Belozerov_V_N_Kuzina_Yu_A

Экспериментальная установка

Установка представляет собой модель сушильной установки, в которой сушильным агрегатом является комнатный воздух, а материалом, подвергаемым сушке, служит хлопчатобумажная ткань, смоченная водой. Схема установки показана на рис.3.

Рис.3. Схема экспериментальной установки для исследования процессов, происходящих во влажном воздухе

Основными элементами являются калорифер и сушильная камера. Калорифер состоит из стальной трубы 1, в которую вставлена другая труба 2. Внутри последней вдоль оси помещен электронагреватель 3, намотанный на керамическую трубу 4. Воздух, засасываемый воздуходувкой 5, подается во входной патрубок калорифера 6. Затем он проходит по кольцевому пространству между трубами 1 и 2, поднимается вверх по внутренней трубе 2, обтекает нагреватель и через соединительную трубу 7 поступает в сушильную камеру 8. Сушильная камера представляет собой трубу, внутри которой помещается влажный материал, подлежащий сушке. При выходе из сушильной камеры воздух поднимается по кольцевому каналу 9, вновь опускается по каналу 10, а затем через патрубок 11

31

и выходную трубу 12 уходит в атмосферу. Влажным материалом служит хлопчатобумажная ткань 13, навитая на трубу, в стенках которой сделаны отверстия для прохода воздуха. Ткань все время смачивается водой, поступающей из сосуда 14. Калорифер и сушильная камера покрыты тепловой изоляцией.

Электронагреватель 3 питается переменным током от сети, мощность его регулируется автотрансформатором 15.

Состояние воздуха на входе в калорифер определяется при помощи психрометра, а температура после калорифера измеряется термопарой 16. В выходной трубе 12 установлены «мокрая» и «сухая» 18,17 соответственно термопары, по которым определяется относительная влажность проходящего через сушку воздуха. Показания «сухой» термопары используется для определения температуры влажного воздуха в выходной трубе.

Методика проведения измерений

1.Перед началом опыта следует заполнить водой сосуд 14 и увлажнить ткань. Заполнить сосуд Дьюара льдом.

2.При помощи психрометра измерить относительную влажность подаваемого в калорифер воздуха. Для этого смочить марлю «мокрого» термометра водой, включить вентилятор и через каждые 30 секунд записывать показания «мокрого» и «сухого» термометров. Опыт продолжается до тех пор, пока температура «мокрого» термометра не станет наименьшей и не начнет снова возрастать. В

качестве расчетных берется наименьшее значение tм и соответствующее ему значение tсух .

3.Включить воздуходувку и нагреватель калорифера. Отрегулировать ток, идущий через нагреватель так, чтобы температура за калорифером, которую показывает термопара 16, была близкой к 70°С.

4.Дождаться наступления стационарного режима установки, что характеризуется постоянством относительной влажности воздуха за сушильной камерой. Когда по записям станет ясно, что относительная влажность остается практически постоянной, произвести запись показаний всех приборов (сделать три измерения через пять минут) по следующей форме:

32

5.Определить объемный расход влажного воздуха через установку за время опыта при помощи газового счетчика.

6.Измерить микроманометром избыточное давление.

Обработка результатов измерений

1.Определить средние за время опыта значения исследуемых величин.

2.Перевести все термоэдс термопар в градусы при помощи градуировочной таблицы.

3.Нанести на h, d -диаграмму все процессы, протекающие в

экспериментальной установке (рис. 3). Состояние комнатного воздуха на входе в калорифер определяется по показаниям психрометра (точка 1). Процесс нагревания воздуха в калорифере протекает при постоянном влагосодержании до точки 2, определяемой измеренной в опыте температурой перед сушилкой. Состояние воздуха в выходной трубе (точка 3) определяется по температурам, измеренным при помощи сухой и мокрой термопар.

4. По h, d -диаграмме определить экспериментальные значения энтальпии и влагосодержания в характерных точках процессов.

5.Определить количество испаренной из ткани влаги на 1 кг сухого воздуха по формуле ( d3 −d1 ).

6.Определить количество сухого воздуха, прошедшего за время опыта через сушильную камеру, по формуле

где Vвл – объемный расход влажного воздуха через установку за время опыта, измеренный при помощи газового счетчика, м3; T1 – температура комнатного воздуха, К; pс.в. – парциальное давление

сухого воздуха на входе в установку, н/м².

Значение парциального давления сухого воздуха на входе в установку определяется по формуле

33

где pп – парциальное давление водяного пара, которое определяется по формуле (8) с учетом того, что pвл равно сумме барометриче-

ского давления и избыточного, измеряемого микроманометром или определяемого приближенно по h, d -диаграмме.

7. Определить общее количество влаги, испаренной из ткани по формуле

8. Количество тепла, воспринятое сушильным агентом в калорифере подсчитать по формуле

9.По средним значениям показаний амперметра и вольтметра вычислить мощность нагревателя Qэл .

10.Определить тепловые потери калорифера:

11. Потери тепла в сушильной камере характеризуются разностью энтальпий ( h2 −h3 ), потому что, если бы этих потерь не было, суще-

ствовало бы равенство h2 = h3 . Следовательно, эти потери равны

12. Определить действительное количество тепла, затраченное

Контрольные вопросы

1.Понятие о сухом и влажном воздухе.

2.Относительная и абсолютная влажность.

3.Парциальное давление.

4.h,d-диаграмма.

5.Влагосодержание и его определение. Размерность влагосодержания.

6.Причины возникновения тумана и росы.

34

РАБОТА №6. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, СЫПУЧИХ, ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ, ЖИДКОСТЕЙ

Общие замечания

Теплоемкость твердых тел при средних и высоких температурах (выше комнатных) определяется соотношением

где R – газовая постоянная данного вещества. Соответственно мольная теплоемкость твердого тела

где µR = 8314 Дж/кмоль·К), т.е.

Химические элементы в твердой фазе находятся в атомарном состоянии, поэтому при расчете R необходимо µR делить на ато-

марную массу. Соотношение (3) носит название закона Дюлонга и Пти. Этот закон носит приближенный характер; он не выполняется для легких элементов и не учитывает температурную зависимость теплоемкости твердых тел.

При низких температурах теплоемкость сильно зависит от температуры и определяется по уравнениям П. Дебая

νmax – максимально возможная частота колебаний атомов данного вещества; x = hν/ kT ; h = 6,626 10−34 Дж·С; k =1,38 10−23 Дж/К.

При высоких температурах (T >> θ) lim F(T / θ) =1, поэтому

уравнение (4) преобразуется к (3).

Уравнение Дебая не имеет всеобщего характера. Оно справедли-

35

линейного расширения; β – коэффициент изотермической сжимаемости. Какие-либо оценки сp и сυ для жидкости не могут быть

сделаны даже приближенно, ибо до сих пор удовлетворительная статистическая теория не создана. Поэтому теплоемкость жидкости определяется экспериментально или расчетным путем с помощью термодинамических соотношений по значениям других термических или калорических свойств.

Зависимость теплоемкости жидкости от давления можно рассчитать с помощью соотношения

ных по p, υ,T -зависимостям данного вещества.

Устройство и принцип работы измерителя теплоемкости

Для исследования зависимости удельной теплоемкости от температуры твердых тел, сыпучих и волокнистых материалов, жидкостей часто используется измеритель теплоемкости. В основу его работы положен сравнительный метод динамического калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой. Схема такого измерителя представлена на рис.1.

36

где Q0 – количество тепла, идущего на разогрев образца, Вт; Qa – количество тепла, идущего на разогрев ампулы, Вт.

С учетом зависимостей (12)–(14) из уравнения (11) получим рас-

где c – удельная теплоемкость образца в Дж/(кг К).

Учитывая, что время запаздывания температуры на тепломере τT при малых перепадах температуры

где τT 0 – время запаздывания температуры на тепломере в экспериментах с пустой ампулой (в секундах).

Параметр τT 0 является «постоянной» измерителя и представлен в табл. 1.

38

Методика проведения измерений

1. Установите

-переключатель «ИЗМЕРИТЕЛЬ» в положение УСТ.0;

-переключатель «ТЕМПЕРАТУРА» в положение 25°С.

2.Замкните входные штекеры прибора Ф136 и произведите коррекцию нуля.

3.Взвесьте образец с точностью до ± 0,001 г. Занесите полученное значение в табл. 2.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований

t,°C τT, c c, Дж /(кг К) σ , Дж/(кг К) ∆º, % ∆c, % ∆, %

4.Поднимите верхнюю часть измерительной ячейки. Протрите бензином и нанесите тонкий слой смазки ПФМС-4 на контактные поверхности образца, ампулы и крышки.

5.В ампулу установите испытуемый образец и закройте её крышкой. Опустите верхнюю часть измерительной ячейки.

6.Включите блок питания и регулирования, нажав кнопку «СЕТЬ». Выведите по вольтметру блока питания и регулирования напряжение до нуля.

7.Установите переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение t1 .

8.Включите кнопкой «НАГРЕВ» основной нагреватель и установите по вольтметру блока питания и регулирования начальное напряжение 40 ± 2 В.

9.Включите секундомер при достижении температуры 25°С (при прохождении светового указателя прибора Ф136 через ноль шкалы) и переведите переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение

t2 . Выключите секундомер при прохождении светового указателя через ноль шкалы.

39

10. Запишите показания секундомера в графу « τT » табл.2. Повторите измерения τT при всех значениях температур, заданных

преподавателем (с интервалом 25°С) с занесением числовых результатов в табл. 2.

11.При достижении предельной температуры разогрева образца выключите нагреватель. Заарретируйте прибор Ф 136. Установите переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение УСТ.0. Выключите блок питания и регулирования.

12.Поднимите верхнюю часть корпуса измерительной ячейки и охладите ее до комнатной температуры.

13.Проведите расчет удельной теплоемкости по формуле (16).

Определение метрологических параметров

В соответствии с методикой проведения измерений проводят по 5 экспериментов при каждом фиксированном температурном режиме образца в заданном температурном диапазоне.

Результаты измерений обрабатывают следующим образом. Определяют среднюю удельную теплоемкость

где c – среднее арифметическое измеренных значений удельной теплоемкости в Дж/(кг К); ci – удельная теплоемкость в Дж/(кг К);

n – количество экспериментов. Проводят оценку среднеквадратичного отклонения

40