Лабораторные работы по ТОТ. Лабораторная работа 1 3 Лабораторная работа 2 5 Лабораторная работа 3 10 Лабораторная работа 4 15 Лабораторная работа 5 20

Скачать 4.79 Mb. Название Лабораторная работа 1 3 Лабораторная работа 2 5 Лабораторная работа 3 10 Лабораторная работа 4 15 Лабораторная работа 5 20 Анкор Лабораторные работы по ТОТ.doc Дата 24.04.2017 Размер 4.79 Mb. Формат файла Имя файла Лабораторные работы по ТОТ.doc Тип Лабораторная работа #1995 страница 4 из 6

1   2   3   4   5   6 Лабораторная работа №5 Изучение процесса адиабатного истечения газа через суживающееся сопло ММТД 005 Цель работы: Экспериментальное и теоретическое исследование термодинамических характеристик процесса истечения газа из сужающегося сопла. Краткие теоретические сведения: Термодинамическое исследование процессов движения газа по каналам имеет большое практическое значение. Основные положения теории истечения газов позволяют рассчитать проточную часть паровых и газовых турбин, реактивных двигателей, центробежных и осевых компрессоров и многих других узлов. Основными упрощениями, при которых строится термодинамическая теория газового потока, являются: стационарность потока, т.е. параметры потока не меняются во времени, отсюда вытекает постоянство массового расхода газа (G=const); отсутствие трения о стенки канала и теплообмена с внешней средой, т.е. течение адиабатное (dq=0); течение одномерное (dw/dr=0) и меняется только вдоль канала W=W(X); газ идеальный и теплоемкость его постоянна Cp=const (илиCv=const); потенциальная энергия постояннаgdh=0;dlтех= 0, так как канал закреплен. Процессы течения описываются следующими уравнениями: Уравнение неразрывности газового потока: где,F - площадь поперечного сечения канала, W - скорость потока, V - удельный объем газа. 2) Уравнение адиабаты: где, р - давление газа, к - показатель адиабаты. 3) Уравнение состояния: где,R- газовая постоянная, Т - температура газового потока. 4) Уравнение 1-го закона термодинамики для движущегося газа: где,di- изменение энтальпии. В интегральном виде: 5) Уравнение Бернулли для сжимаемого рабочего тела (без учета трения): Сопло - это канал, где газ ускоряется, и, следовательно, понижается его давление и температура. Если скорость в сопле дозвуковая, то сопло должно иметь сужающуюся часть. Истечение из сосуда неограниченной емкости - это направленное перемещение газа с начальной скоростью, равной нулю, т.е.Wx = 0. При этом теоретическую скорость в выходном сечении соплаWT и расход газа GT можно вычислить по формулам: Или где,T1,p1,i1- температура, давление и энтальпия газа в сосуде, из которого газ вытекает, p2,i2 - давление и энтальпия газа в выходном сечении сопла (на «срезе»), Fc= 7·10-6 м2 - площадь выходного сечения сопла. При экспериментальном исследовании истечения газов из сужающегося сопла было обнаружено, что невозможно получить давление газа в выходном сечении сопла ниже некоторого критического давления. Этому критическому давлению соответствует максимальный расход газа через сопло. Отношение критического давления к начальному давлению на входе в сопло может быть определено по формуле: (*) Это означает, что критическое отношение давлений зависит только от рода газа и для конкретного газа является постоянным. Для двухатомных газов и воздухаk =1,4 и βk≈0,528. Для одноатомных газовk ≈1,66; βk≈ 0,489. Для трех- и многоатомных газовk≈1,3; βk≈0,546. Если давление среды за соплом понижать до давлений, меньших рк, то это не повлияет на давление газа на срезе сужающегося сопла р2. Оно будет оставаться постоянным и Gmax =Gk, а скорость истечения из сужающегося сопла при р2= рк будет также оставаться постоянной и равной местной скорости звука: где, Tk -температура на выходе сужающегося сопла (в «критическом» сечении). Постоянный критический перепад давлений объясняется характером распространения возмущения в среде. Известно, что любое слабое возмущение, в том числе и изменение давления, распространяется в сжимаемой среде со звуковой скоростью, а скорость истечения через сужающееся сопло при р2 = рк, как уже говорилось, равна местной скорости звука. Поэтому при дальнейшем понижении давления среды р3 ниже рк, то есть при возмущение среды не проникает внутрь сопла, так как его относительная скорость будет равна нулю, V = αк - Wk = 0. Действительная скорость истечения Wg меньше расчетной теоретическойWT вследствие трения струи о стенки сопла. Часть располагаемой работы рассеивается и превращается в тепло, которое (и при отсутствии внешнего теплообмена) приводит к увеличению температуры Т2 и энтропии S (см. рис.1). Поэтому: \ Рис. 1. Процесс расширения в сопле без трения (1-2Т) и с трением (1-2) Отношение называется коэффициентом скорости сопла. Отношение , называемое коэффициентом расхода сопла, учитывает кроме трения о стенки также сужение среды на выходе из сопла. Значения φси μс определяются экспериментально. Описание экспериментальной установки: Лабораторная установка состоит из трубы, в которую вмонтированы суживающееся сопло, мерная шайба, датчики давления; шаровой кран для установления перепада давления и вытяжной вентилятор. Перепад давления фиксируется на мерной шайбе, на сопле и на сечении сопла. Значения давлений показывают цифровые вольтметры DP-6. Порядок проведения эксперимента: По указанию преподавателя сначала установить ручку автотрансформатора «Регулятор напряжения» в положение 220В, установить ручку галетного переключателя «Выбор установки» в положение «ММТД 005», затем включить питание стенда. После чего включится соответствующая экспериментальная установка, что просигнализирует горящий светодиод над установкой. Установить перепад давления на сопле ΔН... Па, вращая ручку шарового крана. Записать показания остальных датчиков давления Δр2, Повторить опыт, изменяя значение перепада давления на сопле. Полученные данные внести в табл. 1. Табл.1. № режима ΔН, Па Δр1, Па Δр2, Па 1 0,1 2 … 0,2 … 9 0,9 Обработка результатов измерений: Определяется абсолютное давление перед соплом р, Па, в выходном сечении сопла (на срезе) р1, Па и за соплом р2, Па. Давление перед соплом равно атмосферному давлению, р = 105 , Па. р2 = р- Δр1, Па, р2 = р - Δр2, Па Рассчитывается отношение давлений: Определяется действительный массовый расход воздуха: где ρш = , кг/м3 - плотность воздуха перед мерной шайбой, Fш=7,8 • 10-5 м2 - площадь поперечного сечения мерной шайбы, μш= 0,95 - коэффициент расхода мерной шайбы. Определяется теоретический массовый расход воздуха: при β > βk к приβ <βk Вычисляется коэффициент расхода сопла: Определяется в выходном сечении сопла действительная скорость , где, T2 определяется из уравнения: к Вычисляется теоретическая скорость истечения: при β > βk приβ <βk Строятся графики зависимостейWg= f(β) иGg= f(β), а также f(β), по которым находится критическое отношение давлений βк по отрывным данным. Найденное значение βк сравнивается с расчетным (*). Лабораторная работа №6 Определение коэффициента излучения электропроводящих материалов калориметрическим методом ММТП 011 Цель работы: Экспериментально определить степень черноты и коэффициент излучения для стальной поверхности электрического нагревателя, помещенного внутри цилиндрической стальной трубы. Краткие теоретические сведения: Тепловое излучение (или радиационный теплообмен) - это процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн. Теплообмен излучением состоит из испускания энергии излучения телом, распространения ее в пространстве между телами и поглощения ее другими телами. В процессе испускания внутренняя энергия излучающего тела превращается в энергию электромагнитных волн. Тела, расположенные на пути распространения энергии излучения, поглощают часть падающих на них электромагнитных волн, и таким образом энергия излучения превращается во внутреннюю энергию поглощающего тела. Лучистая энергия переносится электромагнитными волнами. Воз­никновение лучистой энергии происходит в результате сложных, внутримолекулярных возмущений. Лучистый теплообмен связан с двойным превращением энергии: на поверхности тела-излучателя теплота трансформируется в энергию электромагнитных колебаний, которая распространяется в лучепрозрачной среде (или в вакууме) и при по­глощении ее каким-либо другим телом вновь превращается в теплоту. Всякое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, способно излучать лучистую энергию, т.е. наряду с потоком лучистой энергии от более нагретых тел к менее нагретым всегда имеется и обратный поток от менее нагретых тел к более нагретым. Конечный результат такого обмена и представляет собой количество переданной излучением теплоты. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излуче­ния, т.е. излучают энергию всех длин волн от 0 до ∞. Однако способностью трансформироваться в теплоту обладают лишь волны светового и инфракрасного диапазона с длиной волны от 0,4 до 40 мкм (световой диапазон 0,4-0,8 мкм, инфракрасный диапазон 0,8-800 мкм). Излучение всех тел зависит от температуры. Зависимость интен­сивности и передачи теплоты от температуры при излучении значительно больше, чем при теплопроводности и конвекции. Поэтому при относительно низких температурах главную роль играет конвективный теплообмен, а при высоких - теплообмен излучением. Полным (интегральным) лучистым потокомQ,Bm, называется полное количество энергий, излучаемое поверхностьюF в единицу времени во всем интервале длин волн спектра по всем направлениям полусферического пространства. Излучение, соответствующее узкому интервалу длин волн, называется монохроматическим. Поверхностной плотностью излучения или излучательной способностью тела Е Вт/м, называется количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела в единицу времени: Е = dQ/dF. Интенсивность излучения I, Вт/м3 , представляет собой излучательную способность тела в интервале длин волн от λ до λ +Δλ, отнесенную к величине этого интервала dλ, т.е: I = dE/dλ. Пусть на какое-то тело падает интегральный лучистый поток. В общем случае часть этого потокаQA будет поглощаться телом, частьQr - отражаться и частьQd проходить сквозь тело: Q = Qa + Qr+Qd. Разделив последнее выражение наQ и обозначивQ_A/Q= A,Q_R/Q= R, Qd/Q=D, запишем: A + D + R = 1 где A - коэффициент поглощения или поглощательная способность тела; R- коэффициент отражения; D - коэффициент пропускания. Эти коэффициенты могут для различных тел меняться от 0 до 1. Если А =1(R=D=0), то вся падающая лучистая энергия поглощается телом и оно называется абсолютно черным. ЕслиR =1(A=D=0), то тело отражает всю лучистую энергию. Если при этом отражение происходит по законам геометрической оптики, то такое тело называют зеркальным, если же отражение рассеянное (диффузное) - абсолютно белым. ЕслиD=1(A=R=0), т.е. тело пропускает всю лучистую энергию, оно называется абсолютно прозрачным или диатермичным. Большинство твердых и жидких тел для тепловых лучей практически непрозрачны (атермичны), т.е. у них D=0 тогда: А + R = 1. Как известно из оптики, излучательная и поглощательная способность тела в световой части спектра определяется главным образом цветом его поверхности. Для поглощения и отражения тепловых (инфракрасных) лучей основное значение имеет не цвет, а шероховатость поверхности. Чем больше шероховатость, тем больше энергии тело поглощает и излучает в инфракрасной части спектра. Поэтому, если необходимо какое-либо тело защитить от воздействия излучения, его поверхность выполняют не только белой, но и предельно гладкой. Согласно закону Стефана-Больцмана излучательная способность абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени: Е0 = σ0 T4 где σ0=5,67*10'-8 Вт/м2 К4 - константа излучения абсолютно черного тела. Для практических расчетов используют уравнение: Е0 = С0(T/100)4 где С0=5,67 Вт/м2К4 - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Абсолютно черных тел в природе не существует. Реальные тела не поглощают всей падающей на них лучистой энергии и имеют А < 1. Тела, у которых коэффициент поглощения не зависит от длины волны и лежит в пределах 0 < А < 1, называют серыми телами. Большинство твердых тел и капельных жидкостей являются серыми телами. Закон Стефана-Больцмана применим и к серым телам. В этом случае он принимает вид: где С, Вт/м2К4 - коэффициент излучения серого тела. Коэффициент излучения серого тела изменяется в пределах С=0 ÷ 5,67. Отношениеε=E/E0=C/C0- степень черноты серого тела. Степенью черноты ε называется отношение излучательной способности серого тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Степень черноты изменяется в пределах ε = 0 ÷ 1 и зависит от температуры. Тогда для серых тел можно записать: В лабораторной работе нужно определить степень черноты и коэффициент излучения для стальной поверхности электрического нагревателя, помещенного внутри цилиндрической стальной трубы. Для определения данных величин воспользуемся методом, который получил название - калориметрический метод определение коэффициента излучения твердого тела. Исследуемое тело в форме цилиндра, внутри которого расположен электрический нагреватель, помещается в цилиндр большего диаметра. Через образовавшуюся воздушную прослойку тепло будет передаваться от внутреннего цилиндра к наружному посредством излучения, теплопроводности и конвекции: Q= QП+QТ +QК+Qпотерь гдеQП- тепло, передаваемое излучением, Вт; QT - тепло, передаваемое теплопроводностью, Вт; QK- тепло, передаваемое конвекцией, Вт; Qпотерь - потери тепла через торцевые поверхности прослойки, если не выполнено условие безграничности для нее в осевом направлении (обычно Qпотерь ≈0). Для определения степени черноты поверхности твердого тела использован калориметрический метод, основанный на измерении количества тепла, отдаваемого телом посредством излучения, т.е.: QП = Q-(QT + QK) , Далее: Q=IU, гдеQ- мощность, подводимая к электрическому нагревателю; I - сила тока нагревателя, А\ U- напряжение на нагревателе, В; T1 - температура поверхности нагревателя, К; Т2 - температура поверхности оболочки, К; d1 - диаметр нагревателя, м; d2 - внутренний диаметр оболочки, м; λэкв - эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки, Вт/(м·К); l- длина электрического нагревателя, м; С0 ≈ 5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2-К4); F1 - наружная поверхность электрического нагревателя, м2; F2- внутренняя поверхность оболочки, м2; ε1 - степень черноты поверхности нагревателя; ε2 - степень черноты внутренней поверхности оболочки; εпр- приведенная степень черноты прослойка. В итоге (1) где (2) Величину λэкв можно найти из критериального уравнения, описывающего теплопередачу через прослойки жидкостей: (3) Индекс "m" в уравнении означает, что все теплофизические параметры жидкости берутся при средней температуре: tm=[0,5-(tl-t2)] А индекс "δ" означает, что в качестве определяющего размера взята толщина прослойки: где λж - коэффициент теплопроводности жидкости при температуреtm, Вт/(м К); - критерий Грасгофа; vm- кинематический коэффициент вязкосш воздуха при температуреtm, д//с; βm- коэффициент объемного расширения жидкости при температуре tm (для воздуха βm=1/Tm), 1/К; g - ускорение свободного падения, м/с2; Prm - критерий Прандтля для жидкостей при температуреtm. Описание экспериментальной установки: Лабораторная установка состоит из цилиндрической трубы, в которую вмонтирован обогревательный элемент и пять термопар. Одна термопара измеряет температуру на нагревателе, остальные расположены в корпусе цилиндрической трубы. Выбор термопар осуществляется переключателем S1. Значение температуры показывает цифровой вольтметр DP-6. Порядок проведения эксперимента: По указанию преподавателя сначала установить ручку автотрансформатора «Регулятор напряжения» в положение 50В, установить ручку галетного переключателя «Выбор установки» в положение «ММТП 011», затем включить питание стенда. После чего включится соответствующая экспериментальная установка, что просигнализирует горящий светодиод над установкой. После того, как установится стационарный режим, снять значения температур Устанавливая напряжение на автотрансформаторе 100 В, 150 В, 200 В повторить эксперимент. Полученные значения внести в табл. 1. 1   2   3   4   5   6