Работа 1. Изучение аэродинамической установки и приборов для измерения давления и депрессии
Цель работы: ознакомление с устройством установки и приборов, правилами пользования ими, освоение техники измерений, обработки результатов измерений и перевода полученных показателей из одной системы единиц в другую.
План работы
1. Изучите правила безопасности выполнения лабораторных работ.
2. Изучите аэродинамическую установку по схеме и в натуре.
3. Изучите следующие приборы: депрессиометр, микроманометр, барометр.
4. Подготовьте табл.3.
5. Измерьте микроманометром статическую депрессию на участках модели 0–3 (hcт 0-3); 0–4 (hcт 0-4); 3–4 (hcт 3-4 ).
В приведенной форме записи hcт m-n первая цифра (m) указывает ту точку модели, к которой подключается резервуар микроманометра ( штуцер «+»), а вторая (n) – точку, к которой подключается измерительная трубка (штуцер «-»). Цифра 0 обозначает атмосферу.
При производстве замеров шибер 1 должен быть открыт, а шибер 2 – закрыт. Расчет величины депрессии производится по формулам (11) или (12). Контроль правильности измерений и вычислений: hcт 3- 4 = hcт 0- 4 - hcт 0-3 . Исходные данные и результаты замеров следует занести в табл.3.
6. Измерьте барометром атмосферное (аэростатическое) давление p0 в лаборатории.
7. Соблюдая размерность, рассчитайте величину статического давления в точках модели 3 ( p3 ) и 4 ( p4 ), имея в виду, что hcт 0-3 = p0 – p3 , а hcт 0-4 = p0 - p4 Произвести контроль правильности расчетов: p3 – p4 = h ст 3 - 4
8. Результаты замеров и расчетов сведите в табл.4. При определении величин давления и депрессии, выраженных в разных единицах, воспользуйтесь материалами табл.2.
9. Оформите и защитите отчет.
Таблица 4
| С т а т и ч е с к о е д а в л е н и е | C т а т и ч е с к а я д е п р е с с и я | ||||||
| Условные обозначения | Величина давления, выраженная в | Условные обозначения | Величина депрессии, выраженная в | ||||
| Па | мм. вод. ст. | мм рт. ст. | Па | мм вод. ст. | мм рт. ст. | ||
| p0 p3 p4 | h cт 0- 3 h cт 0- 4 h cт 3- 4 |
Контрольные вопросы
1. Одинакова ли площадь поперечного сечения модели во всех точках замера?
2. Чем отличается верхняя выработка модели от нижней?
3. В каком направлении движется воздух в модели при включенном вентиляторе?
4. Где давление воздуха выше: в выработке модели или в лаборатории – при включенном вентиляторе, при выключенном вентиляторе, если вентилятор будет работать на нагнетание?
5. Где давление выше при включенном вентиляторе: в точке 3 или в точке 4 модели?
6. Что такое статическая депрессия?
7. Каково назначение депрессиометра?
8. Как измерить депрессиометром статическую депрессию в точке 3 (h ст 0-3 ), на участке 3–4 (h ст 3-4 )? Изобразите схему подключения депрессиометра.
9. Можно ли депрессиометром измерить атмосферное давление в лаборатории?
10. Можно ли измерить депрессию депрессиометром, если начальное положение жидкости в нем не совпадает с нулем?
11. Как зависят показания депрессиометра от жидкости, которая в нем используется (вода, керосин, спирт, ртуть)?
12. Как изменятся показания депрессиометра, если установить его не вертикально, а наклонно?
13. Как изменятся показания депрессиометра с открытыми концами, если его поместить в барокамеру с давлением 5 атмосфер?
14. Можно ли пользоваться депрессиометром с разными диаметрами трубок в его коленах?
15. Каково назначение микроманометра?
16. Для чего предусмотрен переменный угол наклона измерительной трубки микроманометра?
17. Почему при измерении депрессиометром отсчет берется по двум коленам трубки, а при измерении микроманометром – только по наклонной трубке?
18. Что такое фактор микроманометра, для чего он служит?
19. Что выражает произведение Км hн в формуле (11)?
20. Изменится ли схема подключения микроманометра к точке 3 модели (см. рис.7), если вентилятор установки будет работать на нагнетание (как и почему)?
21. Изменится ли величина статической депрессии в точке 3 модели, если открыть оба шибера (как и почему)?
22. Докажите математически, что h ст 0-4 – h cт 0-3 = p3 – p4 = h ст 3-4.
23. Что такое атмосферное давление? Чем оно обусловлено?
Работа 2. Измерение статической, скоростной
и полной депрессии
Цель работы: закрепление знаний и навыков, полученных при работе с приборами на аэродинамической установке, знаний о видах давления и депрессии, освоение техники измерения различных видов депрессии и приемов перевода величины депрессии из одной системы единиц в другую, определение удельного веса воздуха по его температуре и давлению, определение скорости движения воздуха по скоростному напору.
Общие сведения
В точке 6 аэродинамической установки (см. рис. 1) отверстие трубки, соединяющей эту точку со штуцером 6, расположено непосредственно на стенке (почве) выработки и на него действует только статическое давление ( p6 = pст ), передаваемое на штуцер 6. Поэтому этот штуцер выполняет роль того конца трубки Пито, который помечен знаком «-».
В точке 7 установки предусмотрена Г-образная трубка, выступающая в выработку и направленная входным отверстием навстречу потоку воздуха. На это отверстие действует полное давление (p7 = pп), которое через шланг передается на штуцер 7. Поэтому этот штуцер выполняет роль того конца трубки Пито, который помечен знаком «+».
В работе 2 все измерения выполняются в точках 6 и 7, входные отверстия которых находятся в одной вертикальной плоскости (в одном сечении), и скоростная депрессия (скоростной напор) равна разности между полным и статическим давлением в этом сечении: h ск = p п – p ст = p7 – p6 = p ск , т. е. в одном и том же сечении выработки (трубы) скоростная депрессия численно равна скоростному давлению (напору).
Величина скоростного давления зависит от скорости движения воздуха, а эта скорость различна в разных точках поперечного сечения. Поэтому величина скоростного давления зависит от положения наконечника трубки Пито в поперечном сечении выработки или трубопровода:
p ск = h ск = γvт2 /2g = ρvт2 /2 (14)
где: vт – скорость движения воздуха в той точке поперечного сечения, где расположен наконечник трубки Пито, м/с; γ – удельный вес воздуха; ρ – его плотность (ρ = γ / g ).
Если скоростное давление (депрессия) выражается в мм вод. ст., то удельный вес воздуха в зависимости от его температуры и давления подсчитывается по эмпирической формуле:
γ = 0,461 p0 /(t + 273) (15)
где: p0 – атмосферное давление, мм. рт. ст.; t – температура воздуха, °С.
Из формулы (14) следует, что измерив величину скоростного давления pск (депрессии hск) в какой-либо точке воздушного потока, можно определить скорость движения воздуха в этой точке:
vт = (2ghск/γ )0,5 (16)
План работы
1. Вспомните основы шахтной аэромеханики, правила безопасности, устройство аэродинамической установки и приборов для измерения депрессии и давления, а также технику измерения и обработки результатов измерений.
2. Внимательно прочитайте общие сведения, изложенные в настоящей работе.
3. Изучите устройство, принцип действия воздухомерной трубки (рис.5) и правила работы с ней.
4. Подготовьте табл.3.
5. Измерьте микроманометром депрессию: статическую на участке 0 – 6 ( h ст= h 0 - 6 ); полную на участке 0 - 7 (h п = h 0 – 7 ); скоростную между точками 7 и 6 (h ск = h 7 – 6 ), используя пояснения к пункту 5 плана работы 1.
При выполнении замеров шибер 2 должен быть открыт, а шибер 1 – закрыт.
Контроль правильности измерений: h ск = h ст - h п
Исходные данные и результаты измерений занесите в табл.3.
6. Измерьте температуру воздуха (t) и атмосферное давление (p0) в лаборатории.
7. Соблюдая размерность, рассчитайте величину статического давления в точке 6 ( p ст = p 6 ) и полного давления в точке 7 (p п = p 7), имея в виду, что hст = h 0 – 6 = p0- p 6 , а h п = h 0 – 7 = p 0 - p 7.
8. По формуле (16) определите скорость движения воздуха в точке 7 модели v7= vт
9. Результаты измерений и расчетов сведите в табл.5.
Таблица 5
| Давление | Депрессия | ||||||
| Усл. обозначения | Величина давления, выраженная в | Усл. обозначения | Величина депрессии, выраженная в | ||||
| Па | мм вод. ст. | мм рт. ст. | Па | мм вод. ст. | мм рт. ст. | ||
| p0 pст pп pск | - h ст h п h cк |
10.Оформите и защитите отчет.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение воздухомерной трубки?
2. Можно ли воздухомерной трубкой измерить давление воздуха?
3. Что такое депрессия?
4. Чем отличается точка 7 модели от точки 6 и других точек замера?
5. Какие виды депрессии и давления можно измерить с помощью трубки Пито?
6. Какими приборами можно измерить величину депрессии?
7. Что такое статическое давление, полное давление, скоростное (динамическое) давление?
8. Зависит ли от положения трубки Пито в сечении выработки величина скоростного давления, полного, статического?
9. Какое давление во всасывающем трубопроводе больше – полное или статическое? А в нагнетательном? Приведите соответствующие доказательства.
10. Как изменится полное и статическое давление воздуха, воспринимаемое трубкой Пито, если ее наконечник повернуть в потоке на 180˚? Какое из этих видов давления больше при том и другом положении наконечника?
11. Какая депрессия во всасывающем трубопроводе больше – полная или статическая? А в нагнетательном? Приведите соответствующие доказательства.
12. Изобразите графически схемы подключения микроманометра к трубке Пито (см. рис.6 и 7) при измерении полной, статической и скоростной депрессии в нагнетательном трубопроводе.
13. Почему во всасывающем трубопроводе pп > pст, а hп < hст? Как будут выглядеть эти неравенства для нагнетательного трубопровода?
14. Как определить скоростную депрессию, не измеряя ее непосредственно?
15. От каких параметров зависит плотность воздуха? Как она меняется с ростом давления и температуры?
16. Как с помощью трубки Пито и микроманометра определить скорость движения воздуха?
17. Что покажет микроманометр, если его подключить к штуцеру «-» трубки Пито в горной выработке? К штуцеру «+»? К обоим концам трубки?
18. Влияет ли величина атмосферного давления на показания микроманометра или депрессиометра, подключенного к любой точке модели?
19. Выразите величины депрессии h п , h ст , h ск через разность соответствующих величин давления ( в форме h i = p х - p y) во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.
Работа 3. Определение количества воздуха,
поступающего в модель
Цель работы: получить опыт использования уравнения Бернулли для решения конкретных задач, научиться определять количество (расход) воздуха, поступающего в коллектор установки, оценить виды сопротивления и депрессии, закрепить навыки работы с измерительными приборами и обработки результатов измерений.
Общие сведения
Участок 0 – 1, на котором производятся измерения статической депрессии, представляет собой коллектор модели, через который воздух из атмосферы лаборатории входит в установку. Уравнение Бернулли для этого участка при отсутствии естественной тяги (he =0) в соответствии с формулой (3) принимает вид
h ст 0 -1 + h ск 0 -1 = h вх 0 – 1 (17)
где h ст 0 -1 – статическая депрессия на участке 0–1; h ск 0-1 – скоростная депрессия на этом же участке; h вх 0 – 1 – депрессия (потеря давления), расходуемая на преодоление сопротивления входа в коллектор установки.
В соответствии с формулой (6)
hск 0 - 1= p ск 0 – pск1 = ( v02 - v12 ) γ / 2g , (18)
где v0 и v1 – средние скорости движения воздуха соответственно в атмосфере лаборатории и в коллекторе, где расположена точка 1, м/с; γ – удельный вес воздуха (см. формулу 15).
Так как v0 = 0, а v1>0, то h ск 0-1= - γ v12/ 2g
В соответствии с этим уравнение (17) может быть представлено в виде
h ст 0 -1 = h вх 0 – 1 + γ v12/ 2g (19)
Физический смысл этих преобразований состоит в следующем. Так как величина hск 0-1 имеет отрицательный знак (разряжение), то она трактуется как сопротивление движению воздуха и по абсолютной величине суммируется с сопротивлением входа hвх 0–1. Это свидетельствует о том, что энергия давления вентилятора на участке 0–1 (статическая депрессия h ст 0 –1 ) расходуется не только на преодоление сопротивления входа, но и на «разгон» воздуха со скорости v0 = 0 в атмосфере до v1>0 в точке 1.
Между первым и вторым слагаемым в правой части формулы (19) есть существенное различие. Часть энергии давления h ст 0 –1 , расходуемая на преодоление сопротивления входа (h вх 0 – 1 ), безвозвратно теряется, рассеиваясь в форме тепла; другая же ее часть, расходуемая на разгон воздуха (γ v12/ 2g), переходит в кинетическую (скоростную) энергию воздушного потока, т.е. энергия давления переходит в энергию движения.
Энергия, затрачиваемая на преодоление сопротивления входа (вход в коллектор рассматривается как местное сопротивление), пропорциональна скоростной энергии потока, т.е.
h вх 0 – 1 = ξ к γ v12/ 2g (20)
где ξ к = 0,05 - безразмерный коэффициент местного сопротивления на входе в коллектор (величина его установлена эмпирически).
Подставив выражение (20) в формулу (19), получим
h ст 0 -1 = (ξ к +1) γ v12/ 2g (21)
Из формулы (21) следует, что, измерив статическую депрессию на входе в коллектор h ст 0 –1, можно определить среднюю скорость движения воздуха в коллекторе[2]:
v1=[( 2g h ст 0 – 1) / 1,05 γ ]0,5 (22)
Зная среднюю скорость v1 и площадь поперечного сечения коллектора S1 =0,0021 м2, можно определить количество воздуха, поступающего в коллектор модели
Q = v1S1 (23)
План работы
1. Вспомните основы аэромеханики, устройство аэродинамической установки, технику измерения депрессии и обработки результатов измерений.
2. Подготовьте табл.3.
3. Измерьте статическую депрессию h ст 0 – 1 на участке 0 – 1 при трех различных положениях шиберов:
- при полностью открытом шибере 1 и закрытом шибере 2;
- при полностью открытом шибере 2 и закрытом шибере 1;
- при двух полностью открытых шиберах 1 и 2.
Исходные данные и результаты измерений занесите в подготовленную табл.3.
4. Для каждого из трех положений шиберов определите:
- среднюю скорость движения воздуха v1 в коллекторе по формуле (22);
- количество воздуха Q, поступающего в коллектор по формуле (23);
- величину и знак скоростного разрежения hск 0-1 в коллекторе по формуле (18);
- величину депрессии hвх 0 – 1 , расходуемой на преодоление входа в коллектор, по формуле (20).
5. Замеренные и рассчитанные показатели занесите в табл. 6 и проанализируйте их.
Таблица 6
| Номер открытого шибера | h ст 0 –1 | h ск 0-1 | h вх 0 – 1 | v1 , м /c | Q, м3/c |
| 1 и 2 |
6. Оформите и защитите отчет.
Контрольные вопросы
1. Какими приборами можно измерить депрессию h ст 0 –1 ?
2. Разностью давлений в каких точках является депрессия h ст 0 –1 ?
3. Какое давление измеряется в точке 1- полное или статическое ?
4. При работе вентилятора где статическое давление больше и почему – в атмосфере или в точке 1? А если вентилятор выключен?
5. На что расходуется энергия вентилятора на участке 0 – 1?
6. Какая часть этой энергии теряется, рассеиваясь в форме тепла, а какая преобразуется из одной формы в другую?
7. При каком положении шиберов и почему в коллектор поступает наибольшее и наименьшее количество воздуха?
8. При каком положении шиберов и почему величина депрессии h ст 0 –1 максимальна (минимальна)?
9. Действует ли в сечении, где расположена точка 1, скоростное давление? Как его можно было бы измерить и рассчитать?
10. От каких факторов зависит величина скоростного давления?
11. Чему равно полное давление в сечении точки 1?
12. Влияет ли величина атмосферного давления и температура воздуха на величину h ст 0 –1 ?