Теплотехника. Лабораторный практикум для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«БУРЯТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ В. Р. ФИЛИППОВА»

ТЕПЛОТЕХНИКА

Составители:

Ю.Ц. Бадмаев, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова

Допущено Методическим советом Бурятской ГСХА имени В.Р. Филиппова в качестве лабораторного практикума

для обучающихся инженерного факультета по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

Улан-Удэ Бурятская ГСХА

2023

1

УДК 631.3:631.8(571,54) Б153

Протокол методического совета ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия

имени В.Р. Филиппова» № 8 от 14 апреля 2021 г.

Рецензенты:

А.А. Абидуев – д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Технический сервис АПК и ОИД» ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В. Р. Филиппова»;

Т. В. Еремина – д.т.н., профессор кафедры «Экология, недропользование и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет технологии и управления».

Б153 Теплотехника. Лабораторный практикум для обучающихся по направлению подготовки «Агроинженерия» / Сост.: Ю.Ц. Бадмаев, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова. – Улан-Удэ: ФГБОУ ВО БГСХА, 2023. – 83 с. – (Высшее образование)

Учебное пособие по дисциплине «Теплотехника» предназначено для обучающихся инженерного факультета по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», направленность «Электрооборудование и электротехнологии».

Пособие включает описание 10 лабораторных работ, цель и задание, описание экспериментальных установок и методику выполнения работ, примеры расчетов и контрольные вопросы для проверки полученных знаний.

Приведены теоретические предпосылки. Основной целью учебного пособия является научить обучающихся выполнять лабораторные исследования на основе теоретических знаний, полученных по лекционным материалам.

УДК 631.3:631.8(571,54)

© Ю.Ц. Бадмаев, М.Б. Балданов, Л.П. Шкедова, составление, 2023 © ФГБОУ ВО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова, 2023

2

3

Введение

Лабораторный практикум по дисциплине «Теплотехника» соответствует ФГОС ВОпо направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» (уровень бакалавриата).

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом – теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).

4

Лабораторная работа № 1

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Цель лабораторной работы:

Изучение термодинамических характеристик влажного воздуха и методов их определения.

Содержание лабораторной работы:

Экспериментальное определение абсолютной и относительной влажности воздуха, парциального давления водяных паров, энтальпии влажного воздуха и его влагосодержания.

Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Лабораторная установка состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр 13 (рисунок 1.1). Площадь проходного сечения воздуховода F состав-

ляет 0,0177 м2.

Психрометр состоит из «сухого» 5 и «мокрого» 4 ртутных термометров. «Мокрый» термометр отличается от «сухого» тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, «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 резервуара с водой 3. Поток воздуха создается компрессором 2. Расход воздуха через воздуховод измеряется устройством типа трубки «Вентури» 9 по показаниям водяного U-образного вакууметра 10.

В процессе экспериментального исследования существует возможность изменять режимы работы опытной установки. Переход от одного режима работы установки к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6, регулирования скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также путем подачи в поток воздуха различного количества водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. При достижении ста-

5

ционарного (установившегося) режима работы опытной установки разность показаний «сухого» и «мокрого» термометров не изменяется во времени. В процессе исследования рекомендуется проводить от 3 до 6 опытов, характеризующихся установившимися режимами работы установки.

Рис. 1.1. Схема лабораторной установки 1 - воздуховод; 2 – компрессор; 3 – резервуар с водой; 4 – «мокрый» термометр;

5 – «сухой» ртутный термометр; 6 – электрический нагреватель; 7 – автоклав; 8 – заслонка; 9 – трубка «Вентури»; 10 – U-образный вакууметр;

11 – барометр; 12 – термометр; 13 – психрометр

Результаты измерений в процессе экспериментов заносятся в протокол экспериментальных исследований (таблица1.1).

6

Обработка результатов экспериментального исследования

Для определения истинного значения температуры мокрого термометра tм′ необходимо рассчитать скорость воздуха в воздуховоде w. Для этого следует определить атмосферное давление

( pатм ,Па) с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

расходомере, м вод.ст. (1 мбар = 10 мм вод.ст.)

Плотность воздуха ( в ,кг / м3 ) в самом узком сечении расхо-

домера (трубки «Вентури») 9 находится из уравнения Клапейрона

( в F )

7

Поправка к психрометрической разности температур ( , %) определяется из графика (рисунок1.1) в соответствии со значением средней скорости потока воздуха в воздуховоде ( w) и показания «мокрого» термометра (tм). С учетом поправки к психрометрической разности температур находится истинное значение температуры «мокрого» термометра

Относительная влажность воздуха в воздуховоде определяется по психрометрической формуле

где K− поправочный коэффициент, учитывающий особенности конструкции лабораторной установки и скорость воздуха в воздуховоде,

B − барометрическое давление, Па;рs м− давление насыщения водяного пара при истинном значении температуры «мокрого»

термометра ( t'м ), Па; рs− давление насыщения водяного пара при температуре «сухого» термометра (tс ), Па.

Значения давления насыщения водяного пара рs м и рs находятся по таблицам термодинамических свойств водяного пара на линии насыщения (ПриложениеI, табл. П-1).

Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе

абсолютная влажность воздуха ρвп находится из уравнения состояния

а его влагосодержание – по соотношению

8

где Rвп – характеристическая газовая постоянная водяного пара,

Rвп 462 Дж /( кг К ) ;

Энтальпию влажного воздуха, отнесенную к 1 кг сухого воздуха (hвв , кДж / кг сухого воздуха), можно рассчитать по приближенной формуле (18).

В процессе исследования основные характеристики влажного воздуха определяются также с помощью h d диаграммы (рису-

нок1.2).

Результаты обработки опытных данных и характеристики влажного воздуха, найденные с помощью h d диаграммы, вносятся в таблицу (таблица1.2).

Таблица 1.2 – Основные результаты исследования

Пример расчета

Контрольные опыты проводились для 6 установившихся режимов работы экспериментальной установки. Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6, регулирования влагосодержания путем подачи в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7, и изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8. Опытные данные по одному из проведенных опытов представлены в таблице1.3.

9