Схема и описание установки. Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду

В ПРИЛОЖЕНИИ К РЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Цель работы

Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду, и коэффициента полезного действия компрессора в условиях лабораторной установки.

Основные положения

Энергия – количественная мера различных видов движения материи, способных переходить из одного в другое. Передача энергии от одних тел к другим происходит в результате их взаимодействия. Несмотря на большое многообразие видов движения материи, способов их передачи, а, следовательно, и способов передачи энергии существует только два – совершение работы и передача теплоты. Эти способы отличаются друг от друга.

Передача энергии в результате упорядоченного макроскопического движения называется работой. Работа – макроскопическая форма передачи энергии.

Передача энергии в результате обмена хаотическим (тепловым) движением составляющих тела частиц (атомов, молекул) называется передачей теплоты. Передача теплоты – микрофизическая форма передачи энергии.

Согласно первому началу (закону) термодинамики изменение энергии закрытой системы Δu происходит в результате совершения работы l и подвода теплоты q:

Δu = q - l .

(1)

Здесь Δu, q и l - удельные величины, рассчитанные для 1 кг массы системы. Если это выражение переписать следующим образом

q = Δu + l, (2)

то его можно трактовать так: подводимая к системе теплота затрачивается на изменение внутренней энергии системы и на совершение ею работы.

При этом если теплота подводится к системе, то она считается положительной величиной q > 0, если теплота отводится, то q < 0. Если система совершает работу, то l > 0, если работа совершается над системой, то l < 0.

Для открытой (проточной) системы (например, для стационарного потока газа внутри трубы) уравнение первого начала термодинамики в расчете на 1 кг массы газа имеет следующий вид:

q = Δh+ Δw²/2 + gΔz + l_тех. (3)

где – q -суммарное количество теплоты, переносимое через контрольную оболочку термодинамической системы (через поверхность трубы); Δh = h₂ – h₁ – изменение энтальпии рабочего тела Δw²/2 =(w₂²- w₁²)/2 – изменение кинетической энергии потока 1 кг газа, gΔz =g(z₂- z₁) – изменениепотенциальной энергии потока 1кг газа; h₁, w₁ и z₁ − соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока газа; h₂, w₂ и z₂ − соответственно, энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока газа, l_тех – техническая работа, совершаемая над некоторым внешним объектом (например, над лопатками турбины).

Если это выражение переписать так:

q - l_тех = Δh+ Δw²/2 + gΔz. (4)

то его можно сформулировать следующим образом: подводимая к потоку 1 кг газа от внешнего источника теплота и совершаемая внешним объектом (компрессором) техническая работа затрачиваются на увеличение энтальпии, кинетической и потенциальной энергий газа.

Принципиальная схема исследуемой термодинамической системы стационарного потока газа изображена на рис. 1. Она заключена в контрольную оболочку, показанную штриховой линией. С боковой поверхности для потока газа такой контрольной оболочкой является труба, по которой он движется.

Рис. 1

В лабораторной установке техническая работа над потоком газа совершается размещенным внутри трубы компрессором, который приводится в движение электродвигателем. Электрическая энергия, потребляемая электродвигателем в расчете на 1 кг потока газа, определяется по уравнению:

Э_элдв = I_к·U_к/G , (5)

где G – массовый расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; I_к·U_к – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям амперметра и вольтметра. Однако не вся потребляемая электродвигателем электрическая энергия преобразуется в техническую работу – часть ее за счет трения преобразуется в теплоту, передаваемую потоку газа.

Теплота к потоку газа подводится от размещенного на поверхности трубы электрического нагревателя. Количество теплоты, выделяющееся в нагревателе в расчете на 1 кг газа, определяется из выражения:

Э_элнагр = I_н·U_н/G . (6)

Однако не вся выделяемая в электронагревателе теплота передается потоку газа – часть ее отдается в окружающую среду. Кроме того, некоторая часть теплоты от нагретого за счет трения в компрессоре потока газа передается через стенку трубы в окружающую среду на участке течения от компрессора до электронагревателя. Поэтому от компрессора и электронагревателя в поток газа передается меньше теплоты и совершается над ним меньше технической работы на величину потерь теплоты в окружающую среду через стенку трубы

q - l_тех = Э_элдв + Э_элнагр - q_пот , (7)

где q_пот - общее количество теплоты, передаваемое в окружающую среду.

Окончательно для рассматриваемого процесса движения газа в лабораторной установке в условиях стационарного (установившегося) режима уравнение первого начала термодинамики имеет вид:

Э_элдв + Э_элнагр = Δh+ Δw²/2 + gΔz + q_пот. (8)

Это выражение и используется для расчета величины потерь теплоты в окружающую среду по измеряемым и рассчитываемым характеристикам процесса.

Полезная техническая работа компрессора состоит в увеличении механической энергии 1 кг газа – сумме (Δw²/2 + gΔz) его кинетической и потенциальной энергий . На электропривод компрессора затрачивается в расчете на 1 кг газа работа Э_элдв = I_к·U_к/G . Характеристикой эффективности действия компрессора является его коэффициент полезного действия η,определяемый в виде отношения совершенной им полезной работы к затраченной на его привод:

η= ( Δw²/2 + gΔz)·G/ I_к·U_к.(9)

Схема и описание установки

Рабочее тело (воздух) (рис. 2) забирается из окружающей среды, сжимается компрессором 1 и поступает в горизонтальный участок трубы 5. При этом воздух проходит через воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящее через установку, может изменяться с помощью заслонки 3. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 10 «Окружающая среда» (ртутный чашечный барометр и жидкостный стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры», расположены два U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н) и за компрессором (Нн). В результате сжатия в компрессоре воздух нагревается от температуры окружающей

Рис. 2. Схема установки

среды t₁ = t_окрдо температуры t_2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором 12. Далее воздух проходит через обогреваемый участок трубы 5, где его температура повышается до температуры t₂. Температура воздуха на выходе из трубы измеряется термопарами 7 в комплекте с регистрирующим прибором 11. Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходуемая на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 9 «Нагрев трубы».

Выполнение работы

Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима – положение заслонки 3 (деления в диапазоне 20 – 80) и положение ползунка на панели 9 «Нагрев трубы» (деления в диапазоне 0 - 30). Затем включить установку нажатием на кнопку «Вык». Подождать установления стационарного режима, после чего зафиксировать показания всех приборов. Далее установить параметры следующего режима. По окончании измерений переписать данные измерений в табл. 1.

Таблица 1

Протокол измерений

№ п/п	Измеряемая величина	Обоз-на-чение	Едини-ца из-мере-ния	Номер опыта
	Положение заслонки		Деле-ния
	Положение ползунка на панели «Нагрев трубы»		Деле-ния
	Температура воздуха на входе в воздуховод	t1	°С
	Температура воздуха после компрессора	t2а	°С
	Температура воздуха на выходе из трубы	t2	°С
	Показания вакуумметра (горло воздухомера)	H	мм. вод.ст
	Показания пьезометра (после компрессора)	Hн	мм. вод.ст
	Напряжение и сила тока, потребляемого электро- двигателем компрессора	Uк	В
Iк	А
	Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы	Uн	В
Iн	А
	Показания барометра	В	мбар
	Температура окружающей среды	tокр	°С