Экспериментальная установка

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 .