На что расходуется мощность подведенная для нагрева трубы и как она определяется

Схема и описание установки

Лабораторния работа №1

На тему: Первый закон термодинамики

Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, подведенного к рабочему телу (воздуху) в условиях лабораторной установки; определение адиабатного кпд компрессора.

Основные положения

Математическое выражение первого закона термодинамики для потока рабочего тела для данной лабораторной установки в расчете на 1 кг рабочего тела имеет вид

, (1)

где – означают соответственно изменение энтальпии, кинетической и потенциальной энергии потока; q и l_т – означают соответственно теплоту и техническую работу на рассматриваемом участке.

Адиабатным коэффициентом полезного действия (η_к) называется отношение мощности, расходуемой на изоэнтропное сжатие (N_о), к мощности, сообщаемой компрессору (N_к):

(2)

или отношение теоретической работы при адиабатном сжатии (l_о обр ) к действительной работе (технической), затрачиваемой на привод компрессора (l_т):

. (3)

Тогда мощность, затраченная на изоэнтропное сжатие(N_о) при известном расходе рабочего тела (G), находится по формуле

.

.

Численное значение мощности, подведенной к компрессору (N_к), можно определить через мощность (N_э), потребляемую электродвигателем компрессора, и коэффициент полезного действия привода компрессора (η_пр):

,(4)

где η_пр – коэффициент полезного действия привода компрессора, учитывающий потери в электродвигателе (η_э), механические потери (η_м) и передачу тепла потоку рабочего тела при охлаждении электродвигателя, за счет обтекания его потоком рабочего тела. Численное значение η_пр находится специальными опытами и в данном случае равно значению 0,51 (51%); N_э – мощность, подведенная к электродвигателю компрессора.

Схема и описание установки

Рабочее тело – воздух – компрессором 1 (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 3 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящего через установку, может изменяться с помощью заслонки 6. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 9 «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 (Н_в) и за компрессором (Н_н). В результате подведенного к трубе 5 тепла, воздух, проходя от сечения I–I, где его температура равна температуре окружающей среды, нагревается до температуры t_вII, которая измеряется термопарой 7 в комплекте с вторичным прибором.

Рис. 1. Схема установки

Для определения мощности, подведенной к электродвигателю 2 компрессора служит панель 8 «Работа компрессора», с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Индикатор 10 фиксирует удлинение трубы при её нагреве, которое прекращается в момент установления стационарного режима.

4. Порядок проведения опыта

1. Проверить состояние всех измерительных приборов. Включить электронагрев трубы 5 и, спустя некоторое время ( по указанию преподавателя), компрессор 1, предварительно установив заслонку 6 в исходное положение.

2. По истечении времени выхода установки на стационарный режим, снять показания приборов и соответствующие величины записать в протокол наблюдений (табл. 1).

3. Изменив расход воздуха с помощью заслонки 6 и выждав время перехода установки в новое тепловое равновесие, снять показания приборов и занести в протокол.

5. Расчетные формулы и расчеты

1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

, Па.

2. Перепад давления воздуха в воздухомере

, Па,

где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м 3 ; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2 ; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.

3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера

где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.

,кг/с.

5. Плотность воздуха на выходе из трубы

6. Средняя скорость воздуха на выходе из трубы

,м/с,

7. Кинетическая энергия в выходном сечении II – II

,кДж/кг.

по уравнению адиабаты , м 3 /кг; k = 1,4.

Примечание. Численные значения удельных объемов следует рассчитать с достаточно высокой точностью (не менее шести значащих цифр после запятой).

12. Значения удельной энтальпии воздуха в сечениях I – I и II – II определяются по общему уравнению в зависимости от температуры воздуха

, кДж/кг,

где с_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1,006 кДж/(кг·град).

14. Действительная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (техническая работа), находится по соотношению

, кДж/кг.

15. Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора рассчитывается по формуле (2) или (3).

16. Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II, определяется с учетом знаков полученных величин по формуле

, кДж/кг.

17. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.

6. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?

6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.

7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?

8. Дайте определения и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.

9. Что означают знаки « + » и « – » для теплоты и работы?

10. Сравните величины l_о обр и l_т. Какая из них больше и почему? Дайте пояснения к формулам, по которым они рассчитываются.

11. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.

12. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.

13. Дайте понятие адиабатного коэффициента полезного действия компрессора.

Источник

Расчетные формулы и расчеты

1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

, Па.

2. Перепад давления воздуха в воздухомере

, Па,

где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м 3 ; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с 2 ; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.

3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера

где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.

,кг/с.

5. Плотность воздуха на выходе из трубы

6. Средняя скорость воздуха на выходе из трубы

,м/с,

7. Кинетическая энергия в выходном сечении II – II

,кДж/кг.

, Дж/кг.

10. Значения абсолютных давлений находятся через показания манометров по известному соотношению

, Па.(5)

В соответствии с выражением (5) абсолютное давление перед компрессором Р₁ и после компрессора Р₂ находится по формулам

, Па, , Па,

11. Удельные объемы воздуха на входе в компрессор и на выходе из него, соответственно, определяются

по уравнению Клапейрона , м 3 /кг;

по уравнению адиабаты , м 3 /кг; k = 1,4.

Примечание. Численные значения удельных объемов следует рассчитать с достаточно высокой точностью (не менее шести значащих цифр после запятой).

12. Значения удельной энтальпии воздуха в сечениях I – I и II – II определяются по общему уравнению в зависимости от температуры воздуха

, кДж/кг,

где с_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1,006 кДж/(кг·град).

14. Действительная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (техническая работа), находится по соотношению

, кДж/кг.

15. Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора рассчитывается по формуле (2) или (3).

16. Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II, определяется с учетом знаков полученных величин по формуле

, кДж/кг.

17. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.

6. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?

6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.

7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?

8. Дайте определения и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.

9. Что означают знаки « + » и « – » для теплоты и работы?

10. Сравните величины l_о обр и l_т. Какая из них больше и почему? Дайте пояснения к формулам, по которым они рассчитываются.

11. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.

12. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.

13. Дайте понятие адиабатного коэффициента полезного действия компрессора.

Работа 2. 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 в условиях лабораторной установки.

Основные положения

Одно из возможных формульных представлений первого закона термодинамики в расчете на 1 кг массы рабочего тела имеет вид

,

где – соответственно суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы; Δh – изменение энтальпии рабочего тела, ; ΔЭ_кин – изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела, ; ΔЭ_пот – изменение потенциальной энергии потока 1 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. 3., делится на два участка (две подсистемы): первый участок – от входного сечения 1 до сечения 2а, второй – от сечения 2а до сечения 2. 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 (t_x) не меняется. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для 1-го участка (подсистемы) приобретает вид

, (1)

где l_э1 – работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению

,

где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; N_к – 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; q_н1 – количество тепла, отдаваемое системой на 1-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схема 1-го участка (подсистемы) может быть представлена в виде схемы (Рис. 1.).

Уравнение первого закона термодинамики для 2-го участка (подсистемы) приобретает вид:

, (2)

где l_э2 – работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению

,

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; q_н2 – количество тепла, отдаваемое системой на 2-ом участке в окружающую среду.

Расчетная схема 2-го участка может быть представлена в виде схемы (Рис. 2.)

Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде

,

где q_н1 + q_н2 = q_н – общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду.

Источник