Міністерство освіти і науки України

Українська інженерно-педагогічна академія

 

 

 ТЕХНІЧНА Термодинаміка

 

методичні вказівки до лабораторних робіт

№ 1 - 4

для студентів спеціальностей:

6.090500 – Теплові електричні станції

6.01010023 – Професійне навчання. Технологія текстильної та легкої промисловості

6.01010009 - Професійне навчання. Технологія та обладнання зварювання

 

 

Затверджено

Науково-методичною Радою

Української інженерно -

педагогічної академії

Протокол № 3 від 09.12.2003р.

 

 

 

 

 

Харків 2003


УДК 621.311.22 (075.5)

Технічна термодинаміка. Методичні вказівки до лабораторних робіт №1-4/ Упоряд. Л.І.Загребельна, Н.О.Блінова.- Харків: УІПА, 2003.- 32с.

 

 

Анотація. Лабораторні роботи призначенні для закріплення лекційного матеріалу з дисципліни „Технічна термодинаміка”, та практичного досвіду  у визначенні теплоємності повітря, основних властивостей вологого повітря, дослідження роботи поршневого компресору та парокомпресорної холодильної установки.

 

 

 

 

 

 

Відповідальний випусковий Н.О.Блінова

 

 

Рецензент: Г.І.Канюк, канд.техн.наук, доц.

 

 

 

 

 

 

 

 

© Л.І.Загребельна, Н.О.Блінова

© УІПА


Лабораторна робота 1.

 

Визначення ізобарної теплоємності повітря при атмосферному тиску.

 

Мета роботи - оволодіння основними методами калориметричного експерименту.

Для виконання лабораторної роботи студенти повинні вивчити такі розділи технічної термодинаміки: «Енергетичні характеристики термодинамічних систем» і «Рівняння стану ідеальних газів».

 

1.1. Загальні методичні вказівки.

 

Середня теплоємність визначається відношенням тепла, підведеного до одиниці кількості речовини в процесі нагрівання її від температури t1 до t2, до різниці цих температур. В установці здійснюється вимірювання тепла Q, яке необхідно підвести до певної кількості повітря Vo для того, щоб підвищити його температуру на деяку, точно виміряну, величину  Dt = t2 - t1.

 

1.2. Опис експериментальної установки. Обладнання і прилади.

 

Вимірювання теплоємності повітря робиться в скляному проточному калориметрі 1 (рис. 1.1.).

Рисунок 1.1  Схема експериментальної установки

Для зменшення теплових втрат в навколишнє середовище калориметр знаходиться в скляній оболонці 2, а повітря з простору між калориметром і оболонкою видалене. В калориметрі розміщений електричний нагрівач 3, за допомогою якого підводиться тепло до досліджуваного повітря. Живлення нагрівача змінним струмом здійснюється через автотрансформатор 14, конструкція якого дозволяє регулювати вихідну потужність, тобто потужність нагрівача. Вимірювання потужності в колі підігрівача проводиться ватметром 13. Регульована витрата повітря через калориметр утворюється центробіжним компресором 7, що приводиться до дії електродвигуном 6. Досліджуване повітря засмоктується з приміщення лабораторії, проходить через індикатор-реометр 11, далі через калориметр 1 і компресором викидається назовні.

Вимірювання різниці температур повітря Dt на вході та на виході. Температура повітря на вході в калориметр приймається рівною температурі повітря в приміщенні лабораторії і вимірюється термометром. а також температури повітря на виході t2 проводиться за допомогою мідьконстантанових термопар 4, підключених через перемикач 9 до переносного потенціометру 8. Термопари не мають холодних спаїв, тому при вимірюванні t2 необхідно зробити поправку на температуру зовнішнього середовища. Різниця температур Dt=t2-t1  вимірюється за допомогою диференціальної температури. Витрата повітря регулюється затискачем 10.

1.3. Порядок проведення експерименту.

Перед початком досліду необхідно включити компресор (пакетний вимикач 5) і потенціометр, а також перевірити показання термопар. Відсутність Е.Д.С. в ланцюзі термопар свідчить про те, що дроссель-ефект в даній установці дорівнює нулю. В іншому випадку величину дроссель-ефекту слід врахувати при розрахунку Dt і вважати постійною. Потім треба ввімкнути нагрівач (перемикач15) і спостерігати по показаннях потенціометра за збільшенням температури повітря на виході з калориметра. Регулюючи потужність нагрівача, досягти, щоб підвищення температури повітря в калориметрі складало 15 - 20о С. Встановлений режим можна вважати досягнутим, якщо з часом температура t2 не змінюється і зробити перемикання 9 для виміру Dt.

З одночасним ввімкненням нагрівача загоряється сигнальна лампа 16 і лампа 17 для підсвічування ватметра.

Після досягнення усталеного режиму записуються показання індикатора-реометра (h, мм вод. ст.), ватметра (W, Вт) та потенціометра (DE, мВ).

 

 

 

 

1.4. Обробка результатів експерименту.

 

За витратною характеристикою індикатора-реометра визначити витрату повітря через калориметр. Витратна характеристика показана графіком Vo=¦(h), де Vo - витрата повітря в нормальних умовах. За графіком E = ¦(t) визначити різницю температур повітря Dt на вході та виході з калориметра за виміряною DE, мВ.

За величинами W, Dt і Vo треба розрахувати середню ізобарну теплоємність повітря для інтервалу температур від t1 до t2. Нехтуючи тепловими втратами в навколишнє середовище і враховуючи, що в даній установці вимірюється не масова витрата, а об’ємна, визначити середню об’ємну ізобарну теплоємність за формулою:  

(1.1)

 

де W - потужність нагрівача, Вт;

Vo - об’ємна витрата повітря, нм3/год;

t2 - t1 - різниця температур повітря на виході та вході в калориметр, о С.

Середня масова теплоємність для того ж самого інтервалу температур

 

(1.2)

 

де m- маса 1 моль повітря, яка дорівнює 28,97 кг/кмоль.

Крім того, необхідно розрахувати й середню ізохорну теплоємність повітря Сv. Оскільки в даному випадку повітря за своїми властивостями близьке до ідеального газу, то зв’язок між теплоємностями виражається формулою Майєра

 

Cv = Cp - R,

(1.3)

 

 

де R - питома газова постійна повітря   кДж/кг К  , яка дорівнює 8,314/m.

Отримані величини ізобарної та ізохорної теплоємностей слід порівняти з табличними значеннями та зіставити величину їх розходження з максимально можливою помилкою в експериментальних даних.

Використовуючи дані досліду, обчислити величину показника адіабати для повітря в ідеальному газовому стані

 

(1.4)

 

і порівняти її з табличними даними.

Експериментальне дослідження теплоємності газу дозволяє обчислити на основі отриманих даних його ентальпію та внутрішню енергію. Якщо початок відрахунку ентальпії (і = 0) прийняти при температурі t = 0 о С, то значення ентальпії ідеального газу

 

  кДж/кг

(1.5)

 

За цим рівнянням можна обчислити величину ентальпії повітря при температурі t2 на виході з калориметра під час досліду, прийнявши за Ср отримане значення теплоємності. Потім визначити, при якій температурі з врахуванням прийнятих умов буде знаходитись початок відрахунку внутрішньої енергії повітря. Для знаходження цієї температури треба скористатися умовою

U = h -RT = Cpmt0 - R(t0 + 273,15) = 0,

звідси, о С

 

(1.6)

 

Значення внутрішньої енергії повітря при температурі t2 обчислити, заміняючи Cvm розрахунковим значенням теплоємності Cv, кДж/кг:

 

(1.7)

 

Оцінка точності експериментальних даних.

Для розрахункової формули теплоємності максимально можлива відносна помилка визначення теплоємності:

 

(1.8)

 

де dW - відносна помилка потужності нагрівача, яка залежить від ціни поділки ватметра;

d(t2 - t1) - відносна помилка різниці температур, що залежить від масштабу потенціометра та масштабу графіка Е = ¦(t);

d(Vo) - відносна помилка об’ємної витрати повітря, що залежить від ціни поділки індикатора-реометра і масштабу графіка Vо = ¦(h);

 

 - помилка відношення по температурі, яка дорівнює

0,000067 1/град.

 

1.5. Зміст звіту.

 

Опис експериментальної установки та її схематичне зображення. Опис спостережень і результатів вимірів. Обробка експериментальних даних. Висновки.

 

1.6. Питання для самоперевірки.

 

Внутрішня енергія та її властивості.

Ентальпія. Її властивості.

Рівняння Майєра.

Рівняння КладейРона.

Відмінність між істинною і середньою теплоємністю.

Залежність теплоємнoсті від характеру підведення тепла.

Література: [2; с. 14 - 19; с. 80 - 89].

 

Лабораторна робота 2.

 

Дослідження роботи поршневого компресора.

 

Мета роботи - визначення об’ємної та масової подачі компресора, показника політропи стискання повітря в циліндрі, дійсної роботи і коефіцієнта корисної дії компресора.

Для проведення лабораторної роботи необхідно вивчити розділи технічної термодинаміки «Термодинамічний аналіз процесів ідеального газу» і «Компресори».

 

2.1. Загальні методичні вказівки.

 

Для стискання газоподібних речовин використовуються поршневі, ротаційні, центробіжні та осьові компресори.

На рис. 2.1. показана схема двохступеневого компресора з проміжним охолодженням стиснутого повітря в теплообміннику (холодильнику).

Процес стискання в такому компресорі показано на рис. 2.2.

Рисунок 2.1 Схема двоступеневого компресора

Атмосферне повітря (див. рис. 2.2 а) через впускний клапан засмоктується в циліндр першого ступеня (процес 5 - 1), потім стискається політропно (процес 1 - а) і переганяється в теплообмінник (процес а - 4). Рухаючись по теплообміннику, повітря охолоджується до початкової температури (процес а - в, див. рис. 2.2 б) і впускається до циліндра другого ступеня (процес 4 - в, див. рис. 2.2 а). Потім охолоджене повітря стискається в другому ступені (процес 2 - в) та нагнічується до газозбірника (процес 2 - 3).

Як бачимо з індикаторної діаграми, показаної на рис. 2.2 а, використання двохступеневого компресора замість одноступеневого забезпечує окрім меншої температури стиснутого повітря істотний виграш в роботі, що вимірюється площею ab2d.

Для отримання найбільшої економічності роботи (тобто найменшої роботи, витраченої на стискання газу), проектуючи багатоступеневі компресори, звичайно прагнуть виконати декілька умов: по-перше, необхідна рівність  температур газу на вході в усі ступені компресора і на виході ступіней (відповідно і теплота, яку відводять в кожному ступені компресора, однакова); по-друге, слід певним чином розподілити роботу між ступенями. Найбільш вигідним виявляється багатоступеневе стискання у випадку, якщо відношення тисків в кожному ступені однакове.

 

Рис. 2.2. Індикаторна діаграма

 

Для двохступеневого компресора 

Звідки  

 

Або  

 

де x - відношення тисків в кожному ступені;

m - число ступіней компресора;

P2 - тиск повітря, що виходить з другого ступеня;

Р1 - тиск повітря, що надходить до першого ступеня.

Такий розподіл тисків призводить до того, що температури повітря на виході з кожного ступеня рівні (Т2 = Та), а також рівні роботи всіх ступенів. Тому для визначення роботи багатоступеневого компресора достатньо визначити роботу одного ступеня і збільшити її в m разів.

Ідеальний цикл роботи ступеня поршневого компресора показаний на теоретичній індикаторній діаграмі (рис. 2.3.). Процеси всмоктування, стискання та нагнітання газу показані  відповідно лініями 4 - 1, 1 - 2, 2 - 3.

 

 

Рис. 2.3. Теоретична індикаторна діаграма роботи компресора

 

На цьому рисунку показані для порівняння три термодинамічні процеси стискання повітря в циліндрах двохступеневого компресора: адіабатний 1 - 2, політропний 1 - 2, ізотермічний 1 - 2.

Процес стискання повітря в компресорі залежить від умов, за яких він здійснюється. Якщо стискання відбувається настільки швидко, що теплообмін між газом і стінками циліндра незначний, то процес стискання можна вважати адіабатним.

За реальних умов через наявність теплообміну між газом, що стискається, та стінками циліндра процес стискання можна розглядати як політропний зі значенням показника політропи більшим, ніж 1 (ізотерма), але меншим за К (адіабата), тобто 1< n < K.

Якщо припустити, що віддача тепла від стискання повітря до стінки інтенсивно охолоджуваного циліндра настільки велика, що температура газу залишається постійною, то процес стискання буде йти за ізотермою.

Приймаючи роботу стискання lст = òpdv та нагнітання lн = P2V2 позитивною, а всмоктування lвс = Р1V1 негативною, повну роботу компресора при одноступеневому стисканні 1 кг газу визначають за формулою

 

l = lcm + lн + lвc = òpdv + P2V2 - P1V1

 

Індикаторна діаграма роботи реального компресора (рис. 2.4.) відрізняється від теоретичної тим, що внаслідок опору, який чиниться впускним і нагнітаючим клапанами газу, що рухається, всмоктування відбувається при меншому тиску газу в циліндрі, ніж атмосферний тиск, а тиск стиснутого газу в циліндрі компресора дещо більший за тиск в нагнітаючому патрубку.

Рис. 2.4. Дійсна індикаторна діаграма роботи компресора.

 

За конструктивним міркуванням в циліндрах компресора між поршнем у положенні ВМТ і кришкою циліндра існує так званий шкідливий простір Vшк. Звичайно шкідливий простір складає 2 - 5 % від повного об’єму циліндра V[1]. Коефіцієнт шкідливого об’єму циліндра  

Робочий об’єм циліндра

Vh = V - Vшк = V(1 - h шк),

звідки повний об’єм циліндра

V = Vh (1 - hшк)-1,

де . Тут d і S - діаметр і хід поршня. Отже, шкідливий простір циліндра Vшк = 0,09V.

Очевидно, що через наявність шкідливого простору не весь газ виходить з циліндра в процесі виштовхування - в циліндрі залишається газ, який заповнює шкідливий простір циліндра з тиском Р2. При зворотному ході поршня тиск газу в шкідливому просторі буде постійно зменшуватись (крива 3 - 4, рис. 2.4) і всмоктуючий клапан циліндра відкриється лише тоді, коли тиск в шкідливому просторі Р2 стане дещо менше, ніж Р1.

Об’єм залишкового газу в циліндрі Vo перед початком процесу всмоктування можна знайти, виходячи з таких умов:

P2 Vшк = RT2;     P1Vo = RT1,

 

Звідки       

 

Наявність шкідливого простору в циліндрі компресора знижує подачу компресора, оскільки зменшується кількість газу, який всмоктується поршнем за один цикл.

Зменшення подачі поршневого компресора характеризується об’ємним ККД, який складає звичайно hv = 0,7 = 0,9.

Якщо знехтувати підігрівом поступаючого до компресора газу від стінок циліндра і залишкових газів, то годинна об’ємна подача компресора може бути визначена з рівняння.    

де і - число циліндрів;

n - частота обертання валу компресора;

а масова - зі співвідношення    

де R - газова постійна;

r1 - густина всмоктуваного газу;

Р1¢= 0,95 Р1 - дійсний тиск газу в компресорі наприкінці процесу всмоктування.

Тут 0,95 - коефіцієнт, що враховує втрату тиску у всмоктуючому клапані. Показник політропи стискання на дільниці підвищення тиску від Р1¢ до Р2 можна визначити за формулою 

За дослідними даними при стисканні повітря в поршневому компресорі показник політропи стискання n = 1,3 - 1,4; у випадку вельми інтенсивного охолодження повітря при стисканні n = 1,2 - 1,25.

 

2.2. Опис експериментальної установки. Обладнання та прилади.

 

Схема установки для знімання характеристики роботи компресора наведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Схема експериментальної установки.

 

Установка складається з двохциліндрового компресора 1, що приводиться до дії електродвигуном 2. З компресора стиснуте повітря надходить до газозбірника 3. Коли тиск повітря в газозбірнику сягає заданої межі, надлишкове повітря випускають через запобіжний клапан 4 в атмосферу. Температура стиснутого повітря вимірюється хромель-алюмілевою термопарою 5, тиск - манометром 6. Термо-ЕДС термопари фіксується потенціометром 7. Потужність, яка споживається електродвигуном привода компресора, вимірюється ватметром 8. Частота обертання валу компресора вимірюється тахометром.

 

2.3. Порядок проведення експерименту.

 

Після виходу компресора на робочий режим дається витримка 10 - 15 хв. Якщо протягом цього часу показання приладів залишаються незмінними, значить компресор працює стійко, можна починати замирювання показань приладів. За відповідними приладами записуються такі параметри:

·                    атмосферний тиск повітря (за барометром) В, мм. рт. ст.;

·                    температура атмосферного повітря (за термометром), t, о С;

·                    тиск стиснутого повітря (за манометром), Рман, атм.;

·                    ЕРС термопари, встановленої на виході з компресора (за потенціометром) Е2, мВ;

·                    частота обертання валу компресора (за тахометром), об/хв;

·                    потужність привідного електродвигуна (за ватметром) W, кВт.

 

 

 

2.4. Обробка результатів експерименту.

 

Параметри повітря перед стисканням:

·                    тиск,  бар  Р1¢ = 0,95 Р1,

- де   Р1 = В × 0,98/735,6;

- температура, К   Т1 = 273 + t.

Параметри стиснутого повітря:

·                    тиск, бар Р2 = 0,98 (Рман + Р1¢);

·                    температура:

·                    поправка на температуру холодного спаювання, mV;

DЕхс = 0,041th,

ЕРС, відповідна до температури t2,

Е = Е2 + DЕхс

температура стиснутого повітря, о С і К відповідно     

або   .

Робочий об’єм циліндра, см3         ,  де d і S - діаметр і хід поршня см.

Завдавшись коефіцієнтом шкідливого об’єму циліндра hшк = 0,05 визначаємо:

- повний об’єм циліндра, см3

V = Vh/1 - hшк,

- шкідливий об’єм циліндра, см3

Vшк = hшк (1 - hшк)-1Vh,

- об’єм циліндра, заповнений залишковим повітрям, см3

Об’ємний ККД     

Подача компресора:

 - об’ємна, м3/год

Vгод = hv(1 - hшк)-1 × Vh × і × n× 60 × 10-6,

 

де і - кількість циліндрів;

n - частота обертання валу компресора;

масова, кг/год      

де R - газова постійна.

Показник політропи стискання       

Теоретична робота стискання 1 кг повітря при Р2 = Р2¢ = Р2¢¢ визначається за такими рівностями, Дж/кг:

при ізотермічному стисканні         

 

при адіабатному стисканні        

де К = 1,4 - показник адіабати для повітря;

при політропному стисканні         

Повну теоретичну роботу стискання 1 кг повітря можна визначити за такими рівностями:

- ізотермічне стискання

lізот = lст ізот;

- адіабатне стискання

lад = К × lст ад;

- політропне стискання

lпол = n × lст пол

Тепло, яке відводять у стінки циліндра в процесі стискання 1 кг повітря:

 - ізотермічне стискання

q = lст ізот;

- адіабатне стискання

q = 0;

 - політропне стискання, Дж/кг

q = С(Т2 - Т1),

де     - теплоємність політропного процесу.

Тут Cv - ізохорна теплоємність повітря.

Зміна внутрішньої енергії в процесі стискання 1 кг повітря, Дж/кг:

при ізотермічному процесі

DU = 0;

при адіабатному процесі

DU = Сv2¢¢ - Т1),

де           

в політропному процесі

DU =Сv2 - Т1),

де Т2 - виміряна температура.

Повна робота політропного стискання М кг повітря

Ln = mМlпов,

де М - масова подача компресора;

m - кількість ступенів.

Теоретична необхідна потужність компресора, кВт 

Коефіцієнт корисної дії компресорної установки - 

де Ng - потужність привідного електродвигуна.

Результати розрахунків зводяться до таблиці.

 

 

Процес

Температура стискання Т2, К

Робота стискання 1 кг газу lст, Дж/кг

Повна робота ln, Дж/кг

Відведене тепло q, Дж/кг

Зміна внутрішньої енергії DU, Дж/кг

ізотермічний

 

 

 

 

 

адіабатний

 

 

 

 

 

політропний

 

 

 

 

 

 


 

2.5. Зміст звіту.

 

Мета і зміст роботи. Опис спостережень та записи вимірювань. Обробка результатів експерименту. Аналіз результатів розрахунків.

 

2.6. Питання для самоперевірки.

 

1.Вивчаючи роботу ідеального компресора, які робляться припущення, що відрізняють його від роботи реального компресора?

2.Чому в реальному компресорі повітря надходить до циліндра не на всьому ході впуску?

3.Який процес стискання повітря в циліндрі компресора більш вигідний - ізотермічний чи адіабатний?

4.Які будова та принцип роботи компресора?

5.До яких тисків стискання газу застосовують одноступеневий компресор?

6.Особливості теоретичної індикаторної діаграми багатоступеневого компресора.

7.За яких умов здійснюється багатоступеневе стискання?

Література: [2, с. 217 - 228].

 

Лабораторна робота 3.

 

Основні властивості вологого повітря.

 

Мета роботи - дослідження стану повітря в різних перерізах повітряного тракту і визначення кількості випареної вологи на 1 кг сухого повітря, витрати теплоти на 1 кг випареної вологи та теплоти, відданої окремими частинами установки до навколишнього середовища.

Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити розділ технічної термодинаміки «Вологе повітря».

 

3.1. Загальні методичні вказівки.

 

Процеси у вологому повітрі часто зустрічаються у розрахунку та експлуатації сушарок, у вирішенні питань про вибір оптимальної температури вихідних газів з котлоагрегату димових газів, якщо в його топці згоряє багатосернисте й вологе паливо при стисканні повітря в компресорах тощо.

Оскільки найчастіше процеси у вологому повітрі відбуваються при тисках, близьких до атмосферного, його властивості можна описати рівняннями для сумішей ідеальних газів. Однак водяний пар, який є у невеликих кількостях у вологому повітрі, при температурах, які часто зустрічаються в практиці, конденсується, а іноді й замерзає, тобто поводиться як реальний газ.

Це робить розрахункові формули більш складними, ніж звичайні для сумішей ідеальних газів. Тому, розраховуючи процеси у вологому повітрі, часто користуються графічними та графоаналітичними методами.

Згідно з законом Дальтона, кожний газ, який входить у суміш, знаходиться під своїм (парціальним) тиском, а сума парціальних тисків компонентів дорівнює тиску суміші:

 

Р = Рс.п + Рп

(3.1)

 

де Р - тиск вологого повітря (суміші);

Рс.п. - парціальний тиск сухого повітря в суміші;

Рп - парціальний тиск пара.

Якщо температура вологого повітря tв, а отже, і пара у вологому повітрі більша за температуру насичення ts, яка відповідає парціальному тиску пара, то пар в такому разі не насичує простір і є перегрітим. Такий стан пара відповідає точці 1 на діаграмі hd (рис. 3.1).

 

Рис. 3. 1. Діаграма hd.

 

Якщо ненасичене вологе повітря охолодити при Р = const, то може настати момент початку конденсації, коли Рп = Рss - тиск насиченого пара). Такий стан пара у вологому повітрі відповідає точці А.

Разом з цим справедливе співвідношення t = tп = ts. В такому разі пар у вологому повітрі стає сухим і насиченим. При  подальшому охолодженні суміші пар почне конденсуватися, тобто буде спостерігатися утворення туману (випадення роси).

Температура, до якої необхідно охолоджувати ненасичене вологе повітря, щоб утримуваний в ньому перегрітий пар став насиченим, є температурою точки роси:

tp = ts

Абсолютно вологість - це кількість кілограмів пара в 1 м3 вологого повітря. Оскільки об’єм пара в суміші дорівнює об’єму всієї суміші, абсолютна вологість дорівнює густині пара при своєму парціальному тиску і температурі вологого повітря, кг/м3:

(3.2)

Відносна вологість повітря - це відношення абсолютної вологості до максимально можливої при температурі вологого повітря:

(3.3)

З огляду на те, що водяний пар розглядається як ідеальний газ, для якого за постійної температури густини прямо пропорційні тиску, відносну вологість визначають таким чином:

(3.4)

 

Стан пара, який має максимальну густину при t = const, тобто густину сухого насиченого пара, відповідає точці В на рис. 3.1. Значення цієї густини знаходиться в таблицях властивостей водяного пара [1. табл. 1].

Іноді трапляється, що температура вологого повітря виявляється більшою за температуру насичення при тиску Р (тиск суміші), наприклад, стан, зафіксований в точці 2 на рис. 3.1. В такому разі простір виявляється насиченим лише тоді, коли він повністю заповниться паром. Максимально можлива кількість пара в даному об’ємі буде наявна за повною відсутністю сухого повітря, і величину Рmax слід шукати в таблицях перегрітого пара як функцію Р і t (точка С на рис. 3.1).

Вологовміст вoлогого повітря визначається відношенням маси водяного пара, який утримується у вологому повітрі, до маси сухого повітря:

(3.5)

Якщо мається на увазі газоподібна частина суміші або випадок, коли рідких часток води в суміші немає, зв’язок між парціальним тиском пара і вологовмістом визначається таким чином:

(3.6)

 

а густина вологого повітря

(3.7)

Ентальпія вологого повітря, яку заведено відраховувати від стану води в трійній точці (тобто практично від t = 0 о С), для зручності розрахунків також відноситься до 1 кг сухого повітря. Якщо прийняти припущення про ідеальність водяного пара і повітря, ентальпія вологого повітря не залежить від тиску і визначається  за рівнянням:

(3.8)

 

де hс.п. - ентальпія сухого повітря;

dп і dр - відповідно кількість води, яка знаходиться у вологому повітрі у вигляді пара та рідини;

hп - ентальпія водяного пара;

hр - ентальпія води.

Ентальпія окремих компонентів суміші, кДж/кг:

сухого повітря hс.п. = СРс.п. × t;

пара h п = 2501 + 1,92 t;

води h p = 4,19 t1.

Тут прийнято, що теплоємність не залежить від тиску та температури, а теплота паротворення води r (tт.р.) віднесена до температури в трійній точці.

Після підставлення відповідних значень ентальпій отримуємо таке рівняння, кДж/кг: 

(3.9)

Розрахунки, пов’язані з вологим повітрям, спрощуються, якщо використовувати діаграму hd вологого повітря. Ця діаграма побудована для Рпов = 745 мм рт.ст., що відповідає середньому річному значенню барометричного тиску в нашому районі України.

В діаграмі h-d наочно зображуються основні процеси повітря.

 

3.2. Опис експериментальної установки.

 

Обладнання і прилади.

Експериментальна установка подає собою модель сушильної установки, в якій сушильним агрегатом є кімнатне повітря, а  матеріалом, який підлягає сушці, є гнути, змочені водою. Схема установки подана на рис. 3.2. Її основними елементами є калорифер і сушильна камера. В калорифері повітря до надходження до сушильної камери нагрівається для підвищення його здатності випарювати вологу. В сушильній камері за рахунок підведення тепла від нагрітого повітря вода, яка утримується в гнутах, випарюється й

 

 

 

                                                     повітря

Рис. 3.2 Схема експериментальної установки

відноситься потоком повітря. Калорифер складається з металевої труби 1, в якій знаходиться ще одна труба 2. В цій трубі розташовується електричний нагрівач 3. Повітря засмоктується з приміщення лабораторії вентилятором 4, який призводиться до дії електромотором 5, і проходить до калорифера. Потужність, яка витрачається електронагрівачем, вимірюється ватметром 6, може регулюватись за допомогою автотрансформатора 7. Нагріте повітря надходить до сушильної камери 8. Сушильна камера подає собою трубу, в якій розміщується вологий матеріал 9, який підлягає сушці. Після сушильної камери повітря виходить назовні. Стан повітря на вході в калорифер визначається за допомогою психрометра, а температура повітря після калорифера і сушильної камери вимірюється термометрами 10 і 11.

 

3.3. Порядок проведення експерименту.

 

Перед початком досліду треба впевнитися в тому, що досліджуваний матеріал добре зволожений. В цей же час ввімкнути вентилятор і нагрівач калорифера.

Після цього треба почати вимірювання відносної вологості повітря, яке подається в калорифер. Через кожні 30 с записуються показання «сухого» та «мокрого» термометрів. Як розрахункові беруться найнижче значення tм і відповідне йому значення tсух. На підставі цих спостережень на  діаграму hd наноситься точка 1 (рис. 3.3), яка характеризує стан повітря, яке надходить до калорифера й таким чином визначається його відносна вологість.

 

Рис. 3.3.ДіаграмаРV

Стаціонарний режим характеризується постійністю відносної вологості повітря за сушаркою.

Коли стане ясно, що відносна вологість за сушаркою практично залишається постійною, слід розпочати дослід, який має тривати 15 хв. В момент початку й кінце досліду необхідно зафіксувати час. Протягом досліду через кожні 3 хвилини треба записувати показання ватметра і термометрів.

 

3.4. Обробка результатів експерименту.

 

На діаграму hd наносяться усі процеси, які відбуваються в експериментальній установці (див. рис. 3.1). Стан кімнатного повітря на вході в калорифер визначається за показанням психрометра. Процес нагрівання повітря в калорифері триває до точки 2, яка визначається виміряною протягом досліду температурою перед сушаркою, оскільки процес нагрівання повітря в калорифері відбувається при d = const. Точка 2 на діаграмі hd визначається перетином ліній d1 і t2.

Процес сушіння матеріалів відбувається при H = const та зі збільшенням вологості повітря. Точку 3, яка відповідає стану повітря за сушильною камерою, знаходять на перетині лінії h2 = h3 й t3.

В точках 1,2 і 3 визначаються значення вологовмісту d, ентальпії h та відносної вологості j.

Кількість випареної з матеріалу вологи на 1 кг сухого повітря, г/кг

mвологи =  d3 - d1                                              3.10)

Кількість тепла на 1 кг сухого повітря, передане нагрівачем повітрю, за вирахуванням втрат тепла в навколишнє середовище калориферами й сушильною камерою, кДж/кг

 

DH = H3 - H1

(3.11)

 

Для підрахунку кількості випареної вологи протягом досліду треба визначити кількість сухого повітря mс.п. у вологому повітрі (об’ємна витрата Vс.п. відома), кг  

(3.12)

Парціальний тиск повітря, Па,

 

Рс.п. = Р - Рп

(3.13)

 

де Рп - парціальний тиск пара у вологому повітрі, яке знаходять за формулою (3.6) враховуючи те, що Р дорівнює барометричному тиску.

Кількість випареної вологи протягом досліду, кг

 

mвологи = 10-3(d3 - d1)`mс.п

(3.14)

 

Кількість тепла, сприйнята сушильним агрегатом в калорифері, кДж

 

QK = mс.п.(h2 - h1)

(3.15)

 

Дійсна кількість тепла, яка витрачається на 1 кг випареної вологи, Дж

(3.16)

де W -  потужність нагрівача, Вт.

 


3.5. Зміст звіту.

 

Опис експериментальної установки та її схематичне зображення. Опис спостережень та результатів вимірів. Обробка експериментальних даних в аналітичній формі. Визначення кількості тепла, витраченого на 1 кг випареної вологи.

3.6. Питання для самоперевірки.

1.  Що таке відносна вологість?

2.  Як визначається відносна вологість?

3.  Що таке температура точки роси?

4.  Як змінюється ентальпія і вологість повітря в процесі сушіння матеріалу?

5.  Що зветься вологим повітрям?

6.  Закон Дальтона відносно вологого повітря.

7.  Як зображуються основні процеси вологого повітря в діаграмі hd?

Література: [2, с. 210 - 217].

        

Лабораторна робота 4.

 

Дослідження парокомпресорної холодильної установки.

 

Мета роботи - вивчення основних циклів холодильних машин, методів аналізу їхньої ефективності та впливу режимних факторів на енергетичні характеристики.

Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити такі розділи технічної термодинаміки: «Цикли холодильних установок», «Водяний пар».

 

 

4.1. Загальні методичні вказівки.

 

Використовуючи вологий пар будь-якої речовини, можна створити холодильну машину, яка працює за зворотнім циклом Карно. Однак труднощі, які виникають при технічній реалізації теоретичних розробок Карно, призвели до відмови від цього циклу. Головна відміна циклу реальної парокомпресорної холодильної машини від зворотного циклу Карно полягає в заміні процесу адіабатного розширення процесом адіабатного дроселювання вологого пара.

Теоретичний цикл парової компресорної холодильної машини поданий на рис. 4.1 діаграмою.

Рисунок 4.1. Цикл парокомпресорної холодильної малини

Цикл складається з наступних основних процесів:

1 - 2 - адіабатне дроселювання вологого пара;

2 - 2 - відведення тепла від охолоджуваного об’єкта (кипіння хладагента  у випарнику при постійній температурі та постійному тиску);

2 - 5 - процес перегрівання пара хладагента відбувається частково у випарнику, частково в трубах підведення хладагента;

3 - 4 - ділянка контрольованого підведення у витратомірі-калориметрі. Наявність цієї ділянки характерна тільки для  даної експериментальної установки;

5 - 6 - процес адіабатного стискання хладагента у компресорі;

6 - 1 - відведення тепла від хладагента в  навколишнє середовище.

Слід визначити, що ділянка перегрівання пара 2 - 5 може бути відсутньою і точка 6, яка визначає стан пара на виході з компресора, може знаходитись як в області перегрітого пара, так і в області вологого пара. Від того, в якій області закінчується процес стискання, тобто від ступеня перегрівання пара, залежить ефективність холодильної установки, яку характеризує холодильний коефіцієнт Е.

 Холодильний коефіцієнт циклу Ец можна знайти як відношення тепла q, яке забирають від охолоджуваного об’єкта, до роботи lц, яку необхідно виконати для стискання газу:

 

Ец = q/lц

(4.1)

 

Виразивши теплоту і роботу як різницю ентальпій у відповідних точках, отримаємо

  

(4.2)

 

Дійсні процеси, які відбуваються в елементах холодильної установки, супроводжуються низкою витрат, які викликаються опорами в клапанах і магістралях, теплообміном між паром і стінками циліндра компресора, тертям та іншими причинами. Дійсний холодильний коефіцієнт установки Ед, враховуючий перелічені витрати, можна визначити як відношення дійсної холодопродуктивності Q до ефективної потужності Nl, яка споживається електродвигуном з мережі. Значення дійсного холодильного коефіцієнта Ед завжди менше за Ец і залежить як від особливостей циклу (наявність чи відсутність перегрівання пара), так і від конструктивної досконалості холодильної машини.

 

4.2. Опис експериментальної установки.

 

 Обладнання та прилади. Експерименти з вивчення впливу режимних факторів робляться на установці, схема якої подана на рис. 4. 2.

 

 

Рисунок 4.2 схема холодильної установки

Позначення на схемі:

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - хромель-алюмелієві термопари для вимірювання температур у характерних точках. Номери термопар на схемі відповідають номерам точок на рис. 3.1. та номерам позицій термопарного перемикача на пульті керування установкою; 8 - компресор; 9 - радіатор; 10 - манометр для вимірювання тиску перед дроселем; 11 - дросельний вентиль; 12 - манометр для вимірювання тиску за дроселем; 13 - вікно для візуального спостереження за станом холодоагрегату після дроселя; 14 - вікно для спостереження за станом холодоагрегата після випарника; 15 - випарник; 16 - теплообмінник витратоміра холодоагрегата; 17 - нагрівальний елемент витратоміра; 18 - електродвигун; 19 і 20 - вентилятори для інтенсифікації теплообмінних процесів; 21 - нагрівач для зміни теплового режиму камери; Р1 і Р2 - реле, які вимикають електродвигун у випадку значних відхилень температур в холодильній камері та в компресорі від номінальних значень.

Вимірювальними приладами являються ватметр для вимірювання активної потужності в одній фазі електродвигуна, а також амперметр і вольтметр для визначення потужності нагрівального елемента витратоміра. Вимірювання ЕДС термопар виконується потенціометром типу ПП - 63. Температури вільних спаїв термопар визначаються за термометром, встановленим у коробці з вільними спаями.

Холодильний агрегат герметизований та заправлений фреоном - 12.

 

4.3. Порядок проведення експерименту.

 

В даній роботі знімання вимірювань передбачено тільки при стаціонарному режимі. Час виходу на стаціонарний режим - 25 хв.

Одночасно з вмиканням електродвигуна привода компресора вмикається й нагрівальний елемент витратоміра.

Вентилятор 20 та нагрівач 21 можуть бути або увімкнені або вимкнуті в залежності від вказівок викладача.

Протягом виконання лабораторної роботи з вивчення впливу режимних факторів на холодильний коефіцієнт вимірюванню підлягають такі параметри:

температура навколишнього середовища, to, o С;

атмосферний тиск Во, мм рт.ст.;

ЕДС термопар DЕ1 - DЕ7, мВ;

тиск перед дроселем Р1, атм;

тиск поза дроселем Р2.

Потужність, яку споживає двигун компресора з мережі:

Nдв = 3Nф,

де Nф - потужність однієї фази, яка визначається ватметром.

Теплова потужність нагрівача витратоміра

Wн = UI,

де I - струм в колі нагрівача;

 U - напруга на нагрівачеві.

Оскільки на різних режимах роботи виконується вимірювання одних й тих самих параметрів, їх доцільно заносити до таблиці.

Результати вимірювань

п/ч

to,

o C

B, мм

рт. ст.

DЕ1,

мВ

DЕ2,

мВ

DЕ3,

мВ

DЕ4,

мВ

DЕ5,

мВ

DЕ6,

мВ

DЕ7,

мВ

Р1,

атм

Р2,

атм

N,

Вт

Wн,

Вт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На основі даних, наведених вище, складається таблиця основних параметрів, які характеризують холодильну установку.

За відомою температурою вільних спаїв термопар та ЕРС кожної з термопар визначаються температури холодоагрегата в характерних точках t1, t2, ..., о С.

За виміряними надлишковими тисками Р1 і Р2, барометричним тиском В визначається абсолютний тиск холодоагрегата, МПа.

В результаті розрахунку визначаються значення температури і тиску для кожної з точок, позначених на рис. 4.1. Це дає можливість побудувати цикл даної холодильної машини в діаграмі h  - lg P (або в будь-якій іншій) для фреону - 12.

З діаграми визначаються ентальпії хладагента в характерних точках. Результати розрахунку дозволяють визначити енергетичні характеристики циклу й даної холодильної машини в залежності від режимних факторів.

 

4.4. Обробка результатів експерименту.

 

Теоретичний холодильний коефіцієнт циклу визначимо за формулою (4.2).

Витрату хладагента в системі можна розрахувати за рівнянням теплового балансу для калориметра-витратоміра. Разом з цим припускається, що все тепло, яке виділилось на спіралі нагрівача 17, піде на вимірювання ентальпії потоку хладагента.

М(h н - hз) = Wн,

звідси

М = Wн / h н - h з.

Холодопродуктивність машини, тобто кількість тепла, яка забирається в одиницю часу від охолоджуваного об’єкта, знайдемо з рівняння

 

Q = М(h 5 - h 2)

 

Для відповіді на питання про вплив режиму роботи на холодильний коефіцієнт і холодопродуктивність необхідно знайти значення указаних параметрів при різних режимах роботи, зокрема й при роботі машини з вологим ходом. Разом з цим до компресора машини надходить вологий пар. Точка 5 на рис. 4.1. зсувається усередину області двохфазного стану. Положення точок 3 і 4 на діаграмі буде невизначеним, оскільки воно залежить від неконтрольованого ступеня сухості пара. Точка 6 може знаходитись як в області перегрітого, так і в області вологого пара.

Оскільки метод експериментального визначення витрати, який застосовується в даній установці, придатний лише в тому разі, якщо до витратоміра надходить перегрітий пар, холодопродуктивність установки, яка працює вологим ходом, розраховують посереднім чином.

Для довільного режиму роботи

 

(4.3)

 

де V - об’ємна продуктивність компресора, м3/с;

l - коефіцієнт, враховуючий зниження продуктивності компресора через наявність шкідливого об’єму (рис. 4.3). V5 - питомий об’єм холодоагрегата, який надходить до компресора;

 

Рисунок 4.3 Залежність коефіцієнта λ від співвідношення тисків Р12

У випадку, якщо у нас є дані з двох режимів, один з яких з сухим ходом компресора, а інший - з вологим, для обох режимів можна записати таке:  

 

(4.4)

 

Оскільки об’ємна продуктивність компресора не змінюється при зміні режиму роботи (постійність кількостей обертань асинхронного двигуна), то, виключивши з рівнянь (4.3) і (4.4) V, знайдемо холодопродуктивність машин при роботі з вологим ходом: 

 

Визначення всіх інших параметрів, які характеризують цикл та ефективність машини, працюючої з вологим ходом, виконується так само, як попереднє.

Після обробки експериментальних даних, отриманих у декількох експериментах, будуємо графік залежності холодопродуктивності від холодильного коефіцієнта.

 

 

4.5. Зміст звіту.

 

Опис експериментальної установки та її схематичне зображення. Опис спостережень та результатів вимірювань. Обробка експериментальних даних в аналітичній і графічній формах.

Визначення холодопродуктивності машини та холодильного коефіцієнта.

 

4.6. Питання для самоперевірки.

 

1.  Як впливає зміна температурних рівнянь на холодильний коефіцієнт?

2.  Як впливає наявність ділянки перегрівання пара перед входом в компресор на холодильний коефіцієнт циклу і на внутрішній ККД компресора?

3.  Як і чому змінюється холодопродуктивність парокомпресорної холодильної установки при зниженні температури, за якої відбувається відведення тепла?

4.  Що таке холодильний коефіцієнт?

5.  На які групи розподіляються холодильні установки?

Література: [2, с. 162 - 173; с. 297 - 298].

 

Список літератури.

 

1.  Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е Техническая термодинамика. - М.: Энергия, 1974.

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

 

 

 


Зміст

 

Лабораторна робота 1. Визначення ізобарної теплоємності

повітря при атмосферному тиску.

Лабораторна робота 2. Дослідження роботи поршневого

компресора.

Лабораторна робота 3. Основні властивості вологого повітря.

Лабораторна робота 4. Дослідження парокомпресорної

холодильної установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

Навчальне видання

 

 

 

 

 

Технічна термодинаміка.

 

Методичні вказівки до лабораторних робіт 1-4 студентів денної та заочної форми навчання спеціальностей: 6090500, 6.01010023, 6.01010009

 

 

 

 

 

Упорядник : доц. Л.І. Загребельна, ас.Блінова Н.О.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Формат 60х84 Умов.друк.арк.1,5 Тираж 50 прим.

_________________________________________________________________

© Українська інженерно-педагогічна академія

______________________________________________________________

УІПА, 61003, Харків, вул. Університетська, 16.