Описание экспериментальной установки. Министерство образования и науки РФ

Министерство образования и науки РФ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

 

«Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

 

 

Кафедра теоретических основ теплотехники

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ВОЗДУХА В ПОТОКЕ

 

Методические указания к лабораторной работе на ЭВМ

по курсу "Техническая термодинамика"

 

 

Иваново 2012

.
Составил И.М. ЧУХИН

 

Редактор И.А. КОЗЛОВА

 

 

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлениям: 140100, 141100,141403.65, 140400, 220400, 280700 теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов, на которых изучают теплотехнические дисциплины.

В методических указаниях дано описание лабораторной установки на ЭВМ, моделирующей процесс изобарного смешения двух потоков воздуха, имеющих различную температуру. В работе выполняется термодинамическое исследование процесса смешения. Приведена методика проведения эксперимента и обработки его результатов с учетом необратимостей этого процесса.

 

 

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

 

 

.
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 [1, 2].

Оценка необратимости обычно ведется по увеличению энтропии системы в результате осуществления этого процесса.

Целью данной лабораторной работы является термодинамическое исследование изобарного процесса смешения горячего и холодного потоков воздуха на ЭВМ с помощью математического моделирования данного процесса. В работе 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.

 

 

.
1. ЗАДАНИЕ

 

1. Из опыта на ЭВМ, моделирующего процесс смешения, 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.

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.

 


ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ 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:

 

, (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

 

, (2)

 

где g1, g2 – массовые доли смешивающихся потоков газа, представляют собой отношение расходов смешивающихся потоков к суммарному расходу смеси

, (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 m=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.1). При таком смешении, если не учитывать теплообмена с окружающей средой, возрастание энтропии системы Dsсм обусловлено необратимым теплообменом между нагретым и холодным воздухом.

Величину Dsсм можно рассчитать по формуле:

, (4)

где s1, s2, sсм – энтропии потоков воздуха до смешения и после;

Ds1, Ds2 – изменение энтропии каждого из смешивающихся потоков в изобарном процессе смешения.

 

Графически Dsсм – возрастание энтропии системы на 1 кг смеси в диаграмме T,s выражается отрезком М-Мо (рис.1). 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 Т2-Т1 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

.

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.1. Конечное состояние смеси соответствует точке М1 .

Увеличение энтропии системы за счет необратимости процесса теплообмена газа с окружающей средой Dsто определяется как сумма изменений энтропий газа Dsг и окружающей среды Dsос

, (5)

где – теплота, которую получает окружающая среда при Тос=const (площадь под изотермой окружающей среды К-Н) от 1 кг смеси газов (площадь под изобарой М - М1).

Расчетное выражение (5) увеличения энтропии системы за счет необратимости теплообмена газа с окружающей средой будет иметь вид

, (6)

Полное возрастание энтропии системы Dsс в расчете на 1 кг смеси определяется как сумма возрастания энтропии за счет процесса смешения Dsсм и необратимого теплообмена Dsто

. (7)

В диаграмме T,s (рис.1) полному увеличению энтропии системы соответствует сумма отрезков МоМ и МН по оси абсцисс.

 

 


Описание экспериментальной установки

 

Установка, моделирующая процесс смешения, представлена на рис.2.

     
 
 
   
Рис. 2. Экспериментальная установка

 


Обозначения элементов экспериментальной установки:

1 – окна установки параметров внешней среды;

2 – электрический включатель (тумблер) установки;

3 – вентиляторы, подающие воздух в установку;

4 – регуляторы расхода вентиляторов холодного и горячего воздуха;

5 – газопроводы холодного и горячего воздуха;

6 – расходомерные диафрагмы холодного и горячего воздуха;

7 – приборы, измеряющие перепад давлений на диафрагмах холодного и горячего воздуха;

8 – включатель электрического нагревателя;

9 – электрический нагреватель;

10 – регулятор мощности электрического нагревателя;

11 – камера смешения;

12 – термопары, установленные в потоке горячего воздуха и на выходе из камеры смешения;

13 –прибор, показывающий температуры потока горячего воздуха и на выходе из камеры смешения;

 


Работа с программой

 

Программа активизируется файлом «smeshenie.exe», в результате чего на экране компьютера появляется рисунок заставки данной лабораторной работы (рис.3).

 

Рис.3. Заставка лабораторной работы

 

В верхней части рисунка расположено меню: «Начать», «Помощь», «Выход». Назначение элементов меню:

· активизация кнопки «Начать» позволяет выполнить лабораторную работу или тест по ней (рис.4);

 

 

Рис.4. Меню раздела «Начать»

 

· активизация кнопки «Помощь» вызывает меню (рис.5), позволяющее: ознакомиться с методическими указаниями по данной работе – раздел «Теория»,

посмотреть результаты обработки на ЭВМ опытных данных– раздел «Просмотр результатов опыта»,

посмотреть результаты тестирования студентов – раздел «Просмотр результатов теста».

 

 

 

Рис.5. Меню раздела «Помощь»

 

· активизация кнопки «Выход» завершает работу с программой.

 

 

Проведение эксперимента

 

Эксперимент начинается активизацией в меню «Начать» кнопки «Работу» и установки на стенде (рис.6) необходимых параметров, для чего выполняются следующие действия:

 

 

Рис.6. Схема порядка установки на стенде параметров в опыте

 

· в окнах 1 и 2 устанавливаются атмосферное давление В и температура tос, диапазон допустимых значений В=700¸770 мм.рт.ст, tос=-20¸30 оС;

· кнопкой 3 включаются вентиляторы;

· кнопками 4 и 5 устанавливаются расходы газов смешиваемых потоков, ориентируясь на показания перепады давлений на диафрагмах;

· кнопкой 6 включается нагреватель и реостатом 7 устанавливается температура горячего потока;

· кнопками термометра 8 подключаются термопары горячего (левая) и в смешивающей камере (правая) потоков воздуха.

После установки режима работы стенда нажимается кнопка «Вывести результаты» и появляется таблица опытных данных этого режима (рис.7).

 

 

Рис.7. Результаты эксперимента

 

В таблице приводятся следующие параметры:

р1 и р2 – перепады давлений на диафрагмах потоков смешиваемых газов в Па;

t1 и t2 – температуры потоков смешиваемых газов в оС;

tсм – температура газов в камере смешения в оС.

Данную таблицу можно сохранить в виде файла или распечатать, нажав соответствующие кнопки.

 

Все величины, определенные по экспериментальной установке, заносятся в журнал наблюдений, который подписывается студентом и преподавателем.

 

 

Журнал наблюдений

 

Дата «__»______201 г Подпись преподавателя

Подпись студента ____________________

_______________

 

Атмосферное давление В=____ мм рт. ст.,

Температура внешней среды tос=__ oC

 

№ замера Dр1 Dр2 t1=tос t2 tсм(опыт)
  Па Па oC oC oC
         
         
         
           

 

где Dр1 – перепад давлений на диафрагме потока холодного воздуха;

Dр2 – перепад давлений на диафрагме потока горячего воздуха;

t1=tос – температура потока холодного воздуха, равная температуре окружающей среды;

t2 – температура потока горячего воздуха;

tсм(опыт) – температура воздуха в камере смешения.

 

Примечание: обозначения в журнале наблюдений и «Таблице результатов» перепадов давлений на диафрагмах и температуры смеси в камере смешения соответствуют равенствам

Dр1 = р1 , Dр2 = р2 , tсм(опыт) = tсм .