Изучение первого закона термодинамики. Определение параметров влажного воздуха. Исследование процесса истечения из суживающегося сопла. Расчет коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала. Исследование процессов теплообмена в трубопроводе.
При низкой оригинальности работы "Виртуальная лаборатория по технической термодинамике и теплопередаче", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
1, делится на два участка (две подсистемы): первый участок - от входного сечения I до сечения ІІА, а второй - от сечения ІІА до сечения II. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для I-го участка (подсистемы) приобретает вид: IMG_b6dc3b3f-6d78-4fdb-9bc0-fed47ce3d553 , (1) электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению: IMG_a356f2d3-27c9-4ab2-a6db-24ecef135b02 , 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. Уравнение первого закона термодинамики для II-го участка (подсистемы) приобретает вид: IMG_aa3543ab-680c-46ef-abdf-c906b7781820 , (2) электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению: IMG_4df15ab3-462e-49a2-b005-6684e18b0c65 Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qн2 - количество тепла, отдаваемое системой на II-ом участке в окружающую среду.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. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к насыщению зависит от температуры. Относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха тс, а мокрый - температуру испаряющейся с поверхности ткани воды тм. Значения энтальпий воздуха h1 и h2 в сечениях на входе и на выходе из сопла определяются по общему уравнению: IMG_1c07d83d-ddfe-48ed-af72-d9256a80bde4 , 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.При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи ? из уравнения Ньютона-Рихмана: IMG_03607bf7-5169-4fe9-8619-9caabe30d7d8 , где F - поверхность, участвующая в теплообмене; ?t - средний температурный напор. В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны - естественной конвекции. Введем также обозначения: Fвн - внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; Fнар - внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции; ?t1 - температурный напор со стороны внутренней поверхности; ?t2 - температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, приобретает вид: IMG_631fa3d9-efb4-4805-849e-bf5eaa63716c , где Q1 - мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q2 - мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q3 - мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы. , Мощность теплового потока Q1, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка от сечения I-I до сечения II-II (рис.
План
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:
IMG_1ec1656f-d9e9-427c-99e2-05b772a83d81 , где
IMG_d95335a0-7b99-46cb-bb79-78b6f6ebdd61 - соответственно, суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы;
IMG_9fc853eb-7f05-4219-ad91-2edfd14a74de
- изменение энтальпии рабочего тела,
IMG_358b47db-7aa3-431e-b10c-59680f0d24b1 -
изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела,
IMG_1ec9d53a-f698-4ced-b7d0-6852468f34d1 -
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 ІІА, а второй - от сечения ІІА 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:
IMG_b6dc3b3f-6d78-4fdb-9bc0-fed47ce3d553 , (1) электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению:
IMG_a356f2d3-27c9-4ab2-a6db-24ecef135b02 , 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 может быть представлена в следующем виде:
IMG_f2c7a67f-2bc6-462c-830e-c2afdbdb2b52
Уравнение первого закона термодинамики для II-го участка (подсистемы) приобретает вид:
IMG_aa3543ab-680c-46ef-abdf-c906b7781820 , (2) электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению:
IMG_4df15ab3-462e-49a2-b005-6684e18b0c65
IMG_240e138b-7f14-4591-84f6-777a467b1629 , 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:
IMG_23d1957c-8f21-4ff5-b5b3-4c8255b6e351
Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде:
IMG_c1d45191-6a09-46a7-9ced-0270cdcb6892 , где qн1 и qн2 - общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду на участках I и II.
IMG_cddd7759-b021-40a8-abdf-5a6a4b749dfb
IMG_57f5600b-2a6f-4c03-922d-59e6750fb513
IMG_30216c62-23d6-4d69-a8f9-105bfbe256ef
IMG_31cca47d-2025-4fbe-97c8-a2de5015a77d
IMG_f737ddc0-b725-4cc3-bfd6-41cf877df511
IMG_dbc8cd8c-5446-4b0c-a5f6-845d99f0a15a
IMG_61d133f9-f061-4b90-beff-c6e48e431215
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 = tokp, 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».
5Показания пьезометра (после компрессора)Ннмм вод.ст.
6Напряжение и сила тока, потребляемого компрессоромUkв
Іка
7Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубыUнв
Іна
8Показания барометраBмбар
9Температура окружающей средытокр°С
4. Расчетные формулы и расчеты.
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
IMG_5ab732f4-f458-4b3d-8b88-324688dc1278 , Па
2. Перепад давления воздуха в воздухомере:
IMG_c853330d-8f5a-40bc-831f-dd81c0a423be , Па где ? - 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:
IMG_78a0b7ee-d925-455b-9f5d-892c58cecdad , кг/м3 где R - характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.
4. Расход воздуха:
IMG_48574081-b3b6-4278-aedf-ac012cd5f075
, кг/сек
5. Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:
IMG_eb7899bd-22e8-4377-9d2a-ee5d92e8621e , 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:
IMG_9372c9bd-793e-4642-a0b9-97902d027798 , кг/м3 где t2а - температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение ІІА), °С.
7. Плотность воздуха на выходе из трубы:
IMG_24fbdc58-0f9b-403c-9356-002fff32e136 , 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
IMG_844bb992-33f9-4e89-8b8d-82c5dabb04d8
, 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
IMG_59830239-c3da-4cd7-8a74-7db832e77138
, м/сек где F - площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIA и II и равная 1,35·10-3 м2; ?j - 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 ? IIA:
IMG_9ff6b604-093a-4626-b4e9-2a39fe0aab53 , КДЖ/кг
Так как в данной работе (Z2а - Z1) = 0,4 м, то ?ЭПОТ = 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):
IMG_ad7e9ac4-2345-44c8-874a-ae0d7637656e , КДЖ/кг где Ік - сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, а; Uk - напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в.
12. электрического тока lэ2 на II-ом участке (подсистеме):
IMG_96f82bd5-c003-499e-bdc8-3f4ce912ff72 , КДЖ/кг где Ін - сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн - напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.
Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2.
