ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Астраханский государственный технический университет»
Институт морских технологий энергетики и транспорта
Кафедра Теплоэнергетика и холодильные установки
Лабораторная работа № 1
По дисциплине: «Техническая термодинамика»
По теме: «Первый закон термодинамики в приложении к решению одного из видов технических задач
Выполнил студент группы ДТЕТБ-21/2
Милосердов Н.Д.
Проверил доцент
Атдаев Д.И.
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:
где – 
соответственно, суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы; 
– изменение энтальпии рабочего тела,
– изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела, 
–изменение потенциальной энергии потока1 кг рабочего тела; 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. 3 Вся термодинамическая система, представленная на рис. 1, делится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного сечения I до сечения IIа, а второй - от сечения IIа до сечения II. Каждый из этих участков заключает- ся 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:
(1)
Работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению:
(2)
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:
Уравнение первого закона термодинамики для II-го участка (подсистемы) приобретает вид
(2)
Работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению:
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:
Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде:
где qн1 и qн2 – общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду на участках I и II.
3. 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 2 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящее через установку, может изменяться с помощью заслонки 3. Пара
метры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11 «Окружающая среда» (ртутный, чашечный барометр и жидкостно- стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры», расположены три5 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 темпера- тура равна температуре окружающей среды t1 = tокр, нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором. Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположеных на панели 10 «Нагрев трубы».
Протокол наблюдений
Таблица 1.
| № п/п | Измеряемая величина | Обозначение | Единицы измерения | Номера опытов | |||||
| Температура воздухе при входе в воздухомер (сечение I) | |||||||||
| Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIа) | |||||||||
| Температура воздуха при выходе из трбы (сечение II) | |||||||||
| Показания вакуумметра | |||||||||
| Показания пьезометра | |||||||||
| Напряжение и сла тока, потребляемого компрессором | |||||||||
| Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы | |||||||||
| Показания барометра | |||||||||
| Температура окружающей среды |
4. Расчетные формулы и расчеты.
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
2. Перепад давления воздуха в воздухомере:
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера:
4. Расход воздуха:
5. Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:
6. Плотность воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу:
7. Плотность воздуха на выходе из трубы:
8. Значение энтальпии воздуха h, в сечениях I, IIa и II определяется по об- щему уравнению
9. Средняя скорость потока Wj в сечениях IIa и II
11. Работа электрического тока lэ1 на I-ом участке (подсистеме):
12. Работа электрического тока lэ2 на II-ом участке (подсистеме):
Результаты расчетов продублированы в форме сводной таблицы 2.
Таблица 2.
| № п/п | Измеряемая величина | Обозначение | Единицы измерения | Номера опытов | |||||
| Атмосферное давление | |||||||||
| Перепад давления воздуха в воздухомере | |||||||||
| Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомере | |||||||||
| Расход воздуха | |||||||||
| Плотность воздуха в сечении IIа | |||||||||
| Средняя скорость потока в сечении IIа | |||||||||
| Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение IIа) | |||||||||
| Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение IIа) | |||||||||
| Работа электрического тока на первом участке | |||||||||
| Изменение энтальпии потока на первом участке | |||||||||
| Изменение кинетической энергии потока на первом участке | |||||||||
| Количество теплоты, отдаваемое на первом участке в окружающую среду | |||||||||
| Работа электрического тока на втором участке | |||||||||
| Изменение энтальпии потока на втором участке | |||||||||
| Изменение кинетической энергии потока на втором участке | |||||||||
| Количество теплоты, отдаваемое на втором участке в окружающую среду | |||||||||
| Общее количества тепла, отдаваемое в окружающую среду термодинамической системой |
Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета:
5. Контрольные вопросы.
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?
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 определение и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
9. Что означают знаки «+ » и «− » для теплоты и работы?
10. На что и каким образом влияет изменение нагрева трубы при постоянном расходе воздуха?
11. На что расходуется мощность, подведенная для нагрева трубы, и как она определяется?
12.. Как осуществляется выбор контрольных оболочек (границ) подсистем (системы) применительно к данной лабораторной работе?
13. В каком месте и почему границы подсистем (системы) размыкаются?
14. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
15. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы