Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» Кафедра теоретических основ теплотехники ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ Методические указания к лабораторной работе по курсу "Теоретические основы теплотехники" Иваново 2010 . Составил И.М. ЧУХИН Редактор И.А. КОЗЛОВА Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 140101, 140103, 140104, 140106, 220301, 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 комиссией ТЭФ указания утверждены цикловой методической Рецензент кафедра теоретических основ теплотехники ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ В ПОТОКЕ Методические указания для выполнения лабораторной работы по курсу "Теоретические основы теплотехники" Составитель ЧУХИН Иван Михайлович Редактор Н.С. Работаева Подписано в печать 00.00.2011 г. Формат 6084 I/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,00. Тираж 100 экз. Заказ ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина» 153003 г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ . -2- 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. . -3- 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 смеситель 3. Один 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. -4- 7 1 6 3 5 10 4 9 2 14 8 12 13 15 11 Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1, 2 – вентиляторы, 3 – камера смешения, 4 – электрический нагреватель, 5, 6 – расходомерные диафрагмы, 7, 8 – микроманометры, 9, 10, 11 – термопары, 12 – термометр, 13 – масляная «ванна», 14 – переключатель термопар, 15 – потенциометр термопар 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. -5- Журнал наблюдений Дата «__»______201 г Подпись студента _______________ Подпись преподавателя ____________________ Атмосферное давление В=____ мм рт. ст., Температура в лаборатории tос=__ oC № замера L1 L2 мм в.ст. мм в.ст. t2 tсм oC mv mv t1=tос oC oC 1 2 3 где L1 - показания микроманометра холодного воздуха 7; L2 - показания микроманометра горячего воздуха 8; t2 - разность температур нагретого воздуха и окружающей среды; tсм - 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: t 2 Δt 2 t ос , t см Δt см t ос . -6- 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: hсм g1h1 g2h 2 , (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 t см(теор) g1с р1t 1 g2с р2 t 2 g1c p1 g2c p2 , (2) где g1, g2 – массовые доли смешивающихся потоков газа, представляют собой отношение расходов смешивающихся потоков к суммарному расходу смеси gi Gi , Gсм (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 =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 sсм обусловлено необратимым теплообменом между нагретым и холодным воздухом. Величину sсм можно рассчитать по формуле: Δs см g1Δs1 g2Δs 2 s см (g1s1 g2s 2 ) Tсм(теор) Tсм(теор) g1c p1Ln g2c p2Ln Т1 Т2 где s1, s2, sсм – энтропии потоков воздуха до смешения и после; -7- , (4) s1, s2 – изменение энтропии каждого из смешивающихся потоков в изобарном процессе смешения. Т 2 Т2 рсм=р1=р2 Тсм (теор) Mo M1 Тсм Т1=Тос M 1 К Н sсм (теор) ∆sто s1 s* sсм ∆sсм ∆sс s2 s Рис. 2. Графическое изображение в Т,s- диаграмме увеличения энтропии системы при изобарном смешении двух потоков воздуха Графически sсм – 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 Т2Т1 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 t см(теор) g1t 1 g2 t 2 . -8- 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 sто определяется как сумма изменений энтропий газа sг и окружающей среды sос Δs то Δsг Δs ос (sм1 sм ) qcр Т ос , (5) где qcр с р (Т см Т см(теор) ) – 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 Δs то с р ln Т см Т см(теор) с р (Т см(теор) Т см ) Т ос , (6) Полное возрастание энтропии системы sс в расчете на 1 кг смеси определяется как сумма возрастания энтропии за счет процесса смешения sсм и необратимого теплообмена sто Δsc Δscм Δs то . (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: G kαd2 ρh , (8) где k – постоянный коэффициент, – коэффициент расхода, d – диаметр диафрагмы, h – перепад давлений, создаваемый диафрагмой и измеряемый с помощью микроманометра, – 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 -9- G2 h2 . G1 h1 При одинаковых углах наклона измерительных трубок микроманометров, как в нашей установке, получим соотношения: G g L h2 L 2 , 2 2 2 , G1 g1 L1 h1 L1 которые позволяют определить отношение расходов, а следовательно и массовые доли смешивающихся потоков. Для этого необходимо решить систему двух уравнений: g1 g 2 1, (9) g2 L2 . g1 L1 2. Определяется теоретическая температура смеси по формуле (2) t см(теор) g1с р1t 1 g2с р2 t 2 g1c p1 g2c p2 g1t 1 g2t 2 , где с р1 с р2 с рcм . 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): Tсм(теор) Tсм(теор) Δsсм g1c p1Ln g2c p2Ln . Т1 Т2 4. Определение потерь теплоты на 1 кг смеси за счет теплообмена воздуха с окружающей средой в камере смешения ведется по формуле qcр с р (Т см Т см(теор) ) . 5. Определение возрастания энтропии системы на 1 кг смеси за счет необратимости теплообмена воздуха в камере смешения с внешней средой ведется по формуле (6): Δs то с р ln Т см Т см(теор) с р (Т см(теор) Т см ) Т ос . 6. Определение полного возрастания энтропии системы за счет процесса смешения и процесса теплообмена газа с внешней средой ведется по формуле (7): Δsc Δscм Δs то . - 10 - 7. Сделать выводы на основании результатов расчета процесса смешения потоков воздуха и изобразить процесс смешения в T,sкоординатах. 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,sкоординатах. 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? - 11 - Список литературы 1. Чухин, Иван Михайлович. Техническая термодинамика. Часть 1.: учеб. пособие / И.М.Чухин; Федеральное агенство по образованию, ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина». – Иваново, 2006. – 224 с. 2. Чухин, Иван Михайлович. Исследование процесса смешения газов в потоке: метод. указания / И.М.Чухин, С.И.Девочкина; МОиПО РФ «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина». – Иваново, 1998. – 16 с. СОДЕРЖАНИЕ 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 - 12 -