Тепловой поток нагревателя, Вт:
, (1.8)
где I – ток, А; U – напряжение, В; = 0,96; =
= 0,94 – коэффициент тепловых потерь.
Рис.1.1. Схема экспериментальной установки:
1 – труба; 2 – конфузор; 3– вентилятор; 4 – трубка для измерения динамического напора;
5– патрубок; 6, 7– дифманометры; 8 – термопара; 9 – потенциометр; 10 – изоляция;
11 – электронагреватель; 12 – лабораторный автотрансформатор; 13 – вольтметр;
14 – амперметр; 15 – термометр
Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:
, (1.9)
где m – массовый расход воздуха, кг/с; – экспериментальная, массовая изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); – температура воздуха на выходе из нагревательного участка и на входе в него, °С.
Массовый расход воздуха, кг/с:
. (1.10)
Здесь – средняя скорость воздуха в трубе, м/с; d – внутренний диаметр трубы, м; – плотность воздуха при температуре , которая находится по формуле, кг/м3:
, (1.11)
где = 1,293 кг/м3 – плотность воздуха при нормальных физических условиях; B – барометрическое давление, мм. рт. ст; – избыточное статическое давление воздуха в трубе, мм. вод. ст.
Скорости воздуха определяются по динамическому напору в четырех равновеликих сечениях, м/с:
, (1.12)
где – динамический напор, мм. вод. ст. (кгс/м2); g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.
Средняя скорость воздуха в сечении трубы, м/с:
. (1.13)
Средняя изобарная массовая теплоемкость воздуха определяется из формулы (1.9), в которую тепловой поток подставляется из уравнения (1.8). Точное значение теплоемкости воздуха при средней температуре воздуха находится по таблице средних теплоемкостей или по эмпирической формуле, Дж/(кг×К):
. (1.14)
Относительная погрешность эксперимента, %:
. (1.15)
1.3. Проведение эксперимента и обработка
результатов измерений
Эксперимент проводится в следующей последовательности.
1. Включается лабораторный стенд и после установления стационарного режима снимаются следующие показания:
• динамический напор воздуха в четырех точках равновеликих сечений трубы;
• избыточное статическое давление воздуха в трубе ;
• ток I, А и напряжение U, В;
• температура воздуха на входе , °С (термопара 8);
• температура на выходе , °С (термометр 15);
• барометрическое давление B, мм. рт. ст.
2. Эксперимент повторяется для следующего режима.
3. Результаты измерений заносятся в табл.1.2.
- Расчеты выполняются в табл. 1.3.
Таблица 1.2
Таблица измерений
№ п/п | Наименование величины | Режимы | |
I | II | ||
Температура воздуха на входе , °C | 1) 2) 3) 4) | 1) 2) 3) 4) | |
Температура воздуха на выходе , °C | |||
Динамический напор воздуха , мм. вод. ст. | 1) 2) 3) 4) | 1) 2) 3) 4) | |
Избыточное статическое давление воздуха , мм. вод. ст. | |||
Барометрическое давление B, мм. рт. ст. | |||
Ток I, А | |||
Напряжение U, В |
Таблица 1.3
Таблица расчетов
№ п/п | Наименование величин | Формула | Режимы | |
I | II | |||
Динамический напор , Н/м2 | 1) 2) 3) 4) | 1) 2) 3) 4) | ||
Средняя температура потока на входе , °C | ||||
Плотность воздуха r, кг/м3 | где = 1,293 кг/м3 – плотность воздуха при нормальных условиях | |||
Скорость воздуха , м/с | 1) 2) 3) 4) | 1) 2) 3) 4) | ||
Средняя скорость воздуха w, м/с | ||||
Массовый расход воздуха m, кг/с | ||||
Средняя температура воздуха в трубе t, °С | ||||
Теплота, воспринятая воздухом Q, Вт | , где = 0,94, = 0,96 | |||
Экспериментальное значение теплоемкости , Дж/(кг×К) | ||||
Средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха , Дж/(кг×К) | ||||
Относительная погрешность , % |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие законы термодинамики используются в работе?
2. Объясните физический смысл теплоемкости.
3. Какие виды теплоемкости Вы можете назвать? В чем их отличие?
4. Поясните взаимосвязь первого начала термодинамики и изобарной теплоемкости.
5. В чем заключается суть эксперимента?
6. С какой целью изменяют режим работы вентилятора?
7. Для чего в эксперименте определяют барометрическое давление?
8. Чем объясняется наличие погрешности при определении изобарной теплоемкости воздуха?
Литература
1. Овчинников, Ю.В. Основы технической термодинамики / Ю.В. Овчинников. – Новосибирск: НГТУ. – 2010. – 292 с.
2. Шаров, Ю.И. Теплотехника: слайд-конспект: электронное учебное пособие / Ю.И. Шаров. – М.: ВГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР», номер государственной регистрации 0320801605 от «01» августа 2008 г. – 3,8 мб.
3. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергоиздат. – 1987. – 416 с.
4. Краснощеков, В.А. Задачник по теплопередаче / В.А. Краснощеков, А.С. Сукомел. – М.: Энергия. – 1981. – 264 с.
5. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 720 с.
6. Шехтман, А.М. Газодинамические функции реальных газов. Справочник / А.М. Шехтман. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 175 с.