ВИВЧЕННЯ ПРИЛАДІВ ДЛЯ ВИМІРУ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт

за курсом «Термодинаміка й теплотехніка»

( для студентів напряму підготовки 6.050202 « Автоматизація та комп’ютерно – інтегровані технології»

ІІ курсу денної та заочної форми навчання

та напряму підготовки 6.050301 «Гірництво»

ІІІ курсу денної та заочної форми навчання)

Рекомендовано

на засіданні кафедри АУТП

Протокол № 2 від 18. 09. 2012

Затверджено

на засіданні методради ДонДТУ

Протокол № від 2012

Алчевськ

ДонДТУ

УДК: 536. 7

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт за курсом «Термодинаміка й теплотехніка» (для студ. напр. підг. 6.050202 «Автоматизація та комп’ютерно – інтегровані технології» ІІ курсу ден. та заоч. форм навч. та напр. підг. 6.050301 «Гірництво» ІІІ курсу ден. та заоч. форм навч.)/Укл. :В.П. Алексєєв, М.В. Канчукова. – Алчевськ: ДонДТУ, 2012. – 107 с.

Містять рекомендації до виконання лабораторних робіт, які охоплюють основні теоретичні питання, що входять до курсу лекцій «Термодинаміка й теплотехніка». Виконання лабораторних робіт сприяє виробці практичних навичок у галузі технічної термодинаміки та теорії теплообміну.

Укладачі В.П. Алексєєв, доц.

М.В. Канчукова, асист.

Відповідальний редактор Д.В. Кобець, доц.

Відповідальний за випуск М.С. Фесенко, доц.

Зміст

Правила роботи в лабораторії ……………………………...………..4

Правила безпеки при виконанні лабораторних робіт……...…….....5

Лабораторна робота 1 Вивчення приладів для виміру

термодинамічних параметрів …………………………….……………… 6

Лабораторна робота 2 Визначення ізобарної теплоємності

газів……………………………................................................................. 20

Лабораторна робота 3 Визначення показника адіабати повітря… ……………………………………………………………………………..33

Лабораторна робота 4 Визначення ступеня сухості вологої

насиченої пари………………...……………………..…………………...44

Лабораторна робота 5 Визначення параметрів вологого

повітря....................................................................................................... 53

Лабораторна робота 6 Визначення критичної швидкості при

витіканні повітря …………………………………………………………62

Лабораторна робота 7 Дослідження процесу політропного стиску в багатоступінчастому поршневому компресорі……………………… 71

Лабораторна робота 8 Визначення коефіцієнта теплопровідності

твердого тіла……………………………………………………………....81

Лабораторна робота 9 Дослідження процесу тепловіддачі

при вільному руху теплоносія…….……….………………………91

Лабораторна робота 10 Визначення коефіцієнта випромінювання

та ступеня чорнуватості твердого тіла …………………..…………….98

Рекомендована література………………………………………. 107

правила роботи У ЛАБОРАТОРІЇ

1. До занять у лабораторії мають доступ студенти, що пройшли інструктаж із техніки безпеки і підписалися у журналі.

2. Лабораторні роботи виконуються на стендах бригадами, які складаються з 2-3 студентів.

3. Перед виконанням лабораторної роботи проводиться перевірка (допуск) підготування студентів до конкретної роботи. За умов позитивної оцінки за відповіддю й наявності бланків-звітів (зошитів) із накресленими схемами і таблицями студент допускається до виконання лабораторної роботи. При виконанні чергової лабораторної роботи необхідно мати цілком оформлений звіт про попередню лабораторну роботу.

4. Після допуску до лабораторної роботи студенти збирають схему досліджуваної установки. Зібрана схема подається для перевірки викладачу.

5. Студент зобов'язаний бережно обертатися з устаткуванням і апаратурою. Забороняється робити додаткові написи на машинах, приладах і столах.

6. Виконавши роботу, студент надає викладачеві експериментальні дані. Розбирати схему можна тільки з дозволу викладача.

7. У випадку порушення внутрішнього розпорядку і техніки безпеки студент відстороняється від виконання лабораторної роботи.

8. Повторне виконання лабораторної роботи можливо тільки за наявності дозволу завідувача кафедри.

ПРАВИЛА БЕЗПЕКИ ПРИ ВИКОНАННІ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

1. Перед початком складання схеми варто переконатися в тому, що вимикачі, розміщені на панелі блока живлення, знаходяться у виключеному стані.

2. Вмикання напруги проводиться тільки після перевірки схеми викладачем.

3. Якщо в процесі роботи потрібно багаторазове вмикання і відключення установки, то ці операції повинні виконуватися тільки одним студентом. У аварійних випадках відключити ланцюг може кожен із студентів.

4. Забороняється лишати без нагляду досліджувану установку під напругою або з працюючим двигуном.

5. Необхідно переконатися в справності ізоляції сполучних проводів. Не можна користуватися приводами без наконечників і штирів.

6. Виявивши будь-яку несправність в електромеханічному устрої, що знаходиться під напругою, негайно відключити установку від мережі і сповістити про це викладачу.

7. Студент несе персональну відповідальність за порушення порядку і правил безпеки.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 1

ВИВЧЕННЯ ПРИЛАДІВ ДЛЯ ВИМІРУ ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

Ціль - вивчити найпоширеніші способи виміру температури й тиску, які застосовуються в промислових теплоенергетичних і теплотехнічних установках, конструкції й принципи роботи приладів для виміру температури й тиску.

Загальні вказівки

Перш ніж приступитися до вивчення способів виміру термодинамічних параметрів (Р и Т), проробіть відповідні розділи курсу "Термодинаміка й теплотехніка" по конспекті й роботам [1.2] Термодинамічні параметри стану, питомий об’єм (υ), абсолютний тиск ( Р_абс ) і абсолютна температура ( Т ) є величинами, які відігрівають важливу роль при складанні рівнянь стану ідеальних і реальних газів, аналізі термодинамічних циклів і процесів, що протікають у теплових і холодильних машинах. Питомий об'єм звичайно розраховують, а температуру й тиск вимірюють.

Одним з найважливіших термодинамічних параметрів є абсолютна температура. Для виміру температури застосовують різні шкали: Цельсія, Кельвіна, Фаренгейта й ін. Найбільш вживаною є міжнародна стоградусна температурна шкала (шкала Цельсія, ^ос), у якій інтервал температур від крапки плавлення льоду до крапки кипіння води при атмосферному тиску розбитий на сто рівних частин (градусів). Особливо важливу роль у термодинаміку грає так звана термодинамічна шкала температур (шкала Кельвіна, К). Співвідношення між шкалою Цельсія й Кельвіна наступні:

Т, К = t, ^ос + 273,15

t, ^ос = Т, К - 273,15.

Інший важливий параметр стану – абсолютний тиск – являє собою силу, що діє по нормалі до поверхні тіла й віднесену до одиниці площі цієї поверхні. Необхідно знати, що надлишковий тиск не є параметром стану, оскільки воно залежить від тиску навколишнього середовища. Основними одиницями виміру тиску в системі СІ є Паскаль (1 Па = 1 Н/м²), використовується також кілопаскаль, мегапаскаль і т.д.: 1 Па = 10^-3 кПа, 1 Па = 10^-6 МПа. У техніці застосовуються й інші одиниці виміру тиску: бар, так звана технічна атмосфера або просто атмосфера (1 кгс/см²), міліметр ртутного або водного стовпа.

При визначенні абсолютного тиску (яке відлічується від абсолютного нуля тиску або абсолютного вакууму) варто розрізняти два випадки (рис. 1.1):

а) тиск у посудині більше атмосферного;

б) тиск у посудині менше атмосферного.

У першому випадку абсолютний тиск варто визначати за формулою:

Р_абс = Р_над + Р_атм,

а в другому випадку - за формулою

Р_абс = Р_атм - Р_вак.

Якісна високопродуктивна й економічна робота теплових пристроїв вимагає застосування сучасних контрольно-вимірювальних приладів, найбільш зроблених високоточних способів виміру. У промислових системах автоматизації застосовуються наступні пристрої для вимірювальної апаратури:

– термоелектричні термометри (термопари);

– термометри опору;

– пірометри випромінювання:

– манометричні термометри;

– термометри розширення.

Як датчик температури широко використовуються термопари. В основу виміру температури за допомогою термопар покладене явище термоелектричного ефекту, тобто залежність термоелектрорушійної сили (ЕДС), що виникає на спаї двох різнорідних провідників (рис. 1.2). У схему термоелектричного ланцюга входить термопара, сполучні дроти й вимірювальний прилад. Термопара складається із двох різнорідних провідників 2, кінці яких спаяні між собою. Спай I називають робочим, а кінці 3 - вільними. Вимірювальний прилад 5 з'єднується з термопарою за допомогою сполучних проводів 4. У якості вторинного вимірювального приладу застосовуються мілівольтметр або потенціометри.

Для одержання однозначної залежності між термоедс і температурою робочого спаю вільних кінців повинна бути стабілізована. Вільні кінці не завжди можна термостатувати, т.б підтримувати їхню температуру постійної безпосередньо поблизу термопари, тому їх переносять в інше місце. Для цієї мети застосовують так звані компенсаційні дроти 4.

Необхідно знати, що найпоширеніші термопари стандартних градуйовок: ПП. (платинородій - платина), ХА (хромель - алюмель), ХК (хромель - копель) і ін. Платинородій - платинові термопари застосовують для виміру середовища температурою до 1600 ^ос ; хромель — алюмелеві - до 1000 ^ос і короткочасно до 1300 ^ос; хромель – копелеві – до 600 ^ос і короткочасно до 800 ^ос. Конструкція термопари показана на рисунку 1.3.

Електроди ізолюють друг від друга порцеляновими трубками й поміщують у захисний чохол 2. Він залежно від температури середовища виготовляється з порцеляни, карборунду, жаротривкої сталі. У голівках термопари 1 поміщають пластмасову або порцелянову панель із клемами. З середини до клем підключені електроди - термопари, а зовні сполучні або компенсаційні проведення. Для виміру високих температур застосовують термопари з тугоплавких матеріалів, наприклад вольфраммолібденові, вольфраморенієві й інші.

Вимір температури термометрами опору засновано на властивості деяких матеріалів змінювати електричний опір залежно від температури. Термометри опору бувають металеві й напівпровідникові. Чутливий елемент металевого термометра опору являє собою тонкий дріт діаметром 0,05...0,1 мм, намотаний на каркас із ізоляційного матеріалу, наприклад, кварцу, пластмаси, або поміщену у вигляді спирали в керамічний каркас із заповненням спіралі ізолюючим порошком і наступною герметизацією чутливого елемента. Виготовлені в такий спосіб чутливі елементи містяться в захисний чохол, що потім поринає у вимірюване середовище (рис. 1.5). Чутливий елемент напівпровідникового термометра опору являє собою кристал напівпровідникового матеріалу як правило, герметизирований у скляному або металевому чохлі невеликих розмірів. У комплекті з термометрами опору використовуються логометри й автоматичні врівноважені мости. Термометри опору виготовляють із платини (ТСП) і з міді (ТСМ). Область застосувань технічних платинових термометрів опору від - 260 до + 1100 ^сС, наприклад, термометри опору типу ТСП - 5071 застосовують в інтервалі температур - 200 .... + 750 ^ос. Мідні термометри опору застосовують для виміру температур в інтервалі - 50 ... + 150 ^ос. Напівпровідникові термометри опору випускаються для виміру температур у діапазоні від 1 до 600 К. Варто знати, що в промисловості застосовуються чотири різновиди пірометрів, що вимірюють температуру по тепловому випромінюванню тіл. Вимір температури тіл пірометрами випромінювання здійснюють безконтактним способом, тобто на відстані. Всі пірометри градуються по абсолютно чорному тілу. При цьому величина випромінювання реального тіла відрізняється від випромінювання абсолютно чорного тіла. Ці відмінності відображаються коефіцієнтом випромінювання або ступенем чорності тіла Можливість визначення температури тіл з різним ступенем чорності за допомогою того самого приладу досягається градуйовкою приладу при температурі абсолютно чорного тіла. Такі способи градуйовки призводять до одержання занижених результатів. Дійсну температуру визначають введенням виправлень на неповноту випромінювання реального тіла в порівнянні з абсолютно чорним тілом. Пірометрами основних типів є радіаційні й оптичні.

Метод виміру температури базується на залежності енергії випромінювання тіла від його температури; енергія випромінювання при цьому перетвориться в електричний сигнал, що виміряється вторинним приладом (рис. 1.4). Промені від розпеченого тіла 1 збираються лінзою об'єктива 4 і фокусуються на термочуттєвий елемент (термобатарею) 2, розташований у корпусі пірометра 3. У радіаційних пірометрах термочуттєвим елементом є багатошарова батарея, що складається з десяти дуже тонких хромель - копелевих термопар. Прилад варто візувати так, щоб нагріте тіло було видно в телескопі й закривало все поле зору. Величину термоЕДС, що розвивається термобатареєю, вимірюють мілівольтметром або потенціометром 5, відградуйованим у градусах Цельсія по температурі випромінювання абсолютно чорного тіла. Телескоп пірометра з'єднаний із вторинним приладом через панель зі зрівняльними й еквівалентними опорами, які забезпечують незалежність показання телескопа при різних сполученнях вторинних приладів. Інтервал виміру температури 100 .... 4000 ^СС і вище.

Необхідно знати, що принцип дії оптичного пірометра зі зникаючою ниткою заснований на порівнянні в монохроматичному світлі яскравості випромінювання напруженого тіла, температура якого виміряється, з яскравістю розжарення еталонної нитки. Світловий потік випуску розпеченим тілом, надходить у прилад через об'єктив і далі через окуляр в око спостерігача. Спостерігач порівнює яскравість світлового потоку з яскравістю нитки пірометричної лампи. Нитка лампи розжарюється від акумулятора, і регулювання розжарення здійснюється реостатом доти, поки верхня частина нитки не зникає на тлі зображення об'єкта.

Оптичний пірометр призначений для виміру температур від 800 до 2000 °С. Однак нитка лампи не витримує розжарення вище 1400 °С, тому для виміру температур понад 1400 °С світловий потік напруженого тіла послабляється додатковим світлофільтром. Тому шкала приладу має два різних інтервали вимірів: без світлофільтра, що послабляє (800... 1400 °С) і зі світлофільтром (1200...2000 °С).

Різновидом пірометрів монохроматичного випромінювання є фотоелектричні пірометри. У них так само, як і в оптичних пірометрах, виробляється порівняння інтенсивності випромінювання від нагрітої поверхні й від нитки лампи, але на відміну від оптичних пірометрів це порівняння виконується не візуально (на око), а за допомогою фотоелемента або фотоопору й спеціального електронного блоку. Якщо оптичний пірометр - переносний прилад, на якому операції виміру температури роблять вручну, то фотоелектричний пірометр - стаціонарний автоматизований комплект апаратури, що складає з властиво пірометра й вторинного приладу, що показує й реєструє.

Принцип дії манометричних термометрів заснований на зміні тиску робочої речовини, що знаходиться в замкнутому об'ємі, залежно від температури. Робоча речовина, укладена в термобалоні, при нагріванні створює тиск, що відповідає певній температурі речовини. Від термобалону тиск передається по капілярі до зігнутого по окружності порожній трубці манометра. Вільний кінець трубки закритий наглухо й може переміщатися. До нього за допомогою передатної механічної системи приєднані стрілка й перо. Під впливом тиску усередині трубки манометра її вільний кінець переміщається доти, поки надлишковий тиск не зрівноважиться пружним натягом матеріалу трубки. На шкалі манометра занесені значення температури, що відповідають тиску робочої речовини Як робоча речовина використовують ртуть, ксилол, бензол, хлористий мітив, азот. Відповідно манометричні термометри розділяють на рідинні, парові й газові. Межі виміру температури від 0 до 300 °С.

Крім розглянутих приладів для виміру температури у промисловості знаходять широке застосування рідинні термометри розширення, що складаються зі скляного капіляра з невеликим резервуаром унизу, заповнені ртуттю, спиртом і іншими рідинами. Рідина при нагріванні розширюється, висота її стовпчика в капілярі збільшується і є мірою температури Промислові рідинні термометри застосовуються для виміру температури до 300 ^о с. До термометрів розширення ставляться також механічні термометри з біметалічними пластинами.

Необхідно знати, що при вимірі тиску розрізняють абсолютний, надлишковий, атмосферний тиск, розрідження (вакуум), які зв'язані між собою співвідношеннями:

Р_абс = Р_над + Р_атм ; Р_розр = Р_атм – Р_абс ;

Р_абс = Р_атм – Р_розр; Р_над = Р_абс – Р_атм ;

ΔР = Р^!! _абс – Р^! _абс . ΔР = Р^!! _над – Р^! _над ,

де Р_абс – абсолютний тиск;

Р_над – надлишковий тиск;

Р_атм – атмосферний тиск;

Р_розр – розрідження (вакуум);

ΔР – перепад тиску.

Прилади, що вимірюють надлишковий тиск, називають манометрами, що вимірюють розрідження – вакуумметрами; що вимірюють різницю двох тисків – дифманометрами.

Найпростішим приладом для виміру тиску й розрідження є рідинний U- образний манометр (рис. 1.6). Він складається з 2 - колінної скляної трубки, на якій передбачена шкала, градуйована в міліметрах нагору й вниз від деякої середньої оцінки, позначеної нулем. Трубка заповнюється рідиною (водою, спиртом, ртуттю, маслом) приблизно до половини її висоти. Якщо приєднати одне з колін до сосуду, що перебуває під надлишковим тиском, то рідина в цьому коліні опуститься, а в іншому підніметься. Різниця рівнів рідини в одному й іншому колінах покаже величину надлишкового тиску, виражену в міліметрах стовпа тої рідини, що заповнює прилад. У пружинних приладах для виміру тиску й розрідження використовують пружність різних пружин (рис. 1.7): трубчастої, багатовиткової трубчастої, пластинчастої (мембрани) і гармонікоподібної - сильфону. Пружні елементи - трубка, мембрана, сильфон - у таких манометрах механічно з'єднані зі стрілкою або з електричним датчиком реєстрації показань по шкалі приладу. Для виміру невеликих тисків і розріджень застосовуються напороміри, тягонапороміри з пружними або млявими мембранними чутливими елементами.

1 - головка: 2 — штуцерна гайка; 3 — арматура; 4 — чуттєвий елемент.

Рисунок 1.5 – Загальний вигляд термометру опору

Вимоги до звіту

У звіті відбити основні методи виміру температури й тиску. Привести принципові схеми виміру температури за допомогою термопар, стислі характеристики термопар, термометрів опору, пірометрів випромінювання, манометричних термометрів і термометрів розширення, а також приладів для виміру тиску

Контрольні питання

1. Надати коротку характеристику способів виміру температури.

2. Привести характеристику термоелектричних термометрів.

3. Основні типи термопар, принцип роботи термопари. Укажіть межі виміру температур. Які вторинні прилади використовуються при вимірі температури за допомогою термопар?

4. Які температурні шкали застосовуються?

5. Принцип дії, типи й область застосування термометрів опору. Які вторинні прилади використовуються при вимірі температур за допомогою термометрів опору?

6. розповісти принцип дії й характеристика пірометрів випромінювання, область застосування оптичних і радіаційних пірометрів.

7. Надати коротку характеристику манометричних термометрів.

8. розповісти про термометри розширення.

9. Що такий абсолютний, надлишковий тиск і розрідження? Одиниці виміру тиску, зв'язок між абсолютним, надлишковим і атмосферним тиском, розрідженням (вакуумом).

10. Які прилади використовують для виміру надлишкового тиску?

11. Які прилади використовують для виміру атмосферного тиску, розрідження ( вакууму) і перепаду тиску ?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 2

ВИЗНАЧЕННЯ ІЗОБАРНОЇ ТЕПЛОЄМНОСТІ ГАЗІВ

Ціль роботи - засвоїти методи експериментального визначення й практичного використання теплоємності газів (на прикладі повітря).

2.1 Загальні вказівки

Перед виконанням лабораторної роботи вивчите дійсні методичні вказівки, що відповідають поділи [3,4], підготуйте відповіді на контрольні питання і заготовте бланк звіту.

У теплотехніці при розрахунку кількості теплоти в процесі зміни стана тіла необхідно знати його теплоємність. Теплоємність чисельно дорівнює кількості теплоти, що необхідно повідомити тілу, щоб у даному процесі при даних параметрах змінити його температуру на 1К. У практичних розрахунках використовують питомі значення теплоємності.

У залежності від кількісної одиниці, до котрого її відносять, розрізняють масову С_m (кДж/(кг·К), об'ємну Сv (кДж /(м³·К) і молярну С_μ (кДж /(кмоль·К) питомі теплоємності.

Таким чином, питома теплоємність залежить від кількісної одиниці, до котрої її відносять, природи тіла, характеру процесу зміни стана і параметрів стана тіла. Для газу теплоємність може розглядатися в даному процесі як функція температури і тиску. Теплоємність ідеальних газів не залежить від тиску, для багатьох реальних газів удалині від лінії насичення вона також рахується тільки функцією від температури. Це ставиться до азоту, кисню, повітря й інших газів при умовах, близьких до нормального.

Під щирою теплоємністю розуміють її значення, що відповідає визначеній температурі. Щира питома масова теплоємність - це відношення питомої теплоти при нескінченно малій зміні стану в даному процесі (dq) до зміни температури (d)

(2.1 )

де - відповідно теплоємності в довільному, ізобарному і ізохорному процесах.

У кінцевому процесі відношення теплоти q до зміни температур ΔТ = Т₂ - Т₁ називають середньою теплоємністю , середню теплоємність в інтервалі температур Т₁ ÷ Т₂ визначають по формулі

, (2.2)

- визначають по таблицях відповідно при температурах Т₂ і Т₁.

Розмір теплоємності залежить від характеру процесу. При термодинамічному аналізі і теплотехнічних розрахунках особливе місце займають ізобарна С_р і ізохорна С_V теплоємності. Для ідеальних газів їх значення достатньо для визначення внутрішньої енергії і ентальпії.

Зміна внутрішньої енергії визначається по формулі

ΔU = U₂ - U₁ = С_V ( Т₂ - Т₁). (2.3)

Зміна ентальпії

Δ i = i₂ - i₁ = С_р ( Т₂ - Т₁). (2.4 )

Зв’язок між С_р і С_V установлюється за законом Майєра

С_р = С_V + R,

С_V = С_р - R, (2.5)

С_р - С_V = R,

де R - газова постійна.

Значення С_р і С_V для ідеальних газів визначаються молекулярно-кінетичною теорією , більш точно воно визначається за допомогою спектроскопічних методів, заснованих на застосуванні квантової фізики.

2.2 Методика проведення експерименту

У даній роботі для визначення ізобарної теплоємності повітря використовується метод проточного калориметрировування. Через проточний калориметр пропускають повітря, що нагрівається розташованим усередині електронаг-рівачем. У стаціонарному режимі вимірюють підведену до повітря від нагрівача теплоту, температури повітря на вході і виході з калориметра і його витрата. Теплоємність розраховують на підставі рівняння першого закону термодинаміки для потоку, записаного для вхідного і вихідного перетинів калориметра

(2.6)

де питома теплота, віднесена до 1 кг повітря

q - підведена до повітря в калориметрі;

- підведена до повітря від нагрівача;

- теплові втрати калориметра в навколишнє середовище.

Різниця швидкостей ω ₁ і ω ₂ і висот х₁ і х₂ мала, технічна робота не відбувається ( L_Т), теплові втрати в калориметрі самоулавлюється ( = 0) тоді рівняння (2.6) приймає вид

. (2.7)

Тому що пов'язано з електричною потужністю нагрівача W і масовою витратою повітря через калориметр, то

(2.8)

Єднаючи формули (2.7) і (2.8), одержуємо формулу для визначення середньої ізобарної теплоємності

(2.9)

Перед виконанням лабораторної роботи вивчите схему опитної установки, що наведена на рисунку 2.1.

Основна частина установки, зображеної на рисунку, - проточний електрокалориметр 5, що подає собою багатоходовий скляний теплообмінник. На осі розміщений нагрівач 6 із ніхромової спіралі опором біля 90 Ом. Потік повітря з зовнішніх каналів підходить до нагрівача, забезпечуючи тим самим самоуловлювання теплових витрат із центральної нагрітої зони підхожим холодним повітрям.

Температура повітря на вході й виході з калориметра вимірюється хроміль-алюмелєвими термопарами. Для визначення середньої по перетину потоку температури нагрітого повітря термопара на вході розміщена на мідному штахеті, перпендикулярної до осі потоку. Термопари залучені до багатоканального цифрового приладу 10 для виміру температури типу А - 565. Температури t₁ і t₂ відповідно на вході і виході в градусах Цельсія індицирується на табло приладу при натисканні клавіші відповідного каналу. Повітря подається компресором 9. Витрата повітря регулюється за допомогою голчастого вентиля 7. Об'ємна витрата вимірюється за показниками ротаметра 8 і його градуйованому графіку для повітря (див. рис. 2.2 ).

Електрична потужність нагрівача 6 регулюється лабораторним автотрансформатором 3 і вимірюється ватметром 4. Тиск повітря в калориметрі визначається по показанню барометра в помешканні лабораторії. Після вивчення схеми опитної установки приступити до виконання роботи.

1. Вимикачем 1 подати напругу на установку, при цьому повинна зайнятися лампочка 2.

2. Вентилем 7 ротаметра 8 встановити і підтримувати необхідну витрату повітря. Значення витрати зчитивають на шкалі ротаметра по верхній точці кульки - поплавця й визначають по градуйованому графіку (рисунок 2.2).

3. За допомогою автотрансформатора встановити необхідне значення потужності на нагрівачі 6 (контролюють по ватметру).

1 – вимикач; 2 - лампа; 3 - автотрансформатор; 4 - ватметр;

5 - проточний електрокалориметр; 6 - нагрівач; 7 - вентиль;

8 - ротаметр; 9 - компресор; 10 - багатоканальний цифровий прилад для вимірювання температури.

Рисунок 2.1 - Схема установки

4. Вихід установки на стаціонарний режим визначити по температурі t₂ повітря після калориметра, для чого значення t₂ з інтервалом 3 хвилини зафіксувати і занести в окрему таблицю (максимальний час виходу на режим 30 хвилин). Коли значення t₂ установиться (максимальна температура повітря на виході з калориметра не більш 60 ⁰С), визначити показання ватметра, ротаметра, барометра, температури t₁ і t₂ по цифровому приладу і занести їх у таблицю.

5. Після узгодження з викладачем отриманих результатів провести 2-3 досвіду при інших режимах, що рекомендуються значення витрат 40, 60, 80, 90 розподілів по шкалі ротаметра і відповідно потужності 1; 1,5; 2,0; 2,5 Вт, але не більш 6 Вт.

6. Після закінчення досвідів ручку автотрансформатора встановити в нульове положення, виключити вимикач 1, через хвилину закрити вентиль 7, а співробітник лабораторії відключає компресор 9.

2.3 Опрацювання опитних даних

Середню ізобарну теплоємність визначити по формулі (2.9). Потужність нагрівача (W) визначити по ватметру. Приймаючи склад повітря 21 % О₂ і 79 % N₂ визначити середню молекулярну масу по формулі

. (2.10)

Газову постійну повітря за формулою

. (2.11 )

Питомий обсяг повітря визначити з рівняння стана ідеально-го газу

. (2.12 )

де Т₁ - температура повітря на вході в калориметр;

Р₁ - атмосферний тиск по показанню барометра.

Ротаметр РМ 06 - 1 Р № 3234.

Температура середовища 20 ^оС; тиск 760 мм. рт. ст.

Рисунок 2.2 - Графік визначення витрат

Дійсну витрату повітря визначите по формулі

, (2.13)

де Р і Т - параметри тарировки ротаметра (Р =760 мм. рт. ст;

Т = 293 К);

V - витрата повітря по тарувальному графіку ротаметра (м³/ч).

Масова секундна витрата повітря

(2.14)

Порівняєте отримані дані з табличними значеннями ізобарної теплоємності з [4]. Результати опитів занесіть до таблиці 2.1.

2.4 Вимоги до звіту

Звіт повинний містити:

1 Титульний лист установленої форми.

2 Назва і ціль роботи.

3 Стислу теоретичну частину.

4 Схему опитної установки і стислий її опис.

5 Основні розрахункові формули, результати вимірів і розрахункових даних ( зведену таблицю ).

6 Висновки про роботу.

Контрольні питання

1. Що називається теплоємністю?

2. Що таке питома масова, об'ємна і мольна теплоємності ?

3. Що таке щира теплоємність?

4. Як визначається середня теплоємність в інтервалі температур Т₁ і Т₂?

5. Напишіть рівняння кількості теплоти через середню теплоємність.

6. Який зв'язок між ізобарною і ізохорною теплоємкостями, газової постійної і показником адіабати?

7. Чому теплоємність газу при постійному тиску завжди більше теплоємності при постійному обсязі?

8. Як визначаються масова, об'ємна і мольна теплоємності для газових сумішей?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 3

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА адіабати ПОВІТРЯ

Ціль - експериментально визначити показник адіабатного процесу для одного з найбільш поширених робочих тіл - повітря й порівняти експериментальні дані з розрахунковими.

3.1 Загальні вказівки

Перед виконанням лабораторної роботи вивчите дійсні методичні вказівки, що відповідають поділи робіт [3,4], підготуйте відповіді на контрольні питання й заготовте бланк звіту.

Для виконання дійсної роботи необхідно знати такі основні положення:

1. Термодинамічний процес, у якому до системи не підводиться й від системи не приділяється теплота (без теплообміну з навколишнім середовищем) називають адіабатним (dq = 0). Термодинамічна система, у якій протікає адіабатний процес, являє собою систему, обмежену оболонкою, постаченою ідеальною теплоізоляцією. У реальних умовах процес є адіабатним у тих випадках, коли система постачена гарною теплоізоляцією з низькою теплопровідністю, або процес зміни стана робочого тіла (газу) відбувається настільки швидко, що практично не встигає здійснюватися теплообмін між робочим тілом і навколишнім середовищем, тобто цей теплообмін зневажливо малий.

2. Запам'ятаєте, що для оборотного адіабатного процесу справедлива рівність

d q = T dS; d q = 0; dS = 0; S = const,

тобто оборотний адіабатний процес є в той же час ізоентропним процесом. Для необоротного адіабатного процесу має місце нерівність

T d S> dq; dq = 0; T d S > 0; d S > 0; S₂ > S₁,

тобто необоротний адіабатний процес не є ізоентропним. Рівняння адіабатного процесу можна одержати з рівняння першого закону термодинаміки, приймаючи при цьому dq = 0. Рівняння адіабатного процесу має вид (рівняння Пуассона)

(3.1 )

де Р - тиск, Па ( Н / м²);

- питомий обсяг, м³ / кг; к - показник адіабати.

Майте на увазі, що співвідношення (1) справедливо для будь-якого стану тіла (газу, рідини і твердого тіла). Розмір показника адіабати істотно різноманітний в різноманітних фазових станах речовини. Для твердих тіл і рідин розмір к дуже великий, причому помітно змінюється з температурою. Для газів і парів розмір к змінюється в залежності від температури щодо слабко, для більшості газів значення к лежить в інтервалі 1.3... 1.7.

3. Повітря при щодо невисоких тисках можна розглядати як ідеальний газ. Для ідеального газу показник адіабати визначається як відношення ізобарної теплоємності до ізохорної теплоємності

к = . (3.2 )

Використовуючи рівняння Майєра С_Р = С_V + R, можна одержати таке рівняння для визначення к

к = 1 + (3.3)

де R - газова постійна,

С_Р - ізобарна теплоємність,

С_V - ізохорна теплоємність,

У загальному випадку показник адіабати може змінитися, тоді в рівнянні адіабати необхідно підставляти середнє значення к_СР

(3.4)

Показник адіабати ідеальних газів залежить від атомності газів (число атомів у молекулах) і від температури. Як відомо, теплоємність ідеальних газів (повітря) мало змінюється з температурою, тому розмір к можна розрахувати по рівнянню (3.3) при відомих значеннях R і або по рівнянню (3.2) при відомих С_Р і .

Показник адіабати можна визначити також із рівняння адіабати, якщо відомі початкові і кінцеві параметри робочого тіла: Р₁, , Р₂, за такою формулою

(3.5)

3.2 Методика проведення експерименту

Досвіди проводьте на установці, принципова схема якої наведена на рисунку 3.1, у такій послідовності:

– закрийте кран 5 і насосом 2 підніміть тиск у судині 1 до визначеного тиску ( за указівкою викладача), тиск при цьому контролюйте по рідинному манометру 4;

– після охолодження повітря в судині до температури навколишнього середовища (коли показання манометра не буде змінюватися) запишіть надлишковий тиск у судині ( Р_{I над});

– відчиніть кран 5 і випустите повітря із судини, коли тиск у судині 1 знизиться до атмосферного (як тільки рівні рідини в правому та лівому колінах U - образного манометра дорівнюються Р_{2 над} = 0), швидко закрийте кран 5;

– процес розширення повітря вважайте адіабатним через його скоротечність, у результаті адіабатного розширення температура повітря в судині 1 зменшується, тобто стає нижче температури навколишнього середовища, тому після закриття крана 5 починається процес ізохорного нагрівання повітря в судині за рахунок тепла навколишнього середовища й тиск у судині починає підвищуватися;

– коли температура в судині зрівняється з температурою навколишнього середовища (перестане змінюватися тиск у судині по показанню манометра), запишіть розмір тиску Р_{3 над};

– опит повторюєте декілька разів при інших значеннях Р₁ (кількість досвідів за указівкою викладача);

– результати досвідчених даних занесіть у таблицю і зобразите процеси на діаграмі Р (див. рис. 3.2).

1 – судина; 2 - насос; 3 - клапани; 4 - рідинний манометр;

5 - кран; 6 – термометр

Рисунок 3.1 - Схема експериментальної установки

1 – 2 – адіабатне розширення;

2 - 3 - ізохорний нагрів

Рисунок 3.2 - Р - діаграма процесів

3.3 Методика опрацювання досвідчених даних

Визначення показника адіабати по формулі (3.5) викликає визначені труднощі через трудомісткість експериментального визначення питомого обсягу наприкінці процесу, тому цей параметр необхідно виключити з формули. Для цього після адіабатного розширення повітря зробіть ізохорний нагрів до температури навколишнього середовища. Отже, Т₁ = Т₃ = Т_зв, тобто процес 1 - 3 ізотермічний ( умовно показаний пунктиром). З закону Бойля - Маріотта випливає Р₁/Р₃ = , тому що процес 2 - 3 ізохорний ( ), тоді можна записати Р₁/Р₃ = , відкіля , і після підстановки замість у рівняння (3.5) одержимо таке вираження для визначення показника адіабати

(3.6 )

У рівняння (3.6) варто підставляти абсолютні значення Р₁, Р₂ і Р₃ у Па ( Н/ м²), для цього експериментальні значення Р₁, Р₂ і Р₃ спочатку розрахуйте в Па, а потім визначите абсолютні тиски Р₁, Р₂ і Р₃. Дані занесіть у таблицю. Після визначення показника в кожному окремому експерименті підрахуйте середнє його значення К_ср і визначите помилку експерименту. Зіставте експериментальні дані з літературних джерел і зробіть висновки про роботу.

Таблиця 3.1 - Результати вимірів і розрахункових даних

Майте на увазі, що 1 мм. вод. ст. = 1/0,102 Па, а 1 мм. рт. ст. = 10³ / 7,5 Па.

3.4 Вимоги до звіту

Звіт повинний містити:

1 Титульний лист по установленій формі.

2 Назва і ціль роботи.

3 Стислу теоретичну частину.

4 Схему досвідченої установки і стислий її опис.

5 Основні розрахункові формули, результати вимірів і розрахункових даних ( зведену таблицю ).

6 Висновки про роботу.

Контрольні питання

1. Дайте визначення основних термодинамічних процесів і зобразите ці процеси на діаграмах Р и ТS .

2. Напишіть рівняння адіабатного процесу і поясните, як це рівняння утворюється.

3. Напишіть співвідношення між основними термодинамічними параметрами стана в адіабатному процесі, рівняння першого закону термодинаміки для адіабатного процесу.

4. Як визначаються в адіабатному процесі робота зміни обсягу, робота що розташовується, кількість теплоти, зміна внутрішньої енергії, ентальпії й ентропії?

5. Що таке показник адіабати, як він визначається і від яких факторів він залежить?

6. Який зв'язок між показником адіабати, газовою постійною, ізобарною і ізохорною теплоємкостями?

7. Як залежить показник адіабати для ідеальних газів від температури й атомності газів?

8. Від яких факторів залежить показник адіабати для реальних газів?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4

ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ СУХОСТІ ВОЛОГОЇ НАСИЧЕНОї ПАРи

Ціль - виробити навички експериментального визначення ступеня сухості вологої водяної пари методом конденсації й теплового балансу.

4.1 Загальні вказівки

Перед виконанням лабораторної роботи вивчите дійсні методичні вказівки, що відповідають поділи роботи [4], підготуйте відповіді на контрольні питання й заготовте бланк звіту.

Для виконання дійсної роботи необхідно знати такі основні положення.

Процес перетворення речовини з рідкого стана в газоподібне називають паротворенням. Паротворення, що відбувається завжди, при будь-якій температурі, із вільної поверхні рідини називається випаром.

Кипіння - це процес паротворення, що протікає тільки при визначеній температурі й не тільки з поверхні рідини, але і з внутрішніх прошарків рідини. Температура кипіння залежить від тиску та фізичних властивостей рідини: чим більше тиск, тим більше температура кипіння. Процес паротворення протікає при постійній температурі, якщо тиск не змінюється.

Перехід із газоподібного стана в рідке є конденсацією, а рідина, отримана при конденсації пару, називають конденсатом. Процес конденсації, так само як і процес паротворення, протікає при постійній температурі, якщо при цьому тиск залишається постійним.

Пара, що стикається з рідиною й знаходиться в термічному з ній рівновазі, називають насиченою (пара при цьому має максимальну щільність). Розрізняють вологу насичену, суху насичену та перегріту пару. Суміш сухої пари й високодисперсійних (дрібних) часток рідкої фази, рівномірно розподілених по всій масі пари - волога насичена пара. Насичена пара, у якої відсутні високодисперсійні частки рідкої фази, - суха насичена пара. Перегрітою називають пару, що має при даному тиску більш високу температуру, чим суха насичена пара.

Масова частка сухої насиченої пари в вологої - це ступінь сухості (Х), масова частка киплячої рідини у вологому парі - ступінь вологості (1 -Х). Отже, Х = m_сп / m_вп, для киплячої рідини при температурі насичення Х = 0, а для сухої насиченої пари Х = 1, для вологої насиченої пари 0 < X < 1. Стан сухої насиченої пари визначається одним параметром, а вологої - двома.

Теплотою паротворення r (питомою) є кількість теплоти, що необхідно затратити на перетворення одиниці маси (1кг) киплячої рідини в сухий насичений пар. Теплота паротворення визначається тиском або температурою. З зростанням останніх вона зменшується й у критичній точці дорівнює нулю. Фізичний зміст теплоти паротворення полягає в тому, що вона витрачається на зміну внутрішньої потенційної енергії (ρ) або на роботу дисгрегації (роз'єднання) і на зовнішню роботу розширення

ψ =

де ρ - внутрішня теплота паротворення;

ψ - зовнішня теплота паротворення.

Отже,

r = ρ + ψ.

4.2 Методика проведення експерименту

Експеримент проведіть на установці, принципова схема якої приведена на рисунку 4.1. Установка складається з термос-татуйованій судини 1, термостійкої судини 2, електричного нагрівача 3, термометрів 4 і сполучної трубки 5. Експеримент проведіть в такій послідовності:

1. Налийте в термостатуйовану судину за допомогою мірної судини біля 1000 мл води і щільно закрийте кришку термостата, через кілька хвилин запишіть показання термометра, встановленого на термостаті.

2. Поставте скляну судину, заповнену на ½ водою, на нагрівач і включите нагрівач у сіть.

3. Занесіть у таблицю початкову масу і температуру води в термостаті.

4. Коли вода почне кипіти, з'єднаєте скляну судину з термостатом за допомогою трубки 5.

5. По показанню термометра на скляній судині визначте температуру киплячої води і по показанню барометра запишіть атмосферний тиск.

6. При досягненні температури води в термостаті, що перевищує на 40...45…45⁰С початкову температуру, роз’єднайте трубку від термостата та відключите нагрівач від сіті.

7. По різниці маси води в термостаті після досвіду й до нього визначте масу конденсату.

8. При температурі кипіння води в скляній судині визначите ентальпію киплячої рідини й теплоту паротворення по таблиці водяної пари.

9. Всі ці дані занести в таблицю 4.1.

10. Обчислите ступінь сухості вологого пару по формулі (4.5)

Таблиця 4.1 - Результати вимірів і розрахункові дані

1 – термостатуйована судина; 2 - термостійка судина;

3 - електричний нагрівач; 4 - термометри; 5 - сполучна трубка

Рисунок 4.1 - Принципова схема установки

4.3 Методика визначення ступеня сухості

У основу визначення ступеня сухості пари призначена метода її конденсації та передачі теплоти паротворення й фізичного тепла води в термостаті. Майте на увазі, що процес відбувається при постійному тиску (рівному атмосферному), кількість тепла , що виділилось , можна визначити за формулою

Q = m_k ( i_x - i₂ ), (4.1)

де m_k - маса конденсату, кг;

i_x - ентальпія вологої пари, кДж/кг;

i₂ - ентальпія води, кДж/кг.

Ентальпію вологого пари обчислите за формулою

i_x = (4.2)

де - ентальпія киплячої води, кДж/кг;

r - теплота паротворення, кДж/кг;

х - ступінь сухості.

Обидва ці розміри визначите по таблиці водяної пари при температурі кипіння (або при атмосферному тиску).

Ентальпію води знайдіть по формулі

i₂ = С_р t₂, (4.3)

де С_р - ізобарна теплоємність води, що може бути прийнята рівною 4,19 кДж/(кг. К);

t₂ - температура води в термостаті після конденсації вологого пару ( наприкінці опиту ), ^оС.

Рахуючи, що усе тепло, віддане паром при конденсації, акумулюється водою, налитою в термостат, одержимо

Q = m_в C_p (t₂ - t₁), (4.4)

де m_в - маса води в термостаті на початку опиту, кг;

t₁ і t₂ - температура води в термостаті відповідно до і після конденсації, ^оС.

Розглядаючи спільно формули 4.1 - 4.4, можна одержати тепловий баланс процесу, із якого вивести формулу для визначення ступеня сухості вологого пару

(4.5)

4.4 Вимоги до звіту

Звіт повинний містити:

1 Титульний лист по установленій формі.

2 Назву і ціль роботи.

3 Стислу теоретичну частину.

4 Схему досвідченої установки і її опис.

5 Результати вимірів і розрахункові дані ( у виді таблиці ), основні розрахункові формули.

6 Висновки про роботу.

Контрольні питання

1. Що називається кипінням, паротворенням, конденсацією та випаром?

2. Що таке насичена пара?

3. Який пар називається вологим насиченим, сухим насиченим і перегрітим паром?

4. Дайте визначення фізичного змісту теплоти паротворення.

5. Від яких параметрів залежить температура кипіння?

6. Що таке ступінь сухості і ступінь вологості?

7. Зобразите процес паротворення на Р - діаграмі.

8. Як визначаються параметри води і сухої насиченої пари?

9. Як визначаються параметри вологого насиченої та перегрітої пари?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 5

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ВОЛОГОГО ПОВІТРЯ

Ціль - виробити навички експериментального визначення параметрів вологого атмосферного повітря, розрахункового і графічного визначення параметрів вологого повітря в процесах нагрівання й сушіння, побудова процесів нагрівання й сушіння на Jd - діаграмі.

5.1 Загальні вказівки

Перед виконанням роботи вивчите дійсні методичні вказівки, що відповідають поділам конспекту лекцій і роботи [4], підготуйте відповіді на контрольні питання й заготовте бланк звіту.

Необхідно знати, що вологе повітря - це суміш, що складається із сухого повітря й водяних парів. Вологе повітря знаходить широке застосування в сушильній техніці, де він використовується в якості сушильного агента. При щодо невеличких тисках (близьких до атмосферного) вологу повітря можна розглядати як газову суміш, до якої застосовні закони для ідеальних газів. Загальний тиск вологого повітря, відповідно до закону Дальтона, дорівнює сумі парціальних тисків сухого повітря й водяного пару: Р = Р_В + Р_П. Водяний пар у повітрі може знаходитися в перегрітому або насиченому станах, у першому випадку повітря є ненасиченим, а в другому - насиченим. Стан пару в цих умовах характеризується розміром його парціального тиску Р_П.

Майте на увазі, що розрізняють абсолютну вологість, відносну вологість і вологоємкість. Під абсолютною вологістю потрібно розуміти масу водяних парів, укладених у 1 м³ вологого повітря, чисельно рівну щільності пару при парціальному тиску. Кількість водяного пару, що знаходиться у вологому повітрі, віднесене до 1 кг сухого повітря, називають вологоємкістю d. Вологоємкість можна висловити як відношення маси пару m_n у вологому повітрі до маси сухого повітря m_в у ньому: d = m_n / m_в або d = p_п / p_в. Отже, розмір d вимірює масу пару, що утримується в 1 кг сухого повітря або (1 + d ) кг вологого повітря. Користуючись рівнянням стана ідеальних газів, можна одержати таке вираження для визначення вологоємкості

d = 0, 622 Р_п / ( Р - Р_п ) кг/ кг. сух. пов. (5.1 )

Варто знати, що насичене повітря містить при даній температурі максимальну кількість водяного пару, а ненасичене повітря не містить максимально можливої кількості водяного пару при даній температурі. Важливою характеристикою вологого повітря є відносна вологість. Вона являє собою відношення дійсної абсолютної вологості ненасиченого повітря до максимально можливої абсолютної вологості повітря при тієї ж температурі φ = ρ _п / ρ _макс = ρ _п / ρ _нас. Відносна вологість повітря, якщо вважати її ідеальним газом, чисельно дорівнює відношенню парціального тиску водяного пару в ньому до максимально можливого тиску водяного пару при температурі суміші

φ = Р_п / Р_макс = Р_п / Р_нас.. Відносна вологість може змінюватися від φ = 0 (сухе повітря) до φ = 1 (насичене повітря) або від 0 до 100 %. Якщо вологе повітря остудити, то відносна вологість буде збільшуватися й навпаки.

Температура t_р , при котрої ненасичене повітря (φ < 1) стає насиченим (φ = 1) при даному парціальному тиску, є температурою точки роси. При охолодженні повітря нижче температури точки роси відбувається конденсація водяних парів. Температура точки роси t_р визначається за допомогою гігрометра, а парціальний тиск пару Р_п - за допомогою психрометра.

Необхідно знати, що ентальпія вологого повітря обчислюється за формулою

J = i_в + d i_n = t + ( 2490 + 1,97 t_н ) d, (5.2)

де i_в - ентальпія сухого повітря;

i_n - ентальпія водяних парів;

d – вологоємкість.

5.2 Методика проведення експерименту

Експерименти проведіть на установці, принципова схема якої приведена на рис. 5.1. Установка складається з електричного калорифера 1, зволожувачів (сушарки) 2, повітроводу 3 і вентилятора 4, автотрансформатора 5, реостата 6, сполучних трубок 7, кранів 8, бака з водою 9, водозбірника 10, термометрів 11, барометра 12, психрометра 13 і ватметра 14.

Після вивчення експериментальної установки приступіть до виконання лабораторної роботи.

1. Включіть електрокалорифер і вентилятор у мережу, після чого за допомогою автотрансформатора встановите необхідну потужність нагрівача і протягом усього досвіду підтримуйте її постійної;

2. Одночасно на зволожувачі подайте (безупинно протягом усього досвіду) воду, попередньо відчинив крани 8.

3. Прогрів установки продовжуйте доти, поки не установиться стаціонарний режим (орієнтовно 20 - 25 хвилин), про що можна судити по показанню термометрів, встановлених після калорифера й зволожувачів (коли температура повітря за калорифером і зволожувачами перестануть змінюватися).

4. Поки установка підігрівається запишіть показання барометра (В) і психрометра ( t_м, t_с) .

5. Після досягнення стаціонарного режиму роботи установки запишіть температури повітря після калорифера й зволожувачів.

6. Занесіть дані в таблицю і виключите установку (відключите вентилятор і калорифер від мережі і припиніть подачу води в бак).