Первый закон термодинамики в приложении к решению одного из видов технических задач указания к компьютерной лабораторной работе №3 Самара Самарский государственный технический университет



Скачать 204.47 Kb.
НазваниеПервый закон термодинамики в приложении к решению одного из видов технических задач указания к компьютерной лабораторной работе №3 Самара Самарский государственный технический университет
Дата04.06.2013
Размер204.47 Kb.
ТипЗакон
источник



ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»



К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»


ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

В ПРИЛОЖЕНИИ К РЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ


Указания к компьютерной

лабораторной работе №3


Самара

Самарский государственный технический университет

2008

Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ


УДК 621.1


^ Первый закон термодинамики в приложении к решению одного из видов технических задач:- метод. указ./ Сост. Р.Ж. Габдушев, Е.В. Ларгина. Самара, Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 15с.


Основная задача работы – определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки. Предназначены для студентов дневного отделения III курса, обучающихся по специальностям 140101, 140104, 140105, 140106 теплоэнергетического факультета.


УДК 621.1


Составитель: Р.Ж. Габдушев, Е.В Ларгина

Рецензент: д-р техн. наук, проф. А.А. Кудинов


© Р.Ж. Габдушев, Е.В. Ларгина составление, 2008

© Самарский государственный технический университет, 2008


^ Цель работы: Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемой в окружающую среду в условиях лабораторной установки.

Одно из возможных формульных представлений первого закона термодинамики в расчете на 1 кг массы рабочего тела имеет вид:



где и – 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 потока 1 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 – см. рис. 1).

При установившемся режиме теплообмена установки 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)





Рис. 1. Схема установки


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

, (2)

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 схема I-го участка представлена на рис. 2.

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

, (3)




Рис.2. Расчетная схема I-го участка


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

, (4)

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

Расчетная схема II-го участка представлена на рис. 3.




Рис. 3 Расчетная схема II – го участка


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

, (3)

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


^ Схема и описание установки

Рабочее тело − воздух компрессором 1 (рис.1) 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 нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором. Температура равна температуре окружающей среды t1 = tокр.

Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа 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».

Результаты наблюдений вносятся в протокол (табл.1).


Протокол наблюдений

Таблица 1

№ п/п

Измеряемая

величина

Обозначение

Единицы измерения

Номера опытов

1

2

3

4

5

6

1

Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I)

t1

oC



















2

Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение IIa)

t2a

oC



















3

Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение II)

t2

oC



















4

Показания вакуумметра («горло» воздухомера)

H

мм вод. ст.



















5

Показания вакуумметра (после компрессора)

Hн

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

oC





















^ 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 ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 ; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 ; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м. вод. ст.

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

, ,

где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 .

4. Расход воздуха:

, .

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:

, ,

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

7. Плотность воздуха на выходе из трубы:

, ,

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

, ,

где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 ; 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

,

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35·10-3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, ; 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:

,.

Так как в данной работе (Z2аZ1) = 0,4 м, то ∆Эпот = 0,0039 - одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.

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

, ,

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

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

, ,

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.

Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета:


, ;

, ;

, ;

, ;

,

, ;

, ;


Результаты расчетов

Таблица 2

№  п/п

Измеряемая величина

Обозначение

Единицы измерения

Номера опытов

1

2

3

4

5

6

1

Атмосферное давление

pатм

Па



















2

Перепад давления воздуха в воздухомере

Δp

Па



















3

Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера

ρв

кг/м3



















4

Расход воздуха

G

кг/с



















5

Плотность воздуха в сечении IIa

ρ2a

кг/м3



















6

Средняя скорость потока в сечении IIa

W2a

м/с



















7

Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II)

ρ2

кг/м3



















8

Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечении II)

W2

м/с



















9

Работа электрического тока на первом участке (подсистеме)

lЭ1

кДж/кг



















10

Изменение энтальпии потока на первом участке (подсистеме)

Δh1

кДж/кг



















11

Изменение кинетической энергии потока на первом участке (подсистеме)

ΔЭкин1

кДж/кг



















12

Количество теплоты, отдаваемое на первом участке в окружающую среду

qн1

кДж/кг



















13

Работа электрического тока на втором участке (подсистеме)

lэ2

кДж/кг



















14

Изменение энтальпии потока на втором участке (подсистеме)



Δh2

кДж/кг



















15

Изменение кинетической энергии потока на втором участке (подсистеме)

ΔЭкин2

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





















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.


^ Библиографический список


1) Техническая термодинамика. Учеб. пособие для втузов / Кудинов В. А., Карташов Э. М. -4-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2005, -261 с.

2) Кудинов В. А., Карташов Э. М. Техническая термодинамика. Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. шк., 2000, -261 с.

3) Теплотехника: Учебник для вузов. Луканин В. Н., Шатров М. Г., Камфер Г. М., ред. В. Н. Луканин. – М.: Высш. шк., 2000. – 671 с.

4) Теплотехника: Учебник для студентов втузов/А. М. Архаров, С. И. Исаев, И. А. Кожинов и др.; Под общ. ред. В. И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.

5) ^ Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высш. шк., 1980, -469 с.

6) Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодинамике. М.: «Машиностроение», 1973, 344 с.

7) Техническая термодинамика: Методические указания. Самарский государственный технический университет; Сост. А. В. Темников, А. Б. Девяткин. Самара, 1992. -48 с.


^ СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

  1. Название и цель работы.

  2. Схема экспериментальной установки.

  3. Таблица измеренных в опыте величин.

  4. Необходимые расчеты и графики.

  5. Выводы по работе.



Первый закон термодинамики в приложении к решению

одного из видов технических задач


Составители: Габдушев Руслан Жамангараевич

Ларгина Евгения Валериевна


Редактор В. Ф. Е л и с е е в а

Технический редактор Г. Н. Е л и с е е в а


Подп. В печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16.

Бум. Офсетная. Печать офсетная.

Усл. П. л. 0,7. Усл. Кр.-отт. Уч-изд. Л. 0,69. Тираж 50. Рег №237.


__________________________________________________________________________________


Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус


Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8

Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru