Ткаченко С.Й., Чепурний М.М., Співак О.Ю. Лабораторний практикум з дисциплін Теоретичні основи теплотехніки і Технічна термодинаміка і теплопередача

Подождите немного. Документ загружается.

Робота термометрів опору та термісторів базується на зміні

електричного опору металів і напівпровідників в процесі охолодження чи

нагрівання, яка пропорційна зміні температури. На відміну від термопар

термометри опору потребують тарування. Тарування здійснюється по

якомусь із зразкових термометрів. Електроопір вимірюють мостовим

методом, а в області температур, де опір різко змінюється, можна

використовувати логометр, що значно спрощує процедуру вимірювань.

1.3 Вимірювання вологості тіл

Вологість твердих тіл, сипучих та інших матеріалів визначається

відношенням маси води, що міститься в них, до загальної маси вологого

матеріалу. Найбільш простий спосіб її вимірювання – зважування до і

після висушування, для чого існують спеціальні сушилки. Цей спосіб хоча

й точний, але тривалий. Для експрес – вимірювань застосовують

вологоміри, в яких використовується залежність якоїсь фізичної величини

від вологості.

Прилади, що вимірюють вологість газів називають гігрометрами і

психрометрами. Дія волосяного гігрометра базується на властивості

волосся видовжуватися у міру підвищення вологості. Волосся має бути

обезжиреним. Такий прилад не дуже точний. Гігрометр Ламбрехта має

металевий

циліндр 1, заповнений

ефіром, один торець

якого відполірований. В

циліндрі є патрубок для

продування повітря і

отвір для термометра 2.

Під час продування

повітря ефір

Рисунок 1.1 -

Гігрометр Ламбрехта

випаровується , охолоджуючи циліндр. Для певної

температури Т

(точка роси) водяна пара поблизу

поверхні циліндра стає насиченою і поліровка 3

мутніє. За значенням Т

з таблиць знаходять Р

нп

(Т

) яка і є абсолютною вологістю. Прилад

невигідний в роботі, але його перевага в тому, що

він не вимагає градуювання (абсолютний прилад).

В аспіраційному психрометрі та психрометрі Августа вимірюється

різниця показів сухого і змоченого термометрів.

Останнім часом великого поширення набули електронні вологоміри,

в датчиках яких характеристикою вологості є зміна електроопору чи

електроємності шару матеріалу між електродами. Такі вологоміри зручні в

роботі, компактні, але потребують регулярного тарування по

аспіраційному психрометру, внаслідок зміни властивостей матеріалу між

електродами.

1.4 Вимірювання витрат

Кількість речовини, що проходить за одиницю часу по

трубопроводах, каналах тощо називають витратою речовини. Кількість і

витрату речовини визначають в обємних (м

/с, м

/год) або масових (кг/с,

кг/год) одиницях вимірювання.

Прилади, які вимірюють витрату називають витратомірами. В

залежності від виду речовини вони діляться на витратоміри води, пари,

газу тощо. Витратоміри бувають показувальними і самопишучими. Для

визначення витрати і кількості рідини, газів, сипучих тіл, пари найчастіше

користуються такими методами: змінного перепаду тиску, швидкісним,

обємним і ваговим. У відповідності з методами вимірювань, вимірювальні

прилади діляться на такі групи: витратоміри із звужувальним пристроєм,

швидкісні витратоміри і лічильники, обємні лічильники, ротаметри тощо.

Найбільш широке використання для вимірювання витрат рідин і

газів, що протікають трубопроводами мають витратоміри зі звужувальним

пристроєм. Принцип їх дії оснований на зміні потенціальної енергії

речовини, витрату якої визначають, коли вона протікає через штучно

звужений переріз трубопровода. Такі витратоміри придатні для

вимірювання кількості речовини, яка протікає по трубопроводу, лише за

умови заповнення речовиною всього поперечного перерізу труби.

Вихідними рівняннями для визначення кількості речовини при

використанні витратомірів із звужувальним пристроєм є рівняння

неперервності потоку і рівняння Бернуллі.

Витратомір складається із звужувального пристрою, що

встановлюється в трубопроводі і служить для місцевого стиснення потоку

(первинний перетворювач), диференційного манометра, призначеного для

вимірювання різниці статичних тисків середовища до і після

звужувального пристрою (вторинний прилад) і зєднувальних ліній (двох

трубок), що звязують між собою обидва прилади.

Звужувальний пристрій має круглий отвір, розташований

концентрично відносно стінок труби, діаметр якого менший внутрішнього

діаметра трубопровода. Для вимірювання витрат середовища найбільш

поширеними є такі

звужувальні

пристрої:

витратомірна

діафрагма,

витратомірне

сопло і сопло

Вентурі.

Рисунок 1.2 - Нормалізовані діафрагми і сопла

а) камерна (вверху) і безкамерна (внизу) діафрагми;

б) камерне (вверху) і безкамерне сопла;

)

Експериментальним шляхом для таких звужувальних пристроїв

знайдено точні значення коефіцієнта витрати , що дозволяє

використовувати їх без попереднього градуювання. Точність вимірювання

витрати за допомогою діафрагми залежить від гостроти вхідного краю

отвору діфрагми. Отвір має бути симетричним і його край не повинен мати

скруглень, задирок і зазубрин.

Дифманометр може бути будь-якої конструкції, наприклад

показувальним U-подібним скляним манометром, описаним вище, хоча

часто, для зручності, в систему ставлять самопишучий прилад із

вбудованим інтегратором. Шкали таких манометрів часто градуюють в

обємних або масових одиницях витрат.

Ротаметри відносяться до приладів постійного перепаду тиску, які

використовуються для вимірювання обємної витрати рідини або газу. Такі

прилади установлюються в вертикальних трубопроводах. Зміна витрати

викликає в ротаметрі відповідну зміну прохідного перерізу, в результаті

чого перепад тиску в приладі залишається сталим. Ротаметри мають

рівномірну шкалу, що разом із сталою втратою тиску є їх достоїнством. В

залежності від конструкції ротаметри ділять на скляні і металеві. Перші з

них є лабораторними показувальними приладами, а другі – промисловими

безшкальними приладами з

диференційно-трансформаторним

перетворювачем, що працюють в

комплекті з вторинними

автоматичними приладами.

На рисунку 1.3 показана схема

ротаметра, що складається з

вертикальної скляної або металевої

конусної трубки, всередині якої

вільно переміщується циліндричний поплавок (ротор), виготовлений з

Рисунок 1.3 - Схема ротаметра

нержавіючої сталі, дуралюмінію або ебоніту. Положення поплавка в

конусній трубці визначає собою величину кільцевого зазору, що

утворюється між трубою і поплавком при проходженні речовини. При

підніманні поплавка цей зазор збільшується, а при опусканні –

зменшується. Ротаметри випускаються діаметром умовного проходу 3-150

мм, на робочий тиск 0,6-32 МПа. Клас точності приладів 1; 1,5; 2,5; 4.

Для зменшення похибок експериментів, при виконанні лабораторних

робіт на фізичних моделях необхідно дотримуватись акуратності в роботі,

старанно, точно і правильно знімати покази з шкал приладів, виконувати

вказівки і рекомендації викладачів і обслуговуючого персоналу.

2 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

ТЕРМОДИНАМІЧНИХ ПРОЦЕСІВ І ВЛАСТИВОСТЕЙ РЕЧОВИН

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ІЗОБАРНОЇ ТЕПЛОЄМНОСТІ ПОВІТРЯ

Мета: Скласти методику експерименту і визначити ізобарну

теплоємність повітря.

Для визначення теплоємності повітря використовують проточний

калориметр 3 (Рис.1.1). Для зменшення теплових втрат в навколишнє

середовище калориметр ретельно теплоізольований.

Всередині калориметра розташовано нагрівник 1, за допомогою

якого здійснюється підведення теплоти до потоку повітря. Потужність

нагрівника регулюється трансформатором 4 і контролюється

електроприладами 5 і 6. Витрата повітря через калориметр забезпечується

вентилятором 9. Температури повітря на вході в калориметр і на виході з

нього вимірюються за допомогою термопар 10 і 11, які підключені до

потенціометра 2. Витрата повітря вимірюється за допомогою діафрагми 8,

яка створює перепад h у дифманометрі 7.

Рисунок 1.1 - Схема лабораторної установки

Обробка результатів

Об’ємна витрата повітря обчислюється за формулою, м

/год:

V = 0,0125d

(hv

)

0,5

(1.1)

де:  - коефіцієнт витрати діафрагми; d – діаметр діафрагми, мм; h –

перепад тиску на діафрагмі, мм.вод.ст; v

– питомий об’єм повітря за

умовами досліду, який визначається, м

/кг:

= 0,7734760Т

/(293В) (1.2)

де В – барометричний тиск, мм.рт.ст., Т

–абсолютна температура повітря

на вході в калориметр, К.

Досліди проводять таким чином. Вмикають вентилятор і

встановлюють за допомогою трансформатора вказану викладачем

потужність електронагрівника. Покази всіх приладів записують в журнал

h

спостережень 1.1 лише після досягнення усталеного режиму, який

визначається незмінними показами термопари 11. Експерименти

проводяться при різних потужностях електронагрівника і різних витратах

повітря.

За показами вольтметра і амперметра визначають теплоту, яку віддає

електронагрівник в калориметрі за годину:

Q = UI360010

-3

кДжгод (1.3)

Об’ємну теплоємність повітря визначають з рівняння теплового

балансу калориметра, приймаючи втрати через стінки рівними нулю:

Q = C

’

Vt (1.4)

де: С

’

– об’ємна середня теплоємність повітря, кДж/(м

К), t – перепад

температур на вході та виході з калориметра.

Далі визначають мольну і масову теплоємності.

Досліди проводять кілька разів. За результатами розрахунків

будують графіки залежності масової, мольної і об’ємної теплоємностей від

температури. Дослідні дані порівнюють з табличними і визначають

похибку експерименту.

Журнал спостережень 1.1

№

дос

лід

Покази

Електроприладів

Перепад

тиску h,

мм. вод.

ст.

Баромет

ричний

тиск В,

мм.рт.ст

Покази

термопар,

С

Різниц

темпер

. t, C

I, A U, B

Контрольні запитання

1. Що розуміють під істинною і середньою теплоємностями?

2. Які співвідношення між масовою, мольною і об’ємною теплоємностями?

3. Як відрізняються ізобарна та ізохорна теплоємності?

4. Як теплоємність тіл залежить від температури?

5. Чому в даній роботі не враховують втрати на нагрів калориметра і

втрати через його стінки?

6. Чому С

менша за С

7. Як визначити середню теплоємність, якщо відома залежність істинної

теплоємності від температури?

Лабораторна робота № 2

ВИЗНАЧЕННЯ ГАЗОВОЇ СТАЛОЇ ПОВІТРЯ

Мета: Визначити газову сталу повітря.

Експериментальна установка складається з циліндричної посудини

(рис.2.1), в яку може надходити холодне і підігріте повітря від компресора.

Температура і тиск в посудині вимірюються термометром 2 і манометром 3.

Повітря в посудину надходить по трубопроводу, що перекривається

вентилем 4, а відводиться через трубопровід, що перекривається вентилем

5. Барометричний тиск вимірюється барометром-анероїдом.

Досліди здійснюють таким чином: викладач або лаборант вмикає

компресор і задає значення надлишкового тиску в посудині. Перед

початком досліду випускний кран 5 закривають.

Відкривають кран 4 і очікують, доки тиск повітря в посудині не

зросте до заданого викладачем значення. Після цього вентиль 4 закривають

і записують в журнал спостережень 2.1 показання манометра і термометра.

Зауважимо, що термометр більш інерційний прилад ніж манометр, тому

показання термометра слід записувати через певний проміжок часу після

встановлення певного тиску в посудині.

Рисунок 2.1 - Схема лабораторної установки

Виконують кілька дослідів при різних тисках повітря. Питомий

об’єм повітря в посудині визначають за формулою:

= 0,7734760Т

/(293Р

абс

) (2.1)

де Т

– абсолютна температура повітря в посудині,К; Р

абс

– абсолютний

тиск в посудині, мм.рт.ст. За рівнянням стану ідеального газу обчислюють

газову сталу повітря. Результати вимірювань і розрахунків записують в

журнал спостережень.

Журнал спостережень 2.1

№

дослі

ду

Манометричний

тиск Р

, кг/см

Температ

ура, С

Питомий об’єм

,, м

/кг

Газова стала,

R, кДж/кгК

Середнє значення газової сталої в дослідах порівнюють із табличним

значенням R і визначають похибку експерименту.

Контрольні запитання

1. Як записується рівняння стану ідеального газу?

2. За яких умов реальні гази наближаються до ідеальних?

3. Що характеризує газова стала?

4. Як визначити теплоємності за допомогою газової сталої?

5. Як визначається газова стала суміші?

6. Чим реальні гази відрізняються від ідеальних?

Лабораторна робота № 3

ВИЗНАЧЕННЯ ЗМІНИ ЕНТРОПІЇ В ПРОЦЕСІ ТЕПЛООБМІНУ

Мета: Дослідити закономірності зміни ентропії в процесі

теплообміну.

Експериментальна установка (рис.3.1) складається з тонкостінної

нетеплоізольованої металевої посудини 1, в яку залито рідину масою m і

теплоємністю С

рm

. Вона обладнана електронагрівником 2 і лабораторним

термометром 3.

Досліди здійснюють таким чином. Вмикають електронагрівник і

нагрівають рідину до заданої температури Т

, К, яка є вхідною для

дослідів. Після цього електронагрівник вимикають і починають фіксувати

поточні значення температури рідини через певні проміжки часу.

Зауважимо, що на першому етапі

охолодження рідини її

температура змінюється більш

інтенсивно, бо різниця

температур між рідиною і

навколишнім середовищем Т =

() – Т

має більші значення

(рис.3.2).

Відповідно до цього в

навколишнє середовище

передається більша теплота і

mС

Рисунок 3.1 - Схема дослідної

установки