1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
, кг/м3 ,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
4. Расход воздуха
, кг/с.
5. Плотность воздуха на выходе из трубы
, кг/м3.
6. Средняя скорость воздуха на выходе из трубы
, м/с,
где F = 1,35·10-3, м2 – живое сечение трубы.
7. Кинетическая энергия в выходном сечении II – II
, кДж/кг.
Так как WI <<<WII, то можно считать WI = 0 и найденное значение Экин одновременно соответствует величине изменения кинетической энергии потока в уравнении (1).
8. Изменение потенциальной энергии на участке I – II
, кДж/кг.
Так как в данной работе (ZII – ZI) = 0,4 м, то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (1) можно пренебречь.
9. Теоретическая работа сжатия воздуха в компрессоре может быть найдена из рассмотрения процесса сжатия на диаграмме P-v (рис. 2).
, Дж/кг.
10. Значения абсолютных давлений находятся через показания манометров по известному соотношению
, Па. (5)
В соответствии с выражением (5) абсолютное давление перед компрессором Р1 и после компрессора Р2 находится по формулам
, Па, 
, Па,
где Нв – показание вакуумметра перед компрессором, переведенное в м вод.ст.; Нн - показание пьезометра после компрессора, переведенное в м вод.ст.
11. Удельные объемы воздуха на входе в компрессор и на выходе из него, соответственно, определяются
по уравнению Клапейрона 
, м3/кг;
по уравнению адиабаты 
, м3/кг; k = 1,4.
Примечание. Численные значения удельных объемов следует рассчитать с достаточно высокой точностью (не менее шести значащих цифр после запятой).
12. Значения удельной энтальпии воздуха в сечениях I – I и II – II определяются по общему уравнению в зависимости от температуры воздуха
, кДж/кг,
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1,006 кДж/(кг·град).
Таблица 2
| № п/п | Расчетная величина | Обозначение | Единицы измерения | Номера опытов | |||||
| Атмосферное давление | Ратм | Па | |||||||
| Перепад давления воздуха в воздухомере | ΔР | Па | |||||||
| Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера | ρв | кг/м3 | |||||||
| Расход воздуха | G | кг/с | |||||||
| Плотность воздуха на выходе из трубы | ρвII | кг/м3 | |||||||
| Средняя скорость воздуха на выходе из трубы | WII | м/с | |||||||
| Изменение кинетической энергии потока | ΔЭкин | кДж/кг | |||||||
| Абсолютное давление перед компрессором | Р1 | Па | |||||||
| Абсолютное давление за компрессором | Р2 | Па | |||||||
| Удельный объем воздуха на входе в компрессор | v1 | м3/кг | |||||||
| Удельный объем воздуха на выходе из компрессора | v2 | м3/кг | |||||||
| Теоретическая работа сжатия воздуха | lообр | кДж/кг | |||||||
| Удельная энтальпия воздуха в сечении I – I | hI | кДж/кг | |||||||
| Удельная энтальпия воздуха в сечении II – II | hII | кДж/кг | |||||||
| Мощность, потребляемая двигателем компрессора | Nэ | кВт | |||||||
| Мощность, затраченная на изоэнтропное сжатие | Nо | кВт | |||||||
| Мощность, подведенная к компрессору | Nк | кВт | |||||||
| Действительная работа сжатия воздуха | lт | кДж/кг | |||||||
| Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора | ηк | % | |||||||
| Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II | q | кДж/кг |
13. Мощность, потребляемая электродвигателем компрессора Nк, находится по формуле (4),где Nэ = Iк·Uк·10-3, кВт.
14. Действительная работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре (техническая работа), находится по соотношению
, кДж/кг.
15. Адиабатный коэффициент полезного действия компрессора рассчитывается по формуле (2) или (3).
16. Теплота, сообщенная 1 кг рабочего тела на участке I – II, определяется с учетом знаков полученных величин по формуле
, кДж/кг.
17. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5. На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?
6. Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.
7. Каков физический смысл величин, входящих в уравнения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?
8. Дайте определения и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
9. Что означают знаки «+» и «–» для теплоты и работы?
10. Сравните величины lообр и lт. Какая из них больше и почему? Дайте пояснения к формулам, по которым они рассчитываются.
11. Что называется внутренней энергией рабочего тела? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
12. Что называется энтальпией рабочего тела? Свойства энтальпии и расчетные формулы.
13. Дайте понятие адиабатного коэффициента полезного действия компрессора.
Работа 2. Первый закон термодинамики В ПРИЛОЖЕНИИ
К РЕШЕНИЮ ОДНОГО ИЗ ВИДОВ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Цель работы
Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки.
Основные положения
Одно из возможных формульных представлений первого закона термодинамики в расчете на 1 кг массы рабочего тела имеет вид
,
где 
– соответственно суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы; Δh – изменение энтальпии рабочего тела, 
; ΔЭкин – изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела, 
; ΔЭпот – изменение потенциальной энергии потока 1 кг рабочего тела, 
; h1, W1 и Z1 – соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего тела; h2, W2 и Z2 – соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока рабочего тела.
Вся термодинамическая система, представленная на рис. 3., делится на два участка (две подсистемы): первый участок – от входного сечения 1 до сечения 2а, второй – от сечения 2а до сечения 2. Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией).
При установившемся режиме теплообмена в установке внутри и с окружающим воздухом температура трубы (tx) не меняется. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для 1 -го участка (подсистемы) приобретает вид
, (1)
где lэ1 – работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению
,
где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; Nк – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности передается воздуху в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть – в виде тепла; qн1 – количество тепла, отдаваемое системой на 1 -ом участке в окружающую среду.
Расчетная схема 1 -го участка (подсистемы) может быть представлена в виде схемы (Рис. 1.).
Уравнение первого закона термодинамики для 2 -го участка (подсистемы) приобретает вид:
, (2)
где lэ2 – работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению
,
где Nн – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qн2 – количество тепла, отдаваемое системой на 2 -ом участке в окружающую среду.
Расчетная схема 2 -го участка может быть представлена в виде схемы (Рис. 2.)
Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (1) и (2) и представляется в виде
,
где qн1 + qн2 = qн – общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду.
