося сопла

4. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала (метод цилиндрического слоя)

5. Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции (метод струны)

6. Исследование процессов теплообмена на горизонтальном трубопроводе



Введение

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 позволяют 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 шесть работ: три работы по технической термодинамике и три - по теплопередаче. Использование компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ позволяет значительно расширить диапазон как качественных, так и количественных характеристик исследуемых процессов. Использование виртуальной лаборатории позволяет руководителю занятий ставить перед обучаемым индивидуальные задания по исследованию теплотехнических процессов.



1. Первый закон термодинамики в приложении к решению одного из видов технических задач

термодинамика сопло трубопровод воздух

1. Цель работы. Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого 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 тела имеет вид:

,

где - соответственно, суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы;

- изменение энтальпии рабочего тела,

-

изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела,

-



изменение потенциальной энергии потока1 кг рабочего тела; h1, W1 и Z1 ? соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего тела; h2, W2 и Z2 ? соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока рабочего тела.

Вся термодинамическая система, представленная на рис. 1, 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 схеме 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-го участка (подсистемы) приобретает вид:

, (1)

электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению:

,

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 тепла; qн1 - количество тепла, отдаваемое системой на I-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схе

ма I-го участка может быть представлена в следующем виде:

Уравнение первого закона термодинамики для II-го участка (подсистемы) приобретает вид:

, (2)

электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению:

,

где Nн - мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qн2 - количество тепла, отдаваемое системой на II-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схема II-го участка может быть представлена в следующем виде:



Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде:

,

где qн1 и qн2 - общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду на участках I и II.

Размещено на http://www.allbest.ru/



3. Схема и описание установки. Рабочее тело ? воздух компрессором 1 (рис.) забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. 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 подведенного тепла, 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.

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

Таблица 1 Протокол наблюдений

№ п/п	Измеряемая величина	Обоз.	Единицы измерен.	Номера опытов
				1	2	3	4	5	6
1	Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I)	t1	°С
2	Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIа)	t2а	°С
3	Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II)	t2	°С
4	Показания вакуумметра («горло» воздухомера)	Н	мм вод.ст.
5	Показания пьезометра (после компрессора)	Нн	мм вод.ст.
6	Напряжение и сила тока, потребляемого компрессором	Uк	в
		Iк	а
7	Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы	Uн	в
		Iн	а
8	Показания барометра	B	мбар
9	Температура окружающей среды	tокр	°С

4. Расчетные формулы и расчеты.

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

, Па

2. Перепад давления воздуха в воздухомере:

, Па

где с - 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.

4. Расход воздуха:



, кг/сек

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

, Па

где Нн - показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.

6. Плотность воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:

, кг/м3

где t2а - температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение IIа), °С.

7. Плотность воздуха на выходе из трубы:

, кг/м3

где t2 - температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), °С.

8. Значение энтальпии воздуха h, в сечениях I, IIa и II определяется по общему уравнению

, кДж/кг



где ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj - температура в рассматриваемом сечении, °С; j - индекс рассматриваемого сечения (I, IIa или II).

9. Средняя скорость потока Wj в сечениях IIa и II определяется по общему уравнению

, м/сек

где F - площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35·10-3 м2; сj - 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 на участке I ? IIа:

, кДж/кг

Так как в данной работе (Z2а - Z1) = 0,4 м, то ДЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.

11. электрического тока lэ1 на I-ом участке (подсистеме):

, кДж/кг

где Iк - сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, а; Uк - напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в.

12. электрического тока lэ2 на II-ом участке (подсистеме):

, кДж/кг

где Iн - сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн - напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.

Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2.

Таблица 2

№ п/п	Измеряемая величина	Обозн.	Единицы измерен.	Номера опытов
				1	2	3	4	5	6
1	Атмосферное давление	Ратм	Па
2	Перепад давления воздуха в воздухомере	ДР	Па
3	Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера	св	кг/м3
4	Расход воздуха	G	кг/сек
5	Плотность воздуха в сечении IIа	с2a	кг/м3
6	Средняя скорость потока в сечении IIa	W2a	м/сек
7	Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II)	с2	кг/м3
8	Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II)	W2	м/сек
9	электрического тока на первом участке (подсистеме)	lЭ1	кДж/кг
10	Изменение энтальпии потока на первом участке (подсистеме)	Дh1	кДж/кг
11	Изменение кинетической энергии потока на первом участке (подсистеме)	ДЭкин1	кДж/кг
12	Количество теплоты, отдаваемое на первом участке в окружающую среду	qн1	кДж/кг
13	электрического тока на втором участке (подсистеме)	lЭ2	кДж/кг
14	Изменение энтальпии потока на втором участке (подсистеме)	Дh2	кДж/кг
15	Изменение кинетической энергии потока на втором участке (подсистеме)	ДЭкин2	кДж/кг
16	Количество теплоты, отдаваемое на втором участке в окружающую среду	qн2	кДж/кг
17	Общее количество тепла, отдаваемое в окружающую среду термодинамической системой	qн	кДж/кг

Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета:

, кДж/кг;

, кДж/кг;

, кДж/кг;

, кДж/кг;

,кДж/кг

, кДж/кг

, кДж/кг

Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?

6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.

7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?

8. Дайте определение и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.

9. Что означают знаки « + » и « ? » для теплоты и работы?

10. На что и каким образом влияет изменение нагрева трубы при постоянном расходе воздуха?

11. На что расходуется мощность, подведенная для нагрева трубы, и как она определяется?

12.. Как осуществляется выбор контрольных оболочек (границ) подсистем (системы) применительно к данной лабораторной работе?

13. В каком месте и почему границы подсистем (системы) размыкаются?

14. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.

15. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.

2. Определение параметров влажного воздуха

1. Цель работы. Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и процессов изменения параметров влажного воздуха.

2. Основные положения. Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов процессов сушки влажных материалов и изделий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.

Закон Дальтона формулируется так: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, как если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси:

, Па

где В ? барометрическое давление; рв и рп ? парциальные давления, соответственно, сухого воздуха и водяного пара.

Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано как для сухого воздуха, так и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в следующем виде:

или для 1 кг рабочего тела:

где р ? парциальное давление компонента, Па; V ? объем газовой смеси, м3; m ? масса газа, кг; R ? характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг·град); Т ? абсолютная температура, °К; v ? удельный объем газа, м3/кг.

Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено по-разному: через абсолютную или относительную влажность, или влагосодержание.

Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1 м3 влажного воздуха. Так как объем водяного пара в 1 м3 влажного воздуха также составляет 1 м3, то можно сказать, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара в смеси сп, кг/м3. Таким образом, абсолютная влажность представляет собой объемную концентрацию пара. Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к насыщению зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше движущая сила процесса сушки, определяемая разностью парциальных давлений паров растворителя над материалом и в окружающем воздухе. Влага переходит из материала в воздух до наступления состояния равновесия. При насыщении воздух не поглощает влагу, и избыточная влага начинает конденсироваться. Поэтому в процессе сушки очень важно знать способность воздуха к насыщению, которая характеризуется относительной влажностью ц.

Относительная влажность -- это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха или газа к концентрации водяного пара насыщенного воздуха или газа при одинаковых температурах и давлениях, т. е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре и том же барометрическом давлении:

где сп ? плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м3; сн ? плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м3.

Относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что водяной пар является идеальным газом, составляет приблизительно 1,5%, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность воздуха при температуре t менее 100°С:

При температуре выше 100°С относительная влажность определяется по формуле:

где В ? барометрическое давление, Па;

-

плотность пара в состоянии насыщения, кг/м3.

Для абсолютно сухого воздуха, когда рп = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для воздуха, насыщенного водяными парами, рп = рн и ц= 1. Поэтому можно сказать, что относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.

Влагосодержание воздуха. Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящаяся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха:

, г/кг сух.воз



где Мп и Мв -- соответственно массы водяного пара и сухого газа, кг.

Используя уравнение состояния (2) для влажного воздуха, запишем:

, г/кг сух.воз.

Величина В, входящая в формулу, зависит от географического положения местности (для центральных частей России В ? 745 мм рт. ст.). Влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяною пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха (ц = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает. При температуре более 100 °С рн = В, тогда формула для влагосодержания приобретает следующий вид:

, г/кг сух.воз.

т. е. величина d при t > 100 °С зависит только от ц.

Теплосодержание влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму теплосодержаний (энтальпий) сухого газа и перегретого водяного пара.

Теплосодержание I кг влажного воздуха относится обычно к 1 кг сухого воздуха:

, кДж/кг (10)



где hв = 1,006·t - энтальпия сухого воздуха, кДж/кг (1,006 - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг·град);

hп = (2500+1,97·t)

- энтальпия водяного пара, равная сумме его теплосодержания при 0°С и тепла перегрева от 0° до t (1,97 - средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, кДж/(кг · град).

Таким образом, теплосодержание влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле:

, кДж/кг

Из этой формулы видно, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.

Температура точки росы является одной из характеристик влажного воздуха. По этой температуре можно определить относительную влажность воздуха. Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы (ц = 1). Парциальное давление водяного пара рп равно давлению в состоянии насыщения рн. Температуру точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении насыщения рн или по I?d диаграмме влажного воздуха (рис. 3). 3. Схема и описание установки. Лабораторная установка (рис. 1) состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 5 и так называемого мокрого 4.

3. Схема и описание установки. Лабораторная установка (рис.) состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 5 и так называемого мокрого 4. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компрессором 2 создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 9 по показаниям U-образного вакуумметра 10. При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tс, а мокрый ? температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tм.

Причем, чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tс ? tм). Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6. В работе предусмотрена возможность изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также изменение влагосодержания путем впрыскивания в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. Результаты наблюдений вносятся в протокол (таблица 1).

Таблица 3

№ п/п	Измеряемая величина	Обозн.	Единицы измерен.	Номера опытов
				1	2	3	4	5	6
1	Температура сухого термометра	tс	°С
2	Температура мокрого термометра	tм	°С
3	Разрежение в «горле» воздухомера	Н	мм вод.ст.
4	Показания барометра	B	мбар
5	Температура окружающей среды	tокр	°С

4. Расчетные формулы и расчеты.

1. Приступая к вычислениям, необходимо рассчитать истинное значение температуры мокрого термометра tм? по формуле:

, °С



где tм ? показание мокрого термометра в психрометре, °С; Д ? ошибка в процентах от измеренной психрометрической разности (tс - tм), определяемая по графику рис. 2 в зависимости от скорости потока воздуха; tс ? температура по сухому термометру, °С.

2. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:

, Па

3. Перепад давления воздуха в воздухомере:

, Па

где с - 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.

4. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера:

, кг/м3

где R - характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К. 5. Расход воздуха:

, кг/сек



6. Средняя скорость потока W определяется по уравнению

, м/сек

где F - площадь проходного сечения для потока воздуха, равная величине 0,0177, м2.

7. Плотность воздуха с в рассматриваемом сечении при атмосферном давлении по формуле:

, кг/м3

График для определения величины ошибки к показаниям мокрого термометра при разной скорости воздуха

8.Определение относительной влажности:

а) по психрометрической формуле

, %

где рм ? давление насыщения водяного пара при измеренной температуре мокрого термометра; рн ? давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра.

Величины рм и рн находятся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или по рекуррентной формуле полинома:

, Па

9. Поправочный коэффициент А, учитывающий влияние скорости воздуха, находится по формуле:

,



Размещено на http://www.allbest.ru/

где В - барометрическое давление; W ? скорость воздуха, м/сек.

б) по I?d диаграмме (рис.3). Для нахождения относительной влажности на диаграмме следует найти точку пересечения изотерм tс и tм?. Затем путем интерполяции между линиями ц = const определяется относительная влажность в %. Кроме того, по I?d диаграмме влажного воздуха в соответствии с найденным положением точки изотерм tс и tм?, определяются: влагосодержание, теплосодержание, температура точки росы и парциальное давление водяного пара во влажном воздухе.

10. Абсолютная влажность воздуха сп определяется по уравнению состояния:

, кг/м3

здесь и далее ц - относительная влажность в долях единицы; Rп - характеристическая газовая постоянная водяного пара равная 462 Дж/(кг·град); рн ? давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра, Па;

11. Парциальное давление пара во влажном воздухе по формуле:

, Па

Результаты расчетов по формулам и найденные по I?d диаграмме влажного воздуха должны быть продублированы в форме сводной таблицы.

Таблица 4

№ п/п	Расчетная величина	Обозн.	Един. измер.	Номера опытов
				по расчету	по I - d диаграмме
				1	2	3	4	5	6	1	2	3	4	5	6
1	Истинное значение мокрого термометра	tм'	°С
2	Относительная влажность	ц	%
3	Влагосодержание	d	г/кг сух.воз.
4	Абсолютная влажность	сп	кг/м3							-	-	-	-	-	-
5	Теплосодержание (энтальпия)	I	кДж/кг
6	Парциальное давление пара	рп	Па
7	Парциальное давление насыщения	рн	Па
8	Температура точки росы	tтр	°С	-	-	-	-	-	-

Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Как Вы понимаете такие состояния, как насыщенный и ненасыщенный влажный воздух?

4. Как Вы относитесь к термину «пересыщенный» влажный воздух?

5. Как формулируется и записывается закон парциальных давлений для влажного воздуха?

6. Что называется абсолютной, относительной влажностью и влагосодержанием влажного воздуха?

7. Как выражается и из чего складывается теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха?

8. Почему с увеличением температуры влажного воздуха его относительная влажность уменьшается?

9. Чем Вы можете объяснить влияние скорости воздуха на отклонение показания смоченного термометра от истинного значения температуры мокрого термометра?

10. Как устроена диаграмма I-d влажного воздуха и, каким образом определяются параметры влажного воздуха с помощью диаграммы по показаниям сухого и мокрого термометров?

11. Покажите на диаграмме и поясните процессы «сухого» нагрева и охлаждения влажного воздуха.

12. Покажите на диаграмме и поясните процесс адиабатного насыщения влажного воздуха.

13. Дайте определение понятию точки росы. Как определяется температура точки росы на диаграмме?

14. Какова связь между относительной влажностью воздуха и его влагосодержанием?

15. Дайте вывод аналитической формулы для расчета абсолютной влажности воздуха.

16. Дайте вывод аналитической формулы для расчета влагосодержания воздуха.

17. Дайте вывод аналитической формулы для расчета теплосодержания (энтальпии) воздуха.

3. Исследование процесса истечения воздуха через суживающееся сопло

1. Цель работы. Исследование зависимости массового расхода воздуха через суживающееся сопло от отношения давления за соплом к давлению перед соплом.

2. Основные положения. Канал, в котором с уменьшением давления скорость газового потока возрастает, называется соплом; канал, в котором скорость газа уменьшается, а давление возрастает, называется диффузором. Поскольку назначением сопла является преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую, для анализа происходящего в нем процесса начальная скорость потока является несущественной, и можно принять W1 = 0. Тогда уравнение первого закона термодинамики при адиабатном истечении рабочего тела через сопло принимает вид:

,

где W0 --теоретическая скорость потока в выходном сечении сопла; Р1 -- начальное давление рабочего тела; Р2 -- давление среды, в которую происходит истечение.

Разность энтальпий (h1 - h2) при истечении через сопла также называется располагаемым теплопадением и обозначается через h0. Она соответствует тому максимуму кинетической энергии, который может быть получен лишь в идеальных условиях истечения, а фактически из-за неизбежных потерь, связанных с необратимостью процесса, никогда не достигается.

Исходя из равенства

W02/2 = h0,

теоретическую скорость истечения рабочего тела через сопло в рассматриваемом случае можно определить по формуле:

, м/сек

Здесь h0 выражено в кДж/кг. Это соотношение справедливо для любого рабочего тела.

Рассмотрим адиабатное истечение газа через суживающееся сопло из резервуара (рис.) достаточно большого объема, в котором изменением давления можно пренебречь (Р1 ? const).



Размещено на http://www.allbest.ru/

В резервуаре газ имеет параметры Р1, T1, v1 (с1), а на выходе из сопла Р2, Т2, v2 (с1), W2. Давление среды, в которую происходит истечение газа, обозначим Р0. Основной характеристикой процесса истечения является отношение конечного давления к начальному, т. е. величина

в= Р0/Р1.

В зависимости от отношения давлений можно выделить три характерных режима истечения газа: при в>вкр ? докритический, при в = вкр ? критический и при в<вкр? сверхкритический режимы.

Значение в, при котором расход газа достигает максимума, называется критическим вкр, и находится по формуле:

,

Как и показатель адиабаты, величина вкр является физической константой газа, т. е. одной из характеристик его физических свойств.

При докритическом режиме истечения (в>вкр) в сопле происходит полное расширение газа с понижением давления от Р1 до Р0, на срезе сопла

Р2 = Р0



скорость на выходе меньше скорости звука (рис.), располагаемая работа, соответствующая площади 1'-1-2-2'-1', полностью расходуется на увеличение кинетической энергии газа. При критическом режиме (в = вкр) также происходит полное расширение газа в пределах сопла, на срезе сопла

Р2 = Ркр = Р1·вкр = Р0,

скорость на выходе равна критической скорости - скорости звука (рис.), располагаемая полностью расходуется на увеличение кинетической энергии газа. При сверхкритическом режиме (в<вкр) в пределах сопла происходит неполное расширение газа, давление понижается только до критического, на срезе сопла

Р2=Ркр=С1·вкр>С0,

скорость на выходе равна критической скорости - местной скорости звука (рис.). Дальнейшее расширение газа и понижение его давления до Р0 осуществляется за пределами сопла. На увеличение кинетической энергии расходуется только часть располагаемой работы, соответствующая площади 1'-1-2-2'-1', другая ее часть, соответствующая площади 2'-2-20 -20'-2', в суживающемся сопле остается не реализуемой.

Скорость газа на выходе из суживающегося сопла определяется по формулам:

для первого случая, когда

в>вкр Р2 = Р0:

,



для второго и в третьего случаев, когда

в = вкр, а Р2 = Ркр = Р1·вкр = Р0 и в<вкр, а Р2=Ркр=С1·вкр>С0

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

или, подставив значение вкр из формулы (3), получим:

,

тогда при условиях адиабатного истечения



,

Полученная формула показывает, что критическая скорость истечения газа из сопла равна скорости распространения звуковой волны в этом газе при его параметрах Ркр и vкр, т е местной скорости звука С в выходном сечении сопла.

В этом содержится физическое объяснение тому, что при снижении внешнего давления Р0 ниже Ркр скорость истечения не изменяется, а остается равной Wкр.

Действительно, если Р0>Ркр, то W0<Wкр или W0<C, то всякое понижение давления Р0 передается вдоль сопла в направлении, обратном движению потока, со скоростью (C ? W0) > 0. При этом происходит перераспределение давления и скоростей по всей длине сопла· в каждом промежуточном сечении устанавливается новая скорость, соответствующая большему расходу газа. Если же Р0 снизится до Ркр, то дальнейшее понижение его уже не сможет распространяться вдоль сопла, поскольку скорость его распространения навстречу потоку снизится до нуля (C ? Wкр) = 0. Поэтому в промежуточных сечениях сопла расход газа не изменится, не изменится он и в выходном сечении, т е скорость истечения останется постоянной и равной Wкр.

Зависимость скорости и расхода газа на выходе из суживающегося сопла от отношения давлений в = Р0/Р1 показана на рис. 3. Экспериментально эта зависимость была получена А.Сен-Венаном в 1839 году.



В отличие от теоретического изоэнтропийного действительный процесс истечения реального газа происходит при трении частиц газа между собой и о стенки канала. При этом работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, преобразуется в теплоту, в результате чего температура и энтальпия газа в выходном сечении канала возрастают.

Истечение газа с трением становится необратимым процессом и сопровождается увеличением энтропии.

На рис. 4 в sh - координатах представлены процессы расширения газа 1-2 при истечении без трения и 1-2д при истечении с трением. При одинаковом перепаде давлений Р1 ? Р2 действительный теплоперепад Дhд = h1-h2д меньше располагаемого Дh = h1 ? h2. В результате этого действительная скорость истечения газа оказывается меньше теоретической.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отношение разности располагаемого и действительного теплоперепадов (потери теплоперепада) к располагаемому теплоперепаду называется коэффициентом потери энергии



жс = (Дh ? Дhд)/Дh

Отсюда

Дhд = (1 ? жс)·Дh

Коэффициентом потери скорости называется отношение действительной скорости истечения к теоретической

,

Коэффициент потери скорости, учитывающий уменьшение действительной скорости по сравнению с теоретической, в современных соплах равен 0,95 - 0,98.

Отношение действительного теплоперепада Дhд к теоретическому Дh, или действительной кинетической энергии Wд2/2 к теоретической W2/2 называется коэффициентом полезного действия канала

,

С учетом выражений (8) и (10)

,

3. Схема и описание установки. Воздух от ресивера поршневого компрессора (на схеме не показан) (рис. 5) по трубопроводу поступает через измерительную диафрагму 1 к суживающемуся соплу 2. В камере 3 за соплом, куда происходит истечение, можно устанавливать различные давления выше барометрического путем изменения проходного сечения для воздуха с помощью вентиля 5. А затем воздух направляется в атмосферу. Сопло выполнено с плавным сужением. Диаметр выходного сечения сопла 2,15 мм. Суживающийся участок сопла заканчивается коротким цилиндрическим участком с отверстием для отбора и регистрации давления Р2м? и температуры t2д в выходном сечении сопла (прибор 12).. Измерительная диафрагма 1 представляет собой тонкий диск с круглым отверстием по центру и вместе с дифманометром 7 служит для измерения расхода воздуха.

Температура и давление воздуха в окружающей среде измеряются соответственно термометром 8 и чашечным ртутным барометром 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Температура и давление воздуха перед измерительной диафрагмой замеряяются с помощью комбинированного прибора 9 , а перед соплом ? прибором 10. Давление за соплом измеряется манометрической частью комбинированного прибора 11. Все показания приборов заносятся в протокол наблюдений (таблица).



Таблица 5

№ п/п

Измеряемая величина

Обоз.

Един. Измер.

Номера опытов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

Показание манометра перед диафрагмой

Рм

ати

2

Показание манометра перед соплом

Р1м

ати

3

Показание манометра в выходном сечении сопла

Р2м'

ати

4

Показание манометра за соплом

Р2м

ати

5

Показания дифманометра

H

мм вод.ст.

6

Температура перед диафрагмой

t

°С

7

Температура перед соплом

t1

°С

8

Температура в выходном сечении сопла

t2д

°С

9

Температура окружающей среды

tв

°С

10

Показания барометра

B

мбар

4. Расчетные формулы и расчеты.

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

, Па

2. Перевод показаний образцовых манометров Рм, Р1м, Р2м' и Р2м в абсолютные значения давлений по формуле:

, Па



где g ? ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2; Рмj ? показания одного из четырех манометров из табл. 1.

3. Перепад давления воздуха на диафрагме:

, Па

где с - плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; Н - показание дифманометра, переведенное в м вод.ст.

4. Плотность воздуха по состоянию перед диафрагмой:

, кг/м3

где R - характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.

5. Действительный расход воздуха через диафрагму (следовательно, через сопло):

, кг/сек

6. Теоретическая скорость истечения в выходном сечении сопла:

, м/сек

7. Значения энтальпий воздуха h1 и h2 в сечениях на входе и на выходе из сопла определяются по общему уравнению:

, кДж/кг



где ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj - температура в рассматриваемом сечении, °С; j - индекс рассматриваемого сечения.

8. Теоретическое значение температуры в выходном сечении сопла находится из условия адиабатного процесса истечения по формуле:

, °К , а t2 = T2 ? 273, °C

где в - значение отношения давлений. Величину в принимают по данным таблицы результатов расчета (таблица 2) для конкретного опыта, когда режим истечения докритический, т.е. в > вкр; для всех остальных опытов, когда режим истечения критический или закритический величина в принимается равной вкр (независимо от данных таблицы 2) и находится в зависимости от показателя адиабаты(для воздуха k = 1,4).

9. Действительный процесс истечения сопровождается увеличением энтропии и температуры Т2д (рис. 4).Действительная скорость истечения при этом также уменьшается и может быть найдена по уравнению:

, м/сек

4.13. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2.



Таблица 6

№ п/п

Измеряемая величина

Обоз.

Ед. измер.

Номера опытов

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1

Давление перед диафрагмой

Р

Па

2

Давление перед соплом

Р1

Па

3

Давление в выходном сечении сопла

Р2'

Па

4

Давление за соплом

Р2

Па

5

Отношение давлений

в

?

6

Перепад давления на диафрагме

ДР

Па

7

Плотность воздуха перед диафрагмой

с

кг/м3

8

Действительный расход воздуха (с точностью до трех значащих цифр)

Gд

кг/сек

9

Теоретическая температура в выходном сечении сопла

Т2

°К

10

Действительная температура в выходном сечении сопла

Т2д

°К

11

Теоретическая скорость истечения

W2

м/сек

12

Действительная скорость истечения

W2д

м/сек

13

Коэффициент потери энергии

жс

?

14

Коэффициент потери скорости

цc

?

15

Коэффициент полезного действия канала

зк

?

По результатам расчетов построить в соответствующем масштабе график зависимости расхода газа от отношения давлений.

Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Дайте определение процессов истечения и дросселирования.

4. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу истечения.

5. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу дросселирования.

6. Как изменяется скорость истечения через суживающееся сопло при изменении в от 1 до 0 (покажите качественное изменение на графике расхода)?

7. Чем объясняется проявление критического режима при истечении?

8. В чем различие теоретического и действительного процессов истечения?

9. Как изображается теоретический и действительный процессы истечения в координатах h-s?

10. Почему отличаются теоретическая и действительная температуры воздуха на выходе из сопла при истечении?

11. На каком основании процесс дросселирования используется при измерении расхода воздуха?

12. Как может изменяться температура воздуха в процессе дросселирования?

13. От чего зависят величины коэффициентов: потери скорости цс, потери энергии жс и полезного действия канала зк?

14. Какие каналы называются соплами?

15. От каких параметров зависят расход и скорость газа при истечении через сопло?

16. Почему температуры воздуха перед диафрагмой и перед соплом равны?

17. Как изменяются энтальпия и энтропия потока газа, при прохождении через диафрагму?



4. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала (метод цилиндрического слоя)

1. Цель работы. Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод цилиндрического слоя) и закрепление знаний по теории теплопроводности.

2. Основные положения. Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется, в конечном счете, либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.

Теплообмен ? это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.

Температурным полем называют совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура ? скалярная величина, то температурное поле ? скалярное поле.

В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей других физических величин (например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций и др.). В зависимости от характера теплового движения различают следующие виды теплообмена.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.

Конвекция ? перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды.

Теплообмен излучением ? теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).

В зависимости от времени теплообмен может быть:

стационарным, если температурное поле не зависит от времени;

нестационарным, если температурное поле меняется во времени.

Для количественного описания процесса теплообмена используют следующие величины:

Температура Т в данной точке тела, осредненная: по поверхности, по объему, по массе тела. Если соединить точки температурного поля с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермической поверхности плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм ? линий постоянной температуры.

Перепад температур ДФ ? разность температур между двумя точками одного тела, двумя изотермическими поверхностями, поверхностью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю. Наибольший перепад температуры происходит по направлению нормали к изотермической поверхности. Возрастание температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.

Средний градиент температуры ? отношение перепада температур между двумя изотермическими поверхностями ДФ к расстоянию между ними Дn, измеренному по нормали n к этим поверхностям (рис.).

Истинный градиент температуры ? средний градиент температуры при Дn-->0 или это есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной темпера...