ВВЕДЕНИЕ

При эксплуатации современных энерготехнологических систем необходимо понимание законов и принципов действия теплового оборудования, входящего в эти системы. Только высокий уровень теплотехнической подготовки специалистов позволит им решать задачи по созданию современных экономически выгодных тепловых установок и находить пути повышения их энергетической эффективности.

Лабораторные исследования позволяют студентам лучше изучить и понять основные законы термодинамики и теплопередачи и принципы работы тепловых установок. Обработка опытных данных осуществляется с помощью диаграмм и справочных таблиц, умение пользоваться которыми необходимо будущему инженеру.

Методические указания состоят из двух частей. В первую часть включены три лабораторные работы по технической термодинамике, во вторую – три лабораторные работы по теплопередаче. Применение компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ позволяет значительно расширить диапазон качественных и количественных характеристик исследуемых теплотехнических процессов.

После выполнения лабораторной работы необходимо оформить отчет, который должен содержать цель работы, основные теоретические положения, схемы и описание лабораторной установки, обработку результатов измерений и ответы на контрольные вопросы.

5

Лабораторная работа 1

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКРЫТОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Цель работы: определить с помощью уравнения первого закона термодинамики количество теплоты, отдаваемой в окружающую среду в условиях лабораторной установки.

1.1. Основные теоретические положения

Выражение первого закона термодинамики для потока рабочего тела в расчете на 1 кг его массы имеет вид:

(1)

где и– суммарные количества теплоты и технической работы;

–изменение энтальпии рабочего тела;

–изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела;

–изменение потенциальной энергии потока 1 кг рабочего тела;

, – энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего тела;

, – энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока рабочего тела.

Термодинамическую систему, представленную на рис. 1, можно разделить на две подсистемы: первая – от входного сечения I до сечения IIа, вторая – от сечения IIа до сечения II. Каждая из этих подсистем заключается в свою контрольную оболочку (на рис. 1 показана пунктирной линией).

6

При установившемся (стационарном) режиме теплообмена температура трубы не меняется. В таких условиях уравнение первого закона термодинамики для первой подсистемы имеет вид:

, (2)

где – количество тепла, отдаваемого системой на участке от входного сеченияI до сечения IIа в окружающую среду.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

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

, (3)

где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства;

7

N_эд – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть мощности N_эд передается воздуху в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть – в виде тепла;

–ток и напряжение, потребляемое компрессором.

Уравнение первого закона термодинамики для второй подсистемы имеет вид:

, (4)

где – количество тепла, отдаваемого системой на участке от сеченияIIа до сечения II в окружающую среду.

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

, (5)

где N_н – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду.

В целом для термодинамической системы уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (2) и (4) и имеет вид:

. (6)

1.2. Схема и описание установки

Рабочее тело (воздух) компрессором 1 (см. 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 регулироваться с помощью заслонки 3.

Параметры окружающей среды измеряются барометром и термометром,

расположенными на панели 11. На панели 4 расположены три U-образных манометра для измерения статического давления в сечениях: «горло» воздухомера

8

(Н), на входе в компрессор (Н_в) и за компрессором (Н_н). Воздух, проходя от сечения I – I, где его температура равна температуре окружающей среды (t₁ = t_окр), до сечения IIa – IIa, нагревается до температуры t_2a за счет сжатия воздуха в компрессоре. Температура t_2a измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором.

Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, предназначена панель 8, 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.

Температура воздуха на выходе из трубы t₂ измеряется термопарой 7 в комплекте с вторичным прибором.

Значения величин, измеренных в результате проведения опытов, заносятся в протокол наблюдения (табл. 1).

Таблица 1

Протокол наблюдений.

Измеряемая величина	Обозна- чение	Единица измерения	Номер опыта
			1	2	3
Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I – I)	t1	С
Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIa – IIa)	t2a	С
Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II – II)	t2	С
Показания вакуумметра («горло» воздухо-мера)	Н	мм вод. ст.
Показания пьезометра (после компрессора)	Нн	мм вод. ст.
Напряжение и сила тока, потребляемого компрессором	Uк	В
	Iк	А
Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы	Uн	В
	Iн	А
Показания барометра	В	мбар
Температура окружающей среды	tокр	С

9