
1457
.pdflЭ1 |
|
IК UК |
10 3, |
|
|||
|
|
G |
где IК – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, А; UК – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, В.
12. Работа электрического тока, кДж/кг, на II участке (подсистеме):
lЭ2 |
|
IH UH |
10 3, |
|
|||
|
|
G |
|
где IН – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А; UН – |
напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В. |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Результаты расчетов должны |
быть |
продублированы |
в |
форме |
||||||||
сводной табл. 1.2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.2 |
||
|
|
Результаты расчетов |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измеряемая величина |
|
Обоз- |
|
Едини- |
|
Номера опытов |
|
||||
|
|
|
|
на- |
|
ца |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
чение |
|
изм. |
|||||||
|
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
Атмосферное давление |
|
|
рАТМ |
|
Па |
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Перепад давления воздуха |
в |
|
р |
|
Па |
|
|
|
|
|
|
|
воздухомере |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
3. |
Плотность воздуха |
по |
|
Г |
|
кг/м3 |
|
|
|
|
|
|
|
состоянию в горле воздухомера |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
Расход воздуха |
|
|
G |
|
кг/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Плотность воздуха в сечении |
|
ρ2a |
|
кг/м3 |
|
|
|
|
|
|
||
|
IIа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
Средняя скорость потока |
в |
|
w2a |
|
м/с |
|
|
|
|
|
|
|
сечении IIa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
7. |
Плотность воздуха при выходе |
|
ρ2 |
|
кг/м3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
из трубы (сечение II) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
Средняя скорость потока при |
|
w2 |
|
м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
выходе из трубы (сечение II) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
9. |
Работа электрического тока на |
|
lЭ1 |
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
первом участке (подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
10. Изменение энтальпии потока |
|
h1 |
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
||
|
на первом участке (подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измеряемая величина |
|
Обоз- |
Едини- |
|
|
Номера опытов |
|
|
|||||||||||
|
|
|
на- |
ца |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
чение |
изм. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
11. |
Изменение кинетической |
|
Экин1 |
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
энергии потока на первом участке |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
(подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. 1.2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12. |
Количество |
теплоты, |
|
qН1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
отдаваемое на первом участке в |
|
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
окружающую среду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
13. |
Работа |
электрического тока |
|
lЭ2 |
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на втором участке (подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
14. |
Изменение энтальпии потока |
|
h2 |
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
на втором участке (подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
15. |
Изменение |
кинетической |
|
Экин2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
энергии потока на втором участке |
|
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
(подсистеме) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16. |
Количество |
теплоты, |
|
qН2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отдаваемое на втором участке в |
|
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
окружающую среду |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
17. |
Общее |
количество тепла, |
|
qН |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отдаваемое в окружающую среду |
|
|
кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
термодинамической системой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета:
h1 h2a h1;
ЭКИН1 |
|
W 2 |
10 3; |
|||
|
|
2a |
||||
|
2 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
qH1 lЭ1 |
h1 ЭКИН1; |
|||||
h2 h2 h2a; |
||||||
|
W 2 |
W 2 |
||||
ЭКИН 2 |
|
2 |
|
2a |
10 3; |
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
qH 2 lЭ2 |
h2 |
ЭКИН 2; |
qH qH1 qH 2.
Контрольные вопросы
11
1.Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?
2.Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3.Какими методами измеряется температура в данной работе?
4.Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5.На что расходуется мощность, подведенная к компрессору, и как она определяется?
6.Сформулируйте и напишите аналитические выражения первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек.
7.Каков физический смысл величин, входящих в уравнения
первого закона термодинамики для замкнутой и разомкнутой оболочек?
8.Дайте определение и поясните физический смысл понятий теплоты и работы в технической термодинамике.
9.Что означают знаки « + » и « − » для теплоты и работы?
10.На что и каким образом влияет изменение нагрева трубы при постоянном расходе воздуха?
11.На что расходуется мощность, подведенная для нагрева трубы,
икак она определяется?
12.Как осуществляется выбор контрольных оболочек (границ) подсистем (системы) применительно к данной лабораторной работе?
13.В каком месте и почему границы подсистем (системы) размыкаются?
14.Что называется внутренней энергией рабочего вещества? Свойства внутренней энергии и расчетные формулы.
15.Что называется энтальпией рабочего вещества? Свойства энтальпии и расчетные формулы.
12
Лабораторная работа 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
1.Цель работы. Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и процессов изменения параметров влажного воздуха.
2.Основные положения. В общем случае влажный воздух – это
гетерогенная смесь сухого воздуха, водяного пара и находящихся во взвешенном состоянии капель воды и кристаллов льда. Если во влажном воздухе отсутствуют капли воды и кристаллы льда, то влажный воздух является гомогенной парогазовой смесью сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов систем вентиляции и кондиционирования воздуха, а также процессов сушки влажных материалов и изделий.
Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.
Закон Дальтона формулируется так: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, как если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси:
р = рСВ + рП ,
где р – барометрическое давление; рСВ, рП – парциальное давление сухого воздуха и водяного пара.
Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано для сухого воздуха и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в виде
р V = m R T,
или для 1 кг рабочего вещества:
р v = R T,
где р – парциальное давление компонента, Па; V – объем газовой смеси, м3;
m – масса газа, кг;
R – газовая постоянная рабочего вещества, Дж/(кг К); T – абсолютная температура, К;
13

v – удельный объем газа, м3/кг.
Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено через абсолютную, или относительную влажность, или через влагосодержание.
Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1м3 влажного воздуха.
Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем его способность к насыщению зависит от температуры. При насыщении воздух не поглощает влагу и избыточная влага начинает конденсироваться. Способность воздуха к насыщению характеризуется относительной влажностью .
Относительная влажность – это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха или газа к концентрации водяного пара насыщенного воздуха или газа при одинаковых температурах и давлениях, т.е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре
итом же барометрическом давлении:
П ,
Н
где П – плотность пара в ненасыщенном состоянии (перегретого пара), кг/м3; Н – плотность пара в состоянии насыщения (сухого насыщенного пара), кг/м3.
Относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что водяной пар является идеальным газом, составляет ~ 1,5 %, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность влажного воздуха при температуре менее 100 ОС:
П рП .
Н рН
Для абсолютно сухого воздуха, когда рП = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для влажного воздуха, насыщенного водяными парами, рП = рН и = 1. Поэтому можно сказать, что
14

относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.
Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящихся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха.
d1000 МП , г/кг сух. возд.,
МВ
где МП и МВ – массы водяного пара и сухого газа, кг.
Используя уравнение состояния для влажного воздуха, можно записать:
d 622 |
pH |
, г/кг сух. возд. |
|
p pH
Давление р, входящее в формулу, зависит от географического положения местности (для центральных частей России р = 745 мм рт. ст.). Влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяного пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха ( = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает.
Энтальпию влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму энтальпий сухого газа и перегретого водяного пара. Энтальпия влажного воздуха, кДж/кг, обычно относится к 1 кг сухого воздуха:
d h hB hП 1000 ,
где hB = 1,006 t – энтальпия сухого воздуха, кДж/кг;
1,006 кДж/(кг К) – средняя теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении;
hП = 2500 + 1,97 t – энтальпия водяного пара, равная сумме его
теплосодержания при 0 ОС и теплоты перегрева от 0 ОС до t;
1,97 кДж/(кг К) – средняя теплоемкость перегретого водяного пара. Таким образом, энтальпия влажного воздуха, кДж/кг, на 1 кг
сухого воздуха определяется по формуле
h = 1,006 t + 0,001 d (2500 + 1,97 t).
15

Анализ формулы показывает, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.
Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным. При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы ( = 1). Температуры точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении рН или по h-d-диаграмме влажного воздуха.
Схема и описание установки. Лабораторная установка (рис. 2.1) представляет собой прозрачный пластмассовый воздуховод 1, внутри которого установлен психрометр, состоящий из двух ртутных термометров: сухого 5 и «мокрого» 4.
5 |
4 |
1 |
6
3 9
8 |
|
|
H |
|
|
|
|
|
10 |
||
|
7 |
|
|
11
2 |
12 |
Рис. 2.1. Схема установки: 1 – воздуховод; 2 – компрессор; 3 – баллончик с водой; 4 – мокрый термометр; 5 – сухой термометр; 6 – электронагреватель; 7 – автоклав; 8 – поворотная заслонка; 9 – труба «Вентури»; 10 – пьезометр; 11 – барометр; 12 – термометр
16
Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды.
Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компенсатором создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 9 по показаниям U-образного вакуумметра 10.
При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tС, а мокрый – температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tМ.
Причем чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tC – tМ). Переход одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6. В работе предусмотрена возможность изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также изменение влагосодержания путем впрыскивания в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. Результаты наблюдений вносятся в протокол (табл. 2.1).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|||
|
|
Результаты расчетов |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Измеряемая величина |
Обозна |
Едини- |
|
|
Номера опытов |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
-чение |
ца |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
||
|
|
|
изм. |
|
|
|||||||
1. |
Температура |
сухого |
tC |
ОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
термометра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Температура |
мокрого |
tМ |
ОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
термометра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Разряжение в «горле» |
Н |
мм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воздухомера |
|
вод. ст. |
|
|
|
|
|
|
|
|
17

|
Измеряемая величина |
Обозна |
Едини- |
|
Номера опытов |
||||
|
-чение |
ца |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
изм. |
|||||||
4. Показания барометра |
В |
мбар |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Температура |
tОКР |
ОС |
|
|
|
|
|
|
окружающей среды |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Расчетные формулы и расчеты.
1. Приступая к вычислениям, необходимо рассчитать истинное значение температуры мокрого термометра, ОС, по формуле
tM ' tM tC tM , 100
где tМ – показание мокрого термометра в психрометре, ОС;
– ошибка в процентах от измеренной психрометрической разности (tC – tМ), определяемая по графику рис. 2.1 в зависимости от скорости потока воздуха;
tС – температура по сухому термометру, ОС.
18

Поправ- ка
психро- метри- ческой
разнос- ти,
%
60 |
|
|
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
|
0,0 м/с |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,051 |
|
20 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,126 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
0,253 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
0,506 |
|
|
|
|
|
|
|
||
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1,012 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
2,53 |
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
5,06 |
|
|
|
|
|
|
|
0,01 |
10,12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,06 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05
0,03
0,02
0,01
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Показания смоченного термометра, ОС
Рис. 2.2. График для определения величины ошибки к показаниям мокрого термометра при разной скорости воздуха
2. Атмосферное давление, Па, находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
рАТМ |
В 102 |
|
|
. |
|
1 1,815 10 4 tОКР |
3. Перепад давления воздуха, Па, в воздухомере:
р g h.
где = 1000 кг/м3 – плотность воды в U-образном вакуумметре; g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;
h – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод. ст.
19