Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт

(технический университет) им. Г. В. Плеханова

Отчёт по лабораторным работам

По дисциплине: Термодинамика.

А (подпись) втор: студент гр. То-01-2 /Андриевский п.В./

о ценка:

Д ата:

/Соловьёв В. Б./

Проверил: /доц./

(подпись)

Санкт-Петербург

2004г.

Лабораторная работа №1 Определение термодинамических параметров влажного воздуха.

Цель работы: исследование регулирования теплового режима подземных горных выработок.

Исходные данные:

Общий объёмный расход воздуха м³/сек 130

Среднегодовая влажность воздуха % 63

Среднегодовая температура ⁰С 8,7

Абсолютный минимум ⁰С - 33

Абсолютный максимум ⁰С 40

Средняя температура наиболее жаркого периода ⁰С 29,1

Средняя температура наиболее холодного периода ⁰С -8

Начальная глубина м 15,5

К онечная глубина м 1160

Формулы, использованные для вычисления и порядок выполнения расчётов:

Необходимо определить - если известны 2 параметра, из перечисленных, то можно определить все остальные.

1) , Па

2) , Па

3) , кг/кг

4) , кДж/кг

5) , кг/м3

Порядок расчётов в зависимости от того, какие 2 величины известны.

1. Известно :

2. Известно :

3. Известно :

4. Известно :

5. Известно :

Задача 1. Определение термодинамических параметров влажного воздуха.

Вычисления производятся по заданным значениям температуры и среднегодовой влажности воздуха. В результате вычислений получаем таблицу:

Температура	Относит. влажность	Парциальное давление	Влагосодержание	Энтальпия	Плотность
-33	0,63	23,8	0,000	-32,81	1,47
-8	0,63	94,7	0,002	-13,91	1,25
40	0,63	4145,9	0,027	117,58	1,08
29,10	0,63	2555,5	0,016	70,32	1,16

Задача 2. Нагрев воздуха.

	Температура	Относит. Влажность	Парциал. давление	Влаго- Содержание	Энтальпия	Плотность
Начальное состояние	-33,00	0,63	23,8	0,001	-32,81	1,47
Конечное состояние	2,03	0,03	23,8	0,003	2,40	1,28

Для нагрева заданного объёма воздуха при данной температуре необходимо использовать нагревательную установку мощностью 2500 кВт.

Нагрев воздуха при минимальной зимней температуре до температуры (1,1-2,9) ⁰С:

	Температура	Относит. Влажность	Парциал. давление	Влаго- Содержание	Энтальпия	Плотность
Начальное состояние	-8	0,63	94,7	0,002	-13,91	1,25
Конечное состояние	2,25	0,20	94,7	0,002	4,43	1,28

Для нагрева заданного объёма воздуха при данной температуре необходимо использовать нагревательную установку мощностью 980 кВт.

Задача 3. Охлаждение воздуха.

Охлаждение воздуха при максимальной летней температуре до (18-22)⁰С:

	Температура	Относит. влажность	Парциал. давление	Влагосоде- ржание	Энтальпия	Плотность
Нач. состояние	40	0,63	4145,9	0,027	117,58	1,08
Кон. состояние	21,24	1,00	2530,3	0,016	61,78	1,19

Для охлаждения заданного объёма воздуха при данной температуре необходимо использовать холодильную установку мощностью 2600 кВт.

Охлаждение воздуха при средней летней температуре до (18-22)⁰С:

	Температура	Относит. влажность	Парциал. давление	Влагосоде- ржание	Энтальпия	Плотность
Нач. состояние	29,10	0,63	2555,5	0,016	70,32	1,16
Кон. состояние	19,73	0,85	2555,5	0,016	53,95	1,20

Для охлаждения заданного объёма воздуха при данной температуре необходимо использовать холодильную установку мощностью 400 кВт.

Задача 4. Смешивание объёмов (Рис.1.).

Нагрев/охлаждение воздуха поступающего в выработку (Q₁) при заданной температуре путём смешения его с воздушным потоком с задаваемыми значениями Q₂ и t.

4.1. Нагрев воздуха при минимальной зимней температуре до температуры (1,1-2,9) ⁰С:

	Тем-ра	Относит. Влажность	Парциал. Давление	Влагосоде- Ржание	Энтальпия	Плотность
Объём 1 Объём 2 Смесь	-33.00 18.00 2.31	0.63 0.63 1.00	23.8 1310.7 928.3	0.001 0.013 0.006	-32.81 38.80 16.77	1.47 1.20 1.27

Q₁=40 м³/сек; Q₂=90 м³/сек;

4.2. Нагрев воздуха при средней зимней температуре до температуры 1,1-2,9 ⁰С:

	Тем-ра	Относит. Влажность	Парциал. Давление	Влагосоде- Ржание	Энтальпия	Плотность
Объём 1	-8	0.63	94.7	0.002	-13.91	1.25
Объём 2	18.00	0.63	1310.7	0.013	38.80	1.20
Смесь	2.31	1.00	928.3	0.006	16.77	1.27

Q₁=80 м³/сек; Q₂=50 м³/сек;

4.3. Охлаждение воздуха при максимальной летней температуре до (18-22)⁰С:

	Тем-ра	Относит. Влажность	Парциал. Давление	Влагосодержание	Энтальпия	Плотность
Объём 1	40	0.63	4145.9	0.027	117.58	1.08
Объём 2	0.00	0.63	389.5	0.002	5,92	1.29
Смесь	20.90	1.00	2683.4	0.017	64.09	1.19

Q₁=70 м³/сек; Q₂= 60м³/сек;

4.4. Охлаждение воздуха при средней летней температуре до (18-22)⁰С:

	Тем-ра	Относит. Влажность	Парциал. Давление	Влагосодержание	Энтальпия	Плотность
Объём 1	29.10	0.63	2555.5	0.016	70.32	1.16
Объём 2	5.00	0.63	583.4	0.004	14.06	1.27
Смесь	18.26	0.78	1513.8	0.011	45.01	1.20

Q₁=75 м³/сек; Q₂= 55м³/сек;

Задача 5. Оценка влияния глубины и температуры на термодинамические параметры влажного воздуха.

Рис.2 Влияние глубины залегания горных пород на влагосодержание

Рис.3. Влияние глубины залегания горных пород на барометрическое давление

Рис.4. Влияние глубины залегания горных пород на плотность

Рис.5. Влияние глубины залегания горных пород на энтальпию

Рис.6 Влияние температуры горных пород на влагосодержание

Рис.7. Влияние температуры горных пород на энтальпию

Рис7. Влияние температуры горных пород на энтальпию.

Рис.8. Влияние температуры горных пород на плотность

Лабораторная работа №2

Определение теплофизических свойств породообразующих минералов и горных пород.

Основные формулы, используемые в расчётах:

Для расчёта теплопроводноси отдельных минералов рекомендуется использовать формулу, предложенную А. Миснаром,

где T_п, T_пл.i – температура пород, при которой определяются , и температура плавления минерала, - плотность минерала, кг/м³; - атомный вес минерала; - число атомов в химической формуле; - равен 1,12 при кубической сингонии, 2,58 – при триклинной, 1,99 – при моноклинной, 2,55 – при гексагональной.

Для определения теплопроводности биминеральной смеси используется формула, полученная на основе следующих допущений: 1) частицы одного вещества, например, с теплопроводностью , имеют форму куба; 2) другое вещество с менее высокой теплопроводностью занимает пространство между частицами вещества с более высокой теплопроводностью; 3) обеспечен достаточно тесный контакт между составляющими биминеральной смеси, который позволяет пренебречь тепловым сопротивлением контакта; 4) тепловой поток перпендикулярен ребру куба.

Формула имеет вид:

,

где V_a- относительный объём, занимаемый в биминеральной смеси первым веществом.

Расчётный коэффициент теплопроводности биминеральной смеси находят по формуле:

Коэффициенты n и m являются характеристикой горной породы. Их значения для монолитной горной породы принимаются равными, соответственно, 0,4 и 0,6, а для пористой: 0,3 и 0,7.

Для установления степени интенсификации процесса теплопереноса, при учёте пористости горных пород, вводится так называемое эффективное значение коэффициента теплопроводности:

, где

- коэффициент теплопроводности воздуха в интервале температур 0-100⁰С, =0,0244-0,0321 Вт/(м⁰С); Т_п, t_в- температуры пород и воздуха, ⁰С; С_о- коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, С₀= 5,7 В_т/(м²К⁴); - приведённая степень черноты поверхностей пор (полостей), между которыми происходит лучистый теплообмен, (предполагается, что одна из поверхностей находится при температуре Т_п, другая – при температуре воздуха t_в); d_пор – линейный размер пор (полостей), м.

Теплоёмкость горной породы численно соответствует количеству теплоты, необходимому для изменения температуры единицы её массы (объёма) на 1 ⁰С. Таким образом, теплоёмкость породы характеризует способность вещества удерживать или принимать теплоту в процессе охлаждения или нагревания.

Удельная теплоёмкость каждого из минералов, входящих в состав породы, рассчитывается по формуле:

где с_а – атомная теплоёмкость. с_а=25 Дж/(моль*К)

Теплоёмкость горной породы с_п может быть рассчитана как сумма относительных теплоёмкостей составляющих её минералов

,

где - относительное массовое содержание минерала в породе; в пористой породе соответствует значению пористости, с_i – теплоёмкость воздуха.

Температуропроводность горной породы характеризует скорость выравнивания температуры и определяется как отношение теплопроводности к объёмной теплоёмкости

Теплоусвояемость горной породы характеризует её теплоаккумуляционные свойства. Величина Теплоусвояемости вычисляется по формуле:

Исходные данные:

Минерал	Кварц	Олигоклаз	Амфибол	Биотит	Андезин
Объёмная доля	0,4	0,2	0,05	0,05	0,3

2.1 Определение теплофизических свойств минерала.

Цель работы: изучение зависимости теплофизических свойств породообразующих минералов от их химического состава и температуры.

Кварц

Относительная молек. масса 60.090

Число атомов в молекуле 3

Плотность минерала кг/м3 2650.000

Tемпература плавления минерала град.С 1413.000

Коэфф., зависящий от сингонии кристалла 2.580

Tемпература минерала град.С 22.500

Tеплоемкость минерала КДж/кгК 0.948

Теплопроводность Вт/(м*К) 30.590

Температуропроводность м2/с 0.012

Магнетит

Относительная молек. масса 231.550

Число атомов в молекуле 7

Плотность минерала кг/м3 5200.000

Температура плавления минерала град.С 1300.000

Коэфф., зависящий от сингонии кристалла 1.120

Tемпература минерала град.С 22.500

Tеплоемкость минерала КДж/кгК 0.465

Теплопроводность Вт/(м*К) 5.591

Температуропроводность м2/с 0.002

Ортоклаз

Относительная молек. масса 278.350

Число атомов в молекуле 19

Плотность минерала кг/м3 2600.000

Tемпература плавления минерала град.С 1200.000

Коэфф., зависящий от сингонии кристалла 1.990

Tемпература минерала град.С 22.500

Tеплоемкость минерала КДж/кгК 0.817

Теплопроводность Вт/(м*К) 3.524

Температуропроводность м2/с 0.002

Амфибола

Относительная молек. масса 812.500

Число атомов в молекуле 39

Плотность минерала кг/м3 3080.000

Tемпература плавления минерала град.С 1350.000

Коэфф., зависящий от сингонии кристалла 1.990

Tемпература минерала град.С 22.500

Tеплоемкость минерала КДж/кгК 0.480

Теплопроводность Вт/(м*К) 1.812

Температуропроводность м2/с 0.001

Андезин

Относительная молек. масса 280.000

Число атомов в молекуле 13

Плотность минерала кг/м3 2650.000

Tемпература плавления минерала град.С 1553.000

Коэфф., зависящий от сингонии кристалла 2.580

Tемпература минерала град.С 22.500

Tеплоемкость минерала КДж/кгК 0.611

Теплопроводность Вт/(м*К) 7.673

Температуропроводность м2/с 0.005

2.2 Определение физических свойств горной породы.

Цель работы: изучить зависимости теплофизических свойств горных пород от процентного содержания в них породообразующих минералов и воздушных включений.

Расчет теплопроводности породы

Содержание Теплопроводность Теплоемкость

в породе,доля ед. Вт/(м*К) КДж/кгК

Минерал 1 0.600 30.590 0.948

Минерал 2 0.100 5.591 0.465

Минерал 3 0.100 3.524 0.817

Минерал 4 0.100 1.812 0.480

Минерал 5 0.100 7.673 0.611

Порода 13.503 0.806

2.3 Определение теплопроводности от функции рис. 1

Рис.1 Влияние температуры минерала на теплопроводность

Лабораторная работа №3

Построение геотемпературного поля.

Цель работы: изучение закономерностей формирования температурного поля в гелиотермозоне, изучение особенностей формирования температурного поля Земли при различных значениях глубинного теплового потока.