Термодинамика. Практикум

Рис. 3.1. Установка для определения термического коэффициента давления: а – схема; б – передняя панель

с помощью хромель-копелевой термопары 4, подключенной к измерителю температуры 5 модели 2ТРМО. Давление в емкости измеряют U-образным манометром 6 с герметизированным коленом 7. Манометрической жидкостью является вода.

Напряжение на нагревателе определяют с помощью мультиметра 8 при установке переключателя 9 в положении UН. Включение электропитания выполняется кнопкой «Сеть» 10, компрессора 11 – тумблером 12.

Для подготовки установки к опыту емкость охлаждают продувкойхолодноговоздухакомпрессоромприоткрытыхкранах13 и 14. Послеохлаждениякраныперекрываютприположении«Закрыто».

При нагреве воздуха в емкости его давление повышается. Для двух состояний газа, в соответствии с законом Шарля, давление составляет

где p1, p2, t1, t2 – давления и температуры для состояний 1 и 2; p0 – давление при температуре t0 = 0 °C.

21

Для указанных двух состояний давление воздуха в емкости можноопределитьпоразностиуровнейжидкостивманометре6 H1 и H2:

где p1′ и p2′ – давление воздуха в закрытом колене манометра, Па;

H1 и H2 – разность уровней жидкости в коленах манометра в со- стояниях1и2,ммвод.ст.;ρ–плотностьманометрическойжидко- сти, кг/м3; g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

Для воздуха, находящегося в закрытом колене манометра, при постоянной температуре в лаборатории можно применить закон

где h1 и h2 – высота столба воздуха в закрытом колене манометра в состояниях 1 и 2, м.

По формулам (3.4)–(3.6) определим температурный коэффи-

Приближенное значение термического коэффициента давле-

3.2.Порядок выполнения работы

1.Поворачивают краны в положение «Закрыто».

2.Включают тумблеры питания установки и измерителя температуры.

3.ИзмеряютвеличиныH1 (разницавысотвколенахманометра)

иh1 (высота столба воздуха в закрытом колене) и снимают показания измерителя температуры t1.

4.Поворачивают против часовой стрелки до упора ручки регулировкинапряженияисточникапитания,послечеговключаютего.

22

Таблица 3.1

Результаты измерений

№ п/п Uн, В t1, °С H1, мм h1, мм t2, °С H2, мм h2, мм

110

212

314

5.Устанавливают напряжение UН = 10 В поворотом ручки регулировки по часовой стрелке.

6.После достижения стационарного теплового режима, т. е.

при установлении t2 = const, по нижней точке мениска жидкости отсчитывают величины H2 и h2 и снимают показания измерителя температуры t2. Для достижения стационарного состояния при t2 необходимо вручную регулировать подводимую электрическую мощность с помощью ручек регулировки источника питания.

7.Результаты измерений заносят в табл. 3.1.

8.Выключают источник питания, открывают краны, включают компрессор и охлаждают емкость, продувая через нее воздух в течение 15 минут.

9.Действия (см. п. 6–8) повторяют при значениях напряжения

UН = 12 и 14 В.

3.3.Обработка и оформление результатов

1.Рассчитывают точное значение термического коэффициента давления по формуле (3.7) и приближенное значение – по формуле (3.8). Результаты вычислений округляют до шести значащих цифр. Плотность воздуха ρ определяют по уравнению Клапейро- на–Менделеева формулой (3.9):

где p – давление воздуха в сосуде, Па; R ≈ 287кгДжК − газовая по-

стоянная воздуха; T = t1 + 273, К, − абсолютная температура воздуха в сосуде в состоянии 1.

23

гдеB–атмосферноедавлениевлаборатории,Па;tпом –температу- ра в помещении, °C.

Результаты расчетов заносят в табл. 3.2.

3.Оцениваютнеопределенностьрасчетаприближенногозначения термического коэффициента давления по формуле (3.11):

где uh1 =uh2 =0,3мм – неопределенность измерения уровня по U-образному манометру; ut1 =ut 2 =0,5°C – неопределенность измерения температуры в состояниях 1 и 2.

24

4.Результат измерений и вычислений записывается в интервальной форме: α =(α±uα ),°C-1.

5.Строят график, соблюдая равенство:α = f t2 +t1 .

2

6. Результат сравнивают с табличным значением α ≈ 0,003676 °C–1 и делают выводы.

4. РАБОТА ТД-4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ

Влажный воздух – смесь сухого воздуха с водяным паром, которую обычно считают близкой к идеальному газу. Однако в некоторых случаях водяной пар конденсируется или, наоборот, вода в контакте с воздухом испаряется и переходит в его состав. Эти особенности учитывают при расчетах термодинамических процессов.

Влажный воздух можно приближенно рассматривать как смесь идеальных газов и применить закон Дальтона (4.1):

гдеp–давлениевлажноговоздуха;pвозд,pп –парциальноедавление сухого воздуха и водяного пара.

Относительная влажность воздуха определяется по формуле

(4.2):

гдеps –давлениенасыщенияводяногопарапритемпературевлаж- ного воздуха (т. е. максимальное парциальное давление водяного пара при данной температуре).

Влагосодержанием называют массу водяного пара, приходящуюся на единицу массы сухого воздуха, рассчитываемую по фор-

муле (4.3):

25

Энтальпию рассчитывают на единицу массы сухого воздуха:

где hвозд – энтальпия 1 кг сухого воздуха, кДж/кг; hп – энтальпия содержащегося в воздухе водяного пара, кДж/кг.

h–d-диаграммы (см. прил. 10), которую предложил использовать Л. К. Рамзин в 1918 году. Рассмотрим процессы во влажном воздухе, происходящие при сушке материалов. В состав сушильной установки входят: калорифер для нагрева влажного воздуха, сушильная камера, в которой происходит сушка материала, и выходная труба для отвода влажного воздуха из установки. На рис. 4.1 показаны процессы в сушильной установке на h–d- диаграмме: 1–2 – нагрев влажного воздуха; 2–3 – насыщение влажного воздуха влагой, испарившейся из материала; 3–4 – охлаждение влажного воздуха.

Влажный воздух из помещения попадает в калорифер с температурой t1, относительной влажностью ϕ1 и влагосодержанием d1. При подогреве влагосодержание не меняется, а воздух обретает параметры t2, ϕ2. В сушильной камере за счет подвода теплоты

26

Рис. 4.1. Процессы, происходящие с влажным воздухом в сушильной установке

от нагретого воздуха вода, содержащаяся в материале, испаряется иуноситсяпотокомвоздуха.Воздухнавыходеизсушильнойкамеры имеет параметры t3, ϕ3. На выходе из установки, где производят измерения, за счет теплоотвода через стенку выходной трубы температура снижается до t4, а относительная влажность – до ϕ4.

Если объемный расход влажного воздуха Gv известен, то масса сухого воздуха, прокачиваемого через установку за время опыта,

где pвозд = В – pп – парциальное давление сухого воздуха, Па (pп приближенно определяют по h–d-диаграмме, атмосферное

давление B – по показаниям барометра); Rв = 287кгДжК – газовая

постоянная воздуха; τ, c – длительность опыта; T1 = t1 + 273, K, – абсолютная температура воздуха на входе в установку.

27

Количествовлаги,испарившейсяизматериалавсушильнойкамере, определяется по формуле (4.9):

где d1, d4 = d3 – влагосодержание воздуха на входе в установку и на выходе из нее.

Для испарения этого количества влаги и компенсации тепловых потерь в калорифер подводится теплота:

Тепловые потери в сушильной камере Qпот определяют как раз- ностьджоуль-ленцевойтеплотыиQ,рассчитаннойпоформуле(4.10):

где W, Вт – мощность нагревателя, установленного в калорифере. В отсутствие тепловых потерь в сушильной камере процесс протекалбыприh2 =const,поэтомупотериможновычислитьформулой

Действительное количество теплоты, затраченное на испарение 1 кг влаги из материала, по формуле (4.13) составляет:

4.1. Экспериментальная установка

Термопара, рабочий спай которой обмотан хлопчатобумажной тканьюипередопытомсмачиваетсяводой,называетсямокрой.Измерение температуры влажного воздуха с помощью сухой и мокрой термопар позволяет определить относительную влажность воздуха. Например, для измерения относительной влажности воздуха в помещении применяют гигрометр (рис. 4.2). Он состоит из двух спиртовых термометров – сухого 1 и мокрого 2. Спиртовой шарик мокрого термометра обернут тканью3, смоченной водой из питателя4. Когдапотоквлажноговоздухаобдуваетшарикиобоихтермометров, вода с поверхности ткани испаряется, а температура шарика понижается.Сухойтермометрпоказываеттемпературувлажноговоздуха,

28

3

4

Рис. 4.2. Гигрометр психрометрический: а – конструкция; б – общий вид

мокрый – температуру воды, испаряющейся с влажной ткани (температуру мокрого термометра). Разность между температурами сухого термометра tc и мокрого термометра tм пропорциональна влажности воздуха: чем суше воздух, тем больше разность (tc – tм). Зависимость относительной влажности ϕ от tc и tм устанавливают с помощьюэкспериментов,порезультатамкоторыхсоставляютпсихрометрические диаграммы или таблицу (см. прил. 7).

Схема установки представлена на рис. 4.3, а.

Воздух из лаборатории при температуре t1 подается компрессором 1 в калорифер 2, где он нагревается до температуры t2. Нагретый воздух поступает в сушильную камеру 3. Из отверстий 4 трубки 5 горячий воздух протекает через смоченную водой хлопчатобумажную ткань 6. Вода для смачивания ткани подается в течение опыта порциями по 50 мл через воронку 7 каждые 15 минут.

29

7t2

Рис. 4.3. Экспериментальная установка: а – схема; б – панель управления

На передней панели установки (см. рис. 4.3, б) находится автоматический восьмиканальный измеритель температуры 8 типа УКТ38. К измерителю подключено пять хромель-копелевых термопар:

–t1 – сухая, измеряющая температуру воздуха до нагрева в калорифере;

–t2 и t3 – сухая и мокрая, измеряющие температуру воздуха после нагрева;

–t4 и t5 – мокрая и сухая, измеряющие температуру воздуха после сушильной камеры.

U-образный манометр 9 (см. рис. 4.3) измеряет перепад давлениявоздуханадроссельнойшайбе.Дроссельнаяшайбаустановленанавходевсушильнуюкамерудляизмеренияобъемногорасхода влажного воздуха. Градуировка дроссельной шайбы:

Объемный расход воздуха, ×103, 1,27 1,36 1,45 1,54 1,63 1,73 1,82

м3/с

30