Материал: А27626 Лабораторный практикум по термодинамике

4. Выполнение работы

Пуск компрессора осуществляется студентами только в присутствии лаборанта. С помощью клапана устанавливают избыточное давление (измеренное манометром 4) в камере 5 – р_1изб = 0,25–0,3 МПа. В ходе опытов давление р₁ остается неизменным. Отношение давлений  = р₂/р₁, определяющее скорость и расход при истечении, изменяется за счет изменения давления р₂ в камере 7. Первое значение при самом малом открытии вентиля должно отличаться от значений р₁ приблизительно на 0,05 МПа. Так, если в камере 5 установлено давление р_1изб = 0,27 МПа, то первое значение р_2изб должно равняться приблизительно 0,22 МПа. При таком перепаде давлений, т. е. при  = 0,865, производят первое измерение объемного расхода воздуха с помощью объемного расходомера, работающего практически при атмосферном давлении.

Температуру воздуха Т₁ в камере 5 и температуру Т₂ в камере 7 измеряют термопарами.

Затем производят аналогичные измерения при других, уменьшающихся значениях р₂ (соответственно и ). Понижение давления р₂ в камере 7 перед каждым последующим измерением осуществляется постепенным открытием вентиля. Рекомендуется уменьшать давление р₂ перед каждым последующим измерением на 0,04 МПа. Всего измерений должно быть не менее семи. Результаты измерений заносят в протокол наблюдений (табл. 7).

Таблица 7

Протокол наблюдений

Атмосферное давление В = мм рт. ст.

По указанию преподавателя опыт может быть повторен при другом значении р₁.

После окончания опытов необходимо немедленно остановить воздушный компрессор.

5. Обработка результатов опыта

Конечной целью исследования процесса истечения является построение графика зависимости w₂ = f (). Сначала строят теоретическую зависимость. Для этого по формуле (1) рассчитывают скорость воздуха в выходном сечении сопла для круглых значений , равных 1; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5 и 0,4. Для расчета максимального значения скорости w_2кр используют формулу (2). По этим данным строят на миллиметровке теоретическую зависимость. Затем на тот же график наносят опытные точки. С помощью этого графика требуется определить опытное значение критического отношения давлений _кр, сравнить его с теоретическим и определить погрешность.

Для двух значений  (₁  _кр и ₂  _кр) необходимо снять с графика теоретические значения скорости воздуха, сравнить их с опытными и определить расхождение между ними (в процентах).

Объемный расход воздуха по показаниям газового счетчика определяется как разность его показаний, деленная на время, прошедшее между измерениями:

V = (V2 – V1)/.

Для определения скорости воздуха на выходе из сопла используется формула

w₂ = V/f₂, (3)

где f₂ – площадь выходного сечения сопла.

Диаметр выходного сечения сопла приводится в паспортных данных установки.

Время между фиксацией (записью) показаний счетчика обычно принимается равным 60 с.

Построению графика должно предшествовать заполнение таблицы опытных и расчетных данных (табл. 8).

Таблица 8

Опытные и расчетные данные

6. Отчет о работе

Отчет должен содержать:

 таблицу с данными наблюдений;

 таблицу опытных и обработанных данных;

 график зависимости w₂ = f ();

 опытное и расчетное значение _кр;

 сравнение двух опытных значений w₂ с расчетными (снятыми с графика);

 характеристику приборов;

 анализ опытных данных и выводы по результатам работы.

Список литературы

1. Теоретические основы хладотехники. Часть 1. Термодинамика / Под ред. Э.И. Гуйго. – М.: Изд-во «Колос», 1994. – 288 с.

2. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ. / С.Н. Богданов, С.И. Бурцев, О.П. Иванов, А.В. Куп-риянова. – СПб.: СПбГАХПТ, 1993. – 309 с.

Лабораторная работа № 7 определение зависимости между давлением и объемом при изотермическом процессе сжатия или расширения хладагента r13

1. Задание

1. Уяснить физическую картину паровых термодинамических процессов.

2. Провести опыт по изотермическому сжатию хладагента R13 при некоторой температуре, меньшей критической; построить на миллиметровке по справочным данным пограничные кривые и изотерму 20 С в координатах p–v. Нанести на тот же график результаты обработки опытных данных.

3. Сравнить удельные объемы насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара, зафиксированные в опыте, с табличными данными при температуре опыта и вычислить относительную погрешность опыта.

2. Основные теоретические понятия

Уравнение состояния Клапейрона–Менделеева справедливо толь-ко для идеальных газов, т. е. газов, в которых отсутствуют силы меж-молекулярного взаимодействия, а объем, занимаемый молекулами, равен нулю. В природе таких газов нет. Поведение всех существующих реальных газов отклоняется в большей или меньшей мере от поведения идеальных газов.

Все газы можно рассматривать как сильно перегретые пары, которые при охлаждении ниже критической температуры при одновременном сжатии переходят в жидкое состояние. Чем больше давление и чем ниже температура газа, тем ближе он к началу сжижения и тем больше отклоняется от идеального состояния.

Рассмотрим изображение процессов изотермического сжатия реального газа на p–v диаграмме (рис. 8) при температурах ниже и выше критической. Изотермы для температур, меньших критической (dcba, dcba и т. д.), состоит из трех участков: кривой, близкой к изотерме идеального газа, имеющей характер гиперболы, dc; горизонтального участка двухфазного состояния cb (в области влажного пара) и изотермы жидкости ba.

Рис. 8. Диаграмма p–v для хладагента R13

Чтобы процесс сжатия осуществлялся как изотермический, уменьшение объема газа должно сопровождаться отводом теплоты (иначе затрачиваемая на сжатие внешняя работа вызовет повышение внутренней энергии и температуры газа). Протекающий в обратном направлении процесс изотермического расширения требует для своего осуществления подвода теплоты к хладагенту.

При изотермическом сжатии перегретого пара dc в результате уменьшения объема с одновременным отводом теплоты давление газа возрастает до давления насыщения, затем происходит постепенное превращение сухого насыщенного пара в насыщенную жидкость (процесс конденсации cb). Для этого процесса характерно то, что постоянной температуре соответствует постоянное давление конденсации.

В момент, когда весь пар превратится в насыщенную жидкость, дальнейшее сжатие сопровождается резким повышением давления, так как жидкости практически несжимаемы (bа).

При изотермическом расширении ненасыщенной жидкости те же процессы протекают в обратном направлении: ненасыщенная жидкость в результате подвода теплоты несколько увеличивает свой объем, при этом давление ее резко падает до давления насыщения (ab) и начинается превращение насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар (процесс кипения bc), для которого характерна определенная зависимость между постоянной температурой и постоянным давлением насыщения.

При дальнейшем подводе теплоты сухой насыщенный пар превращается в перегретый; в области перегретого пара увеличение объема при постоянной температуре сопровождается понижением давления (cd).

С повышением температуры точки начала (c, с, с и т. д.) и конца (b, b, b и т. д.) конденсации сближаются, т. е. горизонтальные участки становятся все более и более короткими и при температуре, называемой критической, линия конденсации исчезает совсем. Это значит, что при критической температуре переход из газообразного состояния в жидкое происходит без изменения объема, поэтому оба агрегатных состояния при этих условиях являются идентичными.

Изотерма сжатия для критической температуры (nKl) не имеет горизонтального участка, а имеет перегиб в точке K так, что касательная в точке перегиба будет горизонтальной.

Область диаграммы, ограниченная пограничными кривыми пара (K, c, c, c) и жидкости (K, b, b, b), является областью двухфазных состояний, или областью влажного пара. Область диаграммы вправо от пограничной кривой пара при v  v_кр считается областью перегретого пара и газа.

Критическая точка K лежит на границе трех состояний: перегретого пара, влажного пара и жидкости. Таким образом, можно сделать заключение, что сжижение газа (или перегретого пара) путем одного сжатия возможно только при температурах ниже критической, так как только при этих условиях изотермы проходят в области конденсации пара.

При температурах выше критической газ (или перегретый пар) никаким повышением давления не может быть скачкообразно переведен в жидкое состояние.

3. Лабораторная установка

В связи с невозможностью использования ртути в учебной лабораторной работе запланировано выполнение этой работы в виртуальном варианте на ЭВМ. При этом схема стенда и ход лабораторной работы остаются без изменений.

Установка (рис. 9) состоит из стеклянного мерного сосуда 4, помещаемого в металлический резервуар 8, пресса 7, манометра 6, термопары 5.

Мерный сосуд 4 – это толстостенный стеклянный цилиндр переменного сечения, оканчивающийся в верхней части капиллярной трубкой с запаянным концом; нижний конец цилиндра открыт.

Резервуар 8 представляет собой прочный металлический баллон, в верхней части которого с помощью фланцевого соединения прикрепляются крышка и прозрачный стеклянный колпак 2.

Мерный сосуд, предварительно заполненный точно измеренным количеством газообразного хладагента R13, помещается в вертикальном положении (открытым концом вниз) в резервуар, предварительно залитый ртутью, таким образом, чтобы открытый конец сосуда всегда находился ниже уровня ртути. Капиллярная трубка сосуда выводится наружу через уплотненное отверстие в крышке. Сборка прибора завершается установкой прозрачного колпака 2, герметично закрепляемого на резервуаре фланцевым соединением. После этого через пресс происходит заполнение машинным маслом верхней части резервуара и соединительных труб. Сам пресс также заполняется маслом (эти операции выполняются лаборантом до начала занятий).

Сжатие хладагента R13 осуществляется прессом. При увеличении давления на масло последнее вытесняет часть ртути в мерный сосуд. Ртуть, действуя как поршень, сжимает хладагент R13. Изменение высоты столба хладагента R13 в капиллярной трубе сосуда регистрируется с помощью шкалы 3, освещаемой специальной подсветкой. Через колпак 2, играющий роль термостата, циркулирует вода с постоянной температурой из термостата 1. Температура воды измеряется с помощью термопары 5, подключенной к цифровому милливольтметру. Таблица градуировки термопары имеется в лаборатории.

Рис. 9. Схема лабораторной установки:

1 – термостат; 2 – колпак; 3 – шкала; 4 – мерный сосуд; 5 – термопара; 6 – манометр; 7 – пресс; 8 – металлический резервуар

4. Выполнение работы

После изучения теоретического материала и детального ознакомления с установкой можно приступить к выполнению опыта, предварительно заготовив протокол наблюдений.

Выполнять опыт рекомендуется в такой последовательности:

 включить подсветку;

 перемещая поршень влево (ввинчивая винт пресса), производить наблюдение за процессом сжатия хладагента R13 в капилляре и измерение давления и объема в нем.

В результате опытов выявляется зависимость p = f (v) хладагента R13, находящегося в капилляре. Давление измеряется манометром. Изменение объема хладагента фиксируется по положению мениска ртути в капилляре. Первые измерения давления и объема производят при появлении ртутного мениска. Очевидно, что изменение объема хладагента в ходе опыта пропорционально изменению высоты его столба в капилляре.

При выполнении опыта изменять давление нужно очень медленно, записывая показания манометра и соответствующие им значения высоты столба хладагента R13.

При проведении опыта необходимо, кроме того, тщательно наблюдать за поведением хладона в капилляре при изменении давления, чтобы своевременно зафиксировать начало насыщения и соответствующие этому моменту параметры.

Как известно, для чистых веществ в течение всего периода конденсации (или кипения) при постоянной температуре, равной температуре насыщения, давление остается постоянным. По окончании процесса конденсации давление возрастает при почти неизменном объеме, так как жидкость практически несжимаема.

Давление следует повышать до 8 МПа (около 80 атм). После достижения заданного давления необходимо провести процесс расширения хладона и сделать соответствующие записи в журнале наблюдений.