Техническая термодинамика и основы теплопередачи: Сборник лабораторных работ. Методические указания

Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

__________________________________________________

621.1                                                                                 № 2342

Т 382

Техническая

термодинамика

и основы

теплопередачи

Сборник лабораторных работ

Методические указания

для студентов ФЭН всех форм обучения

и всех направлений

Новосибирск

2002

УДК 621.1. 016.7+536.24 (076.5)

Т 382

Составили: канд. техн. наук, доц. ,

                       канд. техн. наук, доц.

Рецензент  д-р. техн. наук, проф.

Работа подготовлена на кафедре тепловых

электрических станций

   Ó    Новосибирский государственный

технический университет, 2002 г.

Оглавление

Лабораторная работа № 1.

Определение массовой изобарной теплоемкости

воздуха ......................................................................................................... 4

Лабораторная работа № 2.

Определение показателя адиабаты для воздуха ........................... 12

Лабораторная работа № 3.

Исследование процесса теплоотдачи от горизон-

тального цилиндра к воздуху в условиях

свободной конвекции ............................................................................. 17

Лабораторная работа № 4.

Определение коэффициента теплопроводности

методом цилиндрического слоя .......................................................... 28

Лабораторная работа № 5.

Определение степени черноты поверхности

методом двух эталонов.......................................................................... 35

Лабораторная работа № 6.

Исследование процесса теплоотдачи при вынуж-

денной конвекции .................................................................................... 42

Литература ................................................................................................. 52

Лабораторная работа № 1

Определение массовой изобарной

теплоемкости воздуха

Теплоемкость – это теплота, которую необходимо подвести к единичному количеству вещества, чтобы нагреть его на 1 К. Единичное количество вещества можно измерить в килограммах, кубометрах при нормальных физических условиях и киломолях. Киломоль газа – это масса газа в килограммах, численно равная его молекулярной массе. Таким образом, существует три вида теплоемкостей: массовая c Дж/(кг×К); объемная с¢ Дж/(м³×К) и мольная mс Дж/(кмоль×К). Поскольку киломоль газа имеет массу в m раз выше одного килограмма, отдельного обозначения для мольной теплоемкости не вводят, отсюда легко выводится связь между теплоемкостями:

; ; ,                         (1)

где м³/кмоль – объем киломоля идеального газа при нормальных физических условиях; r₀, кг/ м³ – плотность газа при нормальных физических условиях.

Истинная теплоемкость газа – это производная от теплоты по температуре:

.                                     (2)

Теплота зависит от термодинамического процесса и определяется по 1-му закону термодинамики для изохорного и изобарного процессов:

,                                  (3)

.         (4)

Здесь  – теплота, подведенная к 1 кг газа в изобарном процессе;  – изменение внутренней энергии газа; – работа газов против внешних сил.

По существу формула (4) формулирует 1-е начало термодинамики, откуда следует уравнение Майера:

.                                      (5)

Если положить К, то , т. е. физический смысл газовой постоянной – это работа 1 кг газа в изобарном процессе при изменении его температуры на 1 К.

Уравнение Майера для 1 кмоля газа имеет вид

,                                 (6)

где  Дж/(кмоль×К) – универсальная газовая постоянная.

Кроме уравнения Майера, изобарная c_Pи изохорная c_V массовые теплоемкости газов связаны между собой через показатель адиабаты k (табл.1):

.                                         (7)

Таблица 1

Значения показателя адиабаты для идеальных газов

Атомность газов	k
Одноатомные газы	1,67
Двухатомные газы	1,40
Трех- и многоатомные газы	1,29

Цель работы

Закрепление теоретических знаний по основным законам термодинамики. Практическое освоение метода определения теплоемкости воздуха на основе энергетического баланса.

Экспериментальное определение удельной массовой теплоемкости воздуха и сопоставление полученного результата со справочным значением.

Методика выполнения работы

1. Описание лабораторной установки

Установка (рис. 1) состоит из латунной трубы 1 (d_вн = = 0,022 м), на конце которой расположен электронагреватель 11 с тепловой изоляцией 10. Внутри трубы движется поток воздуха, который подается вентилятором 3. Расход воздуха может регулироваться изменением числа оборотов вентилятора. В трубе 1 установлена трубка полного напора 4 и статического давления 5, которые подсоединены к дифференциальным манометрам (тягоуровнемерам) 6 и 7. Кроме того, в трубе 1 установлена термопара 8, которая может перемещаться по сечению одновременно с трубкой полного напора. Величина ЭДС термопары определяется по потенциометру 9. Нагрев воздуха, движущегося по трубе, регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа) 12 путем изменения мощности нагревателя, которая определяется по показаниям амперметра 14 и вольтметра 13. Температура воздуха на выходе из нагревателя определяется термометром 15.

2. Методика проведения эксперимента

Тепловой поток нагревателя, Вт:

,                                    (8)

где I, – сила тока; А U, – напряжение В; сosj = 0,96; h_Т =  = 0,94 – коэффициент тепловых потерь.

Тепловой поток, воспринятый воздухом, Вт:

,                            (9)

где G, – массовый расход воздуха, кг/с; – экспериментальная массовая изобарная теплоемкость воздуха, Дж/кг×К; t_вых, t_вх, °С – температура воздуха на выходе из нагревательного участка и входе в него.

Массовый расход воздуха, кг/с:

, кг/с,                           (10)

где w_СР, м/с – средняя скорость воздуха; d, м – внутренний диаметр трубы; r – плотность воздуха при температуре t_вых, кг/м³.

.                              (11)

Здесь r₀ = 1,293 кг/м³ – плотность воздуха при нормальных физических условиях; B – барометрическое давление, мм. рт. ст; P_cт – избыточное статическое давление воздуха в трубе, мм. вод. ст.

Скорости w_i воздуха определяются по динамическому напору