Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится по формуле: Ратм = 100·В, Па 2. Перевод показаний образцовых манометров Рм, Р1м, Р2м' и Р2м в абсолютные значения давлений по формуле: Р = Ратм + Рmj = Ратм +g· Рmj·104 , Па где g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Рмj - показания одного из четырех манометров из табл. 1. 3. Перепад давления воздуха на диафрагме: ΔP = ρ·g·H, Па где ρ - плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; Н – показание дифманометра, переведенное в м вод.ст. 4. Плотность воздуха по состоянию перед диафрагмой: где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг· К. 5. Действительный расход воздуха через диафрагму (следовательно, через сопло): 6. Теоретическая скорость истечения в выходном сечении сопла: 7. Значения энтальпий воздуха h1 и h2 в сечениях на входе и на выходе из сопла определяется по общему уравнению: где ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·K); tj - температура в рассматриваемом сечении, °С; j - индекс рассматриваемого сечения. 8. Теоретическое значение температуры в выходном сечении сопла находится из условия адиабатного процесса истечения по формуле: здесь T2 = t2 +273,K, βрасч - расчетное значение отношения давлений. Величину βрасч принимают по данным таблицы результатов расчета (табл. 2) для конкретного опыта, когда режим истечения докритический, т.е. βтабл > βкр, тогда расчетное отношение давлений равно табличному (βрасч =βтабл); для всех остальных опытов, когда режим истечения критический или закритический, величина βрасч принимается равным βкр (независимо от данных табл.2) и находится в зависимости от показателяадиабаты (для воздуха к = 1,4). Табличное отношение давлений βтабл находится по отношению давлений Р2/Р1.
Таблица 2 Результаты вычислений
9. Действительный процесс истечения сопровождается увеличением энтропии и температуры Т2д (рис. 4). Действительная скорость истечения при этом также уменьшается и может быть найдена по уравнению: 10. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
По результатам расчетов построить в соответствующем масштабе график зависимости расхода газа от отношения давлений. Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель? 2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение. 3. Дайте определение процессов истечения и дросселирования. 4. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу истечения. 5. Напишите уравнение первого закона термодинамики применительно к процессу дросселирования. 6. Как изменяется скорость истечения через суживающееся сопло при изменении β от 1 до 0 (покажите качественное изменение на графике расхода)? 7. Чем объясняется проявление критического режима при истечении? 8. В чем различие теоретического и действительного процессов истечения? 9. Как изображается теоретический и действительный процессы истечения в диаграмме h-s? 10. Почему отличается теоретическая и действительная температура воздуха на выходе из сопла при истечении? 11. На каком основании процесс дросселирования используется при измерении расхода воздуха? 12. Как может изменятся температура воздуха в процессе дросселирования? 13. От чего зависят величины коэффициентов: потери скорости φс, потери энергии ζс и полезного действия канала ηк? 14. Какие каналы называются соплами? 15. От каких параметров зависят расход и скорость газа при истечении через сопло? 16. Почему температуры воздуха перед диафрагмой и перед соплом равны? 17. Как изменяются энтальпия и энтропия потока газа при прохождении через диафрагму?
Работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (метод цилиндрического слоя)
Цель работы Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод цилиндрического слоя) и закрепление знаний по теории теплопроводности. Основные положения Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется, в конечном счете, либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики. Теплообмен− это самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем. Температурным полемназывают совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура − скалярная величина, то температурное поле − скалярное поле. В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей других физических величин (например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций и др.). В зависимости от характера теплового движения различают следующие виды теплообмена. Теплопроводность- молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц. Конвекция− перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды. Теплообмен излучением− теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества). В зависимости от времени теплообмен может быть: стационарным, если температурное поле не зависит от времени; нестационарным, если температурное поле меняется во времени. Для количественного описания процесса теплообмена используют следующие величины: Температура Т в данной точке тела, осредненная: по поверхности, по объему, по массе тела. Если соединить точки температурного поля с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермической поверхности плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм − линий постоянной температуры. Перепад температур ΔΤ − разность температур между двумя точками одного тела, двумя изотермическими поверхностями, поверхностью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю. Наибольший перепад температуры происходит по направлению нормали к изотермической поверхности. Возрастание температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры. Средний градиент температуры − отношение перепада температур между двумя изотермическими поверхностями ΔΤ к расстоянию между ними Δn, измеренному по нормали n к этим поверхностям (рис. 1). Истинный градиент температуры − средний градиент температуры при Δn—>0 или это есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по этой нормали: Рис. 1. Изотермы температурного поля, градиент температуры, тепловой поток. а) положение нормали и направление градиента температуры и теплового потока; б) n - нормаль к изотермической поверхности дF, q – плотность теплового потока, мощность теплового потока дQ = q·дF.
Количество теплоты− дQ, Дж, мощность теплового потока , Вт − количество теплоты, проходящее в единицу времени, плотность теплового потока , Вт/м2 – количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности. Перенос теплоты теплопроводностью выражается эмпирическим законом Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры: = . Знак «минус» в уравнении показывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры. Коэффициент пропорциональности λ в уравнении характеризует способность тел проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности. Количественно коэффициент теплопроводности λ – тепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м2) при единичном градиенте температур (К/м), и имеет размерность Вт/(м·К). Коэффициент теплопроводности – физическая характеристика, зависящая от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и ряда других факторов. Коэффициент теплопроводности имеет максимальные значения для чистых металлов и минимальные для газов. Теплоизоляционные материалы. К числу теплоизоляционных материалов могут быть отнесены все материалы, обладающие низким коэффициентом теплопроводности (менее 0,25 Вт/(м·К) при t = 0 °С). Теплоизоляционные материалы могут быть неорганического происхождения (асбест, шлаки, глины, пески, минералы и т.д.), органического (шерсть, хлопок, дерево, кожа, резина, текстолит и т.д.) и смешанными, т.е. состоящими одновременно из органических и неорганических веществ. Материалы органического происхождения используют в области температур, не превышающих +150 °С. Для более высоких температур применяются материалы неорганического происхождения. Теплопроводность твердых теплоизоляционных материалов, как правило, определяется их пористостью (т.е. общим объемом газовых включений, отнесенным к единице объема изоляционного материала), размером пор и влажностью. С ростом влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность пористых тел сильно возрастает с температурой; при температурах более 1300°С тепловые изоляторы становятся проводниками тепла. Сплошные диэлектрические материалы, например, стекло, имеют более высокую теплопроводность по сравнению с пористыми материалами. Установлено также, что чем выше плотность материала, тем больше его теплопроводность. Однослойная стенка(трубка) при λ = const. Рассмотрим цилиндрическую стенку (трубку) длиной l с внутренним r1 и внешним r2 радиусами (рис. 2). Заданы температуры T1 внутренней и T2 наружной поверхностей стенки. Условием одномерности теплового потока будет условие l >>> r2, откуда следует дq/дl = 0. Дифференциальное уравнение теплопроводности в полярных координатах при λ=const и отсутствии внутреннего источника теплоты (Qv = 0) имеет вид: . При заданных граничных условиях: r = r1; T = T1; r = r2; T = T2. Получим . Температура цилиндрической стенки меняется по логарифмической зависимости (рис. 2). Плотность теплового потока q через единицу площади цилиндрической поверхности будет величиной переменной: .
Мощность теплового потока Q=q·F через цилиндрическую поверхность площадью F=2π·r·l (l - длина цилиндрической стенки) есть постоянная величина, равная: . Полученную формулу можно записать, используя понятие термического сопротивления: , где − термическое сопротивление теплопроводности цилиндрической стенки. Линейная плотность теплового потока (удельный тепловой поток на единицу длины стенки) ql = Q/l: . Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения коэффициента теплопроводности основан на измерении: • мощности теплового потока, проходящего через цилиндрический слой; • перепада температур между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции; • геометрических характеристик слоя тепловой изоляции.
Схема и описание установки Исследуемый материал 1 (рис. 3) нанесен в виде цилиндрического слоя (d1 = 0,05, м; d2 = 0,02, м) на наружную поверхность металлической трубы 2. Длина цилиндра тепловой изоляции составляет l = 1 м, что значительно больше наружного диаметра. Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 4. Для определения мощности теплового потока служат вольтметр 5 и амперметр 6. Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 8 в комплекте с вторичными приборами 9 и 10.
Рис. 3. Схема лабораторной установки
Выполнение работы Выбрать из списка необходимый теплоизоляционный материал (по порядковому номеру 1 - 5). Затем включить установку нажатием на красную кнопку. Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима по напряжению в диапазоне 50 – 150 В . Подождать установления стационарного режима (стационарность режима оценивается по неизменности температур t1 и t2 во времени), после чего зафиксировать показания всех приборов. Результаты измерений заносятся в табл. 1. Далее установить параметры следующего режима и продолжить измерения.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2018-05-29; просмотров: 270. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |