лабораторные работы 2010

3.2 Теоретические основы

Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагревания тела на один градус. Если она отнесена к количественной единице тела, то теплоемкость называется удельной.

Различают три вида удельной теплоемкости:

Теплоемкость, как калорический параметр вещества, зависит от его термических параметров состояния, абсолютной температуры и абсолютного давления.

В зависимости от температурного интервала нагревания различают истинную и среднюю теплоемкость. Если температурный интервал является величиной бесконечно малой, то соответствующая тепло-

Теплоемкость, определяемая как C = δq / dt , зависит от характера процесса. Для практических целей важное значение имеет тепло-

11

емкость, определяемая при постоянном давлении - Сp и при постоян-

ном объеме - Cυ .

При этом: C p −Cυ = R ,

где R кДж/(кг К) - газовая постоянная.

Экспериментальное определение средней теплоемкости в интервале температур от t1 до t2 при постоянном давлении Сp производится

в проточном калориметре (рисунок 3.1).

Для этого через проточный калориметр пропускают воздух и в калориметре к нему подводят тепло.

Измеряют расход воздуха, количество подведенного тепла, температуру газа на входе в калориметр и на выходе из него. Расчетная

из полного уравнения первого закона термодинамики для стационарного потока после ряда упрощений:

qэл − qтп = h2 − h1 .

(3.1)

Рисунок 3.1 – Схема проточного калориметра

Дляпроцесса, совершающегосявконечноминтервалетемператур,

Отсюда получаем расчетную формулу для определения средней теплоемкости:

где qэл - тепло, подведенное в электронагревателе к 1 кг воздуха;

qтп - тепловые потери в окружающую среду в расчете на 1 кг

газа.

Если все экспериментальные величины, входящие в формулу, определить за 1 с, то расчетная формула примет вид:

здесь m - масса газа, проходящего через калориметр за 1 секунду. Воздух, забираемый в ходе опыта из лаборатории, является влаж-

ным воздухом, т.е. смесью сухого воздуха с водяным паром. При давлениях, близких к атмосферному, свойства этой смеси можно описать уравнениями для смеси идеальных газов.

Согласно закону Дальтона, каждый газ, входящий в смесь, находится под своим (парциальным) давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси.

На основании этого можно написать

Рс.м = Рс.возд + Рп ,

Температура, равная температуре насыщения при парциальном давлении пара во влажном воздухе, называется "температурой точ-

ки росы", т.е.:

tросы = ts ; Ps = Pп

Абсолютной влажностью воздуха называется количество килограммов водяного пара в 1 м3 влажного воздуха. Так как объем пара в смеси равен объему всей смеси, абсолютная влажность оказывается равной плотности пара при своем парциальном давлении и температуре смеси.

ρп = mп = mп , кг/м3.

Vп Vс.м

13

Относительной влажностью воздуха ϕ называется отноше-

ние абсолютной влажности к максимально возможной при данном давлении и температуре. Иначе, это есть отношение плотности пара в смеси к плотности пара, насыщающего пространство при той же температуре.

ϕ= ρп 100%

ρs

Влагосодержанием d влажного воздуха называется отноше-

ние массы пара (часто в граммах) во влажном воздухе к массе (в килограммах) сухого воздуха.

Эта величина употребляется во всех расчетах, связанных с влажным воздухом.

Связь между парциальным давлением пара и влагосодержанием определяется формулой

h п - энтальпия водяного пара; ее значение может быть подсчита-

но приближенно

hп = r +Cрпt = 2501 +1,92t ,кДж/кг.

14

Таким образом, формула вычисления энтальпии влажного воздуха приобретает вид:

15

ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ

Относительная влажность ϕ наиболее точно определяется с

помощью прибора, называемого психрометром. Психрометр состоит из двух поставленных рядом термометров: шарик одного из них обернут марлей, постоянно смачиваемой водой. Шарики этих термометров обдуваются воздухом, относительную влажность которого требуется измерить.

Вследствие испарения воды с поверхности марли ее температура понижается. В результате теплообмена воздуха с влажной марлей устанавливается равновесие, которому соответствует температура, пока-

зываемая "мокрым" термометром tм . Она окажется меньше темпера-

туры "сухого" термометра tсух , показывающего действительную температуру влажного воздуха.

Существуют психрометрические таблицы, по которым, зная tсух

и “психрометрическую разность tсух −tм ”, можно определить отно-

сительную влажность ϕ. Ниже будет показано, как пользуясь показаниями психрометра, можно определить ϕ графически при помощи так называемой h-d диаграммы.

h-d ДИАГРАММА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Расчеты, связанные с влажным воздухом, достаточно кропотливы. Значительно их упрощает предложенная в 1918 году Л.К.Рамзиным диаграмма влажного воздуха. Эта диаграмма построена для

Pс.м = Pвл.возд =745 мм рт.ст., что соответствует среднему годовому значению барометрического давления в центральных районах Рос-

сии [3].

По оси ординат диаграммы (рисунок 3.2) отложена энтальпия воздуха, кДж/кг с.возд.

Ось абсцисс (для лучшего использования площади диаграммы) проведена под углом 135 ° к оси ординат. На ней отложены значения

d, г/кг с.возд. Соответствующие точки спроектированы на горизонтальную (условную) ось d.

16

На диаграмму наносят линии постоянных d, идущие вертикально,

постоянных h (под углом 135 ° к оси ординат), постоянных температур влажного воздуха и постоянных относительных влажностей ϕ. Линии

t = const строятся по уравнению (3.7), а линии

ϕ = const - при помощи уравнений (3.4) и (3.7), решаемых совмест-

но.

Кривая для ϕ= 100% является пограничной. Точки над ней соответствуют состоянию ненасыщенного воздуха. Область под кривой ϕ=

100 % является областью влажного пара во влажном воздухе (область "тумана").

Под кривой ϕ= 100 % построена линия Pп = f (d) по уравне-

нию (3.4). Значения Pп можно прочитать на правой крайней ординате

диаграммы.

Кроме того, на диаграмму пунктиром нанесены линии постоян-

ных температур "мокрого" термометра, идущие под неболь-

шим углом к линиям h =const . Так как в случае, когда через психрометр протекает насыщенный воздух (ϕ= 100 %), испарения воды

быть не может, "мокрый" термометр покажет одинаковую с "сухим" термометром температуру. Поэтому одноименные изотермы на кривой ϕ=100 % пересекаются.

17

РАБОТА С h-d ДИАГРАММОЙ

Рисунок 3.2 – h-d диаграмма влажного воздуха

18

Нахождение относительной влажности:

Чтобы найти ϕ, следует найти точку пересечения линий tм и tсух , которая и определяет относительную влажность.

Значения этих температур берутся по показаниям психрометра.

Построение линий процессов нагревания и охлаждения воздуха:

Процесс нагревания влажного воздуха (например, в калорифере) есть процесс d = const, так как в процессе подогрева воздуха влагосодержание его не меняется.

Если точка 1 (рисунок 3.2) показывает состояние влажного воздуха перед его подогревом, то следует провести вертикально вверх пря-

мую d = const до пересечения в точке 2 с изотермойt2 , соответст-

вующей температуре подогретого воздуха.

Процесс 1-2 есть процесс подогрева воздуха. Естественно, что в конечном состоянии его относительная влажность уменьшится, а энтальпия возрастет.

Прямые линии процессов охлаждения нужно проводить вертикально вниз от начальной точки.

Построение линии процесса сушки:

В идеальной, т.е. работающей без потерь тепла, сушилке процессы сушки характеризуются линиями h = const. Это объясняется следующим:

Процесс течения воздуха в сушилке происходит с малыми скоростями. Поэтому, пренебрегая небольшими изменениями кинетической энергии потока, уравнение энергии для всех сечений канала, по которому протекает влажный воздух, можно записать в виде:

Если в промежутке между этими двумя сечениями происходит подсушка воздухом какого-либо материала, то уравнение (3.8) остается в силе, если принимать во внимание незначительную величину энтальпии воды, которая содержится в материале, подвергаемом сушке и испаряется, соприкасаясь с потоком нагретого влажного воздуха.

19

Испарение воды из высушиваемого вещества происходит за счет уменьшения энергии влажного воздуха, однако ввиду того, что испарившаяся влага включается в поток влажного воздуха, происходит лишь перераспределение энергии между сушильным агентом и испаренной влагой. Так как количество воздуха в потоке сушильного агента остается в процессе сушки неизменным, то энтальпия влажного воздуха, отнесенная к 1 кг сухого воздуха, остается также постоянной.

В сушилке, работающей с потерями тепла в окружающую среду, процесс сушки не будет соответствовать линии h = const, а пойдет так, как показано на рисунке 3.2 (линия 2-3' - процесс в адиабатической сушилке, линия 2-3 - в реальной, работающей с потерями).

Нахождение температуры точки росы:

Чтобы найти точку росы, необходимо из точки, характеризующей состояние влажного воздуха, провести вниз линию

туру точки росы (см. рисунок 3.2, точка А).

Определение парциального давления пара:

Чтобы определить парциальное давление пара во влажном воздухе, состояние которого характеризуется, например, точкой 3 (рисунок 3.2), нужно спроецировать точку 3 по вертикали на прямую парциального давления (точка В) и затем по горизонтали на масштабную линию.

3.3 Описание экспериментального стенда

Принципиальная схема стенда для исследования процессов во влажном воздухе показана на рисунке 3.3. Основными элементами стенда являются калориметр и сушильная камера. В калориметре 8 осуществляется нагрев забираемого из помещения воздуха за счет тепла электрического нагревателя 10. Выполнение калориметра в виде сосуда Дюара позволяет значительно снизить потери тепла в окружающую среду. Подогретый воздух поступает в сушильную камеру 6, где используется как сушильный агент для подсушки увлажненной ткани 7. Далее воздух через систему соединительных шлангов 12 с

20