Плотность воздуха вычисляется по уравнению состояния

Лабораторный практикум

по курсам "Теплотехника", "Тепло- и хладотехника",

"Энерготехнология химических производств", "Термодинамика",

"Моделирование теплообменных процессов"

Для студентов специальностей

270100, 270300, 270400, 270500, 270900, 271100,

170600, 170500, 071900, 320700, 210200

Воронеж - 2001

УДК 621.3.(075.3)

Лабораторный практикум по курсам "Теплотехника", "Тепло- и хладотехника", "Энерготехнология химических производств", "Термодинамика", "Моделирование теплообменных процессов" / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. В.М Харин, Ю.И. Шишацкий, О.А. Семенихин, Ю.В. Панфилов, С.А. Толстов. Воронеж, 2000. 60 с.

Лабораторный практикум разработан в соответствии с требованиями, предъявляемыми квалификационной характеристикой ГОС ВО подготовки инженеров по специальностям 270100, 270300, 270400, 270500, 270900, 271100, 170600, 170500, 071900, 320700, 210200 и предназначены для закрепления теоретических знаний дисциплин цикла ОПД.

Для каждой лабораторной работы представлены цель, методические указания к выполнению, схема и описание экспериментальной установки, порядок проведения опытов и обработки полученных данных, вопросы для самостоятельной подготовки студентов и список литературы.

Табл. 17. Ил. 11. Библиогр.: 6 назв.

Составители: профессор В.М. ХАРИН,

профессор Ю.И. шишацкий,

ст. преподаватель о.а. семенихин,

ст. преподаватель Ю.В. панфилов,

доцент С.А. ТОЛСТОВ

Научный редактор профессор В.М. ХАРИН

Рецензент доцент ВГТУ С.В. ФАЛЕЕВ

Печатается по решению

редакционно-издательского совета

Воронежской государственной технологической академии

ã Харин В.М.,

Шишатский Ю.И.,

Семенихин О.А.,

Панфилов Ю.В.,

Толстов С.А., 2001

ã Воронежская

государственная

технологическая

академия, 2001

ВВЕДЕНИЕ

Изучение теплотехники предусматривает проведение определенного количества лабораторных работ. В данном лабораторном практикуме собраны инструкции к лабораторным работам для студентов нетеплотехнических специальностей при изучении курса "Теплотехника".

Целью каждой лабораторной работы является глубокое усвоение материала по соответствующему разделу курса, а также приобретение необходимых навыков при постановке и проведении экспериментов и обработке их результатов.

К работе допускаются студенты, изучившие правила по технике безопасности ее выполнения. При дальнейшей подготовке к каждой лабораторной работе студенты обязаны:

а) изучить соответствующий раздел теплотехники и методическое руководство к работе;

б) уяснить устройство экспериментальной установки и получить четкое представление о порядке проведения опыта;

в) подготовить формы таблиц, графиков и необходимых справочных данных для оформления письменного отчета.

К выполнению работы допускаются студенты после контрольного опроса. Опрос производится по вопросам, представленным в конце каждой работы, а также по основным положениям изучаемого раздела.

По окончании опытов студенты должны показать полученные результаты преподавателю и после их одобрения отключить установку и привести в порядок рабочее место.

По каждой работе студент оформляет письменный отчет, включающий:

1) титульный лист;

2) введение с указанием цели;

3) схему лабораторной установки и ее краткое описание;

4) протокол с данными измерений;

5) расчеты и графические материалы;

6) выводы и обобщения.

По отчету студент сдает зачет преподавателю. Студенты, имеющие более двух пропусков, к выполнению следующих работ без разрешения заведующего кафедрой не допускаются.

ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

1. Перед проведением лабораторных работ необходимо ознакомиться со схемой установки и самой установкой, обратив внимание на расположение выключателя и порядок включения и выключения установки.

2. Подачу напряжения к установке производить только после разрешения преподавателя.

3. Запрещается оставлять без надзора включенную установку.

4. Запрещается заходить за имеющиеся ограждения, протягивать руки на лицевую часть установки, облокачиваться на приборы.

5. В процессе выполнения работы необходимо строго выдерживать указанную в методической записке последовательность операций и заданные режимы.

6. Ознакомившись с правилами по технике безопасности, расписаться в журнале.

РАБОТА № 1

Определение газовой постоянной воздуха

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по теме технической термодинамики "Основные газовые процессы" и приобретение навыков экспериментирования и обработки опытных данных.

ЗАДАНИЕ

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить ее и вывести на заданный стационарный тепловой режим.

2. Провести опыт, снимая показания приборов и занося их в таблицу наблюдений.

3. Определить опытные значения газовой постоянной воздуха для серии замеров.

4. Вычислить погрешность найденного среднего за опыт значения газовой постоянной воздуха по отношению к справочному.

5. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для идеального газа при равновесном состоянии рабочего тела (массой М кг) с окружающей средой вид функции F (P, V, T) = 0 записывается в виде уравнения состояния

PV = MRT,

где P – удельное абсолютное давление воздуха, Па;

V – объем воздуха, м³ ;

M –масса воздуха в цилиндре, кг;

T – абсолютная температура воздуха, К;

R – газовая постоянная, Дж/(кг·К); численное значение R зависит от рода рабочего тела.

Из приведенного уравнения определяется опытное значение газовой постоянной воздуха R_оп , Дж/(кг·К). Справочное значение газовой постоянной R, Дж/(кг·К), принимается по таблице [4] или вычисляется по соотношению R=R_m /m, где R_m - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К); m - молярная масса газа, кг/моль.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

10 9 8 7 4 3 2 1 6 5

Рисунок. Схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из цилиндра 1 с подвижным поршнем 2 и термостата 8. Исследуемая порция воздуха изотермически сжимается в цилиндре 1 поршнем 2 при вращении маховика 5. Для первоначального заполнения цилиндра воздухом служит вентиль 7. Вентиль 10 нужен для быстрого охлаждения воды в термостате в случае необходимости изменения температурного режима. Температурный режим опыта задается преподавателем, устанавливается и поддерживается с помощью контактного термометра 9. Для измерения объема воздуха V, м ³, используется шкала 6, а избыточного давления Р_м, Па, и температуры t, ^оС, - манометр 4 и термометр 3.

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА

1. Убедиться, что вентиль 7 открыт.

2. Установить поршень 2 в крайнее правое положение (170-180 делений шкалы), что осуществляется вращением маховика 5.

3. Включить установку в сеть. Контактный термометр 9 установить на заданную температуру t, ^оС. Включить нагреватель и мешалку термостата.

4. Убедившись в наступлении стационарного теплового режима (показания термометра 3 не изменяется во времени), записать показания приборов (V₁, P_м1, t) в таблицу наблюдений.

5. Закрыть вентиль 7. Вращение маховика 5 последовательно сжимать воздух в цилиндре на несколько делений шкалы 6 и записать показания приборов (V₂, P_м2, t и т.д.) в таблицу наблюдений. Выполнить 3 - 4 замера.

6. Открыть вентиль 7. Вернуть поршень 2 в первоначальное положение.

7. Контактный термометр 9 установить на новое значение температуры и повторить опыт согласно пунктам 4, 5, 6.

8. Подписать таблицу наблюдений у преподавателя.

9. Выключить установку.

Т а б л и ц а наблюдений

Номер замера	Барометрическое давление, Па	t, °C	V, м3	Р, кгс /см2

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Абсолютная температура воздуха в цилиндре Т, К:

Т = t + 273

2. Масса исследуемой порции воздуха в цилиндре при t = const M, кг:

M = V₁ · r,

где V₁ – начальный объем воздуха в цилиндре, м ³;

r – плотность воздуха в цилиндре, кг/м³; численное значение плотности воздуха при соответствующей температуре определяется по таблице физических свойств или формуле

r = 1,293 – 3,5·10^-3 t.

3. Абсолютное давление воздуха в цилиндре Р₁, Па, для серии замеров определяется по формулам и т.д.

Р₁ = В + Р_м1, Р₂ = В + Р_м2 и т. д.

4. Значение газовой постоянной воздуха R, Дж/(кг·К), определяется из уравнения состояния

R₁ = P₁V₁ / MT, R₂ = P₂V₂ / MT и т.д.

5. Среднее значение газовой постоянной воздуха, найденное опытным путем, R_оп, Дж/(кг·К),

R₁ + R₂ + … + R_n

R_оп = -----------------------

n

6. Относительная погрешность, %,

R_оп – R

Δ = ---------------100

R

Допустимое значение относительной погрешности ±10%.

7. Аналогичные расчеты проводятся для определения R_оп при других значениях температуры воздуха.

8. Вывод по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ [1 - 3]

1. Рабочее тело. Идеальный и реальный газ.

2. Основные термические параметры состояния рабочего тела, их физический смысл и единицы измерения.

3. Уравнения состояния идеального газа для различного количества газа, их анализ.

4. Универсальная газовая постоянная. Ее физический смысл и численное значение. Газовая постоянная, ее определение.

5. Уравнение состояния реального газа, его анализ.

6. Уравнение состояния для газовой смеси, определение газовой постоянной смеси.

7. Термодинамический процесс ( равновесный, неравновесный, обратимый, необратимый ).

8. Основные газовые процессы, уравнения процессов Р = φ(V), графическое изображение процессов в P-V и T-S-координатах.

9. Работа и теплота процесса. Внутренняя энергия рабочего тела. Аналитическое выражение I-го закона термодинамики.

10. Работа расширения рабочего тела, работа сжатия. Графическое определение работы в P-V-координатах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплотехника / Под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980.- 496 с.

3. Юдаева Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача . М.: Высшая школа, 1988.- 480 с.

4. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. М.: Машиностроение, 1973.- 344 с.

РАБОТА № 2

Определение изобарной теплоемкости воздуха

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу технической термодинамики "Теплоемкость газов", а также овладение одним из способов экспериментального определения теплоемкости воздуха.

ЗАДАНИЕ

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить ее и вывести на заданный стационарный режим.

2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу измерений.

3. Определить массовую изобарную среднюю теплоемкость воздуха.

4. Найти справочное значение массовой изобарной средней теплоемкости воздуха на заданном интервале температур.

5. Вычислить погрешность найденного значения массовой изобарной средней теплоемкости по отношению к табличному.

6. Сделать выводы по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Удельной теплоемкостью называется количество тепла, которое необходимо подвести к единице количества вещества ( 1 кг , 1 моль , 1 м³ ), чтобы изменить его температуру на 1 градус. В связи с этим различают массовую с, кДж/(кг·град), мольную μc, кДж/(кмоль·град) и объемную с', кДж/(м³·град) теплоемкости, которые связаны соотношениями:

;

; (1)

,

где μ – молекулярная масса вещества, кг/моль;

ρ_н – плотность вещества при нормальных условиях ( t = 0 ˚С ,

p = 760 мм.рт.ст), кг/м³.

Поскольку подводимая к телу теплота зависит от характера процесса, теплоемкость будет свойством системы лишь в том случае, если процесс осуществляется при фиксированном значении какого-либо параметра системы:

(2)

Теплоемкость при x = V = const называется изохорной (C_v), а при x = p = const – изобарной (C_p). Эти теплоемкости для идеальных газов связаны соотношением:

C_p - C_v = R , (3)

называемым уравнением Майера.

Определяемая выражением (2) теплоемкость при данной температуре называется истинной.

Если в процессе нагрева (охлаждения) при постоянном давлении участвует М кг газа, средняя массовая изобарная теплоемкость (Дж/(кг · град)) определяется по формуле

,

где Q – количество теплоты, Дж;

( t₂ – t₁ ) – интервал температур, °С.

Данная формула положена в основу экспериментального определения изобарной теплоемкости воздуха.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2 5 1

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из калориметрической стеклянной трубки 3, снабженной электронагревателем 4 и наружной теплоизолирующей оболочкой 5. Воздух вентилятором 10 продувается через калориметрическую стеклянную трубку 3. Расход воздуха регулируется автотрансформатором 9 и измеряется ротаметром 11. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 8 и определяется по показателям амперметра 6 и вольтметра 7. Температура воздуха на входе и выходе из трубки измеряется термометрами 1 и 2, а абсолютное давление определяется по показаниям U-образного водяного манометра 12 и барометра 13.

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА

1. Включить установку поворотом ручки на щите в положение 1 и нажатием пусковой кнопки.

2. Поворотом ручек автотрансформаторов установить режим работы установки по заданию преподавателя (показания вольтметра и ротаметра должны находиться в пределах 30-50 В и 20-40 делений шкалы ротаметра).

3. При наступлении стационарного теплового режима установки (показания термометров 1 и 2 не изменяются во времени) записать в таблицу наблюдений показания всех приборов.

4. Нажатием кнопки "СТОП" и поворотом ручки в положение "0" выключить установку.

Т а б л и ц а наблюдений

№ пп	Наименование Величины	Обозначение	Размерность	Значение в опыте
1.   2.   3. 4. 5.   6. 7.	Температура воздуха на входе Температура воздуха на выходе Показания барометра Показания манометра Напряжение на нагревателе Сила тока в нагревателе Показание ротаметра	t1   t2   B Pм U   I h	°С   °С   мм рт.ст. мм вод.ст. В   А дел. шкалы

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Чтобы определить опытным путем среднюю массовую изобарную теплоемкость воздуха следует воспользоваться формулой

Найти величины, входящие в эту формулу.

1. Определить тепловой поток Q (Вт), который подводится к воздуху при прохождении его через экспериментальный участок калориметрической трубки

Q = W = U·I

2. Найти абсолютное давление воздуха р (Па) при прохождении его через ротаметр

Р = В + Р_м

3. Определить объемный расход воздуха через экспериментальный участок V (м³/с), для чего воспользоваться формулой

V = a + b·h ,

где а и b – тарировочные константы ротаметра,

а = 1,9·10^-4 м³/с; b = 1,08·10^-5 м³ / (с·дел. шкалы).

4. Определить массовый расход воздуха через экспериментальный участок М (кг/с) по формуле:

М = V · ρ,

где ρ – плотность воздуха при входе в экспериментальный участок, кг/м³ .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".

ЗАДАНИЕ

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.

2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.

3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.

4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.

5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.

6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.

7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

8. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре t_н, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.

При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,

r = u" - u' + p (v" -v'),(1)

или

r = i" - i', (2)

где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м³/кг;

u', i', v' - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м³/кг.

Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.

Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.

Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v', v", i', i", r, s', s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u', Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям

u' = i' -pv' (3)

и

u" = i" -pv" (4)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".

2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.

3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".

4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).

5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.

6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м³). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.

7. По барометру определить атмосферное давление P_a, мм.рт.ст.

8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.

9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.

Т а б л и ц а 1

Номер замера	U, В	I, А	Pа мм. рт. ст.	V, м3	t, с
1. 2. и т.д.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды r_оп , Дж/кг:

r_оп = (W - Q) t / (Vr),

где W = UI - мощность нагревателя, Вт;

Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;

r - плотность конденсата, кг/ м³. Принимаем r = 1000 кг/ м³.

2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по [4] табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.

Т а б л и ц а 2

v', м3/кг	i', кДж/кг	S', кДж/(кгК)	v", м3/кг	i", кДж/кг	S", Дж/(кгK)	r, кДж/кг

3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u' и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).

4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования r_оп , кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:

D = (r_оп - r) 100 / r .

5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

6. Сделать вывод по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ [1 - 3]

1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.

2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.

3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества

4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.

5. Удельная теплота парообразования жидкости.

6. Степень сухости, степень влажности пара.

7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.

8. Определение параметров влажного пара.

9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.

10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:: Высшая школа, 1980.- 496 с.

3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.

4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 408 с.

РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАПОЛНЕНИЯ СОСУДА ВОЗДУХОМ ПРИ ЕГО АДИАБАТНОМ ИСТЕЧЕНИИ ЧЕРЕЗ ДИАФРАГМУ

цель работы

Закрепление знаний по разделу "Процессы истечения реальных газов", а также определение параметров адиабатного истечения воздуха через диафрагму.

ЗАДАНИЕ

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить ее и вывести на заданный режим.

2. Провести опыт, снимая показания приборов и занося их в таблицу наблюдений.

3. Определить расчетные текущие значения времени, соответствующие заданным значениям давления.

4. Построить графики экспериментальной и расчетной зависимости b(t), сопоставить их и сделать выводы.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В соответствии с первым законом термодинамики для потока, теплота, подведенная к потоку рабочего тела извне, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энергии потока.

dq_внешн = di + dl_тех + d(с²/2) (1)

Это уравнение справедливо как для равновесных процессов, так и для течений, сопровождающихся трением.

Для увеличения скорости потока газа применяют специально спрофилированные каналы, называемые соплами. Для большинства технически важных задач наибольший интерес представляет рассмотрение случая адиабатного истечения газа через сопло, т.е. без подводки отвода тепла извне. Если рассматривать идеальное истечение потока (т.е. без учета трения о стенки сопла), то уравнение первого закона термодинамики для потока примет вид:

di + d(с²/2) = 0 (2)

где i - энтальпия потока, с - скорость потока.

Массовый расход воздуха при адиабатном истечении без трения можно определить по формулам:

при ,(3)

при b_кр _ b _ 1, (4)

b = Р₂/Р₁,

где Р₁ = 133.3Н_б – атмосферное давление, Па;

Р₂ = Р₁ - Р_в – абсолютное давление воздуха в сосуде, Па;

Т₁ = 273 + t₁ – абсолютная температура воздуха в помещении, К;

R = 287 Дж/(кг×К) – газовая постоянная воздуха;

k = 1.4 – постоянная адиабаты;

b_кр = 0.528;

F = 2.3×10^-7 м² – площадь сечения отверстия диафрагмы.

Из уравнения Клапейрона следует:

М = P₂V/(RT₂) = bP₁V/(RT₂), (5)

где М – масса воздуха в сосуде, кг;

V = (V_к -V_н)10^-3 – объем сосуда, м³;

Т₂ – температура воздуха в сосуде, К.

Внутри сосуда кинетическая энергия вытекающей из отверстия воздушной струи полностью преобразуется в энергию теплового движения молекул, поэтому Т₂ = Т₁.

Подставим М из (4) в (3), в результате интегрирования получим

(6)

где

; t_кр = А×(b_кр – b_н),

; С = ;

t_кр – продолжительность периода истечения с постоянной (критической) скоростью, с;

b_н – начальное (соответствующее t = 0) значение b.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из вакуум – насоса 1 с помощью которого в сосуде 2 создается разрежение, измеряемое вакуумметром 3, после чего производится заполнение сосуда атмосферным воздухом, приходящим через диафрагму 4. Объем приходящего воздуха измеряется газовым счетчиком 5.

3

Рисунок. Схема экспериментальной установки

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1. Повернуть ручку на щите в положение "1" и нажатием пусковой кнопки включить вакуум – насос. Открыть краны 6 и 7. В момент прохождения стрелкой газового счетчика деления шкалы 0 закрыть кран 6. При достижении разрежения в сосуде 0,93 кгс/см² закрыть кран 7 и включить вакуум – насос.

2. Записать в табл. 1 начальное показание вакуумметра Р_в, а в табл. 2. – начальное показание счетчика V_н.

Т а б л и ц а 1

Рн, кгс/см2	Рв, Па	b	t, с опыт	t, с расчет
0.93
0.9
0.8
0.7
…
0.1

3. Открыть кран 6, одновременно включив секундомер, и записать в табл. 1 моменты времени t, соответствующие указанным в первой графе значениям Р_в.

4. Записать в табл. 2 конечное показание счетчика V_к, температуру воздуха в помещении t, и показание барометра Н_б.

Т а б л и ц а 2

Vн, дм3	Vк, дм3	t1, 0С	Нб, мм.рт.ст.

Обработка опытных данных

1. По формуле (4) рассчитать значения b, соответствующие показаниям вакуумметра, приведенным в табл. 1.

2. По формулам (6) рассчитать зависимость t(b), результаты расчета записать в табл. 1.

3. Построить графики экспериментальной и расчетной зависимости b(t), сопоставить их.

4. Сделать выводы по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Написать уравнение первого закона термодинамики для потока.

2. Какие каналы называются соплами и диффузорами?

3. Что называется располагаемой работой?

4. Написать уравнение первого закона термодинамики для потока применительно к теплообменному аппарату, тепловому двигателю, компрессору, соплу и диффузору.

5. Скорость истечения идеального газа при адиабатном процессе.

6. Критическое отношение давлений и его определение.

7. Дать описание сопла Лаваля.

8. Как определяется скорость истечения и секундный расход газа при выходе из сопла Лаваля?

9. Как определяется минимальное и выходное сечение сопла Лаваля?

10.Нарисовать процесс адиабатного истечения идеального газа в T-s и i-s-диаграммах.

11.Нарисовать процесс адиабатного истечения реального газа в газа в T-s и i-s-диаграммах.

12.Что такое дросселирование газа?

13.Нарисовать процесс дросселирования в i-s-диаграмме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплотехника / Под ред. А.П. Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.- 466 с.

Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.- М.: Энергия, 1973.- 344 с.

РАБОТА № 5

СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с основными характеристиками влажного воздуха и J-d-диаграммой; освоить методику экспериментального исследования процесса нагревания влажного воздуха и сушки материалов нагретым воздухом.

ЗАДАНИЕ

1. Провести процесс сушки влажного материала.

2. Определить параметры процесса сушки и рассчитать требуемые в работе величины.

3. Изобразить процессы изменения состояния влажного воздуха в J-d-диаграмме.

4. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать задание, основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, результаты наблюдений (в виде таблиц), обработку опытных данных, график процессов нагревания и сушки в J-d-диаграмме.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В сушильном деле в качестве сушильного агента, т.е. среды, поглощающей влагу из высушиваемого материала, зачастую используют влажный воздух. Поэтому знать его свойства очень важно. По своему физическому состоянию он близок к идеальным газам.

ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ называют смесь сухого воздуха (не содержащего молекул воды) с водяным паром.

Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара. Существует предел содержания в воздухе водяного пара, при превышении которого водяной пар начинает конденсироваться и переходить в туман или росу. Воздух, содержащий максимально возможное количество водяного пара, называют НАСЫЩЕННЫМ ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ. Влажный воздух, который не содержит при данном давлении и температуре максимально возможное количество водяного пара, называют НЕНАСЫЩЕННЫМ. Он занимает по содержанию водяного пара промежуточное положение между сухим и насыщенным.

Согласно закону Дальтона, каждый газ, входящий в смесь, находится под своим (парциальным) давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси:

р = р_в + р_п , (1)

где р = р_вл.в. – давление влажного воздуха;

р_в и р_п – соответственно парциальные давления сухого воздуха и водяного пара.

При р = В

В = р_в + р_п, (2)

где В – барометрическое давление.

В насыщенном воздухе при его температуре ниже 100 ^оС парциальное давление пара р_п равно давлению насыщения р_н при этой температуре (р_н = р_п), а в ненасыщенном воздухе р_п < р_н.

Характеристиками влажного воздуха служат его АБСОЛЮТНАЯ и ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ. Абсолютной влажностью воздуха называется масса пара М_п, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха V_. Численно она равна плотности водяного пара при своем парциальном давлении и температуре смеси:

ρ_п = М_п /V , кг/м³ (3)

Относительной влажностью воздуха φ называется отношение абсолютной влажности r_п к максимально возможной абсолютной влажности воздуха r_нас при той же температуре:

φ = ρ_п /ρ_нас (4)

или

φ = %. (5)

Поскольку для идеальных газов плотности компонентов смеси пропорциональны своим парциальным давлениям,

φ = %. (6)

Относительная влажность характеризует способность воздуха насыщаться влагой: чем меньше φ, тем при прочих равных условиях больше сушильная способность воздуха. Для насыщенного воздуха φ = 100 %, для ненасыщенного φ < 100 %.

В процессах изменения состояния влажного воздуха, как правило, количество сухого воздуха не изменяется, а количество пара в нем меняется в зависимости от конденсации части пара или испарения жидкости во влажный воздух. Поэтому удобно расчеты вести не на 1кг влажного воздуха, а на 1кг сухого воздуха (1кг с.в.). Важным параметром является влагосодержание влажного воздуха. ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕМ ВОЗДУХА называется отношение массы пара М_п во влажном воздухе к массе сухого воздуха М_в. Влагосодержание воздуха измеряют в килограммах на килограмм (кг/кг) или в граммах на килограмм (г/кг):

d = М_п / М_в (7)

Величину влагосодержания можно выразить через парциальные давления:

d = 0.622р_п /(р–р_п), (8)

или при р = В

d = 0.622р_п /(В–р_п) (9)

Плотность влажного воздуха r равна сумме плотностей пара ρ_п и сухого воздуха ρ_в, взятых при своем парциальном давлении и при температуре смеси:

ρ = ρ_п + ρ_в, кг/м³ (10)

Плот