- •Политехнический институт Кафедра промышленной энергетики
- •Правила выполнения лабораторных работ и оформления отчетов
- •Работа № 1
- •Выполнение работы
- •Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 2 определение параметров влажного воздуха
- •Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •Контрольные вопросы
- •Работа № 3 исследование процесса истечения воздуха через суживающееся сопло
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 4 определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 5 теплоотдача вертикального цилиндра при естественной конвекции
- •1. Цель работы
- •2. Основные положения
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Работа № 6
- •3. Схема и описание установки
- •4. Выполнение работы
- •5. Расчетные формулы и расчеты
- •6. Контрольные вопросы
- •Температура и методы ее измерения
- •1. Цель работы
- •2. Температура - мера кинетической энергии составляющих тело молекул
- •3. Температурные шкалы
- •4. Методы измерения температуры
- •5. Контрольные вопросы
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»
Политехнический институт Кафедра промышленной энергетики
Методические указания
Виртуальная лаборатория
по технической термодинамике
и теплопередаче
Составители: доц. Кузнецов Б.Ф.,
доц. Тарантова Г.Д.
Исправил: проф. Майоров В.А.
Великий Новгород - 2012
Правила выполнения лабораторных работ и оформления отчетов
1.Студент должен предварительно подготовиться к лабораторной работе, что включает в себя:
- изучить теоретическую основу выполняемой работы;
- подготовить заготовку отчета, содержащую титульный лист, краткое изложение теоретической основы работы, схему лабораторной установки и таблицу для записи результатов измерений.
2. Перед началом выполнения работы студент проходит тестирование на подготовку к ней, в ходе которого он:
- предъявляет подготовленную заготовку отчета;
- отвечает на контрольные вопросы.
3. В случае достаточной подготовки студент допускается к выполнению работы, а в подготовленную таблицу преподаватель заносит значения режимных параметров для выполнения работы. После выполнения измерений студент показывает заполненную таблицу с результатами на проверку преподавателю. Если результаты правильные, то преподаватель подписывает эту таблицу. Подписанная таблица с результатами измерений должна быть вложена в отчет.
4. Отчет по выполненной лабораторной работе может быть оформлен на двойных листах из тетради (в клеточку). Он должен содержать:
- титульный лист с указанием номера и наименования работы, номера группы и фамилии студентов, даты выполнения работы;
- теоретическую основу эксперимента;
- схему установки;
- таблицу результатов измерений, подписанную преподавателем, и таблицу с результатами вычислений и обработки данных;
- для первого режима в отчете привести подробную запись вычислений с указанием формул и численных значений всех величин;
- при вычислениях и записи результатов использовать не более четырех значащих цифр. Первая значащая цифра – цифра, отличная от нуля;
- графическое представление полученных результатов, причем только на миллиметровой бумаге;
- выводы.
5. После оформления отчета студент предъявляет его преподавателю для проверки правильности результатов вычислений и правильности оформления отчета. При наличии ошибок отчет подвергается доработке. Если все правильно, преподаватель подписывает отчет. Эта подпись является допуском к защите.
6. При наличии подписанного преподавателем отчета студент защищает выполненную лабораторную работу. В ходе защиты студент должен:
- ответить на контрольные вопросы по работе;
- объяснить полученные результаты.
7. Лабораторная работа считается выполненной только после успешной ее защиты.
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 qп2 отдается в окружающую среду. Кроме того, некоторая часть теплоты qп1 от нагретого за счет трения в компрессоре потока газа также передается через стенку трубы в окружающую среду на участке течения от компрессора до электронагревателя. Поэтому от компрессора и электронагревателя в поток газа передается теплоты меньше 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 = qп1 + qп2 - 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».