Первый закон термодинамики (ТД) в условиях задачи

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

 

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра гидравлики, теплотехники и гидропривода

 

ПРОТОКОЛ

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ№1Т

 

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

В ПРИЛОЖЕНИИ К РЕШЕНИЮ

ОДНОЙ ИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

 

 

Вариант начальных установок №

 

Выполнил студент _______________

Группа__________

 

Принял доц. Ф. В. Качановский

 

 

Тверь- 2017

 

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

В ПРИЛОЖЕНИИ К РЕШЕНИЮ

ОДНОЙ ИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

 

Цель работы

Цель работы - определить с помощью уравнения первого закона термодинамики количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду (т. е. теплопотери) в условиях лабораторной установки.

Схема и описание установки

Поток рабочего тела (воздуха), забираемого из окружающей среды, создаётся компрессором 1 (рис. 1) и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Расход воздуха измеряется воздухомерным устройством 2 (трубой Вентури) и регулируется заслонкой 3.

Рис. 1. Схема установки

Во входном сечении I-I температура воздуха равна температуре окружающей среды (t ₁= t _окр). В сечении IIa воздух нагревается (электрическим нагревателем) до температуры t _2а, измеряемой термопарой 6 (в комплекте с вторичным прибором). На выходе из трубы (в сечении II) температура воздуха t ₂ измеряется термопарой 7.

Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11 (ртутный барометр и жидкостный термометр).

На панели 4 «Статические напоры» расположены U -образные манометры для измерения статических давлений в «горле» воздухомера Н, на входе в компрессор Н _в и за компрессором Н _н.

Для измерения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора», на которой размещены амперметр и вольтметр.

Мощность, расходуемая на нагрев воздуха в трубе 5, измеряется с помощью амперметра и вольтметра, которые расположены на панели 10 «Нагрев трубы».

Первый закон термодинамики (ТД) в условиях задачи

Первый закон ТД для 1 кг массы потока рабочего тела имеет вид:

,

где и - суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку ТД системы, Дж/кг;

Δ h=h ₂ -h ₁ - изменение энтальпии рабочего тела (теплосодержание), Дж/кг;

- изменение кинетической энергии потока, Дж/кг;

- изменение потенциальной энергии потока, Дж/кг;

h ₁, W ₁ и Z ₁ - энтальпия, скорость и геометрическая высота (от условного уровня отсчета) во входном сечении потока рабочего тела;

h ₂, W ₂ и Z ₂ - энтальпия, скорость и геометрическая высота (от условного уровня отсчета) в выходном сечении потока рабочего тела.

ТД система (рис. 1) состоит из двух участков (подсистем): 1-й участок - от входного сечения I до сечения IIа, 2-й - от сечения IIа до выходного сечения II. Каждый участок заключён в свою контрольную оболочку (на рис. 1 показаны штриховыми линиями). Расчётные схемы участков представлены на рис. 2, 3.

При установившемся режиме теплообмена установки с окружающим воздухом температура воздуха в трубе не меняется. В этих условиях уравнение первого закона ТД для 1-го участка (подсистемы) имеет вид:

. (1)

Здесь работа l _э1 электрического тока (Дж/кг), подаваемого на электродвигатель компрессора, определяется по формуле:

; (2)

где G - расход воздуха, измеряемый воздухомерным устройством, кг/с; N _э - мощность, Вт, потребляемая электродвигателем компрессора и оцениваемая по показаниям амперметра I _э и вольтметра U _э. Часть этой мощности передается воздуху в трубе в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть - в виде тепла; q _н1 - количество тепла, отдаваемое системой на 1-м участке в окружающую среду (теплопотери из 1-го участка), Дж/кг.

Уравнение первого закона ТД для 2-го участка (подсистемы):

l _э2 = h ₂ - h _2a + (W ₂² - W _2a²)/2 + g ∙(Z ₂ - Z _2a) + q _н2. (3)

Работа электрического тока (Дж/кг), подаваемого на нагрев трубы:

l _э2 = N _н/ G = (I _н∙ U _н)/ G, (4)

где N _н – мощность (Вт), расходуемая на нагрев воздуха в трубе и преобразуемая целиком в тепло. Оценивается по показаниям амперметра I _н и вольтметра U _н. Часть этой мощности отводится в окружающую среду в форме теплоты q _н2 (теплопотери из 2-го участка)

Для ТД системы в целом уравнение первого закона ТД получается суммированием уравнений (1) и (3):

l _э1+ l _э2 = h ₂ – h ₁ + (W ₂² – W ₁²)/2 + g ∙(Z ₂ – Z ₁) + q _н1 + q _н2. (5)

Рис. 2. Расчётная схема 1-го участка     Рис.2. Расчетная схема 1-го участка

 

Рис. 3. Расчётная схема 2-го участка   Рис. 3. Расчетная схема II–го участка

 

Таблица 1. Протокол наблюдений

№ п/п	Измеряемая величина	Обозначение	Единицы измерения	Номера опытов
	Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I)	t 1	oC
	Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIa)	t 2a	oC
	Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II)	t 2	oC
	Показания вакуумметра («горло» воздухомера)	H	мм вод. ст.
	Показания пьезометра (после компрессора)	H н	мм вод. ст.
	Напряжение, потребляемое компрессором	U к	В
	Сила тока, потребляемая компрессором	I к	A
	Напряжение, потребляемое на нагрев трубы	U н	В
	Сила тока, потребляемая на нагрев трубы	I н	A
	Показания барометра	B	мбар
	Температура окружающей среды	t окр	oC