8017

19

где постоянные А и В определяются по экспериментальным данным для каждого конкретного случая. Для этого используют графики в координатах lg

интервале давлений (рис. 2.3).

Выше упоминалось, что параметры p и Т следует снимать в равновесном состоянии системы. Однако для достижения такого состояния на практике следовало бы включить нагревательный элемент установки, нагреть воду до заданной температуры (давления) и удерживать этот параметр неизменным,

регулируя мощность нагревателя так, чтобы параметры p и Т успели выровняться по всему объему. Записав эти параметры, перейти к следующему равновесному состоянию и т.д. Проведение такого опыта потребовало бы длительного времени, и поэтому нагревание ведется медленно, но непрерывно,

с синхронной записью параметров p и Т.

При анализе полученных результатов следует иметь в виду, что величины p и Т, строго говоря, не принадлежат одной изохоре, так как во время опыта ни

V, ни G не являются постоянными величинам (объем баллона с ростом p и Т увеличивается, а часть воды (пара) заходит в трубку, пружину манометра,

предохранительный клапан).

2.3 Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка изображена на рис. 2.4. Установка состоит из стального баллона (ГОСТ 949-73), в который залито некоторое количество дистиллированной воды. В горловину баллона ввернута головка, к которой стальными трубками подсоединены образцовый манометр на максимальное давление 25 кгс/см2 и предохранительный клапан, отрегулированный на выпуск пара при давлении 18 кгс/см2.

20

Рис. 2.3

Вбаллоне, под углом к стенке установлена гильза из нержавеющей стали,

вкоторую вставлен ртутный термометр с диапазоном измерения от 0 до 200 °С.

Для лучшего контакта чувствительной части термометра с гильзой в последнюю залито 3 грамма машинного масла. Термометр защищен от механических повреждений кожухом. Днищевая часть баллона обогревается электронагревателем мощностью 1 кВт (нихромовая спираль). Для исключения нагрева наружной поверхности установки выше допустимой, днищевая часть баллона окружена тремя концентрическими экранами, остальная часть баллона

– двумя. Выделяющаяся на экранах теплота конвективным потоком окружающего воздуха через перфорацию днища корпуса и его крышу удаляется в окружающую среду. Корпус установки изготовлен из алюминиево-

магниевого сплава. Электрическая часть установки состоит из выключателя,

провода подвода напряжения к нагревательному элементу и провода заземления корпуса установки.

2.4 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы

Перед началом работы убедиться, что провод заземления установки надежно соединен с шиной заземления, а выключатель на установке перед подачей напряжения на установку (т.е. перед соединением штепселя с

21

розеткой) находится в положении «выкл.».

Рис 2.4. Экспериментальная установка (общий вид): 1 – баллон стальной с головкой и гильзой для термометра; 2 – нагревательный элемент; 3 – экраны; 4 – корпус;

5– выключатель;

6– термометр;

7– манометр образцовый;

8– клапан предохранительный;

9– провод заземления;

10– провод питания.

Проверить визуально целостность и исправность термометра, манометра,

предохранительного клапана, трубок и их соединений.

Если через 7-8 минут после включения установки показание термометра останется первоначальный, выключатель установить в положение «выкл.»,

обесточить установку и выяснить причину неисправности.

22

При утечке пара через соединения установку выключить, обесточить и устранить неплотность.

При срабатывании предохранительного клапана установку выключить и обесточить (срабатывание предохранительного клапана свидетельствует о перегреве баллона выше допустимого).

2.5Порядок проведения работы

1.Проверить надежность заземления установки и поставить выключатель

вположение «выкл.».

2.Записать показания манометра и термометра в таблицу 2.1.

3.Включить штепсель в розетку.

4.Повернуть выключатель в положение «вкл.».

5.Производить одновременную запись показаний манометра (число делений) и термометра (°С) для выбранных моментов времени. Рекомендуется записывать показания обоих приборов в те моменты, когда стрелка манометра будет показывать 2, 4, 6, 8, 10 делений; далее записывать показания через пять делений манометра, т.e. 15, 20, 25 и т.д. до 75 делений, – всего 18 точек.

6.При показании манометра 75 делений установку выключить и обесточить.

7.В процессе остывания установки в таблицу 2.1 записывать показания термометра при теx же показаниях манометра. В дальнейших расчетах принимается средне-арифметическое показаний термометра в процессе нагрева и остывания.

Процесс остывания установки происходит медленнее, чем нагрев и следовательно, величины pн и Тн ближе к равновесным.

Длительность эксперимента: процесс нагрева длится 27-30 минут,

процесс остывания – около 1 часа.

Рекомендация по распределению обязанностей между участниками эксперимента: экспериментатор, следящий за манометром, называет число делений по манометру; другой экспериментатор в этот момент называет температуру, а третий – записывает в таблицу 2.1 сообщенные результаты.

23

2.6 Обработка результатов измерений

Обработку результатов следует начинать с пересчета делений по шкале манометра в единицы измерения давления: Па и кгс/см2, а так же °С в К. Для манометра установки одно деление соответствует 0,25 кгс/см2. Результаты пересчета записать в таблицу 2.1.

По полученным в эксперименте данным в координатах pн, Тн в некотором масштабе построить кривую насыщения (см. рис. 2.2). Рисунок должен быть достаточно большим (формат 210×294 мм) для удобства графического дифференцирования. Экспериментальные точки на рисунке соединить плавной тонкой линией.

масштабе (см. рис. 2.5) строится линия насыщения. Выбрав на полученной прямой любые две точки, например точки 1 и 2, подставим численные величины температуры и давления насыщенного пара в этих точках в формулы для определения постоянных А и В:

24

Рис. 2.5

Подставив численные величины постоянных А и В в уравнение (2.3),

получим аналитическое выражение линии насыщения в координатах lg pн- 1

Tн

для условий проведенного эксперимента.

Пользуясь уравнением (2.3) и задаваясь температурами насыщенного пара в пределах их экспериментальных значений, на рис. 2.5 нанести аналитически полученную прямую (достаточно определить три-четыре точки).

Расчетная прямая должна достаточно хорошо совпадать с экспериментальной.

Определяется степень сухости x насыщенного пара по формуле (2.1);

величины v и v берутся из таблиц термодинамических свойств водяного пара по давлению pн. При определении величины vx объем баллона принять равным

0,002 м3, массу залитой в баллон воды сообщает преподаватель.

Степень сухости пара определить для 10 точек, равномерно распределенных по линии насыщения. Результаты расчета записать в таблицу

2.2.

Для экспериментальных точек, в которых определена степень сухости пара x, вычисляются значения теплоты парообразования r по формуле Клапейрона-Клаузиуса (2.2). Первая производная давления насыщенного пара

25

по его температуре в формуле (2.2) определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой насыщения, построенной в pн, Тн координатах по экспериментальным данным (рис. 2.2). Результаты расчета r записать в таблицу

2.2.

В координатах r, t построить зависимость теплоты парообразования от температуры насыщенного пара (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6

На этот рисунок нанести также кривую r = f(t), построенную по данным из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара.

Для экспериментальных точек, в которых определены величины r и х,

вычислить энтальпию насыщенного пара по известной формуле

26

2.7 Оценка точности измерений

Определяется полная максимально-возможная относительная ошибка измерения давления, насыщенного пара как функция температуры по формуле

(2.2):

где p – относительная ошибка измерения давления насыщенного пара; pн

p – абсолютная ошибка измерения давления трубчатым (пружинным)

манометром; для установленного образцового манометра она составляет 0,2 %

от номинального значения шкалы. В нашем случае p = 0,002∙25 = 0,05 кгс/см2;

1 αpн Т – ошибка отнесения измерения давления насыщенного пара; pн αpн

Т – абсолютная ошибка измерения температуры, для стеклянного ртутного

термометра

где Твс – поправка на выступающий столбик ртути за пределы среды,

температура которой измеряется: Твс αn(Тот Тст ) . В этой формуле:

α = 0,00016 1/°С – коэффициент линейного расширения ртути; n = 200 – число градусов в выступающем столбике ртути;

Тот – температура, отсчитанная по термометру, К;

Тст – средняя температура выступающего столбика ртути, К;

Ттар – поправка на тарировку термометра, К (принять Ттар = 0);

Тдав – поправка на внешнее давление, К (принять Тдав = 0).

Определение величины δpнполн произвести для трех точек на кривой насыщения: в начальной, средней и конечной точках кривой.

27

2.8Контрольные вопросы

1.Какой процесс протекает в экспериментальной установке?

2.Дайте определение влажному и сухому насыщенному пару,

температуре кипения, степени сухости пара.

3.В каком фазовом состоянии находится пароводяная смесь выше и ниже линии насыщения в p-Т координатах?

4.Изобразите линию насыщения в p-v координатах.

5.Дайте определение теплоте парообразования и выразите ее через энтальпию кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

6.Каков удельный объем смеси в данном эксперименте по отношению к критическому?

7.Объясните, почему с повышением давления в баллоне скорость роста давления при нагревании увеличивается?

28

3. Лабораторная работа № 3.

«Исследование процесса адиабатного истечения воздуха через суживающееся сопло»

3.1 Цель работы

Исследование зависимости скорости расхода воздуха, вытекающего из суживающегося сопла, от соотношения давлений на выходе и на входе в сопло.

По результатам опытов построить графики зависимостей скорости, расхода и статического давления в горловине сопла от соотношения указанных давлений.

Прежде чем приступить к проведению опытов, необходимо усвоить основные закономерности процесса истечения газов из сопл.

3.2 Краткие теоретические сведения

Каналы, используемые для увеличения скорости потока жидкости,

называют соплами, а для уменьшения скорости (торможения потока) -

диффузорами.

Сопла и диффузоры широко используются в различных областях техники, в том числе в системах теплогазоснабжения и вентиляции

(элеваторные узлы, эжекторы, воздухораспределители, газовые горелки и т.п.).

Из уравнения первого закона термодинамики для адиабатного потока идеального газа, не совершающего технической работы, следует, что изменение скорости сопровождается противоположным по знаку изменением давления: wdw = –vdp. Поэтому в соплах давление газа уменьшается, а в диффузорах –

возрастает.

Теоретический анализ показывает, что при дозвуковых скоростях течения сопловой канал должен быть суживающимся, а диффузорный – расширяющимся. При сверхзвуковых течениях, наоборот, сопла расширяются,

а диффузоры суживаются.