sbornik_lab_po_TOT
.pdf51
Рисунок 2.1 Цикл парокомпрессорной холодильной машины. 1-2 - сжатие: 2- 3 - отвод в компрессоре; 3-4 - дросселирование; 4-1 - кипение (подвод тепло-
ты от охлаждаемых тел).
3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ (ОПЫТНОЙ) УСТАНОВКИ
Схема лабораторной установки приведена на рисунке 2.2. Она состоит из бы-
тового паро-компрессорного холодильника и измерительных приборов.
Особенностью данного холодильника является то. что температура в не-
больших пределах регулируется изменением продолжительности включения мотор компрессора М и К с помощью реле РТ (рисунок 2.2), так как вместо терморегулирующего вентиля имеется дроссель Др выполненный в виде ка-
пиллярной трубки.
Охлаждаемая вода заливается в сосуд С, с массой m и устанавливается в ис-
парительную камеру холодильника ХК. Контроль за изменением температу-
ры осуществляется термопарой Т, мощность электродвигателя М привода компрессора К измеряется ваттметром W.
Рисунок 2.2 Схема испытания холодильной машины.
W - ваттметр; РТ - реле температуры; РП -
реле пусковое: М - электродвигатель; К -
компрессор; КН - конденсатор; В - фильтр-
осушитель; Др - дроссель (капиллярная трубка); Т, Т0 - термопары; И - испаритель;
52
С - сосуд с водой: СД - сосуд Дьюара; 1.. .4 - точки с параметрами по рис.
2.1
4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1 Изучите разрез холодильной машины и ознакомьтесь с лабораторной ус-
тановкой. Проверьте наличие снега (льда) в сосуде Дьюара подготовьте по-
тенциометр к измерениям (см. приложение А).
4.2 Измерьте массу сосуда на весах ВЛК7-500с-М с точностью 10 мг. После этого заполните сосуд теплой водой с температурой 35...40°С и измерьте полную массу сосуда и установи !с его в камеру холодильника. Опустите в воду спай термопары. Закройте дверцы испарителя и холодильника. Запиши-
те время начала опыта.
4.3 Измерьте начальную температуру воды (ЭДС термопары). Через каждые
5 минут, до установления постоянной температуры воды (льда), повторите измерения и заполните таблицу наблюдения (таблица 2.1).
В течение опыта следите за работой холодильника, и измерьте продолжи-
тельность работы мотор - компрессора и потребляемую им электрическую мощность.
4.4Выключите холодильник и потенциометр.
4.5Обработайте полученные результаты (см. п.5). заполните таблицу"2.2 и
постройте графики изменения теплового потока и температуры воды от вре-
мени. Определите холодильный коэффициент.
Из анализа погрешности сделайте вывод о путях повышения точности опыта.
5 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА Начальная и текущие температуры определяются по ЭДС термопары и при-
ложению Б. Количество теплоты, отведенной от воды при охлаждении, нахо-
дятся по зависимости:
(2.1)
где и — теплоемкости воды и сосуда, =4,19 кДж/(кг-К);
53
m1 и т2 - массы воды и сосуда (см. п.З ), кг;
и t ( - начальная и текущие температуры, °С.
Зависимости ) и Q=) постройте на общей оси времени. По этим графикам определите установившийся тепловой режим и его параметры - ус-
тановившуюся температуру () и время от начала опыта до установившегося режима ().
Рассчитайте средние за весь опыт холодопроизводительность - |
и мощ- |
ность привода компрессора - W, Вт. |
|
|
(2.2) |
где - начальная температура. °С. |
|
|
(2.3) |
где , -средняя мощность за i-ый период работы компрессора. ВT |
|
- продолжительность i-ro рабочего периода компрессора, с. |
|
Средняя продолжительность работы компрессора - ПВ |
|
|
(2.4) |
Определите средний за опыт холодильный коэффициент |
|
|
(2.5) |
Относительную погрешность холодильного коэффициента ( |
можно |
определить по зависимости |
|
|
(2.6) |
где , , , -абсолютные ошибки измерения массы, темпе-
ратуры, времени, электрической мощности принимаются равными 0.5 цены деления прибора (для температуры таблицы перевода э.д.с. в температуру).
Определите приборы, дающие существенную часть общей ошибки изме-
рения.
6КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1.Как работает холодильная машина?
2.Какова конструкция фреоновой холодильной машины?
54
3. Как изображается цикл паровой |
компрессорной |
холодильной |
машины в диаграммах р, v, и Т, s?
4.Как рассчитать холодопроизводительность и холодильный ко-
эффициент холодильных машин?
5.Признаки установившегося теплового режима?
6.Как можно снизить погрешности определения холодопроизводительности на данной установке?
Библиография: 1,2,3.
Таблица 2.1 Техническая характеристика установки
Тип |
Основные пара- |
Холодильник
Потенциометр
Ваттметр
Таблица 2.2 Результаты наблюдений
|
№ п.измерения |
1 |
2 |
|
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
8 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время, часы. мин. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ рабочего периода компрессора |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
4 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Начало: часы, мин., с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конец: часы, мин., с. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Средняя мощность, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
.Таблица 2.3 Результаты обработки данных |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
№ измерения |
|
|
|
I |
2 |
|
3 |
4 |
5 |
|
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура. °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплота отведенная. Дж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
55
Средняя холодопроизводительность Ф|, Вт
Средняя мощность привода компрессора W, Вт
Режим работы компрессора ПВ= Холодильный коэффициент
=
Погрешность
=
Контрольные вопросы
Лабораторная работа№6 «Исследование процесса дросселирования атмосферного воздуха»
Дросселирование — предельно необратимый процесс адиабатного расшире-
ния газа или пара без совершения работы над окружающей средой. Этот про-
цесс протекает, когда газ «продавливают» через гидравлическое сопротивле-
ние.
В 1852-1862 гг. Джеймс Прескотт Джоуль и Уильям Томсон выполнили се-
рию работ, связанных с изучением термодинамических свойств газов. Ранее,
в опытах Гей-Люссака и Джоуля, было установлено, что дросселирование идеального газа не меняет его температуру. В новых опытах удалось пока-
зать, что температура реального газа при дросселировании изменяется. Впо-
следствии это явление назвали эффектом Джоуля-Томсона.
56
Рис. 2.5.1. Схема опыта Джоуля-Томсона
В опыте Джоуля и Томсона (рис. 2.5.1) цилиндрическая трубка 2, окруженная теплоизолирующей оболочкой 1, разделялась на две части с помощью проб-
ки из пористого материала 3 (ваты или очесов шелка). Газ медленно (что по-
зволяло пренебречь изменением кинетической энергии) продавливался через пробку 3. Оболочка 1 приближала процесс к адиабатическому. Давления газа
перед пробкой р1 и после нее р2 поддерживались постоянными. При стацио-
нарном течении реального газа по одну сторону пробки устанавливалась температура Т1, а по другую — температура Т2.
Согласно первому началу термодинамики, в адиабатном процессе без совер-
шения работы начальная энтальпия h1 равна конечной h2, поэтому процесс дросселирования условно (только условно, поскольку он необратим) счита-
ют идущим вдоль линии h1 = h2 = const.
|
Опыты Джоуля и Томсона показали, что при изменении давления газа |
на бесконечно малую величину dp его температура меняется на величину |
|
|
(2.5.1) |
где |
дифференциальный дроссель-эффект (или диф ференци- |
альный эффект Джоуля-Томсона).
Величина характеризует скорость изменения температуры газа при из-
менении давления в результате процесса дросселирования.
|
57 |
При конечном перепаде давлений |
перепад температур |
становится конечным: |
|
|
(2.5.2) |
разность температур Т называют интегральным дроссель-эффектом (или интегральным эффектом Джоуля-Томсона).
Известно, что изменение энтальпии в произвольном термодинамическом процессе
(2.5.3)
где cp — удельная изобарная теплоемкость рабочего тела, v — его удельный объем.
При dh = 0 из равенства (2.5.3) следует, что
(2.5.4)
Равенство (2.5.4) позволяет определить величину осh, если известны тепло-
емкость cp и уравнение состояния, откуда можно найти производную Для идеального газа, подчиняющегося закону КлапейронаМенделеева,
pv=RT |
(2.5.5) |
эффект Джоуля-Томсона отсутствует. Действительно, из уравнений
(2.5.4) и (2.5.5) следует, что
Для реальных газов разность может быть положительной, отри-
цательной или нулевой. Это означает, что при дросселировании температура реального газа может повышаться, понижаться или оставаться неизменной
(как для идеального газа). Множество точек в диаграмме p-T, для которых
= 0, называют кривой инверсии.
В опытах определяют величину интегрального эффекта ДжоуляТомсона,
который, в силу изложенного, может иметь знак или быть нулевым:
58
T >/< 0. Физическое толкование этого факта сводится к следующему.
Внутренняя энергия реального газа складывается из двух составляющих: ки-
нетической, определяемой скоростью движения молекул (т.е. температурой),
и потенциальной, зависящей от сил взаимного притяжения молекул. Силы трения при дросселировании проявляются как внутреннее выделение тепло-
ты, поэтому температура (и кинетическая энергия молекул газа) повышается.
Однако одновременно увеличивается удельный объем газа (v2 > v1), а его плотность снижается (1/v2 < 1/v1). Значит, потенциальная энергия взаимодей-
ствия частиц при дросселировании уменьшается. Суммарный эффект этих двух противоположных процессов может быть любым, что зависит от
природы газа — т. е. от вида его уравнения состояния и величины теплоемкости ср.
Определим ah для газа, подчиняющегося уравнению Ван-дер- Ваальса
(2.5.6)
где а и b — эмпирические константы. Коэффициент а учитывает влияние упомянутых выше сил молекулярного взаимодействия в газе, а коэффициент b — объема, занимаемого молекулами. Эти коэффициенты зависят от приро-
ды вещества и могут быть определены по его параметрам в критическом со-
стоянии:
(2.5.7)
Частная производная , вычисленная по уравнению Вандер-
Ваальса (2.5.6),
(2.5.8)
Подставив значение в уравнение (2.5.4), получим
(2.5.9)
Критические параметры для воздуха таковы: Tкp =132 К;
Vкp = 1/ркр = 1/310 = 0,00323 м3 /кг; ркр = 3,77 МПа. Газовая постоянная
59
для воздуха R = 8314/29 « 287 Дж/(кг- К); удельная теплоемкость (в широ-
ком диапазоне давлений) ср = 10 Дж/(кг-К).
С учетом этих значений (взятых в системе СИ) и соотношений (2.5.7),
(2.5.10)
Уравнение Ван-дер-Ваальса (2.5.6) можно разрешить относительно давления р. При этом значения а и b определяют по формулам
(2.5.7); в частности, для воздуха
(2.5.11)
ВНИМАНИЕ! При пользовании формулами (2.5.10) и (2.5.11) округления недопустимы, поскольку в них входят разности больших и близких по величине чисел!
В табл. 2.5.1 представлены результаты расчетов, выполненных для воздуха при T = 293 К и при изменении давления р1 (абсолютного!) от 1 до 10 кг/см2 .
Та б ли ц а 2 . 5 . 1
Давление р1 |
|
ah |
||
кг/см2 |
Па |
К/Па |
|
К/(кг/см2) |
1,0 |
100845,54 |
2,1975-10-6 |
|
0,223 |
2,5 |
251952,10 |
2,1979-10-6 |
|
0,224 |
5,0 |
503071,16 |
2,1979-10-6 |
|
0,224 |
10,0 |
1002874,80 |
2,1975 10-6 |
|
0,223 |
Из данных, представленных в табл. 2.5.1, следует, что в указанном диапазоне давлений величина для воздуха почти постоянна и равна 0,22 К/(кг/см2). Поэтому интегральный эффект ДжоуляТомсона в
указанном диапазоне p может быть рассчитан по простой формуле:
(2.5.12)
Интересно, что Джоуль и Томсон получили в сходных условиях опыта эмпи-
рическую зависимость
(2.5.13)
60
(давление измерялось в кг/см2 ).
При T = 293 К из равенства (2.5.13) следует, что
что весьма близко к значению = 0,22, полученному из уравнения Ван-дер-
Ваальса.
Экспериментальная установка
Схема установки и ее панель управления представлены на рис. 2.5.2. Дрос-
сель 12 представляет собой цилиндрическую гильзу из текстолита, запрессо-
ванную в дюралюминиевую оболочку и заполненную войлоком. Через спе-
циальные уплотнения со стороны высокого и низкого давлений вводятся термопары для определения температур T на входе и T2 на выходе из дроссе-
ля 12. Гильза с войлоком находится в теплоизоляции. Сжатый воздух с по-
мощью компрессора 9 через сепаратор 10 и холодильник 11 подается в дрос-
сель 12. Давление воздуха на входе в дроссель регулируется краном 3. Мано-
метр 6 измеряет избыточное давление Ap по отношению к атмо-
сферному, поэтому давление на входе в дроссель p2 =ратм + р, а на выхо-
де p2 = ратм.