2 Описание лабораторной установки

Установка состоит из трех блоков: устройства для получения вакуума, подогреваемой кюветы, наполовину заполненной водой, измерительно-регулирующего устройства (рисунок 1).

Вакуум создается водоструйным насосом 2, внутри которого струя воды, имеющая высокую скорость и низкое статическое давление, увлекает откачиваемый воздух и интенсивно смешивается с ним. Производительность такого насоса возрастает с повышением давления воды на его входе. Поэтому вода поступает от центробежного насоса 1 и циркулирует в установке по замкнутому циклу. Предельное теоретически достижимое остаточное давление воздуха практически равно давлению насыщенных паров воды при данной температуре.

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки

Кювета 3 наполовину заполнена водой. Она соединяется с вакуумным насосом посредством гибкого шланга и вакуумного крана 4. Вода подогревается инфракрасным нагревателем, встроенным в основание установки. Температура измеряется платиновым термосопротивлением, помещенным в изогнутый тонкостенный кожух из нержавеющей стали. Давление паров воды в кювете измеряется с помощью датчика давления. Данные о текущих значениях температуры и давления выводятся на дисплей измерителя-регулятора 5, управляющего работой инфракрасного нагревателя по заданной программе.

3 Программа работы

1. Подключить установку к настенной розетке и включить переключатель «сеть» на передней панели прибора.

2. Включить переключатель «нагрев», первая ступень. Выждать, пока переключатель не погаснет. Это означает, что инфракрасный нагреватель отключился после достижения заданной температуры воды (30 ^оС).

3. Закрыть натекатель воздуха в систему повернув его до упора по часовой стрелке. Включить водяной центробежный насос (выключатель зеленого цвета), перевести флажок вакуумного крана на четверть оборота против часовой стрелке, тем самым соединив откачиваемый объем с вакуумным водоструйным насосом.

4. Дождаться закипания воды, перевести флажок крана в первоначальное положение. Открыть натекатель воздуха, повернув его до упора по часовой стрелке. Выключить насос. Снять показания температуры (нижнее информационное табло) и давления (верхнее табло)

5. Включить переключатель «нагрев», вторая ступень. Одновременно снимая показания температуры и давления и записывая их в таблицу, продолжать нагрев до температуры 70 С с интервалом t = 5 С. Выключить нагреватель.

6. По данным таблицы построить график зависимости lnp = f(1/T), убедиться в его линейности, по наклону графика определить теплоту парообразования L воды. Сравнить полученный результат с табличным.

Контрольные вопросы

1 Начертите график зависимости температуры жидкости от времени нагрева при неизменном давлении и поясните его смысл.

2 Начертите график зависимости температуры кипения жидкости от внешнего давления и поясните его смысл.

3 Дайте определение скрытой удельной теплоте парообразования и конденсации жидкости.

4 Каким уравнением описываются фазовые переходы первого рода?

5 Выведите зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления.

Лабораторная работа № 3. Исследование режимов работы линии электропередачи с помощью схемы замещения

Цель работы: Определить какие факторы и как влияют на потери напряжения и мощности в линии электропередачи.

Общие сведения

Всякий потребитель электрической энергии получает ее от генератора по воздушной или кабельной линии передачи, выполненной из металлического (медного, алюминиевого или стального) провода и обладающей определенным сопротивлением. Это сопротивление обуславливает падение напряжения и потерю мощности в линии.

При изменении числа включенных потребителей электрической энергии изменяется величина тока в линии, что обуславливает изменение падения напряжения и потерь мощности в линии и отражается на работе потребителей.

При анализе процессов, происходящих в линии электропередачи, выделяют следующие режимы работы:

1) Режим холостого хода ( = ∞), при котором потребитель отключен, ток в линии отсутствует, напряжение на разомкнутых зажимах наибольшее.

2) Режим короткого замыкания ( = 0), при котором выходные зажимы линии замкнуты накоротко, напряжение на них равно нулю, в цепи протекает ток короткого замыкания.

3) Согласованный режим ( = ), при котором сопротивление нагрузки равно входному сопротивлению источника электроэнергии. В этом случае нагрузке передается наибольшая полезная мощность при коэффициенте полезного действия (КПД) равном 0,5.

4) Оптимальный режим ( >> ), в котором обеспечиваются наилучшие условия передачи энергии от активного двухполюсника нагрузке. КПД здесь может достигать значений 0,95 ÷ 0,97.

Для теоретического и экспериментального изучения процессов в двухпроводной линии электропередачи пользуются эквивалентной схемой замещения (рисунок 1), где - сопротивление линии; - эквивалентное сопротивление всех подключенных потребителей; - ток в линии; - напряжение в начале линии; - напряжение в конце линии (у потребителя).

Рисунок 1 – Эквивалентная схема замещения двухпроводной линии электропередачи

С учетом принятых обозначений

;	(1)
;	(2)
;	(3)
.	(4)

Энергетический процесс в схеме характеризуется следующим соотношением мощностей:

мощность, отдаваемая генератором в линию

;

(5)

мощность потерь электрической энергии в линии

;

(6)

мощность, отдаваемая линией потребителю (мощность нагрузки)

.

(7)

Коэффициент полезного действия линии определяется как отношение мощностей и :

.

(8)

Если в формуле (7) ток выразить через отношение мощности потребителя к напряжению у потребителя и подставить это выражение для тока в формулу (6), то для мощности потерь электрической энергии в линии получается следующее выражение:

.

(9)

Согласно (9), при постоянной мощности нагрузки величина потерь в линии обратно пропорциональна квадрату напряжения, т.е. электрическую энергию экономично передавать при высоких напряжениях. Однако с ростом напряжения увеличивается стоимость изоляции линии. На практике применяют тем большее напряжение, чем больше передаваемая мощность и дальность передачи.

Заменив в формуле (8) и их выражениями по (5) и (7), получим новую форму записи выражения для расчета коэффициента полезного действия линии:

.

(10)

Описание лабораторной установки

Работа выполняется на лабораторном стенде, схема которого изображена на рисунке 2.

В качестве потребителей используется магазин сопротивлений, обозначенный на схеме .

В качестве аналога линии электропередачи используются два проволочных сопротивления. Общее сопротивление линии .

Максимальный ток будет при коротком замыкании в конце линии (сопротивление =0). Ток короткого замыкания

.

Рисунок 2 – Схема цепи для исследования режимов работы линии электропередачи

Программа работы

1. С помощью источника питания установить заданное значение ЭДС E в цепи (рисунок 2). Величину ЭДС указывает преподаватель или лаборант.

2. Изменяя величину сопротивления нагрузки от значения = 0 (режим короткого замыкания) до R_Н = R_max (режим холостого хода), измерить ток I в линии, напряжение U₁ на входе линии и напряжение U₂ на зажимах нагрузки (8–10 измерений). Результаты эксперимента занести в таблицу 1.

Таблица 1 – Данные измерений и результаты расчетов параметров линии электропередачи

Результаты измерений					Результаты расчетов
E, В	RН, Ом	I, А	U1, В	U2, В	U, В	RЛ, Ом	RЛ СР, Ом	P1, Вт	P2, Вт	, -

3. По ранее приведенным формулам вычислить для всех режимов (исключая режим холостого хода) , и занести их в правую часть таблицы 1. Вычислить величину и также занести ее в таблицу 1.

Примечание. Работа выполнена правильно, если сопротивление проводов линии в каждом опыте отличается от среднего значения не более чем на 10 %.

4. По результатам эксперимента вычислить для всех режимов значения , , и занести их в таблицу 1. Численное значение коэффициента полезного действия рассчитывается по формуле (10).

5. По данным таблицы 1 построить в общей системе координат зависимости , , , , , от тока .

6. Проанализировать зависимости , , , , , от тока . При анализе выявить и обосновать области возрастания (убывания) этих величин, установить их экстремумы.

Используя экспериментальные данные, установить, при каком соотношении сопротивлений линии электропередачи и нагрузки и при каком значении коэффициента полезного действия мощность нагрузки является максимальной. Отметить особенности режимов: холостого хода, номинальной работы, короткого замыкания. Выявить рациональные по величинам и режимы работы для мощных линий и слаботочных цепей связи, телемеханики и автоматики. Сделать выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит электрическая цепь?

2. Сформулируйте законы Ома и Кирхгофа. Расскажите о методике применения их к расчету простых цепей постоянного тока.

3. Расскажите о тепловом действии электрического тока. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

4. Какой режим электрической цепи называется номинальным и какой рабочим?

5. Почему уменьшается напряжение на зажимах источника при увеличении его нагрузки (тока в цепи)?

6. В чем особенности режимов холостого хода и короткого замыкания электрической цепи? Укажите признаки режимов холостого хода и короткого замыкания.

7. Какой режим электрической цепи является согласованным и где он используется?

8. Как изменится напряжение в конце линии электропередачи, если в середине линии произойдет короткое замыкание?

9. Объясните, почему при больших мощностях передача энергии на большие расстояния производится при высоких напряжениях?

10. Объясните пути уменьшения потерь напряжения в проводах линии электропередачи.

Лабораторная работа № 5. Изучение принципа действия ядерного реактора

Цель работы: изучить принцип работы ядерного реактора и на его модели отработать режимы запуска, управления мощностью и остановки реактора.