23209 (1)

Рассмотрим процессы, проходящие в этом опыте. Кратковременный адиа-

батный процесс опишется дифференциальным уравнением

В состоянии 1 и 3 температура газа одна и та же . Поэтому из состояния 1 в

состояние 3 можно перейти изотермически. В этом случае уравнение имело бы вид

При гипотетическом изотермическом переходе из состояния 1 в состояние 2.

Используя уравнение (5) и уравнение (8), получим выражение для определения по-

казателя адиабаты k (который одновременно является отношением теплоемкостей)

в опыте Клемана и Дезорма:

Экспериментальная установка в опыте Клемана и Дезорма представлена на рисунке 2. Установка состоит из стеклянной колбы 1, трехходового крана 2, диффе-

ренциального манометра (водоуказательное стекло) 3, ручного насоса (груша) 4 и

выхлопного клапана 5. Все основные элементы установки соединены между собой

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка в опыте Клемана и Дезорма представлена на рисунке 2. Установка состоит из стеклянной колбы 1, трехходового крана 2, диффе-

ренциального манометра (водоуказательное стекло) 3, ручного насоса (груша) 4 и

выхлопного клапана 5. Все основные элементы установки соединены между собой шлангами

Рисунок 2 Схема экспериментальной установки: 1-колба; 2-кран; 3-манометр;

4-насос; 5-выхлопной клапан

Трехходовой кран имеет три рабочих положения: в первом положении воздух из атмосферы закачивается насосом в колбу, во втором положении все рабочие каналы перекрыты, в третьем положении воздух из колбы выпуска-

ется в атмосферу через выхлопной клапан.

Изменение уровня столба воды в дифференциальном манометре показывает давление воздуха в колбе.

4.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1)Уравнивается давление в колбе с давлением в атмосфере (третье поло-

жение крана). При этом оба столба воды на водоуказательном стекле должны показывать нулевой уровень.

2)Ручным насосом в колбу закачивается воздух (первое положение кра-

на) до давления около 300... 330 мм вод.ст. (по одной части водоуказа-

тельного стекла). Кран перекрывается (второе положение), тем самым сосуд изолируется по давлению от атмосферы. С увеличением давле-

ния воздуха в колбе происходит увеличение его температуры. В этом случае воздух из колбы отдает тепло в атмосферу через стенку сосуда.

Естественно, что при этом снижается его давление. Снижение давления происходит до тех пор, пока не установится температурное равновесие

сокружающей средой. Наступившее состояние и является состоянием 1.

3)Открывают на короткое время кран, соединяя колбу с выхлопным кла-

паном. Воздух с характерным шумом выходит из сосуда в атмосферу,

при этом столбик воды на манометре быстро падает. Поскольку при этом происходит адиабатное расширение воздуха в сосуде, его давле-

ние приближается к P*, а температура снижается ниже атмосферной.

Сразу же начинается теплообмен между воздухом в сосуде и окру-

жающей средой.

4)Как только теплообмен станет незначительным (шум начнет стихать и падение столба воды замедлится) не нарушая условия адиабатного процесса, необходимо, закрыть кран. Ни в коем случае нельзя затягивать адиабатный выхлоп воздуха!

5)Немедленно, после закрытия крана, давление в сосуде (из-за нагрева-

ния воздуха от окружающей среды) начинает расти и спустя некоторое время устанавливается равным P2. Температура воздуха в сосуде при этом восстанавливается до T*. Наступившее состояние является состоя-

нием 3.

6)Результаты занести в ведомость измерений

Таблица 1 Ведомость измерений

Так как в лабораторной установке используется дифференциальный мано-

метр, давление окружающей среды всегда будет P* =0

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Показатель адиабаты вычисляют по формуле (так как P* =0)

(10)

где давление - измерено в мм.вод.ст.

2. Для повышения точности опыт повторяют несколько раз. Показатель адиабаты вычисляют по среднему значению:

(11)

3. Используя справочное значение изобарной теплоемкости воздуха и учитывая, что в интервале температур 0...100 °С эта теплоемкость может считаться постоянной

(1005 Дж/(кг-К), находят объемную теплоемкость воздуха CV , Дж/(кг·К):

(11)

4. Используя формулу Майера, находят газовую постоянную для воздуха R ,

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

-Каким образом можно объяснить несовпадение экспериментальных резуль-

татов со справочными?

-Чем будет отличаться PV-диаграмма эксперимента от теоретической, пока-

занной на рисунке 1?

-Почему в эксперименте можно не учитывать атмосферное давление?

-Как можно объяснить физический смысл показателя адиабаты?

-В чем заключается сущность отличия показателя адиабаты от показателя по-

литропы?

Лабораторная работа №4

«Исследование режима работы компрессионного

термотрансформатора»

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Изучение устройства и принципа действия одноступенчатой холо-

дильной установки.

2. Приобретение практических навыков расчета основных характеристик холодильной установки.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Холодильные машины, в которых для получения холодильного эффек-

та используют кипение жидкостей при низких температурах, называют паро-

выми холодильными машинами.

Воснове действия парокомпрессионных холодильных машин (рисунок

2)лежит второй закон термодинамики (или второе начало), который приме-

нительно к холодильным машинам гласит: для передачи теплоты от менее нагретого тела (холодного) к более нагретому (горячему) необходимо затра-

тить энергию.

В тепловом двигателе происходит прямой круговой процесс или цикл – последовательное изменение состояния рабочего вещества и возвращение его в исходное состояние.

В прямом цикле при подводе теплоты Q от источника с высокой темпе-

ратурой T2; совершается работа L. При этом часть теплоты Qo переходит к источнику с низкой температурой T1.

В холодильной машине происходит обратный круговой процесс или цикл. При совершении работы L теплота Q0 с помощью рабочего вещества передается от источника с низкой температурой T1 к источнику с более высо-

кой температурой Т2.

Таким образом, для цикла холодильной машины можно дать следующее определение: циклом холодильной машины называется замкнутый процесс последовательного изменения состояния циркулирующего в ней рабочего вещества за счет затраты энергии, при этом осуществляется перенос теплоты

Q0 от охлаждаемой среды к более теплой окружающей среде воздуху или воде.

Рисунок 2. Принципиальные схемы действия: а - теплового двигателя;

б - холодильной машины

Энергетическую эффективность холодильной машины оценивают хо-

лодильным коэффициентом, представляющим отношение теплоты Q0 к рабо-

те L, которую нужно затратить, чтобы отвести ее от источника с низкой тем-

пературой.

Холодильный коэффициент может быть в несколько раз больше 1. Он

зависит от разности температур T1 - T2 . С ее увеличением он уменьшается.

В парокомпрессионной холодильной машине происходят следующие процессы:

- кипение рабочего вещества (хладагента) в испарителе; при этом тепло-

та Q0 отводится от охлаждаемой среды;

-сжатие паров рабочего вещества в компрессоре;

-конденсация паров рабочего вещества в конденсаторе, при этом тепло-

та Q передается окружающей или нагреваемой среде;

- дросселирование рабочего вещества в регулирующем вентиле.

Таким образом, парокомпрессионная холодильная машина должна

иметь четыре обязательных элемента: компрессор, конденсатор, испаритель и регулирующий вентиль (рисунке 3).

Принципиальная схема одноступенчатой холодильной машины показана на рис. 3, а, ее теоретический цикл (обратный круговой процесс) в lgp-i диа-

грамме на рисунке 3, б и в,T-s диаграмме на рисунке 3, в.

Принципиальная схема включает основные элементы машины, необходи-

мые для осуществления ее цикла. Вспомогательные элементы (аппараты, арма-

туру и др.), которые могут играть существенную роль в обеспечении надежно-

го и безопасного функционирования машины, на принципиальных схемах не показывают.

Цифрами 1, 2, 3 и т.д. на принципиальной схеме и диаграммах обознача-

ют так называемые характерные точки, соответствующие состоянию хлада-

гента в начале или конце процесса, происходящего в холодильной машине или каком-либо ее элементе.

На рисунке 3 точка 1' соответствует состоянию перегретого пара, вса-

сываемого компрессором. В целях предотвращения «влажного хода» (попа-

дания в цилиндр компрессора частиц жидкости) пар в этой точке должен быть перегрет, т.е. иметь температуру на 10...15 °С выше температуры насы-

щенного пара в точке 1.

Процесс перегрева пара 1 - 1' может происходить внутри испарителя, час-

тично во всасывающем трубопроводе и во всасывающей полости самого компрессора. Обычно перегрев в трубопроводе при рассмотрении принципи-

альных схем и циклов не учитывают. На рисунке. 3 показано, что точка 1 на-

ходится «внутри» испарителя.

Процесс сжатия пара 1'- 2 осуществляется в компрессоре. Пар сжима-

ется от давления кипения p0 до давления конденсации pк. Этот процесс, счи-

тают изоэнтропным (s=const), протекающим без трения между молекулами и без теплообмена с окружающей средой, особый случай адиабатного процес-

са.

Рисунок 3. Принципиальная схема (а) и цикл в lgp-i диаграмме (б)

и T- s диаграмме (в) одноступенчатой холодильной машины:

КМ – компрессор; КД – конденсатор; И – испаритель;

РВ – регулирующий вентиль

В точке 2 хладагент находится в состоянии сильно перегретого пара при давлении pк. Для совершения процесса сжатия 1' - 2 необходимо затра-

тить работу l в кДж/кг, которую можно, определить как разность энтальпий в конце и начале процесса

Для того чтобы осуществить процесс конденсации, необходимо снача-

ла понизить температуру перегретого пара до температуры насыщенного па-

ра при данном давлении pк. Процесс охлаждения пара 2 - 2' может происхо-

дить в конденсаторе и частично в нагнетательном трубопроводе. Точка 2' по-

казана на рис. 3, а «внутри» конденсатора.

Процесс конденсации 2'- 3, т.е. превращения насыщенного пара в на-

сыщенную жидкость, происходит при постоянных давлении рк и температуре tк и сопровождается отдачей теплоты среде, охлаждающей конденсатор.

После завершения процесса конденсации жидкий хладагент может

быть здесь же, в конденсаторе, переохлажден (процесс 3- 3') от температуры насыщенной жидкости до более низкой температуры при том же давлении pк.

Так как процессы 2 - 2' и 2'- 3 протекают в конденсаторе, общая удель-

Переохлажденный жидкий хладагент поступает в регулирующий вен-

тиль, где дросселируется (процесс 3'– 4). При этом давление падает от pК до

р0, а температура понижается от t3 до t0.

Впроцессе дросселирования полезная работа не совершается, а энергия

ввиде теплоты передается хладагенту и расходуется на частичное испарение жидкости. Поэтому при неизменной энтальпии возрастает его энтропия.

Процесс кипения 4 - 1 хладагента происходит в испарителе при посто-

янных давлении p0 и температуре tк и, так же как и процесс конденса-

ции,является одновременно изобарическим и изотермическим.

Удельную массовую холодопроизводительность машины определяют по формуле

Для рассмотренного цикла 1 - 2 - 3 - 4 - 1 холодильный коэффициент

(12)

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Влаборатории студенты знакомятся с устройством и принципом действия одноступенчатой фреоновой холодильной установки на базе компрессора Danfoss SC 12CL, которая состоит из следующих элементов:

компрессора, воздушного конденсатора, ресивера, терморегулирующего вентиля, соленоидного вентиля, фильтра-осушителя, вентиля шарового, реле давления, манометров высокого и низкого давления. Хладагент фреон R 404.Затем студенты выполняют принципиальную схему одноступенчатой фреоновой холодильной установки.

Далее необходимо включить холодильную установку и снять показания манометров на линии всасывания и нагнетания. Результаты измерений занести в протокол испытаний (таблица 1).

Таблица 1. Протокол испытаний

После этого по исходным данным студенты строят lgp-i диаграмму цикла фреоновой холодильной установки в диаграмме для фреона R 404 и

определяют ее основные характеристики.

Значения параметров узловых точек цикла записываем в виде таблице 2.