Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

sbornik_lab_po_TOT

.pdf
Скачиваний:
56
Добавлен:
30.05.2015
Размер:
4.76 Mб
Скачать

51

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 атм + р, а на выхо-

де p2 = ратм.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]