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 T см(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 T см(теор) до T см (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.
 | |||
|
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.
