лабораторные работы 2010
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова»
Факультет «Энергетический» Кафедра «Котло- и реакторостроение»
Г.Н.Лихачева, Е.Н. Троян, К.В. Меняев
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Термодинамика и тепломассообмен» для студентов направления 140500 “Энергомашиностроение”
Барнаул 2010
УДК 621.016 (075)
Лихачева Г.Н., Троян Е.Н., Меняев К.В. Техническая термодинамика: Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140500 “Энергомашиностроение / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - с.36
Изложены теоретические основы определения термодинамических свойств воздуха, воды и водяного пара, приведены описания опытных установок и методик определения свойств влажного воздуха, исследования кривой насыщения для воды.
Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры“Котло- и реакторостроение” Протокол № 1 от
2
Содержание
1.Порядок выполнения лабораторных работ |
4 |
2.Лабораторная работа № 1. Определение отношения теплоемкостей газов при постоянном давлении и
постоянном объеме |
5 |
|
2.1 |
Методика проведения эксперимента |
5 |
2.2 |
Описание установки |
6 |
2.3 |
Порядок проведения опыта |
6 |
2.4 |
Обработка результатов эксперимента |
8 |
2.5 |
Требования к отчету о лабораторной работе |
9 |
2.6 |
Вопросы для самоподготовки |
9 |
2.7 |
Литература для самостоятельной работы |
9 |
3.Лабораторная работа № 2. Исследование свойств |
|
|
воздуха |
10 |
|
3.1 |
Задание на работу |
10 |
3.2 |
Теоретические основы |
11 |
3.3 |
Описание экспериментального стенда |
19 |
3.4 |
Проведение опыта и обработка результатов |
20 |
3.5 |
Вопросы для самоподготовки |
23 |
3.6 |
Литература для самостоятельной работы |
23 |
4.Лабораторная работа № 3. Изохорное нагревание воды и |
|
|
водяного пара |
24 |
|
4.1 |
Задание на работу |
24 |
4.2 |
Описание методики эксперимента |
24 |
4.3 |
Описание экспериментальной установки |
26 |
4.4 |
Проведение эксперимента |
28 |
4.5 |
Обработка результатов эксперимента |
28 |
4.6 |
Вопросы для самоподготовки |
31 |
4.7 |
Литература для самостоятельной работы |
31 |
5.Правила техники безопасности при проведении |
|
|
лабораторных работ |
32 |
|
Приложение А - Соотношения между единицами |
|
|
|
измерения давления |
33 |
Приложение Б – Удельные объемы и энтальпии сухого |
|
|
|
насыщенного пара и воды на кривой |
|
|
насыщения |
33 |
Приложение В – h-d диаграмма |
35 |
|
|
3 |
|
1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.1Все студенты, пришедшие в лабораторию, обязаны ознакомиться с правилами техники безопасности, общими по лаборатории и частными к данной работе и строго выполнять их.
1.2При подготовке к работе следует изучить относящийся к ней методический материал, уяснить цель работы, подготовить таблицы для записи наблюдений, ознакомиться с установкой и измерительной аппаратурой.
1.3Перед началом работ студент должен ответить на вопросы по теоретическим основам и методике проведения эксперимента.
1.4В ходе работы требуется вести протокол, куда записываются непосредственно показания всех приборов.
1.5 Полученные данные и все необходимые расчёты и графики оформляются в виде отчёта, который защищается каждым студентом на следующем занятии.
1.6 Перед началом проведения эксперимента необходимо замерить температуру окружающего воздуха и его барометрическое давление.
4
2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ГАЗОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ
Цель работы:
Определение отношения теплоёмкостей газов по методу Клемо- на-Дезорма.
2.1 Методика проведения эксперимента
Наиболее просто отношение теплоемкостей C p определяется для
Cυ
идеального газа, который подчиняется уравнению состояния
Pυ = R T .
Если идеальный газ совершает адиабатный процесс, то параметры начального и конечного состояния связаны уравнением
|
Р1 |
|
1К |
υ2 . |
|
|
|
= |
|||
|
|||||
Р2 |
|
|
υ1 |
Логарифмируя это равенство и разрешая его относительно ”К”, получим
K = |
lg(P1 |
/ P2 ) |
|
|
|
|
. |
(2.1) |
|
lg(υ2 |
/ υ1) |
Показатель адиабаты ”К” для идеального газа равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объёме.
Методика проведения эксперимента на основе уравнения (2.1) достаточна сложна, так как трудно измерить непосредственно объём
υ2 в конце адиабатного процесса.
Измерения объёмов можно заменить измерением давлений, что значительно проще. Рассмотрим комбинацию адиабатного расширения газа 1 - 2 с последующим изохорным процессом 2-3 (рис. 2.1). Если точки 1 и 3 лежат на одной изотерме (Т1=Т3), то
υ3 / υ1 = P1 / P3 , но υ3 =υ2 и, следовательно,
υ2 / υ1 = P1 / P3
5
Подставив найденное отношение объёмов в (2.1), получим
K = lg(P1 |
/ P2 ) . |
(2.2) |
lg(P |
/ P ) |
|
1 |
3 |
|
Описанный метод был усовершенствован Рентгеном, который получил обширный экспериментальный материал для большинства идеальных газов при комнатной температуре [1].
2.2 Описание установки
Установка состоит из сосуда 2 (рисунок 2.2) с трёхходовым краном 1 и U-образного манометра 4. Заполнение сосуда воздухом производят с помощью груши 3. Избыточное давление в сосуде 2 замеряют U-образным манометром 4. Трехходовой кран 1 позволяет соединять сосуд попеременно либо с грушей , либо с атмосферой , либо совершенно отсоединять сосуд от источника сжатого воздуха и атмосферы .
2.3Порядок проведения опыта
Спомощью груши нагнетают в сосуд воздух так , чтобы перепад
уровней по манометру Н1 был не менее 1500-2000 Па.
После заполнения сжатым воздухом сосуд примет температуру окружающей среды.
Равенство температур воздуха в сосуде и окружающей среде со-
ответствует установившемуся перепаду давления Н1 по манометру (состояние 1 с давлением Н1 на рисунке 2.1, Р1=Ра+Н1). Соединив сосуд
сатмосферой , осуществляют адиабатное расширение, воздуха до ат-
мосферного давления P2 (процесс 1 - 2 на рисунке 2.1, Р2=Ра).
В момент окончания адиабатного расширения, что соответствует нулевому перепаду давлений по манометру, быстро перекрывают кран, разобщая сосуд с атмосферой. Соответствующее состояние газа в сосуде изобразится точкой 2 на диаграмме p −υ.
Так как температура воздуха в сосуде в процессе адиабатного расширения падает, то в момент закрытия крана она будет ниже температуры окружающего воздуха. Воздух в закрытом сосуде будет нагреваться при постоянном объеме (процесс 2 - 3 на рисунке 2.1) за счет теплообмена с окружающей средой.
6
Рисунок 2.1 – Диаграмма изменения состояния воздуха
1 – трехходовой кран; 2 – сосуд; 3 – груша; 4 – манометр Рисунок 2.2 – Схема экспериментальной установки
7
Процесс прекращается, когда температуры в помещении и сосуде станут равными, что соответствует установившемуся перепаду давлений Н2 по манометру (на рисунке 2.1 точки 3 и 1 лежат на одной изо-
терме Т1 = Т3, Р3=Ра+Н2).
Опыт проводится 3 раза. Результаты измерений заносят в табли-
цу:
Таблица 2.1 – Протокол измерений
№ |
Показания манометра |
K = |
C |
P |
|
Среднее |
||
опыта |
начальные |
конечные |
|
|
значение |
|||
Сυ |
||||||||
|
Н1, Па |
Н2, Па |
|
|
Кср. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
2.4 Обработка результатов эксперимента
Так как в выражении (2.1) отношение давлений порядка единицы, то для вычисления "К" оно может быть упрощено. Разлагая логарифмы отношения в ряд и ограничиваясь линейным приближением, получим
K = |
P1 |
−P2 . |
(2.3) |
|
P |
−P |
|
|
1 |
3 |
|
Поскольку в это выражение входят разности давлений, то от абсолютных давлений P1, P2, P3, входящих в уравнение (2.3), можно перейти к избыточным Н1 и Н2, измеряемым в опыте
K = |
H1 |
|
H1 −H 2 . |
(2.4) |
По вычисленным с помощью (2.4) значениям "К" находят среднюю величину показателя адиабаты и сравнивают его с табличным [1]
Kср = K1 + K2 + K3 .
3
Рассмотренный способ определения величины "К" не является достаточно точным, так как действительный процесс расширения идет
не по адиабате, а по политропе с показателем n. Кроме того, из-за колебаний уровней в манометре трудно определить момент, когда давление расширяющегося газа станет равным атмосферному.
8
2.5. Требования к отчету о лабораторной работе
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
2.5.1.Краткое описание установки со схемой измерений.
2.5.2.Протокол наблюдений по форме таблицы 2.1.
2.5.3.Диаграмму измерения параметров состояния в p −υ коор-
динатах, построенную по экспериментальным данным.
2.5.4. Сравнение полученной величины Кср. с табличным значением коэффициента и вычисление относительной погрешности эксперимента.
2.6. Вопросы для самоподготовки
1Основные термодинамические параметры.
2Давление, оказываемое высотой столба жидкости.
3Абсолютное давление, его размерность в «СИ».
4Идеальный газ, его уравнение состояния.
5Газовая постоянная, универсальная газовая постоянная, их физический смысл.
6Изохорный процесс. Связь между основными параметрами.
7Изотермический процесс. Связь между основными парамет-
рами.
8Адиабатический процесс, его уравнение. Связь между основными параметрами.
9Показатель адиабаты К для идеального газа.
10Графическое представление изохоры, изотермы и адиабаты в p,υ- кординатах.
2.7 Литература для самостоятельной работы
1. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. - М.: Энергия,
1964.
2.Зубарев В.Н., Александров А.А. Практикум по технической термодинамике. - М.: Энергия, 1971. с.61-75.
3.Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов /Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин Д.В. - М.: Энергия,1974.
9
3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОЗДУХА
Цель работы:
Изучение теплофизических свойств воздуха и их изменения в ходе термодинамических процессов. Экспериментальное исследование закономерностей поведения газовых смесей. Ознакомление с методикой измерения теплофизических параметров сухого воздуха и его смеси с водяным паром.
3.1 Задание на работу
3.1.1Определить величину средней массовой теплоемкости воздуха при постоянном давлении в пределах от t1 до t2.
3.1.2Построить график зависимости теплоемкости воздуха CР от температуры.
3.1.3Вычислить величины Cυ и коэффициент Пуассона К.
3.1.4Построить h-d диаграмму влажного воздуха по результатам испытаний сушильной установки.
3.1.5Определить массовый расход воздуха, количество испарен-
ной влаги.
3.1.6Оценить тепловые потери калориметра и действительное количество тепла, затраченное на испарение 1 кг влаги.
3.1.7Сравнить полученные величины К. с табличным значением коэффициента и вычислить относительную погрешность эксперимента.
10