До виконання лабораторних робіт з курсу “Технічна термодинаміка”, “Термодинаміка і теплотехніка”, для студентів механічного факультету 2-3 курсів денної і заочної форми навчання

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДВНЗ “УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ

“Технічна термодинаміка”, “Термодинаміка і теплотехніка” для студентів механічного факультету 2-3 курсів денної і заочної форми навчання

ДНIПРОПЕТРОВСЬК УДХТУ 2012

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАIНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХIМIКО-ТЕХНОЛОГIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ

“Технічна термодинаміка”, “Термодинаміка і теплотехніка”

Для студентів механічного факультету

Курсів денної і заочної форми навчання

Затверджено на засiданнi кафедри енергетики

Протокол № 11 від 02.06.2011 р. _

ДНIПРОПЕТРОВСЬК УДХТУ 2012

Методичнi вказiвки до виконання лабораторних робіт з курсу “Технічна термодинаміка”, “Термодинаміка і теплотехніка” для студентів механічного факультету 2-3 курсів денної і заочної форми навчання /Укл.: Г.Т. Циганков, О.I. Стоян, І.Л. Решетняк. ‑ Днiпропетровськ: УДХТУ, 2012. ‑ 36 c.

Укладачi:

Г.Т. Циганков, д-р техн. наук

О.I. Стоян

І.Л. Решетняк

Відповідальний за випуск М.П.Сухий, канд. техн. наук

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До виконання лабораторних робіт з курсу “Технічна термодинаміка”, “Термодинаміка і теплотехніка”, для студентів механічного факультету 2-3 курсів денної і заочної форми навчання

Укладачі: Циганков Григорій Тимофійович,

Стоян Олена Іванівна

Решетняк Ірина Леонідівна

Редактор

Коректор

Підписано до друку Формат Папір ксерокс. Друк різограф. Умов.-друк.арк.. 0,75. Облік.-вид. арк. 0,84. Тираж ___прим. Зам. №___ Свідоцтво ______від

УДХТУ, 49005, м.Дніпропетровьк-5, просп.Гагаріна, 8.

Видавничо поліграфічний комплекс IнКомЦентру

ЗМІСТ

Стор.

Лабораторна робота № 1. ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОБ¢ЄМУ ГАЗУ МЕТОДОМ ВИТІКАННЯ. 5

Лабораторна робота № 2. ВИМІР ТЕПЛОЄМНОСТІ ПОВІТРЯ. 9

Лабораторна робота № 3. ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА АДІАБАТИ К ДЛЯ ПОВІТРЯ. 13

Лабораторна робота № 4. ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ТЕМПЕРАТУРИ КИПІННЯ ВОДИ ВІД ТИСКУ В ПРОЦЕСІ ПАРО-УТВОРЕННЯ. 17

Лабораторна робота № 5. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ У ВОЛОГОМУ ПОВІТРІ. 19

Лабораторна робота № 6. РОЗРАХУНОК ЦИКЛУ ПАРОВОЇ КОМПРЕ-СОРНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ 25

Лабораторна робота № 7. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВИТІКАННЯ ПОВІТРЯ ІЗ СОПЛА, ЩО ЗВУЖУЄТЬСЯ 31

ЛІТЕРАТУРА 36

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ОБ’ЄMУ ГАЗУ МЕТОДОМ

ВИТІКАННЯ

При витіканні газу або пари через отвір за невеликої різниці тисків швидкість течії, м/с, може бути підрахована по тій же формулі, що й у випадку витікання нестисливої рідини:

, (1.1)

де j ‑ коефіцієнт швидкості; Р₁, Р₂ – тиск газу відповідно перед отвором і за отвором, Н/м²; u ‑ питомий об’єм газу, м³/кг.

У випадку витікання двох різних газів через один i той же отвір за того самого перепаду тиску можна записати:

i . (1.2)

З цих рівнянь маємо, що (1.3)

Припускаючи, що через отвір перерізом f проходить в обох випадках один і той же об’єм u, можна на основі рівняння нерозривності потоку скласти рівняння:

i ,

Звідки: , (1.4)

де t₁ і t₂ ‑ час витікання газів.

Порівнюючи вирази (1.3) і (1.4), прийдемо до співвідношення:

,

з якого маємо: , (1.5)

де u₁, u₂ ‑ відповідно відомий і визначаємий питомі об’єми газів, м³/кг;

t₁ ‑ час витікання газу з питомим об’ємом u₁, с;

t₂ – час витікання такого ж об’єму газу з питомим об’ємом u₂, c.

Методика визначення питомого об’єму газу

Питомий об’єм газу визначають за допомогою експериментальної установки (рис.1.1), основними частинами якої є скляна посудина 1 і вмонтована в ній трубка 2, з'єднані між собою круговою скляною перемичкою 3. У порожнину 4 засмоктується випробуваний газ через трубку 5, або витискається з цієї порожнини, витiкаючи через дуже малий отвір 6.

Порожнина 7 за допомогою посудини 10 заповнюється водою до граничного рівня, обмеженого патрубком 8. При цьому створюється тиск стовпа рідини, що витискає, відповідний об’єм газу з порожнини 4 через отвір 6 від нижньої позначки рівня газу до верхньої. Час виштовхування цього об’єму фіксується секундоміром. На кінці трубки 5 маємо триходовий кран 9, який з'єднує її з джерелом газу або атмосферою.

Рис.1.1. Схема експериментальної установки для визначення питомого об’єму газів

В цій роботі проводять досліди з атмосферним повітрям і газом, питомий об’єм якого треба визначити.

Спостерігаючи за підвищенням рівня води в порожнині 4, вмикають секундомір у момент, коли рівень досягне нижньої позначки 11. Регулюючи положення посудини 10, не допускають зниження рівня води в порожнинi 7 нижче граничного. У момент, коли рівень води в порожнині 4 досягне верхньої позначки, вимикають секундомір. Іспит повторюють 3 рази.

За допомогою триходового крана з’єднують порожнину 4 із джерелом газу 12, повторюють перераховані операції 3 рази. Результати заносять в журнал спостережень (табл.1.1).

Обробка результатів досліду

Питомий об’єм атмосферного повітря за дійсних умов визначають за формулою:

, м³/кг (1.6)

де Т ‑ дійсна температура повітря, К;

Р_н ‑ тиск за нормальних умов, дорівнює 1,013×10⁵ Па;

Т_н ‑ нормальна температура, значення якої дорівнює 273 К;

Р ‑ дійсний тиск навколишнього повітря (барометричний), Па;

u_1н ‑ питомий об’єм повітря за нормальних умов (вологістю повітря зневажаємо), рівний 0,775 м³/кг.

Питомий об’єм газу за дійсних умов розраховують за формулою (1.6). Знаючи питомий об’єм газу за дійсних умов u₂, визначають його питомий об’єм за нормальних умов:

, м³/кг.

Густина за нормальних умов (н.у.), кг/м³ r_2н = 1/u_2н.

Дані заносять у журнал спостережень (табл.1.1.).

Таблиця 1.1.

Журнал спостережень

Контрольні питання

1. Якими рівняннями зв'язані параметри стану для ідеального і реального газів?

2. Як визначається питомий об’єм суміші газів?

3. Запишіть формули для визначення абсолютного тиску, якщо відомий Р_надл. і Р_вак?

4. Як обчислити об’єм газу за нормальних умов, якщо відомі його параметри за дійсних умов?

5. Як улаштована і працює експериментальна установка?

Лабораторна робота №2

ВИМІР ТЕПЛОЄМНОСТІ ПОВІТРЯ

У роботі методом проточного калориметрування визначають середню масову теплоємнiсть повітря за постійного тиску. Контроль параметрів для визначення теплоємності роблять у сталому режимі, тобто при постійних витратах повітря, його температурі на вході і виході з калориметру, кількості потужності, яку пiдводять до калориметра.

Опис установки

Установка для визначення теплоємності складається з проточного калориметра 1, у якому розміщений електричний нагрівач 2, що підводить теплоту до повітря, яке проходить через калориметр (рис.2.1). Для теплової ізоляції від навколишнього середовища калориметр оточений оболонкою 3.

Повітря з простору між калориметром і оболонкою вилучено для зменшення втрат у навколишнє середовище. Температуру на вході і виході із калориметра вимірюють хромель-капелевими термопарами 4 і 5, які перемикачем 6 можуть по черзі підключатися до пірометричного мілівольтметра 7. Для виміру витрат повітря, яке проходить через калориметр, на вхідному патрубку встановлена діафрагма 8. Перепад тиску на діафрагмі вимірюють за допомогою дифманометра 9, електричний сигнал з якого передається на міліамперметр 10. Більшій швидкості потоку повітря через калориметр відповідає більший перепад тиску на діафрагмі. Градуювання приладу 10 виконане для температури повітря 18-20°С. Повiтря з приміщення просмоктується через калориметр вакуум-насосом, для регулювання витрат повітря через калориметр служить кран 11. Величину струму, який підводиться до нагрівача калориметра, регулюють автотрансформатором 12, контроль сили струму і напруги виконується цифровим комбінованим приладом 13.

Порядок виконання роботи

1. Автоматичний вимикач на лівій стійці столу перевести у верхнє положення (загоряється сигнальна лампа "Мережа").

2. Увімикнути вакуум-насос.

3. Увімикнути блок витратоміра і, регулюючи краном 11, встановити потрібні витрати повітря через калориметр за показниками приладу 10.

4. Увімикнути кнопку "нагрів", поворотом ручки автотрансформатора 12 встановити напругу нагрівання спіралi по цифровому приладу 13 і визначити силу струму.

5. Увімикнути блок контролю температури і через 2-3 хвилини виміряти температуру повітря на вході і виході калориметра, перемикачем "Контроль точок" по черзі підключаючи до приладу 7 відповідні термопари 4 і 5.

6. За барометром визначити атмосферний тиск Р.

7. Виконати аналогічні виміри при інших витратах повітря через калориметр (2-3 досліди). Експериментальні дані заносять в табл. 2.1.

Обробка результатів експерименту

Середня об'ємна теплоємність повітря в інтервалі температур від t₁ до t₂ визначається за формулою:

, кДж/м³×К,

де W = I×U ‑ потужність, споживана нагрівачем, Вт;

I ‑ сила струму, А;

U ‑ напруга на спіралі, В;

t₁ та t₂ ‑ температура повітря на вході і вході з калориметра, °С.

Витрати повітря, яке протікає через калориметр, приведені до нормальних умов. u₀ знаходять з рівняння ідеального газу:

,

де в лівiй частинi маємо дійсні параметри повітря на вході в калориметр, а в правiй – параметри за нормальних умов.

Середню масову теплоємність повітря знаходимо з виразу:

, кДж/(кг×К),

де 22,4 – об’єм 1 кмоля повітря за нормальних умов, м³/кмоль; М – масa 1 кмоля повітря, кг/кмоль.

Розрахункові значення середньої масової теплоємності ізобарного процесу порівнюють з , і оцінюють похибку експерименту визначення середньої масової теплоємності в кожному з дослідів:

.

При похибці більше 10%, даний дослід повторюють для уточнення експе-риментальних і розрахункових даних. Розрахункові дані зводять у табл. 2.1.

Таблиця 2.1.

Журнал спостережень

Експериментальні дані

Розрахункові дані

№ дослі-ду

t1, 0C

t2, °С

U, В

I,A

Рб, Па

V, м3/с

W, Вт

V0, м3/c

, кДж м3×К

, кДж кг×К

, кДж кг×К

% похиб-ки

Контрольні питання

1. Які параметри визначають експериментально для оцінки середньої об'ємної теплоємності?

2. Як виконується розрахунок середньої масової теплоємності?

3. Як на установці визначаються потрiбнi витрати повітря, що протікає через калориметр?

4. Від чого залежить теплоємність реальних та ідеальних газів?

5. Як на установці можна змінити кількість тепла, що пiдводиться до калориметру?

Лабораторна робота №3

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА АДІАБАТИ К ДЛЯ ПОВІТРЯ

У термодинаміцi при розрахунках широко використовується коефіцієнт адіабати К, який являє собою відношення теплоємностей за постійного тиску С_р і постійного об’єму С_v:

К = С_р/С_v.

Для кожної групи газів величина К має певне числове значення: для одноатомних газів К = 1,6; для двоатомних (i повiтря) ‑ 1,4; для багатоатомних ‑ 1,3. Для реальних газів коефіцієнт К є величина змiнна, яка зменшується з підвищенням температури.

Величину відношення теплоємностей К газів в області не дуже низьких температур, коли вони можуть з високим ступенем точності задовольняти рівнянню стану ідеального газу Pu = RT, визначають за допомогою установки (рис.3.1), яка складається з герметично закритого балона 1 місткістю 60 л. Стиснуте у повітродувці повітря подається в балон через кран 2. На верхній кришці балона встановлений кран 3, який служить для випуску повітря в атмосферу. Тиск у балоні вимірюють U-образним манометром 4.

Процеси, що відбуваються в установці, зображені на рис.3.2. Стан газу, що надійшов у балон, характеризується точкою 0. У результаті теплообміну з навколишнім середовищем за постійного об’єму (лінія 0 ‑ 1) температура повітря знижується до Т_ср.. У результаті адіабатичного витікання повітря (лінія 1 ‑ 2) його температура знижується до Т_дійсн, а потім за V = const нагрiвається до Т_ср (лінія 2 ‑ 3).

Рис.3.1. Схема установки по визначенню показника адіабати K

Рис.3.2. Процеси, які відбуваються в установці: а) в P – V координатах; б) в T – S координатах

Вiдношення питомих об’ємiв можна показати через відношення тисків , тобто, . Оскільки питомі об’єми , то . З рiвняння адіабати PV^k = const знайдемо співвідношення:

.

Прологарифмувавши цей вираз, одержимо:

.

Звiдки .

Вимiр питомих об’ємiв дуже складний, тому відношення виражаємо через відповідне відношення тисків . Формула для експериментального визначення К буде мати вигляд:

.

Таким чином, при визначенні К дослiдним шляхом, величинами, що вимірюються, є тільки тиски.

Методика визначення показника адіабати

Приєднують шланг від повітродувки до крана 2. Включають повітродувку і відкривають кран 2. Спостерігаючи за манометром 4, доводять тиск повітря в балоні до 450 – 500 мм вод.ст. Закривають кран 2 і виключають повітродувку. Вичікують якийсь час (6 – 8 хв), доки газ у балоні прийме температуру навколишнього середовища, про що свідчать сталi показаники манометра , мм вод.ст. Знімають показання барометра Р_б, Па. Швидко відкривають кран 3 і відразу ж закривають його. При цьому розширення повітря відбувається так швидко, що з деяким наближенням можна вважати його протiкаючим без теплообміну з навколишнім середовищем, тобто адіабатним. При цьому температура газу в балоні знижується і буде нижче початкової температури, тобто температури навколишнього середовища.

Після закриття крана 3 буде відбуватися ізохорний процес нагрівання повітря в балоні внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем, і тиск газу, вимірюваний манометром, буде зростати доти, доки температура газу в балоні не зрівняється з температурою навколишнього середовища. Після настання температурної рівноваги (через 6 – 8 хв.) знімають показання манометра, , мм.вод.ст. Дослід повторюють 3 рази. Отримані дані вносять у журнал спостережень (табл. 3.1).

Обробка результатів дослiду

Показник адіабати К визначають з виразу

,

де Р₁ ‑ абсолютний тиск повітря на початку розширення, Па, Р₁ = Р_1над + Р_б;

Р₂ ‑ абсолютний тиск повітря наприкінці адіабатного розширення, Па, приймаємо Р₂ = Р_б;

Р₃ ‑ абсолютний тиск повітря наприкінці ізохорного нагрівання до температури навколишнього середовища, Па, .

Результати розрахунку заносять у журнал спостережень (табл. 3.1.).

Таблиця 3.1.

Журнал спостережень

Контрольнi питання

1. Запишіть співвідношення параметрів в адіабатному та ізотермічному процесах.

2. Як обчислити кількість тепла, підведеного до робочого тіла в політропному процесі?

3. Запишіть вираз для обчислення наявної роботи в адіабатному процесі.

4. Яка частка тепла в ізобарному процесі йде на зміну внутрішньої енергії робочого тіла і на роботу розширення?

5. Як змінюється показник адіабати К із зміною температури?

Лабораторна робота № 4

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ТЕМПЕРАТУРИ

КИПІННЯ ВОДИ ВІД ТИСКУ В ПРОЦЕСІ ПАРОУТВОРЕННЯ

Процес перетворення речовини з рідини в газоподібний стан називається пароутворенням. Для перетворення рідини в пару необхідно за рахунок підводу теплоти її температуру довести до температури кипіння (насичення) – t_н при даному тиску. Температура насичення і тиск знаходяться між собою у функціональній залежності t_н = f(P), тобто, певному тиску відповідає конкретна величина t_н.

Метод визначення залежності t_н = f(P) заснований на експериментальному визначенні температури кипіння за різних тисків. Для дослідження використовується установка, яка показана на рис. 4.1.

Установка складається з посудини 1, в якій встановлений електронагрівач 2. У корпусі посудини маються вікна 3, через які ведеться спостереження за процесом кипіння. Необхідний тиск у посудинi підтримується вакуум-насосом 4. Температура киплячої рідини вимірюється ртутним термометром або термопарою 5, тиск вимірюється вакууметром 6. За допомогою крана 7 посудина 1 може від¢єднуватись від вакуум-насоса 4.

Рис.4.1. Схема установки

Методика визначення залежності температури насичення від тиску

При від¢єднаному шлангу вода підігрівається в посудинi 1 до температури 80 ‑ 90°С, пiсля чого електричний нагрівач відключають. Потім до штуцера приєднують вакуум-насос і ним в посудині 1 створюють розрідження, яке дорівнює тиску насичення при даній температурі, і вода закипає при виключеному нагрі-вачі. В момент кипіння води в посудинi закривають кран 7. Записують покази приладів. Внаслідок теплових втрат температура води в посудинi знизиться і стане менше t_н, кипіння рідини припиниться. Для створення умов для закипан-ня води створюється інше розрідження вакуум-насосом.

Усі виміри заносяться в журнал спостережень (табл. 4.1.).

Таблиця 4.1.

Обробка результатів досліду

Абсолютний тиск киплячої рідини визначають за формулою:

Р_абс = В ‑ Р_вак,

де В ‑ барометричний тиск, МПа;

Р_вак ‑ розрiдження в посудинi, МПа.

За таблицею водяної пари будують графічну залежність температури кипіння від тиску. На отриманий графік наносять точки, визначені в результатi досліду. На основi отриманих даних роблять висновки і пояснюють причини відхилення дослiдних даних від табличних величин залежності температури кипіння від тиску. Потім визначають ентальпiю і питомий об’єм вологої насиченої пари для трьох значень температур (за вказівкою викладача) для Х = 0,8; 0,85; 0,9.

Контрольнi питання

1. Що розуміють під вологою насиченою, сухою насиченою і перегрітою парою?

2. Структура таблиць водяної пари.

3. Визначте повну теплоту і ентальпiю рідини.

4. Визначте ентальпiю та ентропію вологої насиченої пари.

5. Визначте внутрішню енергію сухої насиченої пари.

6. Визначте кількість тепла, що пiдводиться до пари, при ізобарному та ізотермічному її розширенні.

Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ У ВОЛОГОМУ ПОВІТРІ

У даній роботі досліджується процес нагрівання вологого повітря і сушки вологої тканини. У результаті досліджень визначають кількість випареної вологи на 1 кг сухого повітря, витрати теплоти на 1 кг випареної вологи, кількість теплоти, витраченої установкою в навколишнє середовище, і економічність установки.

Методика визначення і розрахунку параметрів вологого повітря в процесi сушки

Експериментальна установка (рис. 5.1) являє собою модель сушильної установки, в якій сушильним агентом є кімнатне повітря, а матеріалом, що висушується, є бавовняна тканина, змочена водою.

Рис.5.1. Схема установки

Основні елементи установки – калорифер 1 і сушильна камера 2. Калорифер 1 складається з співвісних металевих циліндрів, усередині яких розміщений електронагрівач 3, що відключається дилатометричним терморегулятором при температурі повітря вище 100°С. Регулювання температури повітря здійснюється ручкою "Регулювання потужності". Сушильна камера складається з вертикальних труб різного діаметра, вставлених одна в одну, бавовняної тканини 4, рухомого піддона 5, крапельниці 6 і заливної воронки 7. Для зменшення втрат від охолодження сушильна камера теплоiзольована. Сушильна камера з'єднується з калорифером трубою 8, в якій встановлений датчик температури повітря, що надходить до сушильної камери (Т1). Температура повітря вимірюється термопарою Т2.

Зовнішня труба сушильної камери в нижній частині має вихідний патрубок з вихлопною трубою 9, в якій вмонтовані дві термопари: Т3 ‑ "суха" і Т4 ‑ "мокра".

Повітря, подане вентилятором 10, проходить діафрагму 11 і по трубі попадає у вхідний патрубок калорифера 1. Діафрагма 11 з'єднана з дифманометром (датчиком) 12. По кільцевому простору між трубами калорифера повiтря спускається вниз, потім піднімається догори і по сполучнiй теплоiзольованiй трубі надходить у сушильну камеру 2. У сушильній камері повітря надходить униз, потім піднімається догори, омиває зволожену бавовняну тканину 4 і насичується вологою. Для підтримки стаціонарного режиму випарювання вологи, до тканини крапельницею 6 додається по краплях вода. Системи виміру і регування температури, потужності і витрати повітря об'єднані в блоці управління 13, з якого значення параметрів виводяться на табло 15 через перемикач 14.

Рис.5.2. i – d – діаграма для вологого повітря

Відносну вологість повітря, що надходить у калорифер, визначають за показниками сухого і мокрого термометрів окремо встановленого психрометра.

Заводять механізм вентилятора психрометра. Через кожні 30 секунд записують у журнал покази сухого t_c і мокрого t_м термометрів доти, поки температура мокрого термометра не стане щонайнижчою і не почне знову підвищуватися. Покази термометрів заносять у журнал спостережень. За розрахункові температури беруть найнижчі значення t_м і відповідні їм t_с. За даними спостережень на і ‑ d дiаграму наносять точку 1 (рис.5.2), що характеризує стан повiтря, яке подається в калорифер. Положення точки 1 визначає відносну вологість j₁.

Вiдносну вологість можна визначити і за психрометричними таблицями, знаючи різницю показань t_с і t_м.

Порядок виконання роботи

Перед включенням установки роблять її зовнішній огляд. Перевіряється заземлення установки.

Змочують тканину 4 у сушильній камері 2 шляхом підйому піддона з водою 5 вгору до упора, і витримують в цьому положенні протягом 1 – 2 хвилин. Вода заливається в піддон через воронку 7. Установлюють тумблери "Нагрівач", "Вентилятор" і вимикач "Мережа" у нижнє положення. Ручка перемінного резистора "Регулювання потужності" виводиться у вихідне положення. При підключенні установки до мережі і верхньому положенні вимикача "Мережа" світиться лампочка "Мережа". При включенні тумблера "Вентилятор" відбувається рух повітря через установку. Включенням кнопки "6" визначають витрати повітря через установку. При включенні тумблера "Нагрівач" і кнопки Т1, табло приладу 15 показує зміну температури повітря перед сушаркою. Обертання ручки "Регулювання потужності" при включенні кнопки "Р" викликає зміну потужності на табло приладу 15. Установлюють необхідну потужність, споживану нагрівачем 3, і відкривають крапельницю 6. Через 12 – 15 хвилин установлюється стаціонарний режим сушіння ‑ постійна відносна вологість повітря, яка визначається за стаціонарними показами термопар Т3 i Т4. Значення параметрів і відносної вологості, визначені за допомогою і ‑ d діаграми, по ходу роботи через кожні 3 хвилини записують у журнал спостережень (табл. 5.1.).

Дослід продовжують протягом 15 хвилин. У момент початку і кінця досліду фіксують час і покази барометра Р_б.

Після закінчення експерименту вивести ручку "Регулювання потужності" у вихідне положення, виключити тумблери, вимикач "Мережа", злити воду з сушильної камери обертом ручки крана 16 "Злив".

Таблиця 5.1.

Журнал спостережень

Обробка результатів досліду

Наносять на і ‑ d дiаграму (рис. 5.2) всі процеси, що протікають в установцi. Вихідну точку 1 визначають перетином ліній постійної температури сухого і мокрого термометрів. Точку 2, що визначає стан підігрітого в калорифері повітря, знаходять побудовою процесу підігріву від точки 1 по вертикалі до ізотерми 2 (показ термопари Т1).

Аналогічно визначають точку 3, що характеризує стан повітря у вихідній трубі 9, в місці виміру відносної вологості.

Точки 2 і 3 з'єднують умовною прямою, яка визначає процес сушіння. По точках 1 і 3 на i ‑ d дiаграмi визначають вологовміст повітря до (d₁) і пiсля (d₂) сушки тканини. Різниця вологовмісту d₃ ‑ d₁ є кiлькiсть випареної з матеріалу вологи 1 кг сухого повітря.

Різниця ентальпiй повітря і₁ та і₂ визначає кількість теплоти на 1 кг сухого повітря, відданої нагрівачем повітрю, без врахування втрат теплоти в навко-лишнє середовище калорифером і сушаркою.

Для підрахунку кількості випареної вологи під час проведення досліду треба визначити масу сухого повітря у вологому повітрі, поданому в калорифер, об'ємнi витрати якого вимірюються за допомогою діафрагми 11 і дифманометра 12.

Маса сухого повітря дорівнює:

Парціальний тиск сухого повітря визначають як різницю: Р_с.n.= Р_б ‑ Р_п,

де Р_б ‑ барометричний тиск вологого повітря;

Р_п ‑ парціальний тиск пари у вологому повітрі, який знаходять з формули зв'язку парціального тиску пари і вологовмісту, г/кг сухого повітря:

Враховуючи, що Р_см=Р_б, маємо: Па.

Для перевiрки треба знайти наближене значення Р_п за i ‑ d діаграмою. Кількість випареної вологи під час досліду, кг:

М_в = 0,001 (d₃ – d₁) М_с.п..

Кількiсть теплоти, витраченої на випарювання вологи за винятком втрат, кДж:

Q = (і₃ – і₁) М_с.п.

Кількiсть теплоти, витраченої на 1 кг випареної вологи:

Дiйсна кількість теплоти, яка витрачена на сушіння, знаходиться з даних дослiду за витратами електроенергії нагрівачем:

Q_д = 0,001·W·t·60, кДж,

де W – потужнiсть, Вт; t – тривалість досліду, хвилин; 60 ‑ число секунд в хвилинi.

Різниця між дійсною кількістю теплоти і кількістю теплоти, витраченої на випарювання вологи Q – це величина втрат у навколишнє середовище калорифером і сушаркою за час досліду. Економічність уcтановки визначається величиною відношення кількості теплоти, розрахованої за витратами електроенергії, до теплоти, витраченої на випарювання:

Контрольнi питання

1. Як визначити відносну вологість повітря за і ‑ d дiаграмою на основi показників психрометра?

2. Як визначити кiлькiсть енергiї, необхiдної для випарювання одиницi вологи?

3. Як змiнюється вiдносна вологiсть, вологовміст i парцiальний тиск водяної пари при нагрiванні вологого повiтря?

4. Як визначити кiлькiсть повiтря, необхiдного для випарювання заданої кiлькостi вологи?

5. Як визначити економiчнiсть сушильної установки?

Лабораторна робота № 6

РОЗРАХУНОК ЦИКЛУ ПАРОВОЇ КОМПРЕСОРНОЇ

ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ

Охолодження тіл до температури, меншої за температуру навколишнього середовища, здійснюється за допомогою холодильних установок, в яких за рахунок підведеної роботи теплота передається від холодного джерела до гарячого.

В iнтервалi помірних температур охолодження (до ‑20°С) в промисловостi і в побуті широко використовуються парові компресорні (парокомпресорні) хо-лодильні установки. Вони компактні, дешеві і, у багатьох випадках, найбільш ефективні в порівнянні з іншими холодильними установками. В цих установках в якості холодильних агентів використовують пари рідин, якi при зміні параметрів переходять з газоподібного стану в стан рідини. Найбільш широко застосовуються аміак (NH₃) і рiзнi галогенозамiщенi вуглеводні метаного та етаного рядів (фреони): Ф-12 (CF₂Cl₃), Ф-22, (CHF₂Cl), Ф-113 (C₂F₃Cl₃) і Ф-142 (C₂H₃F₂Cl). Характерні властивості фреонів: хімічна стійкість, нетоксичнiсть, відсутність взаємодії з конструкційними матеріалами (при t < 200°C).

Опис установки

Парова фреонова компресорна холодильна установка (рис.6.1) складається з компресора 1, конденсатора 2, дросельного капiляра 3, випарника 4, рекуперативного теплообмінника 5.

Цикл такої установки з "сухим ходом" компресора і переохолодженням конденсату, зображений у координатах Т ‑ S та lgP ‑ і (рис.6.2). Логарифмiчний масштаб тиску застосовують з метою одержання більш рівномірного розподілу ізобар.

Рис.6.1. Схема холодильної установки

Рис.6.2. Цикл холодильного приладу

Порядок виконання роботи

Компресор 1 засмоктує суху насичену або злегка перегрiту пару з випарника 4 в умовах здійснення "сухого ходу" і адіабатно стискує її до тиску Р₂ (процес 1 ‑ 2). Пiдсушування вологої насиченої пари, або її перегрів, здійснюється для зменшення теплообміну між парою холодильного агента і стінками циліндра компресора. З компресора пара надходить у конденсатор (холодильник) 2, де конденсується при постійному тиску Р₂, віддаючи теплоту перегріву і пароутворення навколишньому середовищу (процес 2 – 3 ‑ 4). В конденсаторi 2 і рекуперативному теплообміннику 5 відбувається переохолодження рідкого холодильного агента (процес 4 ‑ 4'). У дросельному капiлярi 3 частина рідини перетворюється в пару і тиск зменшується від Р₂ = Р_к до Р₁ (початкового тиску); а температура приймає значення Т₁ (процес 4' ‑ 5). Волога насичена пара надходить у випарник 4, де за рахунок відводу теплоти від охолоджуваного середовища частково або цілком випарюється (процес 5 ‑ 1). Потiм нагрівається в рекуперативному теплообміннику 5 (процес 1 ‑ 1') за рахунок переохолодження рідини в капiлярi і надходить у компресор.

Методика визначення параметрів точок і розрахунок циклу

дiючої парової фреонової установки

Для розрахунку робочого циклу установки необхідно знати кількість холодоагенту, який циркулює в системі. З цією метою визначають потужність, споживану електродвигуном компресора. Потужність можна вимірити ватметром, електролiчильником і, приблизно, амперметром і вольтметром. Для виміру потужності застосовують ватметр перемінного струму класу 0,5 ‑ 1,0 на потужнiсть не менш 250 – 500 Вт, який на час запуску агрегату повинен мати зашунтованi клеми струмової катушки.

При визначенні потужності електролічильником підраховують оберти диску на протязi 4 – 6 хвилин з моменту включення агрегату. Споживана потужність, Вт:

де n ‑ частота обертання диску;

К ‑ число обертів, що відповідає 1 кВт·год;

t ‑ час, с.

Для розрахунку потужності за показниками амперметра і вольтметра необхідно добуток напруги і сили струму помножити на величину cos j (0,4 ‑ 0,5).

Визначаючи потужність, витрачену двигуном при безперервній роботі, варто враховувати, що працюючи на режимах, двигун витрачає потужність на 10 ‑ 20% більше одержуваної.

Перед виконанням вимірів установка працює до виходу на режим протягом 20 – 30 хвилин у залежності від температури навколишнього повітря, вихід на режим визначається за значенням сталої температури у випарнику, яка змінюється в залежності від значення температури навколишнього середовища. Після виходу на режим через кожні 5 хвилин фіксують показники датчиків (термометрів), приладів (лічильника, ватметра чи вольтметра і амперметра) протягом 30 хвилин.

Значення температур визначають у точках 5 або 1 (рис.6.2) (температура випарювання фреону – t_5,1), точці 2 (температура фреону після компресора – t₂), точках 3 і 4 (температура фреону в конденсаторі ‑ t_3,4).

Отриманi дані записують у журнал спостережень і підраховують середні значення, по яких визначається температурний режим роботи холодильної установки (табл. 6.1).

Таблиця 6.1

Журнал спостережень

Температуру випарювання фреону приймають на 3 ‑ 5°С менше отриманої величини (t_5,1 = t_5,1 ‑ 5°С). Температура фреону після компресора t₂ збiльшується на 5 ‑ 10°С (t₂ = t₂ + 10°С). Температура фреону в конденсаторі t_3,4 приймається на 7 ‑ 8°С вище температури навколишнього повітря у випадку повітряного охолодження (t_3,4 = t_3,4 + 8°С).

За визначеними температурами на діаграмі lq Р ‑ i для фреону-12 (рис. 6.2) наноситься холодильний цикл.

Точка 1 лежить на перетинi ізотерми t_5,1, або ізобари Р_н і верхньої суміжної кривої. Точки 3 і 4 знаходяться на перетині ізобари Р_к або ізотерми t_3,4 з суміжними кривими. Точку 2 знаходять на перетині ізотерми t₂ і ізобари Р_к. З точки 2 проводять лінію S = const (процес адіабатного стиску фреону в компресорі) до перетину з ізобарою Р_н. Місце перетину відповідає точці 1.

Точку 4 визначають з рівняння теплового балансу регенеративного теплообмінника (рекуператора) 5:

звідки .

Значeння величин і₄, і₁, і₁^' визначають по діаграмі. Точки 4 і 5 лежать на перетині лінії і₄^' = сonst та iзобар Р_к і Р_н.

Параметри точок заносять у табл. 6.2.

Таблиця 6.2

№ точки	t,°C	P, Па	u, м /кг	і, кДж/кг	S, кДж/кг·К

Обробка результатів досліду

Питому вагову холодопродуктивність фреону визначають з рiвняння, кДж/кг:

q₀ = i₁ – i₅.

Робота, витрачена на адіабатний стиск 1 кг фреону, кДж/кг, дорiвнює:

L = i₂ – i₁.

Враховуючи, що в компресорі адіабатно стискається перегріта пара фреону-12 (K = 1,14; М = 120,92 кг), роботу стиску можна приблизно визначити за формулою, кДж/кг:

.

Кiлькiсть теплоти, відданої фреоном в конденсаторi, кДж/кг:

q_k = i₂ – i₄.

Кiлькiсть теплоти, вiдданої холодильним агентом у теплообміннику, кДж/кг:

q_t = i₄ – i₄’.

Холодильний коефіцієнт циклу:

Кiлькiсть холодоагенту, який циркулює в системі, визначають з виразу, кг/с:

де h_м ‑ механічний ККД компресора (0,85 ‑ 0,9);

h_ел ‑ ККД електродвигуна (0,97);

h_i ‑ iндикаторний ККД: При Рк/Рн 2,5 3,5 4,5 5,5 6,0

h_i 0,73 0,72 0,68 0,65 0,63.

Холодопродуктивність компресора, Вт: Q₀ = G·q₀·10³.

Коефiцiєнт корисного використання енергії:

Контрольнi питання

1. З яких агрегатів складається парова компресорна холодильна установка?

2. Як визначається робота, яка витрачена на стиск фреону в компресорі?

3. Запишіть вираз для обчислення холодильного коефіцієнта.

4. Зобразити цикл холодильної установки в Т ‑ S та lgР ‑ і координатах.

5. Як визначити кількість тепла, вiдiбраного від охолоджуваних тіл? Покажіть на Т ‑ S діаграмі.

Лабораторна робота №7

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВИТІКАННЯ ПОВІТРЯ

ІЗ СОПЛА, ЩО ЗВУЖУЄТЬСЯ

У роботі передбачається:

1. Визначити залежність дійсної витрати повітря через сопло від відношення тисків за соплом і перед ним.

2. Розрахунковим шляхом одержати залежність теоретичної витрати повітря через сопло від відношення тисків за соплом і перед ним.

3. Визначити коефіцієнт витрати повітря через сопло.

4. Обчислити теоретичну швидкість витікання повітря на виході із сопла.

5. Порівняти тиск в самому вузькому перетині сопла і після сопла.

Опис установки

Лабораторна установка (рис. 7.1) складається з агрегату для відкачування повітря, який створює розрідження в системі, внаслідок чого повітря через повітрозбірник 1 попадає в повітряну магістраль, проходить через вимірювальну діафрагму 2 і спрямовується в досліджуване сопло 4. Вентиль 7 дозволяє регулювати тиск Р₁ перед соплом і витрату повітря. Сопло виконане конічним, з діаметром 1,5 мм і площею вихідного перетину 1,76 мм².

В комплектi з датчиком витрати повітря вимірювальна діафрагма 2 призначена для визначення витрати повітря по повітряних магістралях і через сопло. Вимірювальна діафрагма 2 має прохідний отвір діаметром 4,25 мм і площею поперечного перерізу 14,18 мм². Перепад тиску на вимірювальній діафрагмі (до і після неї) відбирається через спеціальні відводи, які встановлені в повіт-рянiй магiстралi відповідно вимогам до таких пристроїв.

Вимір тиску повітря перед соплом Р₁, у критичному перетині Р₂ і за соплом Р₃ виконується за допомогою датчика тиску 6 шляхом переключення крана – розподільника 5.

Температура повітря t приймається рівній температурі навколишнього середовища і визначається термометром. Барометричний тиск навколишнього середовища В визначається барометром.

Покази датчиків витрат повітря 3 і тиску 5 наведені в міліамперах. Для перерахунку величини мiлiамперiв на одиницю витрат в кг/c і тиску в Па служать спеціальні таблиці або тарувальні криві, що мають відповідний масштаб перерахунку.

Порядок виконання роботи

Перед початком роботи установку необхідно оглянути. На ній не повинно бути ніяких ушкоджень. Необхідно перевірити заземлення. Органи управління розташованих на стійках лабораторної установки датчиків витрат і тиску повинні знаходитися у вихідному положенні.

1. Пуск установки здійснюється автоматичним вимикачем "Мережа", розташованим на лівій стійці установки, після чого повинна включитиcя лампа "Мережа".

2. Включення агрегату відкачування повітря відбувається за допомогою тумблера "Агрегат".

3. Далі треба відкрити вентиль 7 на трубопроводі робочого пристрою. Поставити кран – перемикач 5 у положення 1, яке відповідає відбору імпульсу тиску перед соплом, що звужується.

4. Включити тумблер "Вкл." на панелі датчиків витрати повітря і тиску. Регулювання витрат повітря виконується вентилем 7 шляхом плавного його обертання в ту чи іншу сторону.

5. Покази приладів у кожнім досліді знімаються після настання сталого режиму роботи вакуум-насоса і заносяться до табл.7.1.

Рис.7.1. Схема лабораторної установки

Таблиця 7.1

Журнал спостережень

Обробка результатів досліду

Абсолютний тиск повітря перед соплом Р₁, у критичному перетині Р₂ і після сопла Р₃ обчислюють за такими формулами:

Р₁ = В + Р₁; Р₂ = В + Р₂; Р₃ = В + Р₃.

Питомий об’єм повітря і його густина перед соплом знаходяться з характеристичного рівняння:

; r₁= 1/u₁.

Визначення теоретичної витрати повітря через сопло виконується при припущенні, що витікання повітря із сопла є адіабатичним процесом, а початкова швидкість повітря перед соплом дорівнює 0. Якщо величина відношення тиску за соплом і тиску перед соплом Р₃/Р₁ не перевищує або дорівнює критичному значенню, що для повітря складає 0,528, то на виходi із сопла встановлюється критичний режим, коли швидкість течії дорівнює швидкості звуку, а витрата досягає своєї максимальної величини. У цьому випадку витрата (кг/с) обчислюється за формулою:

(7.1)

де F_min ‑ площа перетину на виході із сопла (мінімальна площа), м².

Якщо Р₃/Р₁ > 0,528, то швидкiсть на виході із сопла, що звужується, дозвукова, а теоретична витрата обчислюється за формулою:

(7.2)

де К ‑ показник адіабати. Для повітря К = 1,4.

Відношення дійсної витрати повітря через сопло до теоретичної називається коефіцієнтом витрат:

j_р = М_д/М_т (7.3)

Коефіцієнт витрат j_р завжди менший одиниці внаслідок існування прикордонного шару на стінках сопла, рух якого різко відрізняється від руху ядра потоку.

Отримані дані зображуються у вигляді графічних залежностей. На одному графіку зображуються дійсні витрати М_д і теоретичні витрати М_т повітря від величини відношення тисків у соплі Р₃/Р₁ у вигляді

М_д = f(Р₃/Р₁) і М_т = f(Р₃/Р₁).

Теоретична швидкість течiї повітря із сопла, що звужується, у залежності від величини відношення тисків Р₃/Р₁ визначається за такими рівняннями:

а) якщо Р₃/Р₁ 0,528 ‑ на виходi установлюється критична швидкість і вираз для визначення швидкості має вигляд:

м/с.

б) якщо Р₃/Р₁ > 0,528, то у вихiдному перерiзі сопла встановлюється докритична швидкість, яка визначається за формулою:

м/с

Результати розрахунків заносяться до табл.7.2.

Таблиця 7.2

Контрольнi питання

1. Як визначаються витрати і швидкість повітря на виході із сопла?

2. Який тип сопла потрібно прийняти для одержання дозвукової чи надзвукової швидкості?

3. При якому відношенні тисків перед і після сопла повинні працювати дозвуковi і надзвукові сопла?

4. Чим викликане зменшення дійсних витрат в порівнянні з теоретичними при витіканні газу через сопло?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа. 1969, 1975.

2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Наука, 1979.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В. Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: Энергоиздат, 1983.

4. Теплотехника. Под ред. Баскакова А.Н. – М.: Энергоиздат, 1982.

5. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение. 1973.