metodich_lab_teplotekh_701_502

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра теплохолодотехніки

М Е Т О Д И Ч Н І В К А З І В К И

до виконання лабораторних робіт з курсу

«ТЕПЛОТЕХНІКА»

для студентів напрямів підготовки 6.051701, 6.050502

денної форми навчання

Затверджено радою напряму підготовки

бакалаврів 6.051701

протокол № від і радою спеціальності

7.(8).05050313; 8.05050206

та напряму підготовки бакалаврів

6.050502

протокол № від

Одеса ОНАХТ 2012

2

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Теплотех-

ніка» для студентів напрямів підготовки 6.051701, 6.050502 денної форми на-

вчання. /Укладач Д.С. Тюхай. – Одеса: ОНАХТ, 2012 – 26 с.

Укладач Д.С. Тюхай, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск зав. кафедрою ТХТ О.С. Тітлов, д-р. техн. наук, професор.

ТЕХНІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА

Лабораторна робота №1

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ВОДИ ТА ВОДЯНОЇ ПАРИ

Мета роботи – визначення параметрів вологої пари х, іх, sx, які обчислюються на основі експериментальних даних та таблиць термодинамічних властивостей сухої насиченої пари і киплячої рідини на лінії насичення.

Процес перетворення рідини у перегріту пару при сталому тиску (з підведенням теплоти) складається з трьох послідовно здійснюваних стадій : підігрівання рідини, випаровування (або пароутворення) і перегрівання пари. В процесі пароутворення відбувається перехід із стану киплячої рідини у стан сухої пари. У зворотному процесі (з відведенням теплоти) мають місце такі стадії: охолодження перегрітої пари, конденсація, охолодження рідини. У цій роботі студент повинен звернути увагу на характерні особливості стадій і чітко знати розрахункові формули як окремих із них, так і всього процесу загалом. Перша стадія отримання пари – нагрівання рідини до кипіння, процес 1-2 при сталому тиску (рис. 12). За початок відліку ентальпії для води та водяної пари приймають значення і0 = 0 при температурі 0 °С та тиску 0,101325 МПа. Без особливої шкоди для точності розрахунків можна вважати, що при температурі 0 ° С ентальпія не залежить від тиску і дорівнює нулю. Ентальпія киплячої рідини і' чисельно дорівнює теплоті qрд, яка потрібна для нагрівання одного кілограма рідини в ізобарному процесі від 0 ° С до температури кипіння (насичення) ts

q рд = i′ − i0 = i′ .

Обчислюють ентальпію киплячої рідини за формулою

2

де c pmp – середня питома теплоємність води, Дж/(кг×К);

ts – температура кипіння, що залежить від тиску.

Чим вищий тиск пари, тим більша температури насичення ts і ентальпія і' киплячої рідини, що вимірюється в джоулях на кілограм (Дж/кг). Ентропія киплячої рідини

(зміну ентропії відраховують від 0 ° С, коли ентропія умовно дорівнює ну-

лю).

Друга стадія – перехід киплячої рідини в пароподібний стан – процес 2-4 (кипіння рідини), істотно відрізняється від першої. Процес характеризується не тільки сталим тиском, але й сталою температурою, тобто він є ізобарноізотермічним процесом, при якому тиск і температура кипіння взаємозалежні.

Пароутворення починається з моменту закипання рідини при підведенні теплоти і закінчується її повним випаровуванням, стан сухої пари точка 4 (рис. 12). Кількість теплоти, необхідної для перетворення 1 кг киплячої рідини

усуху пару при сталому тиску називається теплотою пароутворення r (Дж/кг).

Зпідвищенням тиску теплота пароутворення зменшується, наближаючись до нуля у критичній точці при критичному тиску Ркр = 22,13 МПа і критичній

температурі tкр = 374,15 °С.

У процесі кипіння маса рідини безперервно зменшується, а кількість пари зростає. Стан, при якому одночасно існують кипляча рідина і суха пара, називається вологою парою, точка 3 (рис. 1). Масове співвідношення пари з рідиною

оцінюється ступенем сухості x = mcn , яка становить масову частку пари у па-

mвп

роводяній суміші, тобто відношення маси сухої пари mcn до маси вологої пари твп. Маса вологої пари дорівнює сумі мас киплячої рідини і сухої пари mвп = mкрд + mcn. Очевидно, що на момент початку випаровування для киплячої рідини х = 0, а при повному випаровуванні для сухої пари х = 1. Пара в останньому випадку дістала назву сухої насиченої пари. Якщо випаровування води не доведено до кінця, тобто 0 < х < 1, то пара стає вологою насиченою, і на її утворення витрачається в процесі випаровування менше теплоти, ніж для сухої пари.

Рис. 1

3

Для вологої пари ентальпія іх і ентропія sx визначаються за формулами

Зміна ентальпії і ентропії в процесі випаровування:

Третя стадія – перегрівання пари – здійснюється за додаткової подачі теплоти до сухої насиченої пари, процес 4-5 (рис. 12). У цьому випадку між тиском пари та її температурою існує цілковита незалежність: ми можемо нагріти пару вище від температури насичення ts, до будь-якої заданої температури tпп = t5. Перегріта пара набуває властивостей, близьких до ідеального газу. Теплоту перегрівання підраховують за формулою

де cnnpm – середня питома теплоємність перегрітої пари в інтервалі темпер-

тур ts...tnn, і залежить не тільки від температури, а й від тиску (визначають за таблицями води і перегрітої пари).

Ентальпія перегрітої пари чисельно дорівнює сумі теплот трьох послідовних стадій пароутворення, тобто

Ентропія перегрітої пари також відзначає її адитивний бік:

Таким чином, ентальпія перегрітої пари чисельно дорівнює кількості теплоти у джоулях на кілограм маси, потрібної для нагрівання 1 кг води від 0 ° С до початку кипіння, подальшого випаровування та для перегріву до заданої температури при постійному тиску.

Опис установки

Волога пара, необхідна для проведення досліду, виробляється в скляному випарнику 2 (рис. 2), який знаходиться на електроплитці 1. Пара транспортується гумовим шлангом 4 в занурений у воду змійовик 7, де вона конденсується. Утворений конденсат стікає в збірник 8 і переохолоджується нижче температури насичення ts. Відведення теплоти від пари і конденсату відбувається до води 6, у яку занурені змійовик 7 і збірник конденсату 8. На дні збірника є про-

4

бковий кран 10, призначений для випуску конденсату з метою вимірювання його кількості. Конденсатозбірник сполучається з атмосферою за допомогою труби, що забезпечує конденсацію пари при атмосферному тиску, який вимірюється барометром і визначає температуру насичення.

Виділена під час конденсації і переохолоджування теплота приймається водою, налитою у склянку 6. Температура води вимірюється ртутним термометром 9. Під час досліду вода перемішується мішалкою 11, що діє від електродвигуна 12. Усю систему розміщують у посудині 5 з подвійними стінками. Таким чином, посудина 5 буде калориметром, який забезпечує мінімальні втрати теплоти і високу точність вимірювань.

Рис. 2 - Схема установки для визначення ступеня сухості пари

Виконання роботи

Для проведення експериментальних досліджень окремі елементи лабораторної установки повинні бути підготовлені заздалегідь. Воду наливають у скляний випарник 2 вище половини його висоти і встановлюють на ввімкнену електроплитку 1. Потім запускають електромішалку і через 3-5 хвилин вимірюють початкову температуру води t1 в посудині 6 термометром 9. Через 2-3 хвилини після початку кипіння води у випарнику його з'єднують з змійовиком гумовим шлангом. Внаслідок виділеної парою і конденсатом теплоти температура води в посудині 6 підвищується. Після того, як температура води стає на 18...20 ° С вище за початкову ( t = t2 – t1 = 18...20), роз'єднують випарник із змійовиком і вимірюють температуру води в посудині 6 термометром 9 через кожні 30 секунд. Спочатку покази термометра збільшуються, а потім спадають. Кінцева температура t2 буде дорівнювати найбільшому з показів термометра. Після вимикають електроплитку і припиняють роботу електродвигуна. Для визначення маси конденсату Мк вилучають із установки змійовик 7 зі збірником 8, відкривають кран 10 та зливають конденсат у мірну колбу і вимірюють об'єм конденсату Vк. Після закінчення досліду виливають воду з посудини 6 і збирають установку.

5

Обробка результатів досліду

У даній експериментальній установці для визначення ступеня сухості застосовують калориметричний метод. Маса вологої пари Мвп, яка потрапляє до змійовика, дорівнює масі утвореного конденсату Мк. Вважається, що кінцева температура конденсату дорівнює температурі води t2 в посудині 6 в кінці досліду. Невідому величину ступеня сухості x визначають з рівняння теплового балансу теплообмінного процесу, здійснюваного в змійовику. Рівняння теплового балансу – це рівність між кількістю теплоти, яка віддається парою при

конденсації Мвп × r × x та конденсатом при охолодженні c pmp × M к ×(ts - t2 ) , і кіль-

кістю теплоти, яка приймається охолоджуючою водою cв × M в × (t2 - t1 ) і металевими частинами установки (змійовик, посудина, мішалка)

сзм × М зм × (t2 - t1 ) + cn × M n × (t2 - t1 ) + cм × M м × (t2 - t1 ) ,

де Мзм, Мп, Мм – маси відповідно змійовика, посудини та мішалки, кг; сзм, сп, см – питомі теплоємності вказаних частин, (Дж/(кг×К)). Водяний параметр установки W визначається рівністю

cв ×W × (t2 - t1 ) =

= сзм × М зм × (t2 - t1 ) + cn × M n × (t2 - t1 ) + cм × M м × (t2 - t1 ) .

Остаточно рівняння теплового балансу має вигляд

Таким чином, розрахункова формула для визначення ступеня сухості набуває такого вигляду:

6

Лабораторна робота №2

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОЄМНОСТІ ПОВІТРЯ ПРИ АТМОСФЕРНОМУ ТИСКУ

Мета роботи – вимірювання ізобарної теплоємності повітря ср при атмосферному тиску та температурі, близькій до кімнатної. Вимірювання проводять методом протікання. Теплоємність газів і пари ср майже завжди визначають у проточному калориметрі, для цього пропускають через нього газ, а в калориметрі до газу підводять теплоту. Схема калориметра показана на рис. 3.

Рис. 3

Для перерізів 1 і 2 калориметра запишемо повне рівняння першого закону термодинаміки для потоку (потік стаціонарний):

7

Повітря при атмосферному тиску за своїми властивостями дуже близьке до ідеального газу, а ентальпія ідеального газу залежить тільки від температури, отже

Опис установки

Схема установки для визначення теплоємності зображена на рис. 4. Головний елемент установки – проточний калориметр 2, виконаний у вигляді скляної труби з подвійними стінками покритими сріблом. Простір між оболонкою 3 та внутрішньою трубою 2 вакуумують, що дозволяє звести до мінімуму втрати теплоти в навколишнє середовище Qвт i не враховувати їх при визначенні теплоємності. Тоді: Qел – Qвт » Qел. Якщо потужність електронагрівача дорівнює N, Вт, то за час t секунд кількість теплоти, відданої електронагрівачем становить

Рис. 4 - Схема дослідної установки для визначення ізобарної теплоємності

8

Електронагрівач 4 (спіраль) розташований в середині калориметра і живиться від мережі змінного струму. Потужність нагрівача регулюється шляхом зміни напруги за допомогою автотрансформатора 8 і вимірюється ватметром 9. Повітря до калориметра подається вентилятором 7, температури повітря при виході t2 та вході t1 вимірюються термометрами 1, 5. Об'єм повітря, який проходить через калориметр V, вимірюють лічильником 6, час t, за який проходить виміряний об'єм V вимірюють секундоміром.

Виконання роботи та обробка її результатів

На початку досліду необхідно ввімкнути вентилятор та встановити певні витрати повітря через калориметр. Потім ввімкнути нагрівач і, регулюючи його потужність автотрансформатором, встановити на виході з калориметра постійну температуру в межах 35...40 °С.

Після досягнення стаціонарного режиму, 3-4 рази з інтервалом у 2 хвилини зробити запис показників усіх приладів. Слід вважати, що стаціонарного режиму буде досягнено тоді, коли температура на виході з калориметра стане постійною. Досліди виконують при різних потужностях нагрівача. Після закінчення досліду необхідно вимкнути нагрівач, вентилятор і виміряти тиск повітря

Рбарометром, що є в лабораторії.

Увсіх подальших розрахунках використовують середнє під час досліду значення параметрів, яке визначають як середньоарифметичне із записаних показників даного приладу.

Маса повітря М розраховується за об'ємом V, виміряним лічильником за рівнянням Менделєєва-Клапейрона

T – температура повітря в лабораторії, дорівнює температурі при вході до калориметра, K.

Витрати повітря через калориметр становлять:

Враховуючи вирази (2.8) і (2.10) формула для визначення середньої масової ізобарної теплоємності (2.7) приймає вигляд

де N – потужність нагрівача.

Об'ємна ізобарна теплоємність визначається за формулою