ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ЧЕРЕЗ СОПЛОВЫЕ КАНАЛЫ 1 глава

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА АДИАБАТНОГО

ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ЧЕРЕЗ СУЖИВАЮЩЕЕСЯ

СОПЛО ПРИ ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ

Методические указания к лабораторной работе на ЭВМ по курсу « Техническая термодинамика»

Иваново 2015

Составитель И.М. ЧУХИН

Редактор Д.В. РАКУТИНА

В методических указаниях дано описание лабораторной уста-новки имитационной модели по исследованию адиабатного про-цесса истечения газа через суживающееся сопло. Имитационное моделирование процесса истечения реализовано на лаборатор-ном стенде, содержащем макет рабочего участка, имитационные регулирующие и регистрирующие приборы, ЭВМ с монитором. Изложены основные теоретические положения процесса истече-ния газа через сопловые каналы. Приведена методика проведе-ния эксперимента, обработки его результатов и их анализ с уче-том необратимостей этого процесса.

Методические указания предназначены для студентов по на-правлениям подготовки бакалавров: « Теплоэнергетика и тепло-техника» 140100, « Энергетическое машиностроение» 141100 , « Управление в технических системах» 220400, «Техносферная безопасность» 280700, « Электроэнергетика и электротехника» 140400 и специалистов «Атомные станции» 141403, изучающих курс технической термодинамики.

Утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

Рецензент кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУВПО

« Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1. К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории технической термодинамики с записью в соответствующем журнале и личной росписью студента и преподавателя, проводившего инструктаж.

2. Включение и отключение установки осуществляется только инженером или лаборантом с разрешения преподавателя.

3. Приступать к выполнению работы разрешается только по-сле ознакомления с методикой проведения эксперимента и са-мим лабораторным стендом, в чем должен убедиться препода-ватель.

Запрещается:

а) осуществлять подключение и отключение стенда и ЭВМ к электропитанию;

б) осуществлять подключение и отсоединение любых элек-трических кабелей, проводов заземления и т.п. соединений обо-рудования;

в) притрагиваться к неизолированным частям любых прово-дов, к радиаторам и трубопроводам системы отопления, водо-снабжения и канализации, если таковые обнаружатся;

г) работать при отсутствии света или недостаточном освеще-нии;

д) располагаться лицом к монитору ЭВМ ближе, чем на 50 см.

Обо всех замеченных неисправностях на установке немед-ленно докладывать преподавателю и до их полного устранения к выполнению работы не приступать.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Провести анализ процесса адиабатного истечения газа через суживающееся сопло при постоянном атмосферном давлении газа перед соплом и снижении давления за сопловым каналом от атмосферного до вакуума.

ЗАДАНИЕ

1. Снять опытные характеристики процесса истечения газа при снижении давления газа за сопловым каналом.

2. Провести обработку экспериментальных данных и опреде-лить области докритического и критического истечения газа.

3. Построить опытную и теоретическую характеристики сужи-вающегося сопла в координатах:

G = f(р_к) – расходная характеристика;

р₁ = F(р_к) – изменение давления в минимальном сечении со-пла.

4. Построить зависимость изменения коэффициента расхода

сопла µ = G_оп/G_теор от давления за соплом р_к.

5. Провести анализ процесса истечения газа через сопловой канал на основании построенных зависимостей G, р₁, µ от дав-

ления р_к.

6. Определить для одного из режимов истечения газа через сопло коэффициент потерь сопла x и скоростной коэффициент сопла φ. Данный пункт выполняется по указанию преподава-теля.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА ЧЕРЕЗ СОПЛОВЫЕ КАНАЛЫ

С процессами истечения, т.е. движения газа, пара или жидко-сти по каналам различного профиля, в технике приходится встречаться часто. Основные термодинамические положения теории истечения используются в расчетах различных каналов теплоэнергетических установок: сопловых и рабочих лопаток турбин, регулирующих и расходомерных устройств и т.п.

В технической термодинамике рассматривается только уста-новившийся, стационарный режим истечения [1]. В таком режи-ме все термические параметры и скорость истечения остаются неизменными во времени в любой точке канала, а массовый расход газа в каждом из сечений канала есть величина постоян-ная. Закономерности истечения в элементарной струйке потока такого режима истечения переносятся на все сечение канала. При этом для каждого поперечного сечения канала принимаются усредненные по сечению значения термических параметров и скорости, т.е. поток рассматривается как одномерный.

К основным уравнениям процесса истечения газа относятся следующие:

· уравнение сплошности или неразрывности потока для любого сечения канала

где G – массовый расход газа через канал, кг/с; v_i – удельный объем газа в данном сечении, м³/кг;

f_i – площадь поперечного данного сечения канала, м²; с_i – скорость газа в данном сечении канала, м/с;

· первый закон термодинамики для потока

где h₁ и h₂ – энтальпия газа в 1-м и 2-м сечениях канала, кДж/кг;

q – теплота, подведенная к потоку газа на интервале 1-го и 2-го сечений канала, кДж/кг;

c₂ и c₁ – скорость потока во 2-м и 1-м сечениях канала, м/с;

L_т – техническая работа, совершаемая газом в интервале от 1-го до 2-го сечения канала, кДж/кг.

В данной лабораторной работе рассматривается процесс ис-течения газа через сопловой канал. В сопловом канале газ не совершает технической работы ( L_т = 0), а сам процесс быстро-

течен, что обусловливает отсутствие теплообмена газа с окру-жающей средой (q = 0). В результате этого выражение первого закона термодинамики для адиабатного истечения газа через сопло имеет вид

Исходя из выражения (3) получаем уравнение для расчета скорости в выходном сечении сопла:

В экспериментальной установке начальную скорость истече-ния газа принимают равной нулю (с₁ = 0) ввиду ее очень малого значения по сравнению со скоростью в выходном сечении сопла. Свойства газа при атмосферном давлении или меньше его под-чиняются уравнению рv = RT, а адиабата обратимого процесса истечения газа соответствует уравнению рv^К = const с постоян-ным коэффициентом Пуассона.

В соответствии с вышеизложенным уравнение скорости исте-чения газа на выходе из соплового канала (4) может быть пред-ставлено выражением

В выражении (5) индексами «o» обозначены параметры газа на входе в сопло, а индексами « к» – за соплом.

Используя уравнения неразрывности потока (1), процесса адиабатного истечения газа рv^К = const и уравнение для расчета скорости истечения (5), можно получить выражение для расчета расхода воздуха через сопло:

где f₁ – площадь выходного сечения сопла.

Определяющей характеристикой процесса истечения газа че-рез сопло является величина отношения давлений ε = р_К/р_О. Если давление газа за соплом меньше критического, то в выход-ном сечении суживающегося сопла или в минимальном сечении комбинированного сопла давление газа остается постоянным и равным критическому. Определить критическое давление можно по величине критического отношения давлений ε_КР = р_КР/р_о, кото-рое для газов рассчитывается по формуле

Используя величины ε_КР и р_КР, можно оценить характер про-цесса истечения и выбрать профиль соплового канала (рис. 3.1).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: