sbornik_lab_po_TOT

41

В этом состоянии давление в сосуде будет равно атмосферному, а температура -

ниже атмосферной. Если открытие крана было очень коротким по времени и выход газа был достаточно энергичным, то процесс перехода из состояния 1 в состояние 2

можно считать достаточно приближенным к адиабатному, который, как известно,

происходит без теплообмена с окружающей средой и описывается уравнением

Вслед за кратковременным достижением состояния 2 наблюдается переход в со-

стояние 3. При этом газ, находящийся в сосуде, нагревается от окружающей среды через стенки сосуда. Температура и давление газа растут, и через некоторое время его температура становится равной температуре окру- T

жающей среды T*, наступает состояние 3.

Состояние 3: P2, T*, V2 (точка 5, рис.1).

PV-диаграмма (рис.1) иллюстрирует процессы, проводимые в опыте Клемана и Де-

зорма.

Рис.1. PV-диаграмма опыта:

1-2 - заполнение сосуда воздухом; 2-3 - выравнивание температур; 3 - состояние 1; 3- 4 - адиабатическое расширение; 4 - состояние 2; 4-5 - выравнивание температур; 5 - состояние 3; t*, P* - температура и давление окружающей среды

Рассмотрим процессы, проходящие в этом опыте. Кратковременный адиабатный процесс опишется дифференциальным уравнением

(3)

или после деления на

В состоянии 1 и 3 температура газа одна и та же . Поэтому из состояния 1 в состоя-

ние 3 можно перейти изотермически. В этом случае уравнение имело бы вид При гипотетическом изотермическом переходе из состояния 1 в состоя-

Используя уравнение (5) и уравнение (8), получим выражение для определения по-

казателя адиабаты k (который одновременно является отношением теплоемкостей)

в опыте Клемана и Дезорма:

Экспериментальная установка в опыте Клемана и Дезорма представлена на рис.2.

Установка состоит из стеклянной колбы 1, трехходового крана 2, дифференциаль-

ного манометра (водоуказательное стекло) 3, ручного насоса (груша) 4 и выхлопно-

го клапана 5. Все основные элементы установки соединены между собой шлангами.

При гипотетическом изотермическом переходе из состояния 1 в состояние 3 диф-

Методика выполнения работы

1. Описание лабораторной установки

Трехходовой кран имеет три рабочих поло-

жения: в первом положении воздух из атмо-

сферы закачивается насосом в колбу, во вто-

ром положении все рабочие каналы пе-

рекрыты, в третьем положении воздух из

43

колбы выпускается в атмосферу через выхлопной клапан.

Изменение уровня столба воды в дифференциальном манометре показывает

давление воздуха в колбе.

2.Проведение эксперимента

16.Уравнивается давление в колбе с давлением в атмосфере (третье поло-

жение крана). При этом оба столба воды на водоуказательном стекле должны

показывать нулевой уровень.

17.Ручным насосом в колбу закачивается воздух (первое положение кра-

на) до давления около 300... 330 мм вод. ст. (по одной части водоуказатель-

ного стекла). Кран перекрывается (второе положение), тем самым сосуд изо-

лируется по давлению от атмосферы. С увеличением давления воздуха в кол-

бе происходит увеличение его температуры. В этом случае воздух из колбы отдает тепло в атмосферу через стенку сосуда. Естественно, что при этом снижается его давление. Снижение давления происходит до тех пор, пока не установится температурное равновесие с окружающей средой. Наступившее состояние и является состоянием 1.

18.Открывают на короткое время кран, соединяя колбу с выхлопным кла-

паном. Воздух с характерным шумом выходит из сосуда в атмосферу, при этом столбик воды на манометре быстро падает. Поскольку при этом проис-

ходит адиабатное расширение воздуха в сосуде, его давление приближается к

P* , а температура снижается ниже атмосферной. Сразу же начинается тепло-

обмен между воздухом в сосуде и окружающей средой. Чтобы сделать этот теплообмен незначительным и не нарушить условия адиабатного процесса,

необходимо, как только шум начнет стихать и падение столба воды замед-

лится, закрыть кран. Ни в коем случае нельзя затягивать адиабатный выхлоп возду-

ха!

19.Немедленно, после закрытия крана, давление в сосуде (из-за нагрева-

ния воздуха от окружающей среды) начинает расти и спустя некоторое время устанавливается равным P2. Температура воздуха в сосуде при этом восста-

навливается до T*. Наступившее состояние является состоянием 3.

Результаты наблюдений заносят в табл.1.

Внимание! Так как в лабораторной установке используется дифференциальный манометр, давление окружающей среды всегда будет P* =0

3.Обработка результатов эксперимента

1.Показатель адиабаты вычисляют по формуле (так как P* =0)

(10)

где давление - измерено в мм.вод.ст.

2. Для повышения точности опыт повторяют несколько раз. Показатель адиабаты вычисляют по среднему значению:

(11) 3. Используя справочное значение изобарной теплоемкости воздуха и учитывая, что

в интервале температур 0...100 °С эта теплоемкость может считаться постоянной

(1005 Дж/(кг-К), находят объемную теплоемкость воздуха CV , Дж/(кг-К):

(11)

4. Используя формулу Майера, находят газовую постоянную для воздуха R ,

кДж/кг*К.

(12) 5. Используя универсальную газовую константу Менделеева =8314 Дж/кмоль*К,

находят молекулярную массу воздуха

(13)

Дж/(кг*К); =28,96).

Контрольные вопросы

-Каким образом можно объяснить несовпадение экспериментальных резуль-

татов со справочными?

-Чем будет отличаться PV-диаграмма эксперимента от теоретической, пока-

занной на рис.1?

-Почему в эксперименте можно не учитывать атмосферное давление?

-Как можно объяснить физический смысл показателя адиабаты?

-В чем заключается сущность отличия показателя адиабаты от показателя по-

литропы?

Лабораторная работа №4

«Исследование режима работы компрессионного термотрансформатора»

Ц е л ь р а б о ты : 1. Изучение устройства и принципа действия одноступенчатой холодильной установки.

2. Приобретение практических навыков расчета основных характеристик холодильной установки.

Р е к о м е н д у е м а я л и т е р а т у р а : [1, 3, 5].

Теоретические сведения

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффекта используют кипение жидкостей при низких температурах, называют паровыми холодильными машинами.

Воснове действия парокомпрессионных холодильных машин (рис. 2) лежит второй закон термодинамики (или второе начало), который применительно к холодильным машинам гласит:

для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затратить энергию.

Втепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл – последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.

Впрямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой температурой T2; совершается работа L. При этом часть теплоты Qo переходит к источнику с низкой температурой T1.

46

Рис. 2. Принципиальные схемы действия теплового двигателя (а)

ихолодильной машины (б)

Вхолодильной машине происходит обратный круговой процесс или цикл. При совершении работы L теплота Q0 с помощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой T1 к источнику с более высокой температурой Т2.

Таким образом, для цикла холодильной машины можно дать следующее определение:

циклом холодильной машины называется замкнутый процесс последовательного изменения состояния циркулирующего в ней рабочего вещества за счет затраты энергии, при этом осуществляется перенос теплоты Q0 от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде – воздуху или воде

Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают холодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q0 к работе L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой температурой

Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он зависит от разности температур T1 - T2 . С ее увеличением он уменьшается.

В парокомпрессионной холодильной машине происходят следующие процессы:

-кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе; при этом теплота Q0 отводится от охлаждаемой среды;

-сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;

-конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом теплота Q передается окружающей или нагреваемой среде;

-дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль (рис. 3).

47

Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины показана на рис. 3, а, ее теоретический цикл (обратный круговой процесс) в lg p- i диаграмме – на рис. 3, б и в, T- s диаграмме – на рис 3, в.

Принципиальная схема включает основные элементы машины, необходимые для осуществления ее цикла. Вспомогательные элементы (аппараты, арматуру и др.), которые могут играть существенную роль в обеспечении надежного и безопасного функционирования машины, на принципиальных схемах не показывают.

Цифрами 1, 2, 3 и т.д. на принципиальной схеме и диаграммах обозначают так называемые характерные точки, соответствующие состоянию хладагента в начале или конце процесса, происходящего в холодильной машине или каком-либо ее элементе.

Рис. 3. Принципиальная схема (а) и

цикл в lg p - i диаграмме (б)

и T - s днаграмме (в) одноступенчатой холодильной машины:

КМ – компрессор; КД – конденсатор; И – испаритель;

РВ – регулирующий вентиль

На рис. 3 точка 1' соответствует состоянию перегретого пара, всасываемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» (попадания в цилиндр компрессора частиц жидкости) пар в этой точке должен быть перегрет, т.е. иметь температуру на 10...15 °С выше температуры насыщенного пара в точке 1.

Процесс перегрева пара 1 - 1' может происходить внутри испарителя, частично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. Обычно перегрев в трубопроводе при рассмотрении принципиальных схем и циклов не учитывают. На рис. 3 показано, что точка 1 находится «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1' - 2 осуществляется в компрессоре. Пар сжимается от давления кипения p0 до давления конденсации pк. Этот процесс, считают изоэнтропным (s=const), протекающим без трения между молекулами и без теплообмена с окружающей средой, – особый случай адиабатного процесса.

В точке 2 хладагент находится в состоянии сильно перегретого пара при давлении pк. Для совершения процесса сжатия 1' - 2 необходимо затратить работу l в кДж/кг, которую можно, определить как разность энтальпий в конце и начале процесса

50

Контрольные вопросы

1.Каково устройство и принцип действия одноступенчатой холодильной машины?

2.В чем отличие теоретического цикла работы холодильной машины от действительного?

3.Каким показателем определяется энергетическая эффективность холодильной машины?

4.С какой целью переохлаждают хладагент?

5.В каком устройстве осуществляется дросселирование хладагента?

Лабораторная работа №5

«Определение основных показателей работы холодильной машины»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение конструкции и цикла паро-компрессорной холодильной маши-

ны. Определение холодопроизводительности и холодильного коэффициента. 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Холодильная машина работает по обратному термодинамическому цик-

лу, для осуществления которого затрачивается работа на перенос теплоты из холодильной камеры в окружающую среду (от тела с низкой температурой -

к телу с высокой температурой). В паровой компрессорной холодильной ма-

шине используется процессы кипения и конденсации холодильного агента

(например, фреона 22). Эти процессы протекают при постоянных (для данно-

го давления) температурах (рисунок 2.1. Т3 Т4). то есть подвод и отвод тепло-

ты приближаются к изометрическим процессам и к циклу Карно, что повы-

шает холодильный коэффициент цикла. Температура в холодильной камере регулируется изменением перепада давления (процесс 3-4) терморегу-

лирующим вентилем.