LABORATORNYE_RABOTY_TEPLOTEKhNIKA

Приложение 3:

Физические свойства воды в состояниинасыщения

1.Ознакомиться со схемой установки, проверить правильность включения приборов.

2.Включить компрессор 3, убедиться, что разность темпера-

тур t воздуха на входе и выходе отсутствует.

3. С помощью вентиля 8 установить расход воздуха через калорифер.

4. Включить нагреватель, латтером 6 отрегулировать мощность нагревателя таким образом, чтобы разность температур воздуха t составляла 20-30 градусов.

5. При достижении установившегося режима (стабильности показаний приборов) занести показания приборов в таблицу результатовэксперимента.

Записываются следующие показания: амперметра 4 – сила то-

ка I, А; вольтметра 5 – напряжение U, В; милливольтметра 10 –

температура воздуха на входе и выходе, mV, с пересчетом показаний в 0С, газового счетчика 7 – расход воздуха V, м3/с, с определением времени (в сек) прохождения через счетчик 100 л воздуха (один оборот стрелки шкалы).

Измерения проводят 2-3 раза. Определяют средние значения.

Обработка экспериментальных данных

Для данного теплообменника:

dнар = 7.9 мм, dвн = 6.5 мм, l = 1.4 м, = 385 Вт/мК.

Теплофизические свойства нагреваемой воды и образующегося конденсата ( ж, ж, ж Prж, ср) определяются при средней тем-

пературе воды t2= 0.5 (t2 + t2 ) и пара tп соответственно, Prст – см. свойства воды при средней температуре стенки – см. Таблицу фи-

зических свойств воды (Приложение 3).

Температура насыщения пара tп определяется по таблице (Приложение 2) по давлению пара Рп = Рман + Ратм.

Определение опытного коэффициента теплопередачи k

1.По формуле (4) определить тепловой поток Q. (опытн)

2.Определить коэффициенты теплоотдачи по формулам (3),

(2)икоэффициент теплопередачи k(опытн) (1).

Определение коэффициента теплопередачи с использованием

теории подобия k(теоретич.)

3. Определить скорость воды в трубе w (8), число Рейнольдса

Re (7), число Нуссельта Nu (6), коэффициент теплоотдачи 2 (5) от стенки к воде. Используя формулу (9), определить коэффициент

теплоотдачи от пара к стенке 1 (5). Определить теоретический коэффициент теплопередачи k(теоретич) данного теплообменника (1). Сравнить с опытным k(опытн) (п.2).

Конспект лабораторной работы должен содержать:

-краткие теоретические сведения (отражаются понятия:

основные уравнения для расчета теплообменников: уравнение теплопередачи, уравнение теплового баланса, уравнение массового расхода. Коэффициент теплопередачи. Основные критерии подобия при расчете вынужденной конвекции (Nu, Re, Pr). Порядок значений коэффициентов теплоотдачи при движении жидкости в трубах и приконденсации пара);

-схему экспериментальной установки и ее описание;

-методику обработки экспериментальных данных;

-таблицу результатов эксперимента;

-расчет коэффициентов k(опытн) и k(теоретич).

28

Обработка результатов экспериментов

Определив разность температур воздуха на входе t1 и выходе t2

из калорифера t, полученную при подводе тепла Q, измерив объемный расход воздуха V, можно рассчитать среднюю объемную теплоемкость при постоянном давлении из уравнения:

где Q – количество подведенного тепла, [кВт];

V0 – объемный расход воздуха через калорифер, приведенный к нормальным физическим условиям (н.ф.у.), [м3/с];

t = (t1 – t2) – разность температур воздуха на входе t1 и выходе t2 из калорифера t, [0C].

Количество подведенного тепла определяется как Q = UIн, [Вт], где U – напряжение на нагревателе, измеренное вольтметром, [В];

Iн – ток, протекающий через нагреватель, [А].

Для электрической цепи с параллельным включением нагрузки (нагреватель и вольтметр) сила тока, проходящая через нагреватель, может быть определена из условий равенства падений напряжений на параллельных ветвях цепи:

где I – сила тока, измеренная амперметром, [А];

Rв и Rн – сопротивления вольтметра и нагревателя, [Ом]. (значения указаны на стенде).

Для приведения объемного расхода к нормальным физическим условиям необходимо использовать соотношение:

Рассчитав по формуле (5) значение средней объемной теплоемкости C'p при постоянном давлении по формуле (1) определяется:

- средняя массовая теплоемкость воздуха Ср при постоянном давлении P=const: (изобарная теплоемкость)

- средняя массовая теплоемкость воздуха Cv при постоянном объеме V=const: (изохорная теплоемкость), используя уравнение Майера (3),

Сравнить полученные значения изобарной и изохорной теплоемкости воздуха со справочными данными, определить % расхож-

дения.

Конспект лабораторной работы должен содержать:

-краткие теоретические сведения (должны быть отражены понятия: теплоемкость, удельная теплоемкость, теплоемкость – массовая, объемная, молярная; истинная и средняя, теплоемкость

визобарном и изохорном процессах. Связь между ними. Уравнение Майера);

-схему и описание установки;

-методику расчета;

-таблицу результатов экспериментов;

-основные расчеты и выводы.

В расчетах указывается: название величины; формула, необ-

ходимая для ее расчета; значения подставленных в формулу числовых параметров; размерность полученной величины.

Порядок проведение лабораторной работы

1.Открыв вентиль 4, установить расход воды через теплооб-

менник на уровне М2 = 0.1 кг/с. При достижении давления в котле 0.15-0.2 МПа открыть вентиль 7 и направить пар в теплообменник. Открыть вентиль слива конденсата 12.

2.Регулированием расхода пара и воды (вентиль 7 и 4) уста-

новить режим, при котором перепад температур воды на входе и выходе из теплообменника составит не менее 5-10 0С и будет обеспечиваться постоянство температур воды и стенки.

3.Произвести измерение: давления пара Рман (по манометру

6), расхода воды М2 (по ротаметру 3), температуры воды на вхо-

де t2 и выходе t2 из теплообменника, температуры стенки tc в 4- х точках по показаниям милливольтметра 9 – последовательным переключением положений переключателя 10, с пересчетом показаний из mВ в 0С. Записать показания барометра (Ратм) и температуру окружающего воздуха t.

4. Измерения проводить при стационарном режиме (показания приборов неизменны в течение 3 мин). Провести 2-3 замера. Результаты занести в таблицу. Определить средние показатели.

Таблица результатов экспериментов

ренней трубы, по которой протекает вода. Тепло от пара, пройдя через стенку внутренней трубы, передается воде.

Давление пара Рман измеряется манометром 6, расход регулируется вентилем 7. Для измерения температур стенки внутренней

трубы tc и температуры воды на входе t2 и на выходе t2 из теплообменника установлены шесть термопар 8, подключенных к милливольтметру 9 через переключатель 10. Холодные спаи термопар помещены в термостатированный сосуд 11. Образующийся конденсат удаляется открыванием вентиля 12.

Лабораторная работа №2

ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Влажным воздухом называют смесь сухого воздуха и водяного пара.

-насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного пара;

-ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого пара;

-пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного насыщенного пара.

Наибольший интерес для технического использования представляет собой ненасыщенный влажный воздух (смесь с перегретым паром). В нем содержится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, и он способен к дальнейшему движению. Поэтому ненасыщенный влажный воздух используют в качестве сушильного агента в различного рода сушильных установках. Кроме того, знание свойств влажного воздуха необходимо для расчета систем вентиляции, кондиционирования воздуха, процессов горения и др.

Влажный воздух с достаточной для практики степенью точности может рассматриваться как смесь идеальных газов, т.к. свойства перегретого водяного пара близки к свойствам идеального газа, и парциальное давление пара всегда очень мало.

Основной закон смесей идеальных газов – закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давле-

Влажный воздух и его компоненты подчиняются уравнению Клайперона PV = mRT . С учетом = m/V:

P, V, m, R, T, – параметры (давление, объем, масса, газовая постоянная, абсолютная температура, плотность) влажного воздуха; индекс «п» относится к параметрам пара во влажном воздухе, индекс «в» – к параметрам сухого воздуха во влажном воздухе.

Основными характеристиками влажного воздуха являются абсолютная и относительная влажность. Абсолютной влажностью

( п) называется концентрация водяного пара – количество водяных паров, содержащихся в 1 м3 влажного воздуха, т.е. плотность пара при его парциальном давлении и температуре воздуха. Отношение фактической концентрации пара во влажном воздухе к максимально возможному значению концентрации пара при данной температуре влажного воздуха – относительная влажность ,

[%].ρп Рп

ρн Рн

Относительная влажность изменяется от = 0 (сухой воздух), до = 1 (или =100 %) – для насыщенного влажного воздуха.

Парциальное давление насыщенного пара Рн можно определить по h-d-диаграмме, по таблицам термодинамических параметров воды и насыщенного водяного пара, по h-s-диаграмме водяного пара и по формуле:

Скорость движения жидкости в трубе w определяется из урав-

где g = 9.8 – ускорение свободного падения, [м/с2].

где r – теплота парообразования, [Дж/кг].

Теплофизические свойства конденсата (воды) в формуле (9)

(теплопроводность , кинематическая вязкость , теплоемкость ср, числоPr) принимаются при температуре насыщения tн пара (см. таблицу физических свойств воды – Приложение 3). Свойства пара (теплота парообразования r) – см. таблицу физических свойств водяного пара (Приложение 2).

Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис.4) представляет собой расположенный горизонтально теплообменник типа «труба в трубе» 1, наружная поверхность которого покрыта слоем тепловой изоляции 2 для уменьшения потерь в окружающую среду. Основные размеры теплообменника приведены на стенде.

Во внутреннюю трубу (dнар = 7.9 мм, dвн = 6.5 мм, l = 1.4 м) подается вода, расход которой измеряется ротаметром 3 и регулиру-

ется вентилем 4. Пар из котла 5 поступает в межтрубное пространство теплообменника, где конденсируется на поверхности внут-

Кроме того, коэффициент теплоотдачи можно определить, используя критерии (числа) подобия:

Для определения Nuж используют различные критериальные зависимости:

При движении жидкости в трубах (турбулентный режим)

Prж νaж – Число Прандтля (теплофизический параметр),

(величина справочная):

В приведенных формулах:

d – внутренний диаметр трубки, [м]; w – скорость движения жидкости, [м/с];

ж – кинематическая вязкость, [м2/с];ж – теплопроводность жидкости, [Вт/мК];

В формуле (6) теплофизические свойства жидкости (воды) ( ж, ж Prж) принимаются при средней температуре жидкости (воды) t2; Prст – при средней температуре стенки tс (см. таблицу физических свойств воды – Приложение 3).

Отношение массы пара к массе сухого воздуха во влажном воздухе называется влагосодержанием d, для которого с учетом закона Дальтона (1) и уравнение Клайперона (2) можно получить:

где Rп = 8314/ п, Rв = 8314/ в, [Дж/кгК] – газовые постоянные пара и воздуха соответственно; п = 18 кг/кмоль, в = 29 кг/кмоль

– молярные массы водяного пара и воздухасоответственно. Влагосодержание d используется в расчетах как величина без-

размерная, на h-d-диаграмме выражена в [г/кг сухого воздуха]. Одним из основных параметров влажного воздуха является его

энтальпия h, широко используемая при расчетах сушильных установок главным образом для определения тепла, расходуемого на испарение влаги из подсушиваемых материалов. Это объясняется тем, что тепло, отдаваемое нагретым воздухом материалу, обратно возвращается воздуху вместе с испаренной влагой, т.е. процесс сушки протекает фактически при h=const. Поскольку в процессе сушки влажность воздуха изменяется, а количество сухого воздуха остается постоянным, то энтальпию влажного воздуха относят к 1 кг сухого воздуха и определяют как сумму энтальпий 1 кг сухого

Приведенные выше формулы позволяют рассчитывать процессы изменения состояния влажного воздуха и являются основой построения стандартной h-d-диаграммы. Диаграмма строится для среднегодового барометрического давления в центральных районах России Р = 99.3 кПа (745 мм рт. ст.).

В h-d-диаграмме наглядно изображаются основные процессы изменения состояния влажного воздуха. В процессе нагревания (например в калорифере) влагосодержание влажного воздуха не изменяется. В h-d-диаграмме процесс изображается вертикальной прямой d=const. Процесс сушки материалов воздухом в сушилке, не имеющий тепловых потерь, происходит при постоянной энтальпии и в h-d-диаграмме изображается линией h=const.

Схема экспериментальной установки

Основными частями экспериментальной установки являются калорифер, в котором происходит нагрев воздуха для повышения его способности испарить влагу, и сушильная камера, в которой воздух увлажняется за счет влаги, содержащейся в материале ткани. Полезный эффект лабораторной установки состоит в удалении влаги из ткани (модель сушильной установки) или в увлажнении воздуха (модель системы кондиционирования).

В калорифере 1 (рис.2.1) находится металлическая труба 2, внутри которой располагается нагреватель 3 – нихромовая проволока, намотанная на стержень 4. Данная конструкция позволяет снизить потери теплоты в калорифере за счет рационального движения воздуха: по кольцевому зазору между корпусом 1 и трубой 2 сверху вниз движется холодный воздух, который затем поднимается вверх внутри трубы 2, получая теплоту непосредственно от нагревателя 3. Через трубопровод 5 воздух поступает в сушильную камеру 6, наружная поверхность которой покрыта тепловой изоляцией 7. В центре камеры помещена увлажненная хлопчатобумажная ткань 8, подвергаемая сушке. Вода в нее поступает по принципу фитиля из сосудов 9. Из сушильной камеры через трубопровод 10 воздух идет к вентилятору 11, обеспечивающему движение воздуха через установку.

Для определения мощности нагревателя Q напряжение U измеряется вольтметром 12, сила тока I – амперметром 13. Электрический ток, подводимый к зажимам нагревателя, регулируется лабораторным трансформатором 14.

Измерение объемного расхода воздуха на входе в установку V производится газовым счетчиком 15.

Состояние воздуха в лаборатории определяется по психрометру, температура воздуха после прохождения калорифера измеряется термопарой 16, после сушилки – термопарой 17, а состояние уходящего воздуха определяется по показаниям «сухой» и «мокрой» термопар 18 и 19. Термопары подключены к милливольтметру 20 через переключатель 21. Холодные спаи термопар помещены в термостатированный сосуд 22. Для измерений атмосферного давления используется барометр.

Коэффициенты теплоотдачи можно определить, используя за-

кон Ньютона-Рихмана Q = F t, тогда:

- коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя (пара) к наружной поверхности трубы:

где Fнар = dнарl – наружная поверхность трубы, [м2] tн =tп, tс – температуры пара и стенки соотв., [оС]

- коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к холодному теплоносителю (воде):

где Fвн = dвнl – внутренняя поверхность трубы, [м2]

t2, tс – средние температуры воды и стенки соотв.,[оС]

Тепловой поток Q может быть определен из уравнения тепло-

вого баланса: в общем виде

Q Q1 M1(h1 h1 ) Q2 M2 (h2 h2 )

Индексы «1» и «2» – параметры горячего и холодного теплоносителя соответственно;

Индексы « », « » – параметры теплоносителя на входе и выходе из теплообменника соответственно.

Для веществ, не меняющих свое агрегатное состояние, измене-