Методические указания для выполнения лабораторной

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина»
Кафедра теоретических основ теплотехники
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ
Методические указания к лабораторной работе
по курсу "Теоретические основы теплотехники"
Иваново 2010
.
Составил
И.М. ЧУХИН
Редактор
И.А. КОЗЛОВА
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся
по специальностям: 140101, 140103, 140104, 140106, 220301, 140105 и
140404 теплоэнергетического, инженерно-физического и других
факультетов, на которых изучают теплотехнические дисциплины.
В методических указаниях дано описание лабораторной установки по
исследованию изобарного процесса смешения двух потоков воздуха,
имеющих различную температуру. Приведена методика проведения
эксперимента и обработки его результатов с учетом необратимостей
этого процесса.
Методические
комиссией ТЭФ
указания
утверждены
цикловой
методической
Рецензент
кафедра теоретических основ теплотехники ГОУВПО «Ивановский
государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ
Методические указания для выполнения лабораторной работы
по курсу "Теоретические основы теплотехники"
Составитель ЧУХИН Иван Михайлович
Редактор Н.С. Работаева
Подписано в печать 00.00.2011 г.
Формат 6084 I/16.
Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,00.
Тираж 100 экз.
Заказ
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И.Ленина»
153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34.
Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ
.
-2-
ВВЕДЕНИЕ
Процессы смешения различных потоков газов (жидкостей) широко
распространены в практике как бытовой – водопроводный смеситель
умывальника, так и в промышленной – объединение (разъединение)
трубопроводов (газоходов) и т.п..
Расчет процесса смешения потоков газов сводится к определению его
параметров до и после смешения в зависимости от массовых расходов
отдельных потоков. Кроме этого, процесс смешения потоков с
различными параметрами, является типичным необратимым процессом,
приводящим к снижению работоспособности (эксергии) рабочего тела.
Оценка необратимости обычно ведется по увеличению энтропии
системы в результате осуществления этого процесса.
Целью данной лабораторной работы является экспериментальное
исследование изобарного процесса смешения горячего и холодного
потоков воздуха. Опытным путем определяются параметры смеси газов,
эти параметры сравниваются с расчетными, анализируются и
выполняется расчет по оценке необратимости данного процесса на
основании расчета увеличения энтропии системы в этом процессе.
ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
при выполнении лабораторной работы
1. К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие
инструктаж по технике безопасности в лаборатории технической
термодинамики с записью в соответствующем журнале и личной
подписью студента и преподавателя, проводившего инструктаж.
2. Включение и выключение установки осуществляется только
инженером или лаборантом с разрешения преподавателя.
3. Приступать к выполнению работы разрешается только после
ознакомления с методикой проведения эксперимента и самим
лабораторным стендом, в чем должен убедиться преподаватель.
4. Запрещается:
а) осуществлять подключение и отключение стенда к электропитанию;
б) осуществлять подключение и отсоединение любых электрических
кабелей, проводов заземления и т.п. соединений оборудования;
в) притрагиваться к неизолированным частям любых проводов, к
радиаторам и трубопроводам системы отопления, водоснабжения и
канализации, если таковые обнаружатся;
г) работать при отсутствии света или недостаточном освещении.
5. Обо всех замеченных неисправностях на установке немедленно
докладывать преподавателю, и до их полного устранения к выполнению
работы не приступать.
.
-3-
1. ЗАДАНИЕ
1. Экспериментально определить температуру смеси двух изобарных
потоков горячего и холодного воздуха, сравнить ее с температурой
смеси, полученной расчетом процесса смешения без потерь теплоты в
окружающую среду.
2. Определить потери теплоты воздуха в камере смешения в
окружающую среду в расчете на 1 кг смеси.
3. Определить возрастание энтропии системы на 1 кг смеси за счет
необратимости процесса смешения при отсутствии потерь теплоты в
камере смешения в окружающую среду.
4. Определить возрастание энтропии системы на 1 кг смеси за счет
необратимости теплообмена воздуха в камере смешения с внешней
средой на участке между измерительными термопарами.
5. Определить полное увеличение энтропии системы на 1 кг смеси в
процессе смешения двух изобарных потоков воздуха с учетом
теплообмена воздуха в камере смешения с окружающей средой.
6. Изобразить процесс изобарного смешения двух потоков воздуха в
Т,s- диаграмме, провести анализ изменения параметров воздуха и
увеличения энтропии системы за счет необратимостей данного
процесса.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментальной установки изображена на рис.1.
Вентиляторы 1,2 подают воздух в смеситель 3. Один из потоков
воздуха нагревается электрическим нагревателем 4 .
Для замера расходов нагретого и холодного воздуха установлены
диафрагмы 5,6 и микроманометры 7,8.
Для измерения температуры нагретого воздуха установлена
термопара 9, для измерения температуры смеси нагретого и холодного
воздуха - термопара 10 . Холодные спаи термопар 11 находятся в
масляной «ванне» 13 при температуре окружающей среды, которую
фиксирует термометр 12. Термопары подсоединены к потенциометру 15
через переключатель термопар 14. Таким образом потенциометр 10
измеряет разность ЭДС термопар в точке замера и холодного спая.
Для интенсификации процесса смешения в смесителе установлены
направляющие лопатки, вызывающие завихрение потоков холодного и
нагретого воздуха.
Для уменьшения теплообмена с окружающей средой смеситель имеет
двойные стенки с изолирующим воздушным зазором.
-4-
7
1
6
3
5
10
4
9
2
14
8
12
13
15
11
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1, 2 – вентиляторы, 3 – камера смешения, 4 – электрический нагреватель,
5, 6 – расходомерные диафрагмы, 7, 8 – микроманометры, 9, 10, 11 –
термопары, 12 – термометр, 13 – масляная «ванна», 14 – переключатель
термопар, 15 – потенциометр термопар
3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить вентиляторы и лабораторными автотрансформаторами
установить расходы воздуха (контролируется преподавателем).
2. Включить электронагреватель и установить автотрансформатором
его мощность (контролируется преподавателем). Во время проведения
опыта мощность нагревателя не изменять.
3. Через 5-7 минут проводить замеры величин, предусмотренных
экспериментом, до установления стационарного режима, при котором
показания всех приборов не изменяются в течении трех замеров подряд.
Данные замеров заносятся в журнал наблюдений.
4. Данные замеров стационарного режима используются в расчетах
процесса смешения.
-5-
Журнал наблюдений
Дата «__»______201 г
Подпись студента
_______________
Подпись преподавателя
____________________
Атмосферное давление В=____ мм рт. ст.,
Температура в лаборатории tос=__ oC
№
замера
L1
L2
мм в.ст.
мм в.ст.
t2
tсм
oC
mv
mv
t1=tос
oC
oC
1
2
3
где L1 - показания микроманометра холодного воздуха 7;
L2 - показания микроманометра горячего воздуха 8;
t2 - разность температур нагретого воздуха и окружающей среды;
tсм - разность температур смеси и окружающей среды (опытная) ;
t1=tос - температура холодного воздуха, равная - окружающей среды.
Разность температур, измеряемая термопарами, определяется в
милливольтах по паказаниям потенциометра. Милливольты по градуиро
вочным таблицам термопар переводятся в градусы Цельсия.
Абсолютные значения температур расчитываются по показаниям
термопар и температуре окружающей среды:
t 2  Δt 2  t ос ,
t см  Δt см  t ос .
-6-
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В
ПОТОКЕ
Смешение в потоке имеет место в случае объединения потоков
различных веществ с различными параметрами в общий поток.
Уравнение смешения двух потоков различных газов (жидкостей) при
отсутствии их теплообмена с окружающей средой [1,2] имеет вид:
hсм  g1h1  g2h 2 ,
(1)
где hсм, h1, h2 – удельные энтальпии смеси газов и ее компонентов,
g1, g2 – массовые доли компонентов смеси.
При смешении потоков одного и того же газа с различными
температурами, подчиняющегося уравнению состояния идеального газа
Рv=RT, температура смеси может быть определена по формуле
t см(теор) 
g1с р1t 1  g2с р2 t 2
g1c p1  g2c p2
,
(2)
где g1, g2 – массовые доли смешивающихся потоков газа, представляют
собой отношение расходов смешивающихся потоков к суммарному
расходу смеси
gi 
Gi
,
Gсм
(3)
ср1, ср2 – массовые изобарные теплоемкости холодного и нагретого
воздуха, определяются по уравнению изобарных теплоемкостей
идеальных газов как постоянные величины (в работе воздух
рассматривается как двухатомный идеальный газ с =28,96 кг/кмоль).
Смешение является типичным необратимым процессом и, как всякий
необратимый процесс, сопровождается увеличением энтропии системы.
В экспериментальной установке смешиваются два потока воздуха при
неизменном атмосферном давлении (рис.2.). При таком смешении, если
не учитывать теплообмена с окружающей средой, возрастание энтропии
системы sсм обусловлено необратимым теплообменом между нагретым
и холодным воздухом.
Величину sсм можно рассчитать по формуле:
Δs см  g1Δs1  g2Δs 2  s см  (g1s1  g2s 2 ) 
 Tсм(теор) 
 Tсм(теор) 
 g1c p1Ln 
  g2c p2Ln 

 Т1 
 Т2 
где s1, s2, sсм – энтропии потоков воздуха до смешения и после;
-7-
, (4)
s1, s2 – изменение энтропии каждого из смешивающихся потоков в
изобарном процессе смешения.
Т
2
Т2

рсм=р1=р2
Тсм (теор)
Mo

M1
Тсм
Т1=Тос
M

1
К


Н

sсм (теор)
∆sто
s1
s* sсм
∆sсм
∆sс
s2
s
Рис. 2. Графическое изображение в Т,s- диаграмме
увеличения энтропии системы при изобарном смешении
двух потоков воздуха
Графически sсм – возрастание энтропии системы на 1 кг смеси в
диаграмме T,s выражается отрезком М-Мо (рис.2). Здесь кривая 12
соответствует изобаре смешивающихся потоков (все потоки имеют
одинаковые давления как и в нашем опыте). Точка Мо, находящаяся на
пересечении прямой 12 с изотермой Tсм(теор), имеет значение энтропии,
соответствующее величине s*=g1s1+g2s2. Поскольку отрезки прямых Т2Т1 и s2-s1 на осях координат по законам геометрии делятся
координатами точки Мо в одинаковой пропорции. Пропорциональность
этого деления определяется соотношением массовых долей потоков в
соответствии с уравнением (2). Так как изобарные теплоемкости всех
потоков одинаковы, получим расчетное выражение для температуры
смеси в виде
t см(теор)  g1t 1  g2 t 2 .
-8-
При наличии теплообмена с окружающей средой смесь охлаждается
от Tсм(теор) до Tсм (процесс М-М1), отдавая теплоту окружающей среде с
температурой Тос=Т1 (процесс К-Н) рис.2. Конечное состояние смеси
соответствует точке М1 (рис.2).
Увеличение энтропии системы за счет необратимости процесса
теплообмена газа с окружающей средой sто определяется как сумма
изменений энтропий газа sг и окружающей среды sос
Δs то  Δsг  Δs ос  (sм1  sм ) 
qcр
Т ос
,
(5)
где qcр  с р (Т см  Т см(теор) ) – теплота, отдаваемая 1 кг смеси газов
окружающей среде – площадь под изобарой М - М1.
То же количество теплоты получает окружающая среда при Тос=const,
но с обратным знаком (-qср) – площадь под изотермой окружающей
среды К-Н.
Расчетное выражение (5) увеличения энтропии системы за счет
необратимости теплообмена газа с окружающей средой будет иметь вид
Δs то  с р ln
Т см
Т см(теор)

с р (Т см(теор)  Т см )
Т ос
,
(6)
Полное возрастание энтропии системы sс в расчете на 1 кг смеси
определяется как сумма возрастания энтропии за счет процесса
смешения sсм и необратимого теплообмена sто
Δsc  Δscм  Δs то .
(7)
В диаграмме T,s (рис.2) полному увеличению энтропии системы
соответствует сумма отрезков МоМ и МН по оси абсцисс.
5. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Расход воздуха при использовании диафрагмы в качестве
измерительного устройства определяется по формуле:
G  kαd2 ρh ,
(8)
где k – постоянный коэффициент,
 – коэффициент расхода,
d – диаметр диафрагмы,
h – перепад давлений, создаваемый диафрагмой и измеряемый с
помощью микроманометра,
– плотность воздуха.
Так как диафрагмы, установленные для замера расхода воздуха
имеют одинаковые размеры, а воздух в местах их установки –
одинаковые параметры, то получим отношение расходов в виде
-9-
G2
h2
.

G1
h1
При
одинаковых
углах
наклона
измерительных
трубок
микроманометров, как в нашей установке, получим соотношения:
G
g
L
h2 L 2
, 2 2 2 ,

G1 g1
L1
h1 L1
которые позволяют определить отношение расходов, а следовательно
и массовые доли смешивающихся потоков. Для этого необходимо
решить систему двух уравнений:
g1  g 2  1,
(9)
g2
L2

.
g1
L1
2. Определяется теоретическая температура смеси по формуле (2)
t см(теор) 
g1с р1t 1  g2с р2 t 2
g1c p1  g2c p2
 g1t 1  g2t 2 ,
где с р1  с р2  с рcм .
Полученное значение tсм(теор) сравниванется с опытным tсм.
3. Определение возрастания энтропии системы на 1 кг смеси за счет
необратимости смешения при отсутствии потерь теплоты в окружающую
среду ведется по формуле (4):
 Tсм(теор) 
 Tсм(теор) 
Δsсм  g1c p1Ln 
  g2c p2Ln 
.
 Т1 
 Т2 
4. Определение потерь теплоты на 1 кг смеси за счет теплообмена
воздуха с окружающей средой в камере смешения ведется по формуле
qcр  с р (Т см  Т см(теор) ) .
5. Определение возрастания энтропии системы на 1 кг смеси за счет
необратимости теплообмена воздуха в камере смешения с внешней
средой ведется по формуле (6):
Δs то  с р ln
Т см
Т см(теор)

с р (Т см(теор)  Т см )
Т ос
.
6. Определение полного возрастания энтропии системы за счет
процесса смешения и процесса теплообмена газа с внешней средой
ведется по формуле (7):
Δsc  Δscм  Δs то .
- 10 -
7. Сделать выводы на основании результатов расчета процесса
смешения потоков воздуха и изобразить процесс смешения в T,sкоординатах.
6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
1. Задание.
2. Схему экспериментальной установки.
3. Журнал наблюдений, подписанный преподавателем.
4. Расчет основных параметров процесса смешения и увеличения
энтропии системы в этом процессе;
5. Анализ необратимостей процесса смешения и его изображение в T,sкоординатах.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какой процесс называется стационарным?
2. Укажите на схеме лабораторной установки узлы для замера расходов
нагретого и холодного воздуха?
3. Какие температуры измерялись в опыте и с помощью каких приборов?
Как определяется температура по показаниям приборов?
4. Как в лабораторной работе определить массовые доли компонентов
смеси?
5. Покажите в диаграмме Т,s- теплоту, отдаваемую 1 кг воздуха в камере
смешения в окружающую среду. Как определить ее аналитически ?
6. Как определить в лабораторной работе увеличение энтропии 1 кг
смеси за счет необратимости процесса смешения двух потоков
нагретого и холодного воздуха ?
7. Как определить в лабораторной работе увеличение энтропии 1 кг
смеси за счет теплообмена воздуха в камере смешения с окружающей
средой ?
8. Как определить в лабораторной работе возрастание энтропии 1 к
смеси за счет необратимости процесса смешения и процесса
теплообмена воздуха с окружающей средой ?
9. Как в лабораторной работе определить теоретическую и опытную
температуры смеси потоков воздуха ?
10. Почему в процессах с переменной температурой среднюю
изобарную теплоемкость воздуха можно рассчитывать по формулам для
идеальных газов как постоянную величину ?
11. Чем отличается расчет температуры смеси идеальных газов при
смешении в потоке, в объеме и при заполнении объема?
12. Как определить возрастание энтропии системы при необратимом
процессе смешения нескольких потоков водяного пара?
- 11 -
Список литературы
1. Чухин, Иван Михайлович. Техническая термодинамика. Часть 1.:
учеб. пособие / И.М.Чухин; Федеральное агенство по образованию,
ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им.
В.И.Ленина». – Иваново, 2006. – 224 с.
2. Чухин, Иван Михайлович. Исследование процесса смешения газов в
потоке: метод. указания / И.М.Чухин, С.И.Девочкина; МОиПО РФ
«Ивановский государственный энергетический университет им.
В.И.Ленина». – Иваново, 1998. – 16 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................3
Требования по технике безопасности при выполнении работы...............3
1. Задание .....................................................................................................4
2. Экспериментальная установка ................................................................4
3. Порядок проведения опыта ......................................................................5
4. Теоретические основы процессов смешения газов в потоке ................7
5. Методика обработки результатов эксперимента.....................................9
6. Требования к отчету ................................................................................11
7. Контрольные вопросы .............................................................................11
Список литературы ..................................................................................12
- 12 -