Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Лабораторная работа №1.

Определение термодинамических характеристик воды и водяного пара

Цель работы - определение параметров влажного пара которые вычисляются на основе экспериментальных данных и таблиц термодинамических особенностей сухого насыщенного пар и кипящей жидкости на линии насыщения.

Процесс преобразования воды в перегретый пар при постоянном давлении (с подведенным теплом) складывается из трёх последовательных стадий: подогрев жидкости, парообразования и перегрев пара. В процессе парообразования осуществляется переход из кипящей воды в сухой пар. В обратном процессе (с отведением теплоты) имеют место такие стадии: охлаждение перегретого пара, конденсация, охлаждение жидкости. В этой работе должен обратить внимание на характерные особенности стадий и чётко знать расчётные формулы как отдельных из них, так и всего процесса в целом. Первая стадия получения пара - нагрев жидкости до кипения, процесс 1-2 при постоянном давлении (рис.12). На начало отсчёта энтальпии для воды и водяного пар принимают значения io=O при температуре О оС и давлении О,101325 МПа. Без особых потерь для точности расчётов можно считать, что при температуре О оС энтальпия не зависит от давления и равняется нулю. Энтальпия кипящей жидкости численно равна теплоте q рд, которая необходима для нагрева 1кг жидкости в изобарном процессе от О оС до температуры кипения .

q рд = - io=

Вычисляют энтальпию кипящей воды по формуле:

 (1.1)

где - средняя теплоёмкость воды. Дж/(кг К);

- температура кипения, которая зависит от давления.

Чем выше давление пара, тем больше температура насыщения и энтальпия i кипящей жидкости, которая измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Энтропия кипящей жидкости:

(1.2)

(изменение энтропии отсчитывают от О °С, когда энтропия условно равна 0).

Вторая стадия - переход кипящей жидкости в парообразное состояние - процесс 2-4 (кипение жидкости), существенно отличается от первой. Процесс характеризуется не только постоянным давлением, но и постоянной температурой, то есть он есть изобарно-изотермическим, при котором давление и температура кипения взаимозависимы.

Парообразование начинается с момента закипания жидкости при подведении теплоты и заканчивается её полным испарением - состояние сухого пара точка 4 (рис.12). Количество теплоты, необходимое для преобразования одного килограмма кипящей жидкости в сухой пар при постоянном давлении называется теплотой парообразования (Дж/кг).

С повышением давления теплота парообразования уменьшается, приближаясь к нулю в критической точке при критическом давлении 22,13 МПа и критической температуре 374‚15С.

В процессе кипения масса жидкости масса жидкости уменьшается, а количество пара увеличивается. Состояние, при котором одновременно существуют кипящая жидкость и сухой пар называется влажным паром, точка 3 (рис.12). Массовое соотношение пара с жидкостью оценивается степенью сухости , которая составляет массовую часть пара в пароводяной смеси, то есть отношение массы сухого пара к массе влажного пара . Масса влажного пара равна сумме масс кипящей жидкости и сухого пара . Очевидно, что на момент начала выпаривания доля кипящей жидкости 0, а на при полном выпаривании для сухого пара 1. Пар в последнем случае получил название сухого насыщенного пара. Если выпаривание воды не доведено до конца то есть 01, то пар становится влажным насыщенным, и на его образование тратится в процессе выпаривания меньше теплоты, чем для сухого пара.

Рис. 12

Для влажного пара энтальпия ix и энтропия s x находятся по формулам:

;

; (1.3)

Изменение энтальпии и энтропии в процессе выпаривания

(1.4)

Энтальпия и энтропия сухого насыщенного пара при x=1 составляют

; (1.5)

Третья стадия - перегрева пара - осуществляется при дополнительной подачи теплоты до сухого насыщенного пара, процесс 4-5 (рис.12). В этом случае между давлением пар и его температурой существует полнейшая независимость: мы можем нагреть пар выше температуры насыщения , до любой заданной температуры tпп =. Перегретый пар приобретает особенности близкие к идеальному газу. Теплоту перегрева рассчитывают по формуле

, (1.6)

где -- средняя удельная теплоёмкость удельного пара в интервале температуры ts … tпп, и зависит не только от температуры, но и от давления (определяют по таблицам воды и перегретого пара).

Энтальпия перегретого пара численно равна сумме теплот трёх последовательных стадий парообразования, т.е.

(1.7)

Энтропия перегретого пара также определяет её аддитивную сторону

. (1.9)

Таким образом, энтальпия перегретого пара численно равна количеству теплоты в джоулях на килограмм массы, нужной для нагревания 1кг воды от О °С до температуры кипения, дальнейшее выпаривания и для перегрева до заданной температуры при постоянном давлении.

Описание установки.

Влажный пар, необходимый для проведения опыта, изготавливается в стеклянном выпаривателе 2 (рис.13), который находится на электроплитке. Пар транспортируется резиновым шлангом 4 в погружённый в воду змеевик 7, где он конденсируется. Образованный конденсат стекает и сборник 8 и охлаждается ниже температуры насыщения . Отвод тепла от пара и конденсата протсходит до воды 6, в кторую погружены змиевик 7 и сборник конденсата 8. На дне сборника есть пробковый кран10, предназначенный для выпуска конденсата с целью измерения его количества. Конденсатосборник соединяется с атмосферой с помощью трубы, что обеспечивает конденсацию пара при атмосферном давлении, которое измеряется барометром и определяет температуру насыщения.

Выделенная во время конденсации и переохлаждения теплота принимается водой, налитой в колбу 6. Температура воды измеряется ртутным термометром 9. Во время исследования вода перешивается мешалкой 11, которая приводится в действие электродвигателем 12. Всю систему размещают в посудине 5 с двойными стенками. Таким образом, посудина 5 будет калориметром, который обеспечивает минимальные потери теплоты и высокую точность измерения.

рис.13 Схема установки для определения степени сухости пара.

Выполнение работы.

Для проведения экспериментальных исследований отдельные элементы лабораторной установки должны быть подготовлены заранее. Воду наливают в стеклянный выпариватель 2 выше половины его высоты на включённую плитку1. Потом запускают электромешалку и через 3-5 минут измеряют начальную температуру воды в посудине 6 термометром 9. Через 2-3 минуты после начала кипения воды в выпаривателем его соединяют со змеевиком резиновым шлангом. В результате выделенной паром и конденсатом теплоты температура воды в посудине 6 поднимается. После того, как температура воды становится на 18-20°С выше, чем начальная (18 … 20), разъединяют выпариватель и змеевик и замеряют температуру воды в посудине 6 термометром 9 через каждые 30 секунд. Сначала показания термометра увеличиваются, а потом уменьшаются. Конечная температура будет равняться наибольшему из показаний термометра. После выключают электроплитку и останавливают работу электродвигателя. Для определения массы конденсата изымают из установки змеевик 7 со сборником 8, открывают кран 10 и сливают конденсат в измерительную колбу и измеряют объём конденсата Vк. После завершения опыта выливают воду с посудины 6 и собирают установку.

Обработка результатов опыта.

В данной экспериментальной установки для определения степени сухости применяют калориметричный метод. Масса влажного пара , которая попадает в змеевик равна массе образованного конденсата . Считается, что конечная температура конденсата равна температуре воды в посудине 6 в конце опыта. Неизвестную величину степени сухости определяют из уравнения теплового баланса теплообменного процесса, осуществлённого в змеевике. Уравнение теплового баланса - это равенство между количеством теплоты, которая отдаётся паром при конденсации и конденсатом при охлаждении и количеством теплоты, которая принимается охлаждающей водой и металлическими частями установки (змеевик, посудина, мешалка).

где - масса соответственно змеевика, посудины и мешалки, кг;

- удельные теплоёмкости указанных частей, (Дж/кг К).

Водяной параметр установки W определяется равенством



.

Окончательно уравнение теплового баланса имеет вид:

(1.10).

Таким образом расчётная формула для определения степени сухости имеет вид:

, (1.11)

где - масса воды, которую наливают в посудину, кг;

и - температуры воды, измеренной термометром в начале и в конце опыта;

- масса сконденсированного пара, измеренная при удалении воды из змеевика и сборника конденсата, кг;

- теплота парообразования, которую определяют с помощью таблиц на линии насыщения при их барометрическом давлении, кДж/кг.

Результаты измерений и расчётов необходимо внести в таблицу 1.

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят в колбе и змеевике? Условия осуществления этих процессов.

2. Изобразить на диаграммах водяного пара в P-v, T-s и i-s координатах состояния пар при выходе из колбы и конденсата в сборнике, используя опытные данные.

3. Изобразить на диаграммах водяного пара в P-v, T-s и i-s координатах процессы, которые происходят в колбе и змеевике.

4. Что такое степень сухости пара? Чему равна степень сухости пара в этой работе? Что показывает численное значение степени сухости пара?

5. Перечислите основные состояния воды и покажите их на диаграммах.

6. В каких границах изменяется степень сухости?

7. Что такое влажный пар? Что такое теплота парообразования?

8. Что представляет собой водяной параметр установки?

9. Сформулируйте и запишите уравнение теплового баланса при конденсации пара в змеевике.

Таблица І

№п/п	Наименование	Размерность	Числовое значение
1	Барометрическое давление	бар
		мм. рт. ст.
2	Температура насыщения пара при атмосферном давлении, ts	оС
3	Масса води в калориметре, Mв	кг	2.5
4	Водяной параметр калориметра, W	кг	0.27
5	Начальная температура води в калориметре, t1	оС
6	Конечная температура води в калориметре, t2	оС
7	Масса конденсата, Mк	кг
8	Средняя теплоёмкость води	кДж/(кг К)	4,19
9	Теплота парообразования, r	кДж/кг
10	Степень сухости пара, x
11	Энтальпия кипящей води,	кДж/кг
12	Энтальпия сухого насыщенного пара,	кДж/кг
13	Энтропия кипящей води,	кДж/(кг К)
14	Энтропия сухого насыщенного пара,	кДж/(кг К)

Лабораторная работа № 2

Определение теплоёмкости воздуха при атмосферном давлении

Цель работы - определение изобарной теплоёмкости воздуха при атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной. Определения проводят методом протока. Теплоёмкость газов и паров почти всегда определяют в проточном калориметре. Для этого пропускают через него газ , а в калориметре к газу подводят теплоту. Схема калориметра показана на рис.14

Рис.14

Для сечений 1 и 2 калориметра запишем полное уравнение первого закона термодинамики для потока (поток стационарный):

, (2.1)

где - теплота, подведенная электронагревателем к 1кг газа, который проходит через калориметр; - тепловые потери в окружающую среду в расчёте на 1кг газа.

Так как скорости газа и мало отличаются друг от друга, то техническая работа не выполняется , разницей можно пренебрегать, так как , соответственные члены из уравнения (2.1) выпадают и остаётся

. (2.2)

Воздух при атмосферном давлении по своим особенностям очень близок к идеальному газу, а энтальпия идеального газа зависит только от температуры, итак:

. (2.3)

Таким образом, для конечного повышения температуры

, (2.4)

где - средняя теплоёмкость в данном интервале температур.

Подставляя разницу энтальпий из (2.4) в (2.2), получаем

(2.5)

Величины и рассчитаны на 1кг газа. Для М кг газа, теплота подведенная от нагревателя и потери теплоты соответственно составляют:

Вт; , Вт;

и формула (2.5) принимает вид , (2.6)

Отсюда средняя массовая теплоёмкость при постоянном давлении составляет

(2.7)

Описание установки

Схема установки для определения теплоёмкости изображена на рис.15. Главный элемент установки - проточный калориметр 2, сделанный в виде стеклянной трубы с двойными стенками, покрытыми серебром. Пространство между оболочкой 3 и внутренней трубой 2 вакуумизируют, что позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающую среду и не учитывать их при определении теплоёмкости. Тогда . Если мощность нагревателя равна , Вт то за час секунд количество теплоты, отданной нагревателем, составляет:

(2.8)



Рис.15 Схема исследовательской установки для определения изобарной теплоёмкости

Электронагреватель 4 (спираль), расположенный в середине калориметра, и потребляет переменный ток. Мощность нагревателя регулируется путём изменения напряжения с помощью автотрансформатора 8 и измеряется ваттметром 9. Воздух в калориметр подаётся вентилятором 7, температуры воздуха при выходе t2 и на входе t1 измеряются термометрами 1,5. Объём воздуха, который проходит через калориметр измеряют счётчиком 6, время , за которое проходит измеренный объём , измеряют секундомером.

Выполнение работы и обработка её результатов.

В начале опыта необходимо включить вентилятор и установить определённый расход воздуха через калориметр. Затем включить нагреватель и, регулируя его мощность автотрансформатором, установить на выходе из калориметра постоянную температуру в пределах 35…40 С

После достижения стационарного режима, 3-4 раза с интервалом в 2 минуты выполнить запись параметров всех устройств. Следует считать, что стационарный режим будет достигнут тогда, когда температура на выходе из калориметра станет постоянной. Опыты проводят при разных мощностях нагревателя. После завершения опыта надо выключить нагреватель, вентилятор и измерить давление воздуха Р барометром, который есть в лаборатории.

Во всех дальнейших расчётах используют среднее во время опыта значение параметров, которое определяют как среднеарифметическое из записанных показателей данного устройства.

Масса воздуха М рассчитывается по объёму V, померенному измерителем по уравнению Менделеева-Клапейрона

‚ кг/с , (2.9)

где Р - атмосферное давление, Па, которое измеряется барометром; газовая постоянная воздуха, Дж/ кг К;

T- температура воздуха в лаборатории равна температуре при входе в калориметр, К.

Расход воздуха через калориметр составляют:

.(2.10)

Учитывая выражения (2.8) и (2.10) формула для определения средней массовой изобарной теплоёмкости (2.7) принимает вид:

‚ Дж/кг К (2.11)

где N- мощность нагревателя.

Объёмная изобарная теплоёмкость определяется по формуле:

, Дж/м3 К (2.12)

где - удельный объём воздуха при н.у., м3/кг

Изохорная массовая теплоёмкость воздуха по уравнения Майера составляет

, Дж/кг К (2.13)

Экспериментальное исследование теплоёмкости газа даёт возможность на основании полученных данных вычислить его энтальпию и внутреннюю энергию.

Таблица 2.

№ п/п	Наименование	Формула	Розмер-ность	Численное значение
1	Объём воздуха по показанию счётчика
2	Время по показанию секундомера		С
3	Мощность нагревателя		Вт
4	Температура на входе до калориметра		оС
5	Температура на выходе из калориметра		оС
6	Атмосферное давление	Р	мм рт. ст.
			Па
7	Газовая постоянная воздуха
8	Масса воздуха, имеющего объём, V		кг
9	Массовый расход воздуха
10	Массовая изобарная теплоёмкость
11	Объёмная изобарная теплоёмкость
12	Массовая изохорная теплоёмкость
13	Энтальпия воздуха

Если начало отсчёта энтальпии, то есть i= 0, взять при t = О °С, то значение энтальпии идеального газа можно вычислить в кДж/кг по формуле

(2.14)

По этому уравнению можно вычислить энтальпию воздуха при температуре на выходе из калориметра во время опыта. При этом следует учитывать, что теплоёмкость Ср не зависит от температуры. Результаты измерений вносят в табл.2

Контрольные вопросы

1. Определение теплоёмкости.

2. Какие различают теплоёмкости?

3. От чего зависит теплоёмкость?

4. Как определить теплоту процесса, если известна теплоёмкость?

5. Определить теплоту, которую надо подвести к воде в чайнике, чтобы довести её до кипения.

6. Почему ?

7. В каких процессах ?

8. Как зависит теплоёмкость идеального газа от показателя политропа?

9. Изобразить на диаграммах в P- и T-s координатах процесс, который происходит в калориметре.

Лабораторная работа №3

Исследование изохорного процесса

Процесс, который происходит при постоянном объёме, называется изохорным. Математическая связь между параметрами в изохорном процессе определяется законом Шарля:

или (3.1)

т.е. при постоянном объёме давление газа изменяется прямопропорционально его абсолютной температуре, изохоры показаны на диаграммах рис.16. Процесс П-1 - изохорный подвод теплоты, П-2 - изохорный отвод теплоты. Уравнение первого закона термодинамики для изохорного процесса имеет вид (работа не выполняется )

(3.2)

термодинамический водяной пар теплопроводность

Количество теплоты и изменение внутренней энергии в изохорном процессе определяется по формуле ( при CV=const )

(3.3)

Рис.16

Таким образом, вся полученная теплота в изохорном процессе расходуется только на изменение внутренней энергии. В T-s диаграмме площадь под процессом П -1 равна теплоте процесса ( пл П-1-3-4 ). При незначительных изменениях температур, которые имеют место в опытах, зависимостью теплоёмкости от температуры можно пренебрегать, среднюю изохорную теплоёмкость воздуха можно считать постоянной

кДж/кгK (3.4)

Описание установки

Схема установки для проведения опытов показана на рис.17. Опыт проводится с воздухом, который находится в середине герметичной посудины 7. Посудина 7 погружена в воду, которая налита в термостат 12. Температура воды в термостате увеличивается электронагревателем 9. Значение температуры воды задаётся электроконтактным термометром 10. При достижении заданной температуры воды, нагреватель выключается, сигнальная лампочка 11 гаснет. Равномерность температуры воды обеспечивается электромешалкой 6. Избыточное (манометрическое) давление измеряется манометром 5. Температура воздуха определяется с помощью термопары, горячий спай 7 которой расположен в середине герметичной посудины, а холодный 2 - в пробирке с маслом 1. Показания термопары измеряется цифровым вольтметром 4. Температуру холодного спая 2 измеряют термометром 3.



Рис.17 Схема установки для исследования изохорного процесса.

Выполнение работы.

1. Первый отсчёт выполняют при выключенном электронагревателе термостата. При этом фиксируют показания манометра 5 Рман, давление окружающей среды Ратм - барометром, ЭДС термопары - вольтметром. ЭДС позволяет определить температуру воздуха в посудине.

2. Устанавливают на электроконтактном термометре 10 температуру на 5оС больше, чем предыдущую, включают нагреватель термостата 9. Когда температура воды достигает заданной, гаснет сигнальная лампочка 11. После этого начинают фиксировать показания термопары вольтметром через каждые две минуты. Окончательное значение показаний вольтметра и манометра фиксируют тогда, когда предыдущие и дальнейшие показания термопары будут одинаковыми.

3. Устанавливают на электроконтактном термометре последовательно ещё 4 значения температур через каждые 5оС и измеряют ЭДС термопары и избыточное давление.

Обработка результатов работы

1. Результаты измерений и расчётов заносят в таблицу 3

Таблица 3

№ п/п	Наименование	Формула	Размерность	Числовые значения
1	Избыточное давление
2	Атмосферное давление	Ратм
			мм рт. ст.
3	Абсолютное давление
4	ЭДС термопары
5	ЭДС холодного спая
6	ЭДС гарячего спая
7	Температура воздуха
8	Внутренняя энергия

2. На графике в T-P координатах наносят полученные точки и строят прямую T = a P, коэффициент а определяют по методу наименьших квадратов.

3. Пользуясь значением средней теплоёмкости, по формуле (3.4) считают величину внутренней энергии для каждого опыта. На начало отсчёта внутренней энергии принимают u0=0 при t = 0 0C .

4. Строят график

5. Рассчитывают изменение внутренней энергии для отдельных процессов.

Контрольные вопросы

1. Какой процесс называется изохорным?

2. Перечислите параметры, приведённые в таблице экспериментальных данных.

3. Математическая связь между давлением и абсолютной температурой в изохорном процессе.

4. Математическая связь между энтропией и абсолютной температурой в изохорном процессе.

5. Изобразить изохорный процесс в PV и TS координатах. От чего зависит направление процесса?

6. Определение внутренней энергии. От каких параметров зависит реального и идеального газов?

7. Математическое выражение 1-го закона термодинамики.

8. Как определить по опытным данным теплоту, необходимую для нагревания воздуха в посудине от температуры или от ?

Лабораторная работа №4

Градуирование термопар

Цель работы - ознакомление с оборудованием и методикой градуирование термопар. Измерение температуры термопары основывается на определённой зависимости между термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), которая устанавливается в цепи разных проводников и разницей температур в местах их соединений. Механизм появления термоЭДС поясняется электронной теорией, согласно которой концентрация в металлах свободных электронов зависит от рода проводника и его температуры. В цепи двух разнородных проводников (рис.18), в местах столкновения двух разнородных металлов, например, в спае 1 электроны диффузируют с металла А в металл В в большем количестве, чем с металла В в металл А. Итак, металл А заряжается позитивно, а металл В - негативно. Электрическое поле, которое возникает при этом в месте столкновения, мешает этой диффузии и когда скорость диффузионного перехода электронов равняется скорости их обратного перехода под действием поля, которое установилось, наступит состояние подвижного равновесия. В таком состоянии между металлами А и В возникнет некоторая разница потенциалов. Т.к. концентрация свободных электронов кроме природы проводника зависит также от температуры, то ЭДС в спаях 1 и 2 будут разными. Термоэлектрический ток возникает также и в замкнутом однородном проводнике при наличии градиента температуры. В замкнутой электрической цепи, которая состоит из двух разнородных проводников А и В действуют одновременно оба ранее определённых фактора, которые вызывают появление в спаях 1 и 2 в зависимости от температур t и t o и материалов термоэлектродов двух суммарных термоЭДС , взятых при ходе по кругу против часовой стрелки



с учётом, что , получим:

Таким образом ЭДС, которая возникает в электрической цепи из разнородных проводников, места спаев которых имеют разные температуры, равняется разнице ЭДС и . Так как значение этих ЭДС определяется температурами соприкосновения, в общем виде зависимость термоЭДС, которая возникает в цепи из двух разнородных проводников можно представить так:

(5.1)

Спай 2, размещённый в среде, температура которого определяется , называется рабочим или горячим, а спай 1 - холодным. Градуированной называется зависимость разницы температур горячего и холодного спаев от ЭДС, когда температура холодного спая 0 оС.

(5.2)

Рис.18 Рис.19 Рис. 20

Градуированную зависимость (5.2) находят опытным путём. ТермоЭДС измеряют цифровым вольтметром. Для присоединения вольтметра надо разорвать один из проводников (рис.19), или цепь термопары в спае 1 (рис.20). Несмотря на внешние различия этих систем (рис.19,20) термоЭДС, которая развивается термопарами в обоих случаях будет одинакова, если будут одинаковы температуры холодных и горячих спаев. ТермоЭДС термопары не изменяется от введения в её цепь 3-го проводника, если температуры концов этого проводника одинаковы. Этот факт говорит о том, что способ изготовления спаев (сваривание, спаивание) на величину термоЭДС не влияет, если размеры спая такие, что температура его во всех точках одинакова.

Описание установки для градуирования термопар.

Градуирование термопар можно осуществлять двумя способами:

1) По постоянным точкам плавления (затвердевания) химически чистых веществ.

2) Сравнением их показателей с показателями образцовых термометров, термопар.

Градуирование термопар в интервале 0...200 °С осуществляют сравнением с лабораторным термометром, цена деления которого составляет 0,1 °С. Установка для градуирования термопар изображена на рис.19. Термостат заполняют дистилированной водою в случае градуирования от 0 до 100 °С или транчформаторным маслом при градуировании в интервале от 0...200 °С. Рабочие спаи термопар крепко прикрепляют ниткой к ртутному балону термометра и погружают в пробирку с трансформаторным маслом, которую опускают в термостат. Аналогично размещают холодных спай в термосе с тающим льдом.



Рис.21 Схема установки для градуирования термопар

1-термостат; 2-термопара; 3-термос; 4-вольтметр; 5-лабораторный термометр;6-электроконтактный термометр; 7-электромешалка; 8-электронагреватель.

Термостат имеет электроконтактный термометр, который позволяет поддерживать в термостате необходимую температуру с точностью до 0,1 °С. Настройка контактного термометра осуществляется вращением магнитной головки, что приводит к измению положения движущегося контакта. Когда столбик ртути доходит до движущегося контакта, нагреватель выключается и гаснет сигнальная лампочка.

Выполнение работы

1. Изготовить термопару.

2. Подключить термопару к вольтметру, установить рабочий спай вместе с лабораторным термометром в термостат, а холодный спай в термос.

3. Ознакомьтесь с установкой для градуирования термопары, правилами использования термостатом и измерительными приборами. Установку включают после разрешения преподавателя.

4. Измеряют вольтметром ЭДС термопары и температуру горячего спая лабораторным термометром.

5. Включают термостат, затем мешалку и нагреватель.

6. Настаивают электроконтактный термометр на температуру, которая выше предыдущей на 5оС. После достижения заданной температуры и выхода на установленный режим измеряют вольтметром ЭДС термопары и температуру горя-чего спая лабораторным термометром. Таким образом выполняют 8-10 опытов при разных температурах горячего спая. Полученные результаты заносят в таблицу 4.

Таблица 4

№ п/п	Исследуемые величины	Расчётные величины
	t i	E i	t iE i	E2i	t рi= ao+a1 Ei	t i =t i - t рi	t I=
1
2
n
	t i	E i	t iE i	E2i

7. На графике в t-E координатах наносят полученные точки и строят градиентную зависимость t =a1E, коэффициент а1 определяют по методу наименьших квадратов по формуле:

(5.3)

Контрольные вопросы

1. Устройство термопары. Из каких проводников изготавливают термопары?

2. Принцип действия термопары.

3. Что означает проградуировать термопару?

4. Способы градуирования термопар.

5. Способы представления градуированной зависимости.

6. Каким методом получена градуированная зависимость?

7. Назначение термопары.

8. Как определить температуру с помощью термопары?

Лабораторная работа №5

Теплоотдача трубы при свободном движении воздуха

Цель работы - углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости или газа (природной конвекции), ознакомление с методикой экспериментального исследования процесса и получения навыков в проведении экспериментов.

В результате работы должны быть усвоены основные понятия конвективного теплообмена - коэффициент теплоотдачи, виды конвекции, факторы, которые влияют на процесс теплоотдачи.

Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называется одновременный перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией от поверхности твёрдого тела к жидкости или газу и наоборот, от жидкости или газа к поверхности твёрдого тела. Конвективный тепловой поток Qк с поверхности твёрдого тела площадью F с температурой к жидкости или газу с температурой определяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана)

(5.1)

где - коэффициент теплоотдачи (теплообмена) от стенки к жидкости или наоборот.

Конвекция может быть свободной и вынужденной. Свободным называется движение, которое возникает в результате разницы плотности нагретых и холодных частей жидкости. Такое движение всегда возникает около тела, если температура его отличается от температуры окружающей среды в гравитационном поле. Пусть, например, нагретая труба находится в воздухе. Тогда устанавливается неравномерное распределение температуры и свободное движение воздуха. При этом, естественно, теплота, принятая воздухом от трубы, переносится ним в окружающее пространство.

Количество перенесённой теплоты будет тем больше, чем больше разница плотностей, то есть разница температур нагретых и холодных слоёв воздуха. Итак, теплоотдача тела в первую очередь определяется разницей температур тела и окружающей среды . Кроме того, интенсивность теплоотдачи зависит также от формы, геометрических размеров, расположения поверхности в пространстве, физических особенностей среды (), режима движения и ряда других факторов. В данной работе надо установить влияние только температурного напора . Экспериментально коэффициент теплоотдачи определяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана):

(5.2)

Итак, чтобы найти значение с уравнения (5.2), надо знать

Описание установки

Исследовательская установка рис.22 расположена в большой комнате с постоянной температурой. Объектом исследования является полированная стальная труба 7, помещённая горизонтально (d=14мм - внутренний диаметр; l = 845 мм - длина трубы) или вертикально (d=14мм - внутренний диаметр; l = 706 мм - длина трубы). В середине трубы находится электронагреватель 8. Энергия выделяется по длине трубы равномерно. Тепловой поток от трубы к воздуху в стационарном режиме определяют по показаниям ваттметра 9. Мощность, которую потребляет электронагреватель регулируют с помощью лабораторного автотрансформатора 10. Для измерения температуры стенки, которая отдаёт теплоту, на внешней поверхности труб кладут 6-7 медь-константановых термопар 6. Термопары расположены вдоль двух противоположных образующих цилиндра. Электроды термопар выведены к переключателю 5. Термопары имеют общий холодный спай, размещённый в пробирке с маслом 3. Масло имеет температуру окружающей среды. ЭДС термопар измеряют вольтметром 4. Измеренная в опытах ЭДС соответствует разнице температур:

(5.3)

Температуру воздуха измеряют на расстоянии от исследуемой трубы ртутным термометром.

Рис.22 Схема исследовательской установки для определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха.

1 - пробирка с маслом; 2 - холодный спай; 3 - ртутный термометр; 4 - вольтметр; 5 - переключатель; 6 - горячие спаи термопар; 7 - труба; 8 - нагреватель; 9 - ваттметр; 10 - автотрансформатор.

Выполнение работы и обработка результатов исследования.

После ознакомления с описанием исследовательской установки надо подготовить форму протокола для записи наблюдений, проверить правильность включения измерительных приборов и наличие масла в посудине 1 холодного спая термопар. После проверки схемы преподавателем можно начинать опыт. Все измерения выполняют при стационарном тепловом режиме установки, который характеризуется неизменностью показаний устройств во времени и устанавливается через 30-50 мин после включения либо изменения тока. Установив точность нагревателя надо убедиться, что установка на стационарный режим. Для этого вольтметром фиксируют показания одной из термопар через каждые 3 мин. Как только показания термопар начнут повторяться, можно считать, что установка вышла на стационарный режим. После этого вольтметром измеряют показания других термопар, мощность ваттметром, температуру окружающей среды термометром, установленным в пробирке с маслом.

Для перехода на новый температурный режим надо изменить напряжение на нагревателе автотрансформатором. Для выполнения работы в полном объёме надо провести опыты при 3-х - 4-х разных температурах стенки в интервале 10...50°С. Во время опытов двери комнаты надо закрыть, а студентам сидеть на месте. Результаты измерений и расчётов надо занести в таблицу 5.

Внимание!!! Включает и выключает электрический ток преподаватель!!!

Для обработки можно использовать только данные, которые были получены при установленном тепловом состоянии системы. Обычно берут средние значения показателей приборов 3-х последних записей. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от трубы у воздуху вычисляют по закону теплоотдачи:

(5.3)

где l - длина исследовательской трубки, м; d - диаметр, м; - средняя разница между температурами поверхности трубы и окружающей среды. Конвективный тепловой поток определяют как разницу между общим тепловым потоком и потоком излучения по равенству:

(5.4)

где Q - общий тепловой поток от поверхности трубы к воздуху и равняется мощности нагревателя.

Излучаемый поток, который передаётся трубкой тепловым излучением, определяется:

(5.5)

где Сзв - сведённый коэффициент излучения, Тст , Тпов - абсолютные температуры исследовательской трубы и окружающей среды; - внешняя поверхность исследовательской трубы, м2. Поверхность окружающих тел намного больше, чем поверхность исследовательской трубы. Поэтому можно считать, что сведённый коэффициент излучения Сзв равен коэффициенту излучения С исследовательской трубы. Для стальной слабополированной трубы можно взять С = 1,0 Вт/(м 2К 4). Расчётную температуру исследовательской трубы определяют по среднеарифметическому значению ЭДС термопар, расположенных

Таблица 5

Диаметр трубы ; Длина трубы ; Площадь поверхности трубы
№ п/п	Наименование величин	Формула	Номер опыта
1	Мощность нагревателя	N=Q, вт
2	ЭДС термопар
3	Среднеарифметическое значение ЭДС
4	Температура холодного спая	tхс
5	ЭДС холодного спая	Eхс
6	Средняя ЭДС рабочих спаев термопар
7	Средняя температура поверхности трубы
8	Температура воздуха	tпов Tпов = tпов+273
9	Средний температурный напор
12	Излучаемый тепловой поток
13	Коэффициент теплоотдачи
14	Теплопроводность воздуха
15	Кинематическая вязкость воздуха
16	Число Нуссельта
17	Число Грасгоффа
18	Число Релея

на поверхности трубы и температуры холодного спая по градиентной зависимости. В первичной обработке результаты опыта представляют в виде зависимости и строят соответсвтующий график. Зависимость обобщает результаты проведённых опытов. Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы надо обобщить расчётные данные и представить их в критериальном виде:

(5,6)

где - критерий Нуссельта;

- критерий Грасгоффа;

- критерий Прандтля;

- определяющий размер, для горизонтальної труби - диаметр, а для вертикальной - высота;

- теплопроводность воздуха;

- кинематическая вязкость воздуха.

Для каждого опыта рассчитывают численные значения критериев и по методу наименьших квадратов определяют значение коэффициентов в зависимости (5,6). Полученные точки наносят на график в логарифмическом масштабе, и строят зависимость .

Контрольные вопросы

1. Какой процесс исследуется в этой работе?

2. Что понимают под конвективной теплоотдачей?

3. Способ переноса теплоты.

4. Численные значения теплового потока от трубы к воздуху в опытах.

5. Как в лабораторной работе рассчитывается конвективный тепловой поток?

6. Температурное поле трубы при разных режимах.

7. Режим движения теплоносителей.

8. Виды конвекции.

9. Способы определения коэффициента теплоотдачи.

10. Как рассчитать коэффициент теплоотдачи по критериальным уравнениям для условий опыта?

11. От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи?

12. Запишите уравнение теплоотдачи.

13. Приведите примеры конвективной теплоотдачи.

14. Каким образом можно увеличить коэффициент теплоотдачи от трубы к воздуху?

15. Как измениться коэффициент теплоотдачи, если трубу погрузить в воду?

16. Как измениться коэффициент теплоотдачи, если трубу обдувать воздухом с помощью вентилятора?

Лабораторная работа №6

Определение коэффициента теплопроводности методом плиты (метод двух образцов)

Цель работы - ознакомление с методикой экспериментального определения коэффициентов теплопроводности изоляционных материалов методом плиты и с методикой обработки опытных данных.

Для круглого диска, толщина которого намного меньше диаметра, в стационарном режиме при постоянной температурах на поверхностях диска температурное поле будет одномерным . Тепловой поток через диск равен:

, (6.1)

где - коэффициент теплопроводности материала диска;

- площадь, перпендикулярно к которой направлен тепловой поток;

- толщина диска.

Во время определения коэффициента теплопроводности методом двух образцов, нагреватель кладут между образцами, который имеет форму диска. Образцы изготовлены из изоляционного материала. Суммарный тепловой поток через два образца составляет:

(6.2)

С другой стороны, тепловой поток в стационарном режиме равен мощности нагревателя, в случае потерь в окружающую среду через торцы:

(6.3)

Из выражений /6.2/ и /6.3/ имеем

(6.4)

где -температуры поверхностей образцов со стороны нагревателя;

-температуры поверхности образцов со стороны холодильников;

- средний коэффициент теплопроводности материала образцов при температуре

Описание установки

Коэффициент теплопроводности определяют на экспериментальной установке, схема которой показана на рис.23. Образцы из изоляционного материала, изготовленные в форме диска диаметром =250мм и толщиной =20мм, вставленные между электронагревателем 10 и холодильником 7. Тепловой поток от нагревателя, проходя через образцы, передаётся холодильникам.

Рис.23 Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности:

1 - пробирка с маслом; 2 - холодный спай термопар; 3 - ртутный термометр; 4 - вольтметр; 5 - переключатель; 6 - медные пластины; 7 - холодильники; 8 - изоляционная оболочка; 9 - образцы из изоляционного материала; 10 - электронагреватель; 11 - ваттметр; 12 - автотрансформатор; 13 - термопары.

Чтобы избежать торцевых потерь теплоты от нагревателя и образцов в окружающую среду используют асбестовую изоляцию. Поэтому величиной в формуле (6.4) можно пренебрегать. Торцевые потери существенно не влияют на распределение температур в средней части образца. Толщина образца . При таких условиях расчётная формула (6.4), полученная для неограниченной плиты, может быть использована для данного образца. Для определения температур на по-верхностях образцов и в центре установлены медь-константановые термопары (1-4). Электронагреватель изготовлен из нихровоздушых зазоров между поверхностями образцов и поверхностями холодильника и нагревателя. Поэтому образцы крепко сжимают между нагревателем и холодильниками. Электронагреватель питается от сети переменного тока, мощность которого регулируют лабораторным трансформатором 12 и измеряют ваттметром 11.

Охлаждающая вода поступает в холодильник из водопровода. Термопары, присоединённые к переключателю 5. ЭДС термопар измеряется цифровым вольтметром 4.

Таблица 6.

Толщина образцов м; м; Диаметр образца м; Площадь образца м2 ;
№ п/п	Наименование величин	Формула	Размерность	Номер опыта
1	Мощность нагревателя		Вт
2	ЭДС термопар		мВ
			мВ
			мВ
			мВ
3	Температура холодного спая	tхс	°С
4	ЭДС холодного спая	Ехс	мВ
5	Соответствующие разницы температур до показания термопар		°С
			°С
			°С
			°С
6	Температуры на поверхностях образцов		°С
			°С
			°С
			°С
7	Теплопроводность образца		Вт/мК
8	Средняя температура образца		°С

Выполнение работы и обработка результатов исследование

Убедившись, что установка для проведения опыта готова, включает систему охлаждения, а потом питание электронагревателей. Выход установки на стационарный режим контролируют таким образом. С помощью автотрансформатора устанавливают соответствующее напряжение на нагревателе. Вольтметром через каждые 3 мин фиксируют показания одной из термопар, расположенных над нагревателем. Когда предыдущее и последующее измерения совпадают, можно считать. Что установка вышла на стационарный режим. Потом вольтметром 4 фиксируют показания других термопар (), ваттметром 11 измеряют мощность нагревателя и температуру холодного спая термопар ртутным термометром 3. Результаты измерений заносят в таблицу 7.

Контрольные вопросы

1. Способы переноса теплоты.

2. Закон теплопроводности.

3. Численное значение теплового потока в опыте.

4. Покажите на схеме установки направление теплового потока в образце.

5. Как рассчитать градиент температуры в образце по опытным данных?

6. Покажите направление градиента температуры в образце.

7. Температурные режимы в образце. Чем они отличаются?

8. Какие вещества имеют наибольшую и какие - наименьшую теплопроводности?

9. Почему на этой установке невозможно определить теплопроводность металлических тел?

Размещено на Allbest.ru