Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
«Ивановский государственный энергетический университет
имени »
Кафедра теоретических основ теплотехники
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ
Методические указания к лабораторной работе
по курсу "Теоретические основы теплотехники"
Иваново 2010
.
ЧУХИН
КОЗЛОВА
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 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 указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ
Рецензент
кафедра теоретических основ теплотехники ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени »
исследоВание процесса смешения газов в потоке
Методические указания для выполнения лабораторной работы
по курсу "Теоретические основы теплотехники"
Составитель ЧУХИН Иван Михайлович
Редактор
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 »
153003 4.
Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ
.
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.
.
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 смесиОдин 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.
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.
Журнал наблюдений
Дата «__»______201 г Подпись преподавателя
Подпись студента ____________________
_______________
Атмосферное давление В=____ мм рт. ст.,
Температура в лаборатории tос=__ oC
№ замера | L1 | L2 | Dt2 | Dtсм | t1=tос | ||
мм в. ст. | мм в. ст. | mv | oC | mv | oC | oC | |
1 | |||||||
2 | |||||||
3 | |||||||
где L1 - показания микроманометра холодного воздуха 7;
L2 - показания микроманометра горячего воздуха 8;
Dt2 - разность температур нагретого воздуха и окружающей среды;
Dtсм - 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:
,
.
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:
, (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.2.). 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.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 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.2. Конечное состояние смеси соответствует точке М1 (рис.2).
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, 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
, (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.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:
, (8)
где k – постоянный коэффициент,
a – коэффициент расхода,
d – диаметр диафрагмы,
h – перепад давлений, создаваемый диафрагмой и измеряемый с
помощью микроманометра,
r– 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
.
При одинаковых углах наклона измерительных трубок микроманометров, как в нашей установке, получим соотношения:
, 
,
которые позволяют определить отношение расходов, а следовательно и массовые доли смешивающихся потоков. Для этого необходимо решить систему двух уравнений:
(9)
2. Определяется теоретическая температура смеси по формуле (2)
,
где 
.
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):
.
4. Определение потерь теплоты на 1 кг смеси за счет теплообмена воздуха с окружающей средой в камере смешения ведется по формуле
.
5. Определение возрастания энтропии системы на 1 кг смеси за счет необратимости теплообмена воздуха в камере смешения с внешней средой ведется по формуле (6):
.
6. Определение полного возрастания энтропии системы за счет процесса смешения и процесса теплообмена газа с внешней средой ведется по формуле (7):
.
7. Сделать выводы на основании результатов расчета процесса смешения потоков воздуха и изобразить процесс смешения в T, s - координатах.
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, s-
координатах.
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?
Список литературы
1. Чухин, Иван Михайлович. Техническая термодинамика. Часть 1.: учеб. пособие / ; Федеральное агенство по образованию, ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. ». – Иваново, 2006. – 224 с.
2. Чухин, Иван Михайлович. Исследование процесса смешения газов в потоке: метод. указания / , ; МОиПО РФ «Ивановский государственный энергетический университет им. ». – Иваново, 1998. – 16 с.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
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
