Техническая термодинамика и теплопередача: Методические указания к лабораторным работам

Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Кафедра теплогазоснабжения и охраны воздушного бассейна

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА Методические указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей

Санкт-Петербург 2008 1

УДК 536.7:621

Техническая термодинамика и теплопередача: метод. указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей / СПбГАСУ; сост. Е.Т. Васьков. – СПб., 2003. – 80 с. Приведена методика выполнения лабораторных работ по технической термодинамике, даны таблицы теплофизических свойств технически важных газов и веществ. Табл. 28. Ил. 11. Библиогр.: 9 назв.

Рецензент канд. техн. наук, проф. Г. Н. Сверлин ” Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2008

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА Методические указания Составитель Васьков Евгений Тихонович Редактор А. В. Афанасьева Корректор О. Д. Камнева Компьютерная верстка И. А. Яблоковой

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ р – абсолютное давление, Н/м2 (Па), МПа. В – барометрическое давление, Па (мм рт. ст., мм вод. ст.). Т – абсолютная температура, К. t – температура, °C. v – удельный объем, м3/кг. V – объем (объемный расход), м3 (м3/с). U– плотность, кг/м3. М – масса (массовый расход), кг (кг/с). P – масса киломоля, кг/кмоль; коэффициент дросселирования, К/МПа. u (U) – удельная внутренняя энергия (внутренняя энергия), кДж/кг (кДж). h (H) – удельная энтальпия (энтальпия), кДж/кг (кДж). s (S) – удельная энтропия (энтропия), кДж/(кг˜К) (кДж/К). r – удельная теплота парообразования, кДж/кг. R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг˜К). RP = 8314,4 – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль˜К). cv – удельная теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг˜К). cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг˜К). k – показатель изоэнтропы (безразмерная величина). d – влагосодержание (кг/кг). к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2˜К). E – коэффициент объемного расширения, 1/К. а – скорость звука, м/с; коэффициент температуропроводности, м2/с [а = O/(срU)]. O – коэффициент теплопроводности, Вт/(м˜К). D – коэффициент теплообмена (теплоотдачи), Вт/(м2˜К); коэффициент линейного расширения, 1/К. H – степень черноты. K – коэффициент динамической вязкости, Па˜с. Q – коэффициент кинематической вязкости, м2/с. V – поверхностное натяжение, Н/м.

Подписано к печати 16.12.2008. Формат 60u84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 4,7. Уч.-изд. л. 4,0. Тираж 400. Заказ 156. «С» 75. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.

2

3

Сокращения и индексы ПДК – предельно допустимая концентрация. – насыщенная (кипящая) жидкость. – сухой насыщенный пар либо влажный воздух в состоянии насыщения. г – газ. ж – жидкость. н, s – насыщение. п – пар. кр – критическое состояние. н. ф. у. – нормальные физические условия (р = 0.101325 МПа и Т = 273.15 К). т. к. н. – температура кипения при нормальном давлении (р = 0.101325 МПа). т. т. – тройная точка. m – среднее значение.

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА НИЗКОКИПЯЩИХ ЖИДКОСТЕЙ Назначение работы Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом (устойчивом) равновесии с жидкостью, из которой он получен. Экспериментально установлено, что каждому давлению соответствует определенная температура кипения жидкости, являющаяся одновременно температурой ее насыщенного пара. При проектировании, расчете и эксплуатации теплоэнергетических машин и аппаратов, в которых низкокипящие вещества (метан, этан, пропан, бутан, фреон и др.) применяются в качестве рабочих тел и теплоносителей, а также при расчете тепловых и технологических процессов необходимо располагать данными о зависимости между температурой насыщения и давлением, которая выражается уравнением lg p

A

B  CT  DT 2  ET 3  ... , T

где постоянные A, В, С, D, Е определяются методом наименьших квадратов по экспериментальным данным о давлении пара. Точные и надежные значения давления насыщенного пара можно получить лишь экспериментально. В настоящей работе для точного измерения давления и температуры в равновесных состояниях применены манометр и многоспайная медьконстантановая термопара, отградуированная по образцовому платиновому термометру сопротивления.

4

5

Задание

Рис. 1.1. Схема экспериментальной установки: 1 – сосуд-пьезометр; 2 – холодильник; 3 – смотровое окно; 4 – охранный нагреватель; 5 – пенопластовая изоляция; 6 – кожух; 7 – нихромовый нагреватель; 8 – многоспайная медьконстантановая термопара; 9 – потенциометр ПП-63; 10 – сосуд Дьюара; 11 – образцовый манометр; 12 – вентиль для заполнения; 13 – мембранный манометр; 14 – грузопоршневой манометр; 15 – ультратермостат; 16 – лабораторный автотрансформатор; 17 – ползунковый реостат

Студентам необходимо: 1) экспериментально установить зависимость между температурой и давлением данного вещества; 2) рассчитать теплоту парообразования по уравнению Клапейрона – Клаузиуса; 3) составить отчет о работе. Описание экспериментальной установки Давление пара над жидкостью может быть измерено по статическому методу, согласно которому температура исследуемого вещества в сосуде длительное время поддерживается постоянной, так что в нем устанавливается устойчивое равновесие между жидкостью и паром. Метод точек кипения основан на том, что, когда давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению, жидкость закипает. Экспериментальная установка (рис. 1.1) состоит из толстостенного сосуда из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. В сосуд 1, из которого предварительно удален воздух, налита низкокипящая жидкость, так что в нем вещество находится в двухфазном состоянии: жидкость со своим насыщенным паром. Диаметр сосуда 60u4 мм, высота – 300 мм. Для наблюдения за процессом кипения в цилиндре имеются смотровые окна. Количество залитой жидкости (приблизительно 2/3 объема) выбрано так, чтобы удельный объем двухфазной системы жидкость–пар равнялся бы критическому. При другом заполнении сосуда жидкостью (v < vкр и v > vкр) в процессе изохорного нагревания исследовать кривую насыщения жидкости до критического давления не удастся. Чтобы температура исследуемого вещества по всему объему была одинаковой, сосуд 1 помещен в термостат. Давление пара измеряется трубчатым образцовым манометром или грузопоршневым манометром марки МП совместно с дифференциальным мембранным манометром типа ДМ. Для измерения температуры пара, равной температуре жидкости, применяется многоспайная медьконстантановая термопара, которая помещена в латунной гильзе, вваренной внутрь сосуда. Термо-ЭДС термопары измеряется переносным потенциометром ПП-63. Градуировочный график термопары находится на приборной доске. 6

7

На наружной поверхности сосуда и в сосуде расположены нагреватели из нихромовой проволоки, ток которых регулируется реостатом или лабораторным автотрансформатором ЛАТР-1 и контролируется по показанию амперметра. Проведение эксперимента Для измерения давления насыщенного пара в зависимости от температуры необходимо осуществить процесс равновесного (стационарного) нагревания жидкости с одновременным измерением ее температуры и давления. Однако практически невозможно провести процесс нагревания равновесно, поэтому измерение давления и температуры проводится по 5-6 отдельным равновесным состояниям. Для достижения первого равновесного состояния необходимо включить нагреватель и нагреть вещество на 5–10 К выше комнатной температуры. Затем надо регулировать силу тока нагревателя так, чтобы температура оставалась неизменной. Через некоторое время температура по всему объему станет одинаковой, будет достигнуто равновесное состояние жидкости, при котором давление ее пара будет также неизменным. Измерив температуру и давление в первом равновесном состоянии, следует увеличить силу тока нагревателя и перейти к следующему равновесному состоянию с температурой на 10–20 К выше предыдущего равновесного состояния и т. д. При приближении к критическому состоянию, где равновесное состояние на кривой насыщения установить труднее, интервал температур следует сократить до 0.5–1.0 К. Обработка результатов измерения При обработке результатов измерения необходимо: 1) для каждого из состояний пара, при которых производились измерения, рассчитать абсолютное давление р и абсолютную температуру Т; 2) построить кривую насыщения жидкости p = f (T) и сравнить полученные в эксперименте значения давления насыщенного пара с табличными данными; 3) по измеренным данным на полулогарифмической бумаге пост§1 3· роить график lg p = f ¨¨ ˜ 10 ¸¸ ; ¹ © Tн 8

4) описать аналитически зависимость давления насыщенного пара от температуры с помощью уравнения lg p = А –

B , в котором постоянTн

ные А и В следует определить по полученному графику; используя это уравнение, вычислить значения давления насыщенного пара для круглых значений температур (через 10 К); 5) для полученных в опыте точек рассчитать удельную теплоту парообразования по уравнению Клапейрона – Клаузиуса

r T (v cc  v c) ˜

dp . dT

Необходимые для этого расчета величины удельных объемов жидкости и сухого пара на линии насыщения vc и vcc надо взять из таблиц термодинамических свойств, а значения dp/dT можно получить графически, дифференцируя полученную экспериментально зависимость давления насыщенного пара от температуры. В этом случае dp/dT определится как тангенс угла наклона каса1 ˜ 103 T в точке, для которой определяется теплота парообразования. Расчетные значения теплоты парообразования rраcч надо сравнить с табличными и вычислить относительную величину расхождений между ними, %, по формуле тельной к кривой насыщения, построенной в координатах р и

Gr

1 rтабл

(rрасч  rтабл ) ˜ 100 ;

6) в координатах r = f (T) построить кривую зависимости теплоты парообразования от температуры и сравнить ее с кривой, полученной по табличным данным. Результаты измерений и расчетов необходимо представить в виде таблиц (табл. 1.1 и 1.2).

9

Таблица 1.1 Форма протокола наблюдений Атмосферное давление по ртутному барометру рб, гПа (мм рт. ст.) Номер измерения 1 2 3 4 5 6 Давление по манометру, бар (кгс/см2) Показания потенциометра, мВ

Таблица 1.2

характеристику измерительных приборов; данные градуировки термопар (таблицу и график); протокол наблюдений; расчеты по обработке экспериментов и соответствующую таб-

§1 3· 7) графики р = f (T), lg p = f ¨ ˜ 10 ¸ и r = f (T); ¹ ©T 8) оценку степени точности.

Лабораторная работа № 2 r˜10–3

(dp/dT) ˜10–5

v cc˜10–5, м3/кг

vc˜10–3, м3/кг

p˜10–5, Па

T, K

t, qC

Е, мВ

Номер измерения

Результаты обработки измерений

3) 4) 5) 6) лицу;

1 2 3 4 5 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЖИДКОСТЕЙ Сущность метода Подведенное в калориметр количество теплоты идет на нагревание жидкости и частей калориметра (мешалки, сосуда Дьюара, крышки и т. д.).

7) оценить степень точности результатов измерения. Полная относительная ошибка по давлению насыщенного пара с учетом ошибки отнесения 'p 1 § dp ·  ¨ ¸ 'T , p p © dT ¹ где 'р – абсолютная ошибка измерения давления манометром. Абсолютная ошибка измерения температуры 'Т определяется не только точностью приборов, но включает случайные ошибки измерения температуры, обусловленные неравномерностью наблюдаемого состояния и неодинаковостью температур гильзы, сосуда, жидкости и пара. Gpполн

Gp  Gpотн

Отчет по работе Отчет по работе должен содержать: 1) краткое описание работ; 2) принципиальную схему установки; 10

Q = (A + M cp) (t2 – tl),

(2.1)

где Q – подведенное в калориметр количество теплоты, кДж; М – масса жидкости, кг; ср – определяемая удельная теплоемкость жидкости, кДж/(кг˜К); t1 и t2 – начальная и конечная температуры калориметра с учетом поправки на теплообмен с изотермической оболочкой, °С; А – постоянная калориметра, величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для нагревания всего калориметра (за исключением жидкости) на один К; определяется по указанию преподавателя. Описание установки Лабораторная работа по определению удельной теплоемкости жидкостей проводится на установке с калориметром переменной температуры в изотермической оболочке.

11

14

V

15

9990 Ом

Х\

16

40 Ом

20

0,1Ом 11 12 6

19 10 7 6

16 Х\

9 8

17

Напряжение на нагревательный элемент подается от универсального источника питания. Вычисление подводимой в калориметр энергии производится по показаниям секундомера и потенциометра ПП-63, с помощью которого измеряются ток и напряжение на нагревательном элементе. Измерение температуры в калориметре производится по термо-ЭДС четырехспайной медьконстантановой дифференциальной термопары потенциометром ПП-63. Зависимость термо-ЭДС от температуры для термопары установки показана на рис. 2.2. t, qC

5 4 3 2 1

13

40 18

35

Рис. 2.1. Лабораторная установка по определению удельной теплоемкости жидкостей: 1 – корпус; 2 – теплоизоляция из пенопласта; 3 – изотермическая оболочка; 4 – теплоизоляционные кольца; 5 – воздушная теплоизоляция; 6 – калориметр; 7 – нагреватель; 8 – пропеллерная мешалка; 9 – крышка калориметра; 10 – электродвигатель; 11 – конус; 12 – изотермическая крышка; 13 – термопары; 14 – вольтметр; 15 – сосуд Дьюара; 16 – потенциометр ПП-63; 17 – контактный термометр; 18 – термостат; 19 – переключатель ПМТ-12; 20 – источник питания УИП-1

Лабораторная установка (рис. 2.1) состоит из следующих основных частей: калориметра в изотермической оболочке, которая соединена с термостатом; универсального источника питания; схемы для измерения подводимой в калориметр энергии; схемы для измерения температуры в калориметре. Калориметр состоит из стеклянного сосуда Дьюара с крышкой, на которой закреплена пропеллерная мешалка для интенсивного перемешивания жидкости, четырехспайная медьконстантановая дифференциальная термопара и нагревательный элемент. Изотермическая оболочка, через внутреннюю полость которой прокачивается вода постоянной температуры из термостата, служит для тепловой изоляции калориметра от влияния окружающей среды. 12

30

E = 0.1335 t + 0.395 ˜ 10–3 t2

25 21 3.2

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5 Е, мВ Рис. 2.2. Зависимость термо-ЭДС от температуры для термопары установки

Во время опыта из-за разности температур между калориметром и изотермической оболочкой происходит теплообмен. Для введения поправки строится график изменения температуры по времени в возможно большем масштабе на миллиметровой бумаге, по которому определяются расчетные значения t1 и t2. Проведение опытов Калориметрический сосуд заполняется жидкостью (около 0.8 л), удельная теплоемкость которой определяется. 13

Масса жидкости предварительно находится путем взвешивания (или расчетным путем при известной плотности по объему, который может быть определен мерной колбой или цилиндром). Проверяется наличие льда с водой в сосуде Дьюара с «холодными» спаями дифференциальной термопары. Первый период проведения опыта. Включается термостат. Измеряется температура жидкости в калориметре и контактным термометром термостата устанавливается температура воды в оболочке на 2-3 °С выше ее. Включается секундомер и производится запись температуры в калориметре в табл. 2.1 через 3 мин в течение около 30 мин с момента начала ее подъема. Таблица 2.1

Примечание

Время W, с

Напряжение U, В

Ток I, А

U2, мВ

Показания ПП-63 U1, мВ

Температура калориметра, °С

Время, мин (с)

Период

Протокол измерения

Обработка полученных данных Количество теплоты, Дж/с, подведенной в калориметр во втором периоде, определяется по формуле n

¦ I kU k W k ,

Q

k 1

где Ik – очередное значение тока, А; Uk – очередное значение напряжения, В; Wk – промежуток времени между данным и предшествующим измерениями тока и напряжения, с; п – число измерений. Масса жидкости находится перед заполнением калориметра. Определение разности температур производится по построенному графику изменения температуры калориметра в эксперименте. Удельная теплоемкость находится по формуле (2.2). Измерительная схема для определения количества подведенной в калориметр теплоты построена таким образом, что Uk = 1000 U1; Ik

Второй период проведения опыта. Включается ток на нагревательный элемент. Время включения с максимальной точностью фиксируется по секундомеру. Ток и напряжение на нагревательном элементе измеряются и записываются через 1-2 мин. По достижению температуры в калориметре на 2-3 °С выше температуры в изотермической оболочке отключается нагревательный элемент. Время отключения также с максимальной точностью фиксируется по секундомеру. Третий период проведения опыта. После отключения измеряется температура в калориметре в течение 30–40 мин (сначала через 1-2, а в конце – через 2-3 мин). 14

(2.2)

U2 , 100

(2.3) (2.4)

где U1 – показание потенциометра при измерении напряжения, мВ; U2 – показание потенциометра при измерении тока, мВ. Относительная ошибка определения удельной теплоемкости жидкости определяется по формуле 'C C

'Q 'A 't 2 't1 'M     , Q A t2 t1 M

где через ' обозначены абсолютные ошибки определения входящих величин. Относительную погрешность определения постоянной калориметра можно принимать равной 1 %. 15

Отчет по работе Отчет по работе должен содержать: 1) краткое описание работы; 2) принципиальную схему установки; 3) протокол записи показаний измерительных приборов; 4) график изменения температуры в первом и втором периодах; 5) обработку результатов опыта.

плу, и его давление. Это давление измеряется U-образным манометром 5. Разность уровней воды показывает избыточное давление воздуха, отсчитываемое по шкале манометра. Температура воздуха до и после сопла измеряется термометрами 6. 5 6

Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТНОГО КОЭФФИЦИЕНТА И КОЭФФИЦИЕНТА РАСХОДА СОПЛА

1 ~220

2

3

4

Задание Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки

Студентам необходимо: 1) определить скорость истечения воздуха через заданное сопло; 2) определить скоростной коэффициент и коэффициент расхода сопла; 3) представить отчет о работе, включив в него таблицу наблюдений, схематический чертеж сопла и установки. Описание экспериментальной установки Прежде чем приступить к эксперименту, следует получить от преподавателя указания о типе установленного сопла и величине площади его выходного сечения. Для наглядности преподаватель должен показать сопло, аналогичное смонтированному в установке. Кроме того, студенту необходимо внимательно ознакомиться со схемой экспериментальной установки, приведенной на рис. 3.1. Воздух, подаваемый нагнетателем 1, проходит газовый счетчик 2, сопло 3 и вытекает в атмосферу. Напряжение электрического тока, поступающего к нагнетателю, регулируется трансформатором 4. Максимальное напряжение не должно превышать 110 В. Изменяя трансформатором напряжение, меняют количество воздуха, поступающего к со16

Проведение эксперимента Эксперимент начинается с того, что нагнетатель включается в электрическую сеть. Регулируя напряжение, следует создать определенное устойчивое давление нагнетаемого воздуха перед соплом. В дальнейшем это давление необходимо сохранять неизменным в течение всего опыта. С момента, когда установится устойчивое давление, производится измерение объема воздуха, проходящего через сопло, по шкале газового счетчика. Измерение проводят через каждые 10 мин в течение 30–40 мин. В таблице наблюдений записывается измеренное значение объемного расхода газа (табл. 3.1). По среднему значению расхода за 10 мин подсчитывается секундный объемный расход газа через сопло и заносится в табл. 3.2.

17

Таблица 3.1 Таблица наблюдений

Абсолютная температура за соплом Т 1, К

Абсолютная температура перед соплом Т 0, К

Абсолютное давление перед соплом р 0, гПа

Барометрическое давление ри, гПа

Избыточное давление перед соплом р и, гПа

Напряжение, В

Время измерения, с

Расход газа по газовому счетчику, м3

ct

№ п/п

Таблица 3.2 Итоговые (средние) результаты опыта Секундный Абсолютное Абсолютная объемный давление температура воздуха пе- воздуха перед расход воздуред соплом соплом Т0, К ха через сопло V, м3/с р0, Па

Давление за соплом р1, Па

Абсолютная температура за соплом Т1, К

(3.2)

Считая, что воздух подчиняется законам идеального газа, можно заменить p0v0 через RT0, тогда

ct

1 2 3 4

k 1 º ª k « § p1 · k » . ¸ 2 p 0 v 0 «1  ¨¨ p 0 ¸¹ » k 1 © «¬ »¼

k 1 º ª k « § p1 · k » . ¸ 2 RT0 «1  ¨¨ p 0 ¸¹ » k 1 © «¬ »¼

(3.3)

В уравнениях (3.2) и (3.3) k – показатель адиабаты. Воздух, состоящий в основном из кислорода и азота, рассматривается как двухатомный идеальный газ, поэтому k = 1.4; р0 – абсолютное давление воздуха при входе в сопло, Па. В опыте измеряется избыточное давление ри, мм вод. ст. Абсолютное давление p0 = ри + pб; Т0 – абсолютная температура воздуха при входе в сопло, К. В эксперименте измеряется температура t0, °C, поэтому Т0 = t0 + 273.15 K,

Определение скорости истечения и скоростного коэффициента сопла

v0 – удельный объем воздуха при входе в сопло, м3/кг. Поскольку р0 и t0 уже вычислены по данным опыта, можно определить и v0 по уравнению

Если F – площадь выходного сечения сопла; с – скорость истечения, то секундный объемный расход воздуха через сопло, м3/с, F ˜ c.

V

(3.1)

Поскольку V был определен в опыте, а F – задана, то из этого уравнения определяется скорость истечения с, м/с. Теоретическая скорость обратимого адиабатного истечения газа, м/с, через сопло определяется формулой (при скорости входа газа в сопло с0 = 0) 18

v0

RT0 , p0

где R = 287.2 Дж/(кг˜К) – газовая постоянная воздуха; критическое давление при истечении воздуха рк = 0.528 р0. Поскольку при давлениях р0, применяемых в опыте, критическое давление pк всегда меньше давления внешней среды рб, то давление р1 на выходе из сопла равно давлению среды, то есть р1 = рб. 19

Вычислив по уравнениям (3.1) и (3.2) или (3.3) с и сt, определяют затем скоростной коэффициент сопла (3.4) M c / ct .

2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

Определение коэффициента расхода сопла Секундный массовый расход воздуха через сопло, кг/с, F ˜c, (3.5) v1 где v1 – удельный объем воздуха в выходном сечении сопла, м3/кг. Имея в виду, что давление в выходном сечении сопла p1 = pб, температура Т1 измерена термометром, можно вычислить v1 по уравнению

Назначение работы

M

RT1 . p1 Таким образом, все величины в уравнении (3.5) известны и можно вычислить М. Теоретический секундный массовый расход газа, кг/с, через сопло при обратимом адиабатном течении определяется формуллой

В результате работы необходимо получить навыки в проведении опыта и освоить основные понятия конвективного теплообмена. К работе необходимо приступить после тщательного ознакомления с соответствующей литературой и с разрешения преподавателя.

v1

Mt

2 ª k p0 «§ p1 · k ¨ ¸ 2 k  1 v0 «¨© p0 ¸¹ «¬

§p ·  ¨¨ 1 ¸¸ © p0 ¹

k 1 º k

»˜F » . »¼

Все величины в этом уравнении известны, следовательно, можно вычислить Mt, а значит, и коэффициент расхода сопла P = M / Mt . Отчет Отчет по работе должен содержать: 1) схему и краткое описание установки; 2) таблицу наблюдений; 3) таблицу средних результатов опыта; 4) расчет величин M и P. 20

Задание Студенту необходимо: 1) определить опытным путем величину коэффициента теплоотдачи; 2) обработать в критериальной форме результаты опытов; 3) составить отчет по работе. Описание методики проведения опыта и опытной установки Свободное движение среды (газа или жидкости) возникает за счет разности плотностей нагретой и холодной масс. Такое движение, например движение воздуха, может возникнуть у нагретой трубы. По мере нагревания плотность воздуха становится меньше, поэтому он поднимается вверх, а его место занимает более холодный. Такое движение называется свободным, или естественной конвекцией. Теплоотдача от трубы воздуху зависит от многих факторов: скорости движения воздуха, разности температур нагретого и холодного воздуха (температурного напора), физических свойств (теплоемкости, плотности, теплопроводности, вязкости и др.) среды, омывающей поверхность трубы; формы и положения трубы, состояния поверхности тела, режима движения и т. д. 21

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2˜К), можно определить по уравнению Ньютона Qк , F (t c  t в )

D

где Qк – количество теплоты, отданной нагретым телом путем конвекции, Вт; F = Sdl – поверхность нагрева трубы, м2; d – диаметр трубы, м; l – длина трубы, м; tc – температура поверхности тела, °С; tв – температура воздуха (жидкости), °С. Схема опытной установки приведена на рис. 4.1.

a220 В

П

4

R1=2,5 кОм R2=2,5 кОм 1

V Л1 Л2

2

A

3 5

6

7 Рис. 4.1. Схема экспериментальной установки

ниям амперметра и вольтметра. Потребляемая нагревателем энергия регулируется лабораторным автотрансформатором 3 и ползунковым реостатом 4. Для измерения температуры теплоотдающей поверхности трубы в ее стенку заделаны пять медьконстантановых термопар 5. Свободные концы термопар подсоединены к переключателю 6. ЭДС термопар измеряется переносным потенциометром 7 постоянного тока ПП-63. Температура воздуха измеряется вдали от трубы с помощью ртутного термометра. Проведение эксперимента и обработка результатов опыта По ознакомлении с работой необходимо заготовить форму протокола для записи наблюдений (табл. 4.1), а после проверки степени усвоения знаний преподавателем можно приступить к проведению опыта. Для последующей обработки используются измерения, полученные при установившемся, стационарном, тепловом состояниях установки. Оно характеризуется неизменностью показаний приборов во времени и достигается через некоторое время после включения установки. Запись показаний вольтметра, амперметра и значений термо-ЭДС термопар при различных положениях переключателя производится через каждые 15 мин до тех пор, пока режим можно будет считать стационарным. Для перехода на новый тепловой режим необходимо при помощи лабораторного автотрансформатора изменить количество энергии, подводимой к нагревателю (это делается по указанию преподавателя). Для обработки опытных данных используются средние значения показаний приборов при каждом установившемся режиме. Количество теплоты, Вт, отдаваемой трубой путем конвекции, определяется из равенства Qк = Q – Qл,

Внутри латунной трубы 1 диаметром d = 45 мм и длиной l = 800 мм расположен нихромовый нагреватель 2. Он равномерно намотан на металлическую трубу, покрытую слюдяной изоляцией. Сверху нагреватель покрыт изоляцией из асбестового шнура и плотно (во избежание образования воздушного зазора, ухудшающего теплообмен нагревателя с трубой) вставлен в латунную трубу. Теплота, выделенная нагревателем, передается в окружающую среду. Она определяется расходом электроэнергии, измеренным по показа-

где Q = IU – полное количество теплоты, выделенной внутри трубы и переданной во внешнюю среду путем конвекции и лучеиспускания, Вт; I – сила тока, A; U – напряжение нагревателя, В.

22

23

Таблица 4.1

1

2

3

4

5

Примечание

Термо-ЭДС термопар, мВ

Температура воздуха, qС

Напряжение, В

Сила тока, А

Время начала измерения

№ измерений

Форма протокола наблюдений

Опыт 1 1 2 3 . n

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Средние значения Опыт 2 1 2 3 . n

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Средние значения Опыт 3 и т. д.

Значения температуры стенки определяются по измеренным термо-ЭДС термопар при помощи графика, который строится по данным табл. 4.2. Необходимо помнить, что холодные спаи термопар, подключенные к переключателю, находятся при температуре окружающего воздуха, а не при 0 °С. Таблица 4.2 Термо-ЭДС медьконстантановой термопары °С

Е, мВ

°С

Е, мВ

°С

Е, мВ

°С

Е, мВ

0

0.000

100

4.276

55

2.229

155

6.980

5

0.194

105

4.450

60

2.467

160

7.205

10

0.389

110

4.747

65

2.682

165

7.408

15

0.592

115

4.940

70

2.908

170

7.716

20

0.787

120

5.225

75

3.103

175

7.980

25

0.982

125

5.460

80

3.356

180

8.233

30

1.194

130

5.710

85

3.581

185

8.486

35

1.389

135

5.970

90

3.812

190

8.756

40

1.610

140

6.202

95

4.007

195

9.019

45

1.805

145

6.460

100

4.276

200

9.285

50

2.034

150

6.700

Для выявления общей закономерности теплообмена необходимо обобщить полученные данные, представив их в критериальной форме: Количество теплоты, передаваемой трубой путем теплового излучения, определяется на основе закона Стефана – Больцмана 4 ª§ T · §T · º Hс 0 «¨ c ¸  ¨ в ¸ » F , © 100 ¹ »¼ «¬© 100 ¹ 4

Qл

где с0 = 5.67 – излучательная способность абсолютно черного тела, Вт/(м2˜К4); Тс и Тв – абсолютные температуры стенки и воздуха, К; F – поверхность трубы, м2; H – степень черноты поверхности, которая принимается по табл. 4.3. 24

Dd O

Nu – критерий Нуссельта;

gE'td 3 Q

Gr – критерий Грасгофа;

Q = Рr – критерий Прандтля, a где D – коэффициент теплообмена, Вт/(м2 ˜ К); d – диаметр трубы, м; O – коэффициент теплопроводности, Вт/(м˜К); а – коэффициент температуропроводности, м2/с; Q – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; 25

't – разность температур между стенкой и воздухом, °С; 1 E – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К; t m  273 g – ускорение силы тяжести, м/с2. Таблица 4.3

tm

tc  tв . 2

Вычисление указанных величии выполняется для каждого теплового режима. Из критериального уравнения

Степень черноты некоторых материалов Наименование материалов Алюминий полированный Железо полированное Железо окисленное Сталь листовая шлифованная Сталь листовая с плотным блестящим слоем окиси Латунная пластина прокатанная, с естественной поверхностью Латунная пластина прокатанная, обработанная грубым наждаком Латунная пластина тусклая Латунь, окисленная при 660 °С Медь, тщательно полированная, электролитная Медь торговая, шабренная до блеска, но не зеркальная Медь окисленная при 600 °С Никель технический чистый полированный Никелевая проволока Олово или блестящее луженое листовое железо Платиновая лента Платиновая нить Ртуть очень чистая Хром

t, qC 225–575 425–1020 100 940–1100 25

H 0.39–0.057 0.144–0.377 0.736 0.55–0.61 0.82

22

0.06

22

0.20

50–350 200–600 80–115 22

0.22 0.61–0.59 0.018–0.023 0.072

200–600 225–375 185–1000 25 925–1115 25–1230 0–100 100–1000

0.57–0.87 0.07–0.087 0.096–0.186 0.043–0.064 0.12–0.17 0.036–0.192 0.09–0.12 0.08–0.26

Физические параметры воздуха (O  Q Pr) берутся из табл. 4.4 при средней температуре стенки трубы и воздуха 26

Nu = c (Gr ˜ Pr)n находят число Нуссельта, которое используют для вычисления расчетного значения коэффициента теплоотдачи Dкр. Значения коэффициента с и показателя п определяются по произведению Gr ˜Pr (табл. 4.5). Таблица 4.4 Физические свойства сухого воздуха при рб = 760 мм рт. ст. (1013 гПа) t, qC

U, кг/м3

с р, кДж/(кг˜К)

O˜102, Вт/(м˜К)

а˜106, м2/с

Q˜106, м2/с

Pr

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200

1.293 1.247 1.205 1.165 1.128 1.093 1.060 1.029 1.000 0.972 0.946 0.898 0.854 0.815 0.779 0.746

1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.009 1.009 1.009 1.009 1.009 1.013 1.017 1.022 1.026

2.44 2.51 2.59 2.67 2.76 2.83 2.90 2.96 3.05 3.13 3.21 3.34 3.49 3.64 3.78 3.93

18.8 20.0 21.4 22.9 24.3 25.7 27.2 28.6 30.2 31.9 33.6 38.8 40.3 43.9 47.5 51.4

13.28 14.16 15.06 16.00 16.96 17.95 18.97 20.02 21.09 22.10 23.13 24.45 27.80 30.09 32.49 34.85

0.707 0.705 0.703 0.701 0.699 0.698 0.696 0.694 0.692 0.690 0.688 0.686 0.684 0.682 0.681 0.680

27

Таблица 4.5 Значения с и n в формуле Nu = c (GrPr)n № п/п

с

n

1.18 0.54 0.135

1/8 1/4 1/3

Gr˜Pr –3

1 2 3

2

1˜10 –5˜10 5˜102–2˜107 2˜107–1˜1018

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ТРУБЫ Назначение работы

Полученный расчетным путем Dкр сравнивается с определенным в опыте для вычисления погрешности, %,

G

D кр  D к Dк

Задание Студенту необходимо: 1) найти значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала; 2) определить изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры; 3) составить отчет по работе.

Отчет по работе должен содержать: 1) краткое описание работы; 2) принципиальную схему установки; 3) характеристику измерительных приборов; 4) данные градуировки термопар (график); 5) протокол наблюдений; 6) расчеты по обработке опытов и сводную табл. 4.6; 7) график.

Описание методики проведения опыта и экспериментальной установки

Таблица 4.6 Температурный напор 'Т = Тс – Тв

Коэффициент теплоотдачи конвекцией Dк, Вт/(м2˜К)

5

6

7

4

Погрешность, %

Теплота лучеиспускания Qл, Вт

3

Температура воздуха Тв, К

Температура стенки Тс, К

Теплота Q, выделяемая нагревателем, Вт

Номер опыта

Результаты обработки опытов

2

Целью работы являются углубление знаний по стационарному теплообмену, изучение метода определения коэффициента теплопроводности изоляционных материалов и получение навыков в проведении эксперимента.

˜ 100 .

Отчет по работе

1 1 2 3 4

Лабораторная работа № 5

8

Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить теплоту. Он зависит от рода материала, температуры, плотности и влажности. Одним из методов экспериментального определения коэффициента теплопроводности является метод цилиндра. Сущность метода состоит в том, что исследуемому материалу придается форма цилиндра значительной длины. Материал размещается на поверхности трубы, которая обогревается изнутри. При установившемся тепловом соотношении системы все количество теплоты, выделяемой нагревателем, расположенным во внутренней трубе, проходит через цилиндрический слой изоляционного материала и передается внешней среде. Количество теплоты (тепловой поток), Вт, выражается следующим уравнением теплопроводности, полученным на основе закона Фурье: Q

28

2SOl (t1  t 2 ) ln d 2 / d1 , 29

(5.1)

Рис. 5.1. Схема опытной установки для измерения теплопроводности методом цилиндра

где O – коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м˜К); l – длина трубы, м; d2, d1 – наружный и внутренний диаметры цилиндрического слоя материала, м; t1, t2 – средние температуры внутренней и внешней поверхности цилиндрического слоя материала, ° С. Если измерить t1, t2, d1, d2 и Q, то из уравнения (5.1) можно получить значение коэффициента теплопроводности. Уравнение дает достаточно точные результаты в том случае, когда отношение d1  d 2 · § l / d ср t 10 ¨ d ср ¸ , т. е. когда можно пренебречь утечками тепла 2 ¹ © через торцы цилиндра. Чтобы исследуемому материалу придать форму цилиндра, он помещается в пространство между наружной и внутренней трубой. Выполнение указанных условий, а также тепловая изоляция торцов трубы позволяют свести к минимуму концевые теплопотери и обеспечить необходимую точность эксперимента. Этому же способствует равномерная намотка проволоки нагревателя по длине трубы и заделка термопар на некотором удалении от торцов. Метод цилиндра рекомендуется применять главным образом для определения теплопроводности мягких (волокнистых) и сыпучих материалов. Опытная установка (рис. 5.1) состоит из внутренней трубы 3, в которой расположен электрический нагреватель 4; исследуемого слоя материала 1, внешней трубы 2, амперметра и вольтметра для измерения количества электрической энергии, потребляемой нагревателем; лабораторного автотрансформатора 8, с помощью которого регулируется сила тока в нагревателе; потенциометра 6 для измерения термоэлектродвижущей силы термопар 7. Сигнальные лампы 9 предназначены для контроля наличия напряжения на электронагревателе и автотрансформаторе. Включение установки в электрическую сеть производится выключателем 10. Температуры на поверхностях исследуемого материала измеряются девятью медьконстантановыми термопарами, горячие спаи которых заделаны во внутренней и наружной трубах, а холодные спаи подключены к переключателю 5. Слой исследуемого материала очень плотно прилегает к поверхностям труб, поэтому температуры поверхностей материала и трубы принимаются одинаковыми. Внутренний диаметр слоя d1 = 16 мм, наружный – d2 = 62 мм. Длина экспериментальной трубы l = 1300 мм. Материал – асбест. 30

31

Проведение опытов и обработка результатов опыта

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/м˜К, определяется из уравнения (5.1):

Перед проведением измерений необходимо тщательно изучить устройство установки, проверить правильность включения приборов, научиться ими пользоваться и заготовить форму протокола наблюдений (табл. 5.1). Включение установки и изменение режима электронагрева производится только с разрешения преподавателя. Опыт проводится после достижения установкой стационарного теплового режима. Это обеспечивается ее длительным (не менее 1 ч) прогревом перед началом лабораторных занятий. Тепловой процесс можно считать установившимся (температура во времени постоянна), если показания приборов (потенциометра, амперметра, вольтметра) на протяжении нескольких замеров (через каждые 15 мин) остаются неизменными. Если результаты измерений несколько отличаются от предыдущих, опыт прекращается по указанию преподавателя, в качестве исходных данных для дальнейшей обработки принимаются результаты последних измерений. Таблица 5.1

O

Q ln d 2 / d1 , 2Sl (t1  t 2 )

(5.2)

где Q = IU – тепловой поток, Вт; I – сила тока, A; U – напряжение, В. При расчете зависимости коэффициента теплопроводности от температуры необходимо найти среднюю температуру опыта

tср

t1  t2 . 2

(5.3)

Следует учесть, что холодные спаи термопар, подключенные к переключателю, находятся при температуре окружающей среды (а не при 0 °С), поэтому при помощи термопар измерена разность температур (tc – tв). Если имеется несколько замеров при разных температурах, то можно построить график O f (tcp ) .

1 2 3 . n

ЭДС термопар, мВ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Примечание

Напряжение U, В

Сила тока I, А

Время наблюдения, мин

Номер замера

Протокол наблюдений

Для большинства материалов эта зависимость имеет линейный характер. При сопоставлении коэффициента теплопроводности, полученного из опыта, с данными литературы [8] следует учитывать то обстоятельство, что теплопроводность зависит не только от температуры, но и от влажности и объемного веса асбеста. Отчет по работе

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

В каждом замере со шкал приборов считываются сила тока, напряжение и термо-ЭДС термопар. Температуры t1 и t2 внутренней и наружной стенок изоляции определяются по величине термо-ЭДС (см. работу № 4). Следующий опыт проводится на другом температурном уровне. Для этого с помощью автотрансформатора необходимо изменить силу тока, питающего нагреватель. 32

Отчет по выполненной лабораторной работе должен содержать следующие сведения: 1) краткое описание метода и схему экспериментальной установки; 2) протокол записи показаний измерительных приборов; 3) результаты обработки опыта; 4) градуировочный график термопар.

33

Лабораторная работа № 6

(нагревания) называется регулярным тепловым режимом. В этой стадии изменение температуры тела во времени при постоянной температуре среды и при Dof подчиняется следующему закону:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМА

4 = AUe–mW,

Сущность метода Коэффициент температуропроводности является теплофизической величиной и определяется комплексом величин:

a

O , c pU

(6.1)

где а – коэффициент температуропроводности, м2/с; O – коэффициент теплопроводности, Вт/ (м˜К); ср – массовая изобарная теплоемкость, Дж/(кг˜К); U – плотность, кг/м3. Зная, например, ср и U, по измеренному а можно вычислить коэффициент теплопроводности. Определение коэффициента температуропроводности основано на теории регулярного режима, разработанного Г. М. Кондратьевым. Сущность метода состоит в том, что в исследуемом образце создается нестационарный тепловой режим, т. е. образец нагревается или охлаждается. Процессы нагревания и охлаждения описываются одинаковыми математическими уравнениями. Далее будут рассматриваться лишь процессы охлаждения. Охлаждение однородного, изотропного и равномерно нагретого тела в среде с постоянной температурой проходит в два этапа. В первый этап процесс охлаждения проходит неупорядоченно, распределение температуры в образце определяется в основном его начальным состоянием. Во втором этапе охлаждения распределение температуры не зависит от начального теплового состояния тела и определяется физическими свойствами, геометрической формой и размерами исследуемого образца, а также условиями теплообмена его с окружающей средой. Согласно теории коэффициент теплоотдачи от тела к среде должен быть весьма большим. По истечении некоторого промежутка времени процесс охлаждения становится упорядоченным, регулярным. Эта стадия охлаждения 34

(6.2)

где 4 – избыточная температура тела (отсчитанная от температуры среды); А – постоянная, зависящая от начальных температур образца и среды; U – функция координат физических свойств и условий теплообмена; е – основание натуральных логарифмов; W – время от начала охлаждения; т – темп охлаждения, зависящий от свойств и размеров образца. Темп охлаждения характеризует относительную скорость изменения температуры и для всех точек образца одинаков. Из уравнения (6.2) можно получить равенство ln 4 = – тW + с,

(6.3)

т. е. логарифм избыточной температуры изменяется по линейному закону, причем и скорость изменения логарифма избыточной температуры изменяется по линейному закону. Темп охлаждения

w (ln 4) 4W

m .

(6.4)

Из выражения (6.4) видно, что темп охлаждения m, 1/с, может быть найден в виде m



w (ln 4) wW

w41  ln 4 2 W 2  W1

tgE ,

(6.5)

где 41 и 42 – избыточные температуры, измеренные в моменты времени W1 и W2, и представлен в виде графика (см. рис. 6.1). На рис. 6.1 построены в координатах ln 4 и W кривые охлаждения с начальными избыточными температурами 4c и 4s для двух различных точек образца. 35

a = kmf .

ln 4s

Здесь mf – значение m при Dof; k – коэффициент, зависящий от формы и размеров тела, м2. Для цилиндра 0

k

1 ln 4c

(6.6)

0c 1c

E 2 E

1 5.784 S 2  2 R2 l

R2 , S2

k

W2

(6.7)

где l – высота цилиндра, м. Для шара

2c

W1

,

(6.8)

где R – радиус шара, м. Таким образом, если для тела известных формы и размера найти из опыта значение темпа охлаждения тf, то по уравнению (6.6) можно определить коэффициент температуропроводности а.

Рис. 6.1. График охлаждения образца

Экспериментальная установка

Из графика видно, что в начале охлаждения (процессы 0–1 и 0'–1') изменение температуры во времени в рассматриваемых точках различно, что обусловлено начальными условиями теплообмена. Концевые участки кривых (от точек 2 и 2') характеризуют третий этап процесса – этап выравнивания температур. При опыте начальные и конечные участки кривых не используются. Прямолинейные средние участки (1–2 и 1'–2') соответствуют регулярному режиму охлаждения. Угол наклона для прямолинейных участков обеих кривых один и тот же. Таким образом, чем быстрее охлаждается тело, тем круче наклон прямолинейной части кривой на графике охлаждения, тем больше темп охлаждения. По первой теореме Г. М. Кондратьева при Dof коэффициент температуропроводности а прямо пропорционален темпу охлаждения т, т. е.

Установка (рис. 6.2) состоит из калориметра, жидкостного и воздушного термостатов и измерительных приборов. Калориметром служит медный стакан 1 с крышкой, заполненный исследуемым материалом, с термопарой 3 для измерения температуры. Внутренний диаметр стакана D = 62 мм, высота l = 99.2 мм. С помощью дифференциальной термопары 3 измеряется избыточная температура материала. Один спай вводится непосредственно в калориметр с исследуемым материалом. Второй спай помещается в металлическую или стеклянную пробирку 5, которая заливается парафином, маслом или другими веществами, имеющими бóльшую теплопроводность, чем воздух. Электродвижущая сила дифференциальной термопары измеряется с помощью зеркального гальванометра 7 высокой чувствительности. В цепь термопары и гальванометра последовательно включен декадный магазин сопротивления 10 для регулирования чувствительности гальва-

36

37

7

9 8 10

К гальванометру

нометра. Отсчет показаний гальванометра производится по шкале 9, на которую падает отраженный луч («зайчик») от осветителя 8. Сосуд 6 к термостату с нагревателем (или сушильный шкаф) служит для предварительного нагревания калориметра 1. При определении коэффициента температуропроводности опыт с охлаждением калориметра проводится в водяном термостате 2. С помощью терморегулятора температура воды поддерживается постоянной, что контролируется по термометру 4.

3

2 5

1

4

11

4 6

Калориметр с материалом нагревается в отдельном сосуде до температуры на 5–10 °С выше, чем температура в термостате. Далее калориметр опускается в термостат, где он охлаждается; пробирка с холодильным спаем термопары должна находиться в термостатах на некотором удалении oт калориметра. Процесс охлаждения калориметра длится с момента погружения калориметра до наступления полного теплового равновесия. В течение этого периода охлаждения по секундомеру фиксируется время прохождения светового «зайчика» зеркального гальванометра через каждое деление шкалы гальванометра. При опускании калориметра в термостат «зайчик» вначале очень быстро двигается от 0 к крайнему делению шкалы, а затем медленно возвращается к 0. Если калориметр перегрет или переохлажден, то «зайчик» может зайти за пределы шкалы. В этом случае начало замеров несколько задерживается, пока разность температур между материалом и водой не установится в пределах шкалы. Если «зайчик» отклоняется в нежелательную сторону, то направление его движения можно изменить путем поворота вилки, т. е. изменением полярности. Результаты измерений заносятся в протокол (табл. 6.1). Таблица 6.1 Протокол измерений

Рис. 6.2. Экспериментальная установка для определения температуропроводности

Чтобы обеспечить условие Dof, т. е. интенсивное охлаждение поверхности калориметра, жидкость в термостате энергично перемешивается мешалкой 11. Проведение опыта Перед опытом пустой калориметр взвешивается и измеряются его внутренние размеры: высота и диаметр. Калориметр заполняется исследуемым материалом и вторично взвешивается. Затем в калориметр вставляется термопара таким образом, чтобы спай ее находился примерно в центре прибора, который затем плотно закрывается. 38

Число делений гальванометра n

Показания секундомера, мин(с)

Время W, с

В момент, когда «зайчик» проходит крайнее деление шкалы, принятое за начало отсчета, секундомер включается и против соответствующего номера деления записывается время – нуль. Затем без остановки секундомера отмечается и записывается против соответствующих номеров делений текущее время прохождения «зайчика» через каждое целое деление шкалы. Запись времени прекращается, когда температура образца становится близкой к температуре воды.

39

Обработка результатов опыта По данным протокола наблюдений строятся графики охлаждения для всех проведенных опытов в координатах ln 4 и W. Вместо избыточной температуры 4 можно откладывать деления гальванометра, поэтому при построении графика по оси абсцисс откладывают время, с, а по оси ординат – непосредственно натуральные логарифмы делений ln п. Поскольку все (два или три) повторные опыты выполняются с одним и тем же материалом в калориметре, темп охлаждения во всех этих опытах должен быть одинаковым, поэтому при построении совмещенного графика прямолинейные участки повторных опытов должны быть параллельны. Для всех повторных опытов находят темп охлаждения. Для этого на каждой кривой графика (см. рис. 6.1) отмечают прямолинейные участки, указывая начальную и конечную точку участка 1 и 2. Для этих точек определяют по графику значения ln п1, ln п2 и W1, W2 и подсчитывают темп охлаждения тf, 1/с, mf

ln n1  ln n2 . W2  W1

Для дальнейшего расчета принимают среднеарифметическое значение тf для всех доброкачественных опытов. По формуле a = kтf находят коэффициент температуропроводности, вычислив предварительно коэффициент формы по (6.7). Определяется среднеарифметическая температура, к которой относится найденное значение а. Плотность материала определяется делением массы образца на внутренний объем калориметра. Если провести несколько опытов при различных температурах, то можно построить график зависимости коэффициента температуропроводности от температуры. Относительная ошибка в определении коэффициента температуропроводности рассчитывается следующим образом: 'a a

'm 'k  , m k

где через ' обозначены абсолютные ошибки измерения темпа охлаждения т и коэффициента формы k. Расчетная ошибка опытов должна 40

быть сопоставлена с действительной ошибкой опытов (по разбросу опытных точек). Отчет по работе Отчет по работе должен содержать: 1) краткое описание работы; 2) принципиальную схему установки; 3) протокол записи показаний измерительных приборов; 4) график охлаждения; 5) обработку результатов опыта.

Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА Сущность метода Лучистая энергия распространяется в пространстве посредством электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела. Процесс превращения тепловой энергии в лучистую происходит во всем объеме твердого тела, но в окружающую среду попадает энергия, испускаемая тонким поверхностным слоем, так как частицы тела, расположенные далеко от поверхности, сами поглощают энергию. Если обозначить количество падающей лучистой энергии на тело через Q, то Q = QA + QR + QD, где QA – количество энергии, поглощаемой телом; QR – количество энергии, отражаемой телом; QD – количество энергии, прошедшей сквозь тело. Отношение A = QA / Q называется поглощательной способностью тела, или коэффициентом поглощения. Отношение R = QR / Q называется отражательной способностью тела, или коэффициентом отражения. Отношение D = QD / Q называется пропускной способностью тела, или коэффициентом проницаемости. 41

A + R + D = 1. Если A = 1, R = D = 0, такая поверхность называется абсолютно черной. Если R = 1, A = D = 0, поверхность называется абсолютно белой. Если тело абсолютно проницаемо для тепловых лучей, то D = 1, A = R = 0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, но понятия о них важны для сравнения с реальными телами. Количество лучистой энергии Е, Вт/м2, испускаемой единицей поверхности в единицу времени, называется излучательной способностью тела. E

Q . F

Важной характеристикой реального тела является степень черноты, т. е. отношение излучательной способности данного тела к излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре, H

E . E0

Степень черноты зависит от физических свойств тела, состояния поверхности и в небольшой степени от температуры. Степень черноты серых тел всегда меньше единицы. Определение степени черноты твердых тел радиационным методом основывается на сравнении лучистых энергий, испускаемых исследуемым и черным телом, поглощательная способность которого известна. Если исследуемое тело имеет температуру T1c , то лучистый поток от этого тела, Вт/м2, в соответствии с законом Стефана – Больцмана

E1

ª§ T c · 4 § T · 4 º H1c 0 «¨ 1 ¸  ¨ 2 ¸ » , «¬© 100 ¹ © 100 ¹ »¼

где H1 – искомая степень черноты; с0 = 5.67 Вт/м2˜К4 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; Т2 – температура воздуха, К. Количество излучаемой энергии тела, Вт/м2, степень черноты которого известна, определяется из выражения 42

E2

ª§ T cc · 4 § T · 4 º H 2c 0 «¨ 1 ¸  ¨ 2 ¸ » , ¬«© 100 ¹ © 100 ¹ ¼»

где T1cc – температура зачерненного тела, степень черноты которого близкаа к значению степени черноты абсолютно черного тела (H2 = 0.96). При некоторых значениях температур T1c и T1cc значения лучистых потоков Е1 и Е2 могут быть равными, т. е. ª§ T c · 4 § T · 4 º H1c 0 «¨ 1 ¸  ¨ 2 ¸ » ¬«© 100 ¹ © 100 ¹ ¼»

ª§ T cc · 4 § T · 4 º H 2c 0 «¨ 1 ¸  ¨ 2 ¸ » , ¬«© 100 ¹ © 100 ¹ ¼»

откуда степень черноты исследуемого тела

H1

ª§ T1c · 4 § T2 · 4 º ¸ ¨ ¸ » «¨ «© 100 ¹ © 100 ¹ ¼» ¬ H2 ª§ T1cc · 4 § T2 · 4 º . ¸ ¨ ¸ » «¨ «¬© 100 ¹ © 100 ¹ »¼

Таким образом, определив температуру поверхности исследуемого твердого тела и температуру эталона при равных потоках лучистой энергии, можно определить степень черноты. Схема установки На рис. 7.1 представлена схема экспериментальной установки. Основной частью опытной установки является разъемная пластина-излучатель, выполненная из двух металлических пластин 3, между которыми в кольце 8 помещен электрический нагреватель 5, выполненный из нихромовой проволоки. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 7. Наружная поверхность одной из пластин излучателя 3 зачернена сажей, а наружная поверхность второй пластины, степень черноты которой определяется, оставлена без покрытия. 43

8

4

3 9

1

2

10

11 ~220 В

шего поглощения теплового потока, падающего на рабочую поверхность термостолбика, термопары покрыты тонким слоем копоти. Возникающая ЭДС термопар пропорциональна интенсивности излучения. ЭДС измеряется микроамперметром 11, подключенным к термостолбику. Микроамперметр питается от сети переменного тока напряжением 220 В.

5

Проведение опыта 6

~220

180q

7 Рис. 7.1. Схема установки

Температуры пластины измеряются с помощью термопар 4, горячие спаи которых закреплены в толще пластин с внутренней стороны на расстоянии не более 1 мм от наружной излучающей поверхности. На каждой из пластин смонтированы по 3 термопары, которые через переключатель 2 соединены с потенциометром 1. Разъемная пластина-излучатель укреплена в основании 6 и может быть повернута в стойке по отношению к термостолбику 10 поочередно зачерненной и серой поверхностями. В качестве приемника излучения используется термостолбик, представляющий собой цепь пятидесяти термопар из нихрома и константана, соединенных последовательно путем сварки. Корпус, в котором помещается термобатарея 10, имеет с лицевой стороны окно для доступа теплового потока. Просвет окна может регулироваться при помощи задвижек. Для увеличения поверхности нагрева и уменьшения тепловой инерции термопары составлены из тонких ленточек нихрома и константана. Термопары в батарее расположены в одной плоскости так, что рабочие места спаев находятся на одной линии посредине окна, а холодные спаи помещаются за пределами окна; для защиты от действия теплового потока они залиты парафином. Металлическая конусная насадка 9 предназначена для концентрации направленного на термостолбик потока лучистой энергии. Для луч44

Последовательность проведения опыта: 1. Нагретая пластина зачерненной поверхностью устанавливается в направлении термостолбика. 2. Измеряется ЭДС термопар термостолбика микроамперметром М-195 и заносится в табл. 7.1. Таблица 7.1 Протокол измерения № п/п 1

ЭДС зачерненной поверхности, мВ 2 3 4 5

6

ЭДС серой поверхности, мВ 1 2 3 4 5 6

Показания микроамперметра

3. Потенциометром измеряются значения ЭДС термопар, установленных на зачерненной поверхности пластины, и определяется средняя температура поверхности (по табл. 7.2). 4. Поворачивается излучатель на 180°, т. е. незачерненная поверхность пластины устанавливается в направлении термостолбика, и с помощью ЛАТР устанавливается первоначальное значение ЭДС на микроамперметре М-195. 5. Определяется средняя температура серой поверхности пластины по показаниям ЭДС термопар, установленных на незачерненной поверхности пластины.

45

Таблица 7.2 Градуировочная таблица термопары хромель-алюмель при температуре холодных спаев 0 °С, мВ t,qС 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0,40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.64 0.68 0.72 0.76 0.80 0.84 0.88 0.92 0.96 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16 1.20 1.24 1.28 1.32 1.36 1.41 1.45 1.49 1.53 1.57 1.61 1.65 1.69 1.73 1.77 1.82 1.86 1.90 1.94 1.98 2.02 2.06 2.10 2.14 2.18 2.23 2.27 2.31 2.35 2.39 2.43 2.47 2.51 2.56 2.60 2.64 2.68 2.72 2.77 2.81 2.85 2.89 2.93 2.97 3.01 3.06 3.10 3.14 3.18 3.22 3.26 3.30 3.34 3.39 3.43 3.47 3.51 3.55 3.60 3.64 2,68 3.72 3.76 3.81 3.85 3.89 3.93 3.97 4.02 4.06 4.10 4.14 4.18 4.22 4.26 4.31 4.35 4.39 4.43 4.47 4.51 4.55 4.59 4.63 4.67 4.72 4.76 4.80 4.84 4.88 4.92 4.96 5.00 5.04 5.08 5.13 5.17 5.21 5.25 5.29 5.33 5.37 5.41 5.45 5.49 5.53 5.57 5.61 5.65 5.69 5.73 5.77 5.81 5.85 5.89 5.93 5.97 6.01 6.05 6.09 6.13 6.17 6.21 6.25 6.29 6.33 6.37 6.41 6.45 6.49 6.53 6.57 6.61 6.65 6.69 6.73 7.77 6.81 6.85 6.89 6.93 6.97 7.01 7.05 7.09 7.13 7.17 7.21 7.25 7.29 7.33 7.37 7.41 7.45 7.49 7.53 7.57 7.61 7.65 7.69 7.73 7.77 7.81 7.85 7.89 7.93 7.97 8.01 8.05 8.09 8.13 8.17 8,21 8.25 8.29 8.33 8.37 8.41 8.45 8.49 8.53 8.57 8.61 8.65 8.69 8.73 8.77 8.81 8.85 8.89 8.93 8.97 9.01 9.05 9.09 9.14 9.18 9.22 9.26 9.30 9.34 9.38 9,42 9.46 9.50 9.54 9.58 9.62 9.66 9.70 9.74 9.78 9.82 9.86 9.90 9.95 9.99 10.03 10.07 10.11 10.15 10.19 10.23 10.27 10.31 10.35 10.40 10.44 10.48 10.52

Отчет Отчет по работе должен содержать: 1) схему и описание установки; 46

2) таблицу наблюдений; 3) расчет величины.

Лабораторная работа № 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ Задание Студенту необходимо: 1) определить коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободном движении жидкости и установить его зависимость от температурного напора; 2) обработать результаты опытов и представить их в критериальном виде; 3) составить отчет о работе. Описание метода измерений и экспериментальной установки Интенсивность конвективного теплообмена D, Вт/(м˜К), определяется коэффициентом теплоотдачи из уравнения Ньютона: D

Qк , (tc  t ж ) ˜ F

(8.1)

где Qк – количество теплоты, отдаваемой нагретой поверхностью трубы путем конвекции, Вт; tс и tж – температуры стенки и жидкости, °С; F – поверхность теплообмена, м2. Схема установки приведена на рис. 8.1. Экспериментальная медная хромированная труба 1 (d = 35 мм, l = 300 мм) установлена в баке 9 с исследуемой жидкостью. Внутри трубы размещен нихромовый электронагреватель 2, сопротивление которого регулируется автотрансформатором 4. Сила тока и мощность нагревателя регулируются лабораторным автотрансформатором 3. Теплота, выделенная нагревателем, может быть измерена с помощью вольтметра 47

и амперметра или ваттметра. В трубе заделаны медьконстантановые термопары 5, с помощью которых измеряется температура поверхности трубы. 8

~220 В

V

2

Время Сила Напряизмере- тока жение ния I, А U, В

1

ЭДС термопар, мВ Темпера- При2 3 4 5 средтура мечаняя жидкости ние tж, qС Опыт 1

Среднее значение

A 3

№ п/п

1 2 3

4 1

Таблица 8.1 Протокол измерений

5

Опыт 2 и т. д.

9 6 7 Рис. 8.1. Схема экспериментальной установки

Термопара для измерения температуры жидкости помещена в гильзу медицинской иглы и установлена над трубой. Провода всех термопар через стенку бака выведены наружу и подключены к переключателю 6. Термо-ЭДС термопар измеряется переносным потенциометром 7 типа ПП-63. Для интенсификации теплообмена служит холодильник 8.

Для перехода на новый тепловой режим (опыт 2) необходимо с помощью лабораторного автотрансформатора изменить напряжение и силу тока нагревателя. Обработка результатов опыта Как было указано, коэффициент теплоотдачи от поверхности теплоотдающей трубы к жидкости можно вычислить по уравнению (8.1). Величины, входящие в уравнение (8.1), определяются по результатам измерений и характеристикам лабораторной установки.

Проведение эксперимента После ознакомления с установкой необходимо составить протокол наблюдений (табл. 8.1). Все измерения необходимо проводить при строго установившемся тепловом режиме, который характеризуется неизменностью показаний во времени. Обычно стационарное тепловое состояние достигается примерно через 1 ч после включения установки. После достижения установившегося теплового состояния системы необходимо 3–5 раз измерить ЭДС всех термопар, силу тока и мощность нагревателя (опыт 1). 48

Qк = IU (то есть лучистой составляющей теплообмена пренебрегаем). F = S d l. В качестве расчетной температуры стенки tc принимается средняя, определенная по среднему значению термо-ЭДС и табл. 8.2. 49

Таблица 8.2

Таблица 8.3 Теплофизические свойства воды (при рб = 101325 гПа)

Термо-ЭДС медьконстантановой термопары t, qC

E, мВ

t, qC

E, мВ

t, qC

E, мВ

t, qC

E, мВ

0 5 10 15 20 25 30 35

0.0 0.180 0.368 0.553 0.737 0.927 0.117 1.310

40 50 60 70 80 90 100

1.503 1.900 2.305 2.712 3.130 3.556 3.987

110 120 130 140 150 160 170 180

4.423 4.863 5.300 5.736 6.171 6.61 7.05 7.482

190 200 210 220 230 240 250

7.918 8.352 8.79 9.23 9.67 10.11 10.548

Результаты опытов представляются в виде зависимости D = f ('t). Эта зависимость справедлива только для данной экспериментальной установки. Для распространения полученных результатов на другие подобные явления их надо обобщить и представить в виде критериев подобия

t, qC

U, кг/м3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

999.9 999.7 998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4

сp, O˜102, кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) 4.212 4.191 4.183 4.174 4.174 4.174 4.179 4.187 4.195 4.208 4.220

0.560 0.580 0.597 0.612 0.627 0.640 0.650 0.662 0.669 0.676 0.684

а˜106, м2/с

Q˜106, м2/с

E˜104, 1/К

Pr

13.2 13.8 14.3 14.7 15.1 15.5 15.8 16.1 16.3 16.5 168

1.789 1.306 1.006 1.805 1.659 1.560 1.478 1.415 1.365 1.320 1.295

–0.63 0.70 1.82 3.21 3.87 4.49 5.11 5.70 6.32 6.95 7.52

13.6 9.52 7.02 5.45 4.36 3.59 3.03 2.58 2.23 1.95 1.75

Критерии подобия вычисляются для каждого температурного режима. Уравнение (8.2) можно представить в виде Nu = c (Gr – Pr)n,

Nu = f (Gr˜Pr), § где Nu – критерий Нуссельта; Nu ©

(8.2)

ad ; O – коэффициент теплопроводO

ности жидкости; Gr – критерий Грасгофа Gr

Egd 3't · ; E – температурQ2 ¹

ный коэффициент объемного расширения, 1/К; g – ускорение свободного падения, м/с2; Q – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; Рr – Q § ; a – коэффициент температуропроводности критерий Прандтля; Pr a © жидкости, м2/с. Значения физических параметров исследуемой жидкости (воды) выбираются из табл. 8.3 по средней температуре tm. 50

где постоянные с и п определяются по экспериментальным данным, нанесенным на график в логарифмическом масштабе. Если точки располагаются по прямой, то показатель степени п равен тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс, а значение постоянной с вычисляется из выражения c

Nu (Gr ˜ Pr ) n

.

Отчет по работе Отчет должен содержать: 1) краткое описание работы; 2) принципиальную схему установки; 3) протокол записи показаний измерительных приборов; 51

4) обработку результатов опыта; 5) график зависимости коэффициента теплоотдачи от температурного напора и график зависимости между критериями подобия; 6) сопоставление результатов опыта с данными в литературе.

Лабораторная работа № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛА ПАРОКОМПРЕССОРНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ Задание Студентам необходимо: 1) ознакомиться с устройством малой хладоновой холодильной машины; 2) провести непосредственное наблюдение за процессом кипения хладона в испарителе; 3) определить параметры в узловых точках цикла и построить цикл в диаграммах р–v: Т–s; lg p–i; 4) определить холодопроизводительность машины и холодильный коэффициент цикла. Описание метода и экспериментальной установки Для понижения температуры тел ниже температуры окружающей среды и непрерывного поддержания заданной низкой температуры применяются холодильные машины, в которых совершается совокупность процессов, в результате чего тепло отнимается от тел с низкой температурой и передается среде с более высокой температурой. Переход тепла от менее нагретого к более нагретому телу в соответствии со вторым законом термодинамики возможен только в результате осуществления другого компенсирующего процесса. По характеру этого процесса холодильные машины можно разделить на три группы: компрессионные, пароэжекторные и абсорбционные. В компрессионных машинах получение холода сопровождается компенсирующим процессом превращения механической работы в тепло. 52

Эффективность обратного цикла любой холодильной машины оценивается с помощью холодильного коэффициента. Он показывает, какое количество теплоты может быть отведено от охлаждаемых тел при затрате единицы энергии. Установка для проведения работы создана на основе хладоновой компрессионной холодильной машины марки ВН-0,55. Схема установки показана на рис. 9.1. Компрессор 1 со встроенным и герметизированным электродвигателем засасывает пар хладона 12 из испарителя 2, сжимает его и подает в конденсатор 3. Конденсация пара происходит внутри трубок, тепло q1 отводится к окружающему воздуху. Для интенсификации процесса теплообмена трубки снаружи оребрены и с помощью вентилятора 4 обдуваются потоком воздуха. Жидкий хладон собирается в ресивере 5, а затем через фильтр-осушитель 6 поступает к регулирующему вентилю 7. После дросселирования влажный насыщенный пар хладона с большим содержанием жидкости попадает в испаритель, где жидкость кипит при низком давлении р0. Испаритель выполнен в виде змеевика, погруженного в резервуар с циркулирующим в нем хладоносителем (например, спиртом). Чтобы наблюдать за процессом кипения хладона в испарителе, несколько его звеньев выполняются из стеклянных трубок. Тепло, необходимое для кипения хладона, отнимается от хладоносителя и температура его понижается на 5–10 °С. Теплый хладоноситель поступает в испаритель по трубке 9 из термостата 8, имитирующего охлаждаемое помещение или тело, охлажденный – сливается через трубку 10 обратно в термостат. Циркуляция хладоносителя осуществляется с помощью погружного центробежного насоса 11, находящегося в термостате. Подогрев хладоносителя производится электронагревателем 12 до постоянной в ходе опыта температуры ts1. Поддержание этой температуры осуществляется периодическим включением и выключением электронагревателя с помощью специального реле, датчиком для которого является контактный термометр 13. Итогом работы изучаемой холодильной машины является отнятие тепла от среды, подлежащей охлаждению, например от спирта или от этиленгликоля, и передача этого тепла на более высокий температурный уровень: воздуху помещения со средней температурой 20–25 °С.

53

Рис. 9.1. Схема экспериментальной установки

6

В ходе опыта измеряются следующие величины: давление хладона в испарителе р0 и в конденсаторе р – с помощью двух образцовых манометров, расположенных на щите установки; температура хладоносителя на входе в резервуар испарителя ts1 и на выходе из него ts2 – с помощью ртутных термометров с ценой деления 0.1°; температура хладона на входе в компрессор t1, на выходе из компрессора t2, на выходе из конденсатора (насыщенная жидкость) t4, перед регулирующим вентилем (ненасыщенная жидкость) t4', в испарителе (влажный пар) t5 – с помощью медьконстантановых термопар. Один из спаев каждой термопары заключен в запаянную стальную иглу и введен в месте измерения в трубку хладонового контура, второй погружен в сосуд Дьюара со льдом 15. ЭДС термопар измеряется с помощью потенциометра ПП-63 16, который последовательно включается в цепь каждой термопары с помощью переключателя 17, объемный расход хладоносителя с помощью поплавкового ротаметра 14. Мощность, потребляемая совместно электродвигателями хладонового компрессора и воздушного вентилятора, измеряется ваттметром 18. Измерение всех величин производится 5 раз с интервалом в 5 мин. Данные наблюдений заносятся в протокол предлагаемой ниже формы. Для обработки берутся средние арифметические величин двух измерений с наиболее близкими данными. После ознакомления с установкой необходимо составить протокол наблюдений (табл. 9.1). По числу делений манометра находят значения избыточных давлений р0 и р, а затем, зная атмосферное давление, вычисляют абсолютные давления. Температуры хладона определяют с помощью графика градуировки термопар, расход хладоносителя – по графику градуировки ротаметра.

15

8

tf

2

17

tf

1

2

16

t3

18

9

t4

3

7

4 5

10

P

t2

1

P0

t1

Проведение эксперимента

Таблица 9.1

54

12

11

13

14

Протокол наблюдений

№ Давление п/п хладона, МПа (кгс/см2 ) р0 р

Температура хладоносителя, °С tS1 tS2

Расход Мощность ПримеТемпература чание хладона (ЭДС, хладоно- электросителя двигателя, мВ), делен. Вт qС t1 t2 t4 t4' t5 ротам.

55

Обработка результатов опыта Обработка результатов опыта выполняется в такой последовательности: 1. По известным температурам в узловых точках 1,2,4,4' и 5 строится цикл холодильной машины в диаграммах Т–s и lg p–i. Значения давлений р0 и р, найденные с помощью диаграммы, сравниваются со значениями давлений, измеренными в ходе работы с помощью манометра. Дается объяснение различию значений давлений, найденных этими двумя способами. 2. По диаграммам определяются и выписываются значения энтальпий во всех узловых точках цикла. Для точек 3, 4 и 6 значения энтальпий, найденные с помощью диаграммы, сверяются с табличными значениями. 3. Рассчитываются значения удельной холодопроизводительности, удельной работы адиабатного сжатия и удельного тепла, отводимого в конденсаторе, Дж/кг, по формулам q0 = i1 – i5,

(9.1)

|lад| = i2 – i1,

(9.2)

|q| = i2 – i4c

(9.3)

Производится проверка по тепловому балансу цикла |q| = q0 + |lад|.

(9.4)

4. Определяется холодильный коэффициент цикла H = q0/|lад|.

(9.5)

доне. Кроме того, уже указывалось, что ваттметр одновременно измеряет и мощность электродвигателя воздушного вентилятора. Для компрессора, используемого в данной установке, и только для тех условий, при которых обычно проводятся опыты, можно считать, что Nад= 0.2 · Nд.

(9.6)

6. Определяется полная холодопроизводительность машины, Вт, Q0 = q0 · Mхл.

(9.7)

Находится полная холодопроизводительность машины иным способом – по изменению температуры хладоносителя, Вт: Q0 = V · U ·cp (ts1 – ts2).

(9.8)

В табл. 9.2 приводятся значения плотности и удельной теплоемкости спирта в зависимости от температуры. Таблица 9.2 Свойства спирта t, °С U, кг/м3 cp, Дж/(кг · К)

0 825 2266

10 816 2333

20 808 2403

Если в качестве хладоносителя используется раствор этиленгликоля, то данные о его теплофизических свойствах берутся из справочника [2]. Находится значение 'Q0, %, при определении холодопроизводительности двумя способами. Отчет по работе

5. По формуле Mхл = Nад/ |lад| находится массовый расход хладона. При этом необходимо учесть, что мощность, приходящаяся на адиабатное сжатие паров хладона (Nад, Вт), существенно отличается от действительной мощности, потребляемой электродвигателем компрессора, Nд и измеренной с помощью ваттметра в ходе опыта. Nд больше Nад из-за механических потерь в компрессоре, потерь в электродвигателе и главным образом из-за того, что компрессору приходится перекачивать большое количество масла, растворенного в хла-

Отчет должен содержать: 1) таблицу с данными наблюдений; 2) изображение цикла (не в масштабе) в диаграммах р–v, Т–s и lg p–i; 3) значения энтальпий, определенных с помощью диаграммы для узловых точек цикла и дополнительно для точек 3, 4, 6, найденных по таблицам; 4) расчеты, связанные с определением q0, lад, H, Q0.

56

57

ПРИЛОЖЕНИЕ Соотношение между единицами измерения величин Давление 1 кг/см2 = 1 ат = 735.6 мм pт. ст. = 0.980665 бар = 0.980665 ˜ 105 Н/м2= 104 кг/м2. 1 кг/м2 = 9.80665 Н/м2 = 9.80665 Па. 1 бар = 105 Н/м2= 1.02 кг/см2 = 1.02 ˜ 104 кг/м2 = 750 мм рт. ст. 1 Н/м2 = 10–5 бар = 0.980665 ˜ 10–5 кг/м2.

Поверхностное натяжение 1 эрг/см2 = 1.02 ˜ 10–4 кг/м2 = 10–3 Н/м. Таблица 1 Массы киломолей, плотности, объемы киломолей при нормальных условиях и газовые постоянные важнейших газов [3] Вещество

Химическое обозначение

Мольная масса, кг/кмоль

Плотность, кг/м3

Воздух Кислород Азот Атмосферный азот* Гелий Аргон Водород Окись углерода Двуокись углерода Сернистый газ Метан Этан Пропан Бутан Этилен Коксовый газ Аммиак Водяной пар**

– О2 N2

28.96 32.0 28.026 28.16

1.293 1.429 1.251 (1.257)

22.40 22.39 22.40 (22.40)

287.0 259.8 296.8 (295.3)

He Ar H2 CO CO2 SO2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C2H4 – NH3 H2O

4.003 39.994 2.016 28.01 44.01 64.06 16.032 30.068 44.094 58.120 28.052 11.50 17.032 18.016

0.179 1.783 0.09 1.250 1.977 2.926 0.717 1.342 1.968 2.593 1.251 0.515 0.771 (0.804)

22.42 22,39 22.43 22.40 22.26 21.89 22.39 22.41 22.41 22.41 22.41 22.33 22.08 (22.40)

2078.0 208.2 4124.0 296.8 188.9 129.8 518.8 276.5 188.5 143.5 296.6 721.0 477.3 (461)

Энергия 1 ккал (международная) = 4.1868 кДж = 4.1868 ˜ 103 Дж. 1 кДж = 0.238844 ккал; 1 кгс ˜ м = 9.80665 Дж. 1 кВт˜ ч = 3.6 ˜ 106 Дж = 3.6 МДж; 1 эрг = 1 дин ˜ см2 = 10–7 Дж. Мощность 1 л. с. = 75 кгс ˜ м/с = 735.499 Вт. 1 ккал/ч = 1.163Вт = 1.581110–3 л. с. Коэффициент вязкости 1 кгс ˜ с/м2 = 9.80665 Н ˜ с/м2 = 9.80665 Па ˜ с; 1 пуаз = 0.1 Н ˜ с/м2; 1 сП = 1.02 ˜ 10–4 кгс ˜ с/м2. Коэффициент теплопроводности 1 ккал/(м ˜ ч ˜ К) = 1.163 Вт/(м ˜ К). Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи 1 ккал/(м2 ˜ ч ˜ К) = 1.163 Вт/(м2 ˜ К).

Объем Газовая киломоля, постоянная, м3/кмоль Дж/(кг˜К)

_

Коэффициент излучения 1 ккал/(м2 ˜ ч ˜ К4) = 1.163 Вт/(м2 ˜ К4). Энтальпия, теплота фазового перехода

* Атмосферный азот – условный газ, состоящий из азота воздуха, двуокиси углерода и редких газов, содержащихся в воздухе. ** Приведение водяного пара к нормальному состоянию является условным.

1 ккал/кг = 4.1868 Вт/(м2 ˜К). 58

59

Таблица 3

Таблица 2 Физические свойства сухого воздуха при давлении 760 мм рт. ст. [4] t, qC

U, кг/м3

–50 –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

1.584 1.515 1.453 1.395 1.342 1.293 1.247 1.205 1.165 1.128 1.093 1.060 1.029 1.000 0.972 0.946 0.898 0.854 0.815 0.779 0.746 0.674 0.615 0.566 0.524 0.456 0.404 0.362 0.329 0.301 0.277 0.257 0.239

ср, O˜102, кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) 1.013 1.013 1.013 1.009 1.009 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.009 1.009 1.009 1.009 1.009 1.013 1.017 1.022 1.026 1.038 1.047 1.059 1.068 1.093 1.114 1.135 1.156 1.172 1.185 1.197 1.210

2.04 2.12 2.20 2.28 2.36 2.44 2.51 2.59 2.67 2.76 2.83 2.90 2.96 3.05 3.13 3.21 3.34 3.49 3.64 3.73 3.93 4.27 4.60 4.91 5.21 5.74 6.22 6.71 7.18 7.63 8.07 8.50 9.15

60

Физические свойства воды на линии насыщения [4]

а˜106, м2/с

K˜106, ͘с/м2

Q˜104, м2/с

Pr

t, qC

p, кПа˜102

U, кг/м3

O˜102, Вт/(м˜К)

а˜107, м2/с

Q˜106, м2/с

E˜104, 1/К

Pr

12.7 13.8 14.9 16.2 17.4 18.8 20.0 21.4 22.9 24.3 25.7 27.2 28.6 30.2 31.9 33.6 36.8 40.3 43.9 47.5 51.4 61.0 71.6 81.9 93.1 115.3 138.3 163.4 188.8 216.2 245.9 276.2 316.5

14.6 15.2 15.7 16.2 16.7 17.2 17.6 18.1 18.6 19.1 19.6 20.1 20.6 2`1.1 21.5 21.9 22.8 23.7 24.5 25.3 26.0 27.4 29.7 31.4 33.0 36.2 39.1 41.8 44.3 46.7 49.0 51.2 53.5

9.23 10.04 10.80 12.79 12.43 13.28 14.16 15.06 16.00 16.96 17.95 18.97 20.02 21.09 22.10 23.13 25.45 27.80 30.09 32.49 34.85 40.61 48.33 55.46 63.09 79.38 96.89 115.4 134.8 155.1 171.1 199.2 233.7

0.728 0.728 0.723 0.716 0.712 0.707 0.705 0.703 0.701 0.699 0.698 0.696 0.694 0.692 0.690 0.688 0.686 0.684 0.682 0.681 0.680 0.677 0.674 0.676 0.678 0.687 0.699 0.706 0.713 0.717 0.719 0.722 0.724

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370

1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.4326 1.9854 2.7011 3.6136 4.7597 6.1804 7.9203 10.027 12.552 15.55 19.079 23.201 27.979 33.48 39.776 46.94 55.051 64.191 74.449 85.917 98.697 112.9 128.64 146.08 165.37 186.74 210.52

999.9 999.7 998.2 995.7 992.2 988.1 983.2 977.8 971.8 965.3 958.4 951.0 943.1 934.8 926.1 917.0 907.4 897.3 887.0 876.0 863.0 852.8 840.3 827.3 813.6 799.0 784.0 767.9 750.7 732.3 712.5 691.1 667.1 640.2 610.1 574.4 528.0 450.5

0.560 0.580 0.597 0.612 0.627 0.640 0.650 0.662 0.669 0.676 0.684 0.685 0.686 0.686 0.685 0.684 0.681 0.676 0.672 0.664 0.658 0.649 0.64 0.629 0.617 0.606 0.593 0.678 0.564 0.548 0.532 0.513 0.494 0.471 0.447 0.430 0.367 0.338

1.32 1.38 1.43 1.47 1.51 1.55 1.58 1.61 1.63 1.65 1.68 1.70 1.71 1.73 1.72 1.73 1.725 1.723 1.718 1.712 1.703 1.678 1.66 1.64 1.62 1.59 1.56 1.51 1.46 1.39 1.30 1.22 1.15 1.07 0.90 0.786 0.420 0.186

1.789 1.306 1.006 1.805 1.659 1.560 1.478 1.415 1.365 1.320 1.295 0.272 0.252 0.233 0.217 0.203 0.191 0.181 0.173 0.165 0.158 0.153 0.148 0.145 0.141 0.137 0.135 0.133 0.131 0.129 0.128 0.128 0.128 0.127 0.127 0.126 0.126 0.126

–0.63 0.70 1.82 3.21 3.87 4.49 5.11 5.70 6.32 6.95 7.52 8.08 8.64 9.19 9.72 10.3 10.7 11.3 11.9 12.6 13.3 14.1 14.8 15.9 16.8 18.1 19.7 21.6 23.7 26.2 29.2 32.9 38.2 43.3 53.4 66.8 109.0 264.0

13.6 9.52 7.02 5.45 4.36 3.59 3.03 2.58 2.23 1.95 1.75 1.60 1.47 1.35 1.26 1.17 1.10 1.05 1.03 0.965 0.932 0.915 0.898 0.888 0.883 0.884 0.892 0.905 0.917 0.944 0.986 1.05 1.14 1.27 1.42 1.70 2.66 6.80

61

Таблица 4 Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны [4] Вещество 1 Аммиак Ацетон Бензин-растворитель (в пересчете на С) Бензин топливный (в пересчете на С) Бензол Винил хлористый Дихлорэтан Диметиламин Изопрен Йод Керосин (в пересчете на С) Кислота серная Кислота соляная Кислота уксусная Масла минеральные Нитробензол Нитротолуол Озон Окислы азота (в пересчете на NO2) Окись углерода Полиэфирный лак ПЭ-246 Пропан Поливинилхлорид Ртуть металлическая Сернистый ангидрид Сероводород Сероуглерод Скипидар (в пересчете на С) Спирт метиловый Спирт этиловый Спирт бутиловый и пропиловый Толуол Углерод четыреххлористый Фенол Фосген

62

ПДК, мг/м3 2 20 200 300 100 5 30 10 1 40 1 300 1 5 5 5 5 1.5 0.1 5 20 6 1800 6 0.01 10 10 1 300 5 1000 10 50 20 0.3 0.5

Окончание табл. 4 1 Фосфор желтый Холодильный агент R12 Холодильный агент R22 Холодильный агент RC318 Хлор Цианистый водород Этил хлористый Этиленгликоль

2 0.03 6000 3000 Нетоксичен 1 0.3 50 0.1

Примечание. Для аммиака температура воспламенения с воздухом равна 651 °С, взрывоопасная концентрация (объемная) с воздухом составляет 15.5–28 %.

63

Продолжение табл. 5

Таблица 5 Теплофизические свойства строительных и изоляционных материалов Характеристики материала в сухом состоянии Материал U, кг/м3

Расчетные характеристики

« « Шунгезитобетон То же Бетон на доменных гранулированных шлаках То же Бетон на котельных шлаках

Расчетные характеристики

Теплоусвое ПароМассоср , ние (пепровая U, O˜102, O˜102 , кг/м3 кДж/(кг˜К Вт/(м˜К влаж- Вт/(м˜К) риод 24 ч) ницаеs 24, мость ность, % ) ) 12 кДж/(кг˜К) 10 , кг/(м˜с) То же 1400 0.84 0.47 8 0.65 8.8 25.1 « 1000 0.84 0.29 8 0.44 6.1 37.6 Вермикулито- 800 0.84 0.21 13 0.26 4.6 – бетон То же 400 0.84 0.09 13 0.13 2.3 52.3 Пенобетон 1000 0.84 0.29 15 0.47 6.1 31.3 То же 600 0.84 0.14 12 0.26 3.9 48.0 « 300 0.84 0.08 12 0.13 1.9 73.2 Раствор це1800 0.84 0.58 4 0.93 11.1 25.1 ментно-песчаный Раствор 1600 0.84 0.47 4 0.81 9.7 33.5 известковопесчаный Раствор це1400 0.41 4 0.64 8.1 31.4 0.84 ментно-шлаковый Сухая 800 0.84 0.15 6 0.21 3.6 20.9 штукатурка Материал

МассоТеплоусвое- Пароср , O˜102, вая влаж- O˜102, ние (период про24 ч) s24, ницаекДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) мость кДж/(кг˜К) 1012, кг/(м˜с) Бетоны и растворы

Железобетон Бетон на гравии или щебне Туфобетон То же Пемзобетон То же Керамзитобетон на керамзитовом песке То же

Характеристики материала в сухом состоянии

2500 2400

0.84 0.84

1.69 1.51

3 3

2.04 1.86

18.7 17.6

8.35 8.35

1600 1200 1400 1000 1800

0.84 0.84 0.84 0.84 0.84

0.52 0.29 0.42 0.26 0.66

10 10 6 6 10

0.81 0.47 0.54 0.34 0.92

10.9 7.1 7.7 5.2 12.3

29.3 33.4 23.0 31.4 25.1

1400 1000 800 600 1400

0.84 0.84 0.84 0.84 0.84

0.47 0.27 0.21 0.16 0.49

10 10 10 10 7

0.65 0.41 0.31 0.26 0.64

9.1 6.1 4.8 3.8 8.6

27.2 37.7 52.3 73.2 27.2

1000 1800

0.84 0.84

0.27 0.58

7 8

0.38 0.81

5.6 11.2

37.6 23.0

1400 1800

0.84 0.84

0.41 0.70

8 8

0.58 0.93

8.3 12.0

27.2 20.9

64

Кирпичная кладка Кладка из 1800 глиняного обыкновен ного кирпича (ГОСТ 530–71) на цементнопесчаном растворе

0.8

0.56

2

65

0.81

10.1

29.3

Продолжение табл. 5 Характеристики материала в сухом состоянии Материал U, кг/м3

Кладка из 1800 силикатного кирпича (ГОСТ 379–79) на цементно-песчаном растворе Кладка из ке1400 рамического пустотного (1300 кг/м3) кирпича на цементно-песчаном растворе Кладка из си1500 ликатного одиннадцатипустотного кирпича на цементно-песчаном растворе

Продолжение табл. 5 Характеристики материала в сухом состоянии

Расчетные характеристики Материал

Теплоусвое ПароМассоср , ние (пепровая O˜102, O˜102, кДж/(к㘠Вт/(м˜К влаж- Вт/(м˜К) риод 24 ч) ницаеs24, мость ность, % К) ) 12 кДж/(кг˜К) 10 , кг/(м˜с) 0.88 0.70 4 0.87 10.9 29.3

0.88

0.41

2

0.58

7.5

43.9

0.88

0.64

4

0.81

9.6

35.5

МассоТеплоус- Пароср , вая O˜102, U, O˜102, воение (пе- про3 кг/м кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) влаж- Вт/(м˜К) риод 24 ч) ницаеность, % s24, мость 12 кДж/(кг˜К) 10 , кг/(м˜с) 600 2.3 0.12 13 0.18 4.7 6.3

Фанера клееная (ГОСТ 3916–69) Картон строи650 тельный многослойный (ГОСТ 4408–75) Плиты древес1000 но-волокнистые и древесностружечные (ГОСТ 4598–77 и ГОСТ 10632– 77) То же 600 Плиты фибро800 литовые (ГОСТ 8928–70) То же 400 Плиты камы400 шитовые

2.3

0.13

12

0.18

4.8

23.0

2.3

0.15

12

0.29

7.7

33.5

2.3 2.3

0.11 0.16

12 15

0.16 0.30

4.5 7.2

35.5 29.3

2.3

0.08 0.07

15 15

0.16 0.14

3.7 3.0

71.0 126.0

Дерево, изделия из него и других природных материалов Сосна и ель поперек волокон Сосна и ель вдоль волокон

50 0

2.3

0.09

20

0.18

4.5

16.7

50 0

2.3

0.18

20

0.35

6.3

90.0

66

Расчетные характеристики

67

Продолжение табл. 5 Характеристики материала в сухом состоянии Материал

Торфоплиты теплоизоляционные (ГОСТ 4861–74) То же

300

2.3

0.064

20

0.08

2.3

Паропроницаемость 1012, кг/(м˜с) 52.3

300

2.3

0.052

20

0.064

1.7

136.0

0.8

85.6

МассоТеплоусвоеср , U, O˜102, вая влаж- O˜102, ние (период кг/м3 кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) 24 ч) s24, кДж/(кг˜К)

125

300

100 50

0.84

0.84

0.84 0.84

0.056

0.084

0.056 0.048

68

Характеристики материала в сухом состоянии

Расчетные характеристики

Теплоизоляционные материалы Маты минераловатные прошивные (ГОСТ 21880–76) Плиты минераловатные на синтетическом и битумном связующем (ГОСТ 9575–72; ГОСТ 10140–71; ГОСТ 12394–66) То же «

Продолжение табл. 5

5

5

5 5

0.07

0.09

0.07 0.06

1.4

0.72 0.48

115.0

157.0 125.0

Материал

Расчетные характеристики

МассоТеплоус- Пароср, O˜102, вая влаж- O˜102, воение (пе- проU, кг/м3 кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) риод 24 ч) ницаеs24, мость 12 кДж/(кг˜К) 10 , кг/(м˜с) 50 0.84 0.056 5 0.064 0.5 167.0

Плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем (ГОСТ 10499–78) Маты из 150 стекловолокна прошивные (ТУ 21-23-72–75) Пенополистирол 150 (ТУ 6-05–11-78–78) То же 100 Пенополистирол 40 (ГОСТ 15588–70) Пенопласт ПХВ-1 125 (ТУ 6-05-1179–75) и ПВ-1 (ТУ 6-051158–78) То же 100 и менее

0.84

0.061

5

0.07

0.9

147.0

1.34

0.05

5

0.06

0.99

12.6

1.34 1.34

0.041 0.038

10 10

0.052 0.05

0.82 0.49

12..6 12.6

1.26

0.052

10

0.064

0.99

62.8

1.26

0.041

10

0.052

0.8

62.8

69

Продолжение табл. 5 Характеристики материала в сухом состоянии Материал

Пенополиуретан (ТУ В-56–70; ТУ 67-98–75; ТУ 67-87–75) То же « Плиты из резольнофенолформальдегидного пенопласта (ГОСТ 20916–75) То же Перлитофосфогелевые изделия (ГОСТ 21500–76) То же Засыпка из гравия керамзитового (ГОСТ 9759–76) То же Засыпка из гравия шунгизитового (ГОСТ 19345–73) То же

U, кг/м3

80

60 40 75

1.47 1.47 1.68

Характеристики материала в сухом состоянии

Расчетные характеристики Материал

МассоТеплоусвоеср , O˜102, вая влаж- O˜102, ние (период 24 ч) s24, кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) кДж/(кг˜К) 1.47

Продолжение табл. 5

0.041

0.035 0.029 0.043

5

5 5 20

0.05

0.041 0.04 0.07

0.7

0.55 0.42 0.98

Паропроницаемость 1012, кг/(м˜с) 14.6

14.6 14.6 62.8

U, кг/м3

Засыпка из вермикулита вспученного (ГОСТ 12865–67) То же Песок для строительных работ (ГОСТ 12865–67) Пеностекло или газостекло (ТУ 21-БССР 86–73) То же

300

Расчетные характеристики

МассоТеплоусво- Паровая влаж- O˜102, ение ср , проO˜102, ницаекДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) (период 24 ч) s24, мость 12 кДж/(кг˜К) 10 , кг/(м˜с) 0.84 0.076 3 0.11 1.2 62.8

100 1600

0.84 0.84

0.064 0.35

3 2

0.08 0.58

0.075 7.9

83.7 46.0

400

0.84

0.11

2

0.14

1.9

6.3

200

0.84

0.07

2

0.09

1.1

8.4

Кровельные материалы, гидроизоляционные, облицовочные и рулонные покрытия 50 300

1.68 1.05

0.041 0.076

20 12

0.064 0.12

0.77 2.0

62.8 56.5

200 800

1.05 0.84

0.064 0.18

12 3

0.09 0.23

1.4 3.6

62.8 58.6

400 800

0.84 0.84

0.12 0.16

3 4

0.14 0.23

2.0 3.7

67.0 58.6

400

0.84

0.11

4

0.14

2.0

62.8

70

Листы асбестоцементные плоские (ГОСТ 18124–75) Битумы нефтяные, строительные и кровельные (ГОСТ 6617–76; (ГОСТ 9548–74) То же Асфальтобетон (ГОСТ 9128–76)

1800

0.843

0.35

3

0.52

8.1

8.4

1400

1.68

0.27

0

0.27

6.8

2.1

1000 2100

1.68 1.68

0.17 1.05

0 0

0.17 1.05

4.6 16.4

2.1 2.1

71

Окончание табл. 5 Характеристики материала в сухом состоянии Материал

U, кг/м3

Рубероид 600 (ГОСТ10923–76), пергамин (ГОСТ 2697–75), толь (ГОСТ 10999–76) Линолеум 1800 поливинилхлоридный многослойный (ГОСТ 14623–69) Линолеум 1600 поливинилхлоридный на тканевой подоснове (ГОСТ 14623–69)

Расчетные характеристики

МассоТеплоусвое- Пароср , O˜10 , вая влаж- O˜102, ние (период проницаекДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) ность, % Вт/(м˜К) 24 ч) s24, кДж/(кг˜К) мость 1012, кг/(м˜с) 1.68 0.17 0 0.17 3.5 0.4 2

1.47

0.38

0

0.38

8.5

0.4

1.47

0.29

0

0.29

7.0

0.4

Примечание. Расчетные характеристики приведены для условий влажного режима эксплуатации помещений, соответствующих следующим случаям: а) температура воздуха в помещении ниже 12 °С, относительная влажность выше 75 %; б) температура воздуха 12–24 °С, относительная влажность 60–75 %; в) температура воздуха выше 24 °С, относительная влажность 50–60 %.

72

Таблица 6 Свойства чистых (99.75–99.99 %) металлов в зависимости от температуры Металл Алюминий (U = 2710) То же « « « « « « « « « Титан (U = 4500) То же « « « « « « « « « Железо (U = 7860) То же « « « « « « « « « Никель (U = 8960) То же « « « « « « «

Свойства O с D Uэ Е Vв V0.2 G \ KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \ KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \ KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \

–200 280 380 8.9 0.34 77 215 54 43 74 – – 36 240 3.6 6.2 110 1000 740 60 28 – – 87 160 3.4 0.5 223 700 585 31 10 0.2 – 210 225 5.1 0.5 232 620 260 46 69

73

–100 220 500 17.7 0.48 72 135 45 43 84 – – 22 425 6.6 20.6 107 730 550 55 37 – – 79 360 9.0 4.8 220 465 380 27 70 – – 137 365 10.2 2.8 219 465 255 41 74

t, qC 20 218 885 22.6 2.7 71 90 33 44 90 1–2.5 250–290 19 520 8.4 43 102 565 420 50 22–59 1.4–2.5 716–2240 75 445 11.4 9.9 213 345 265 24 73–76 2 785–1180 102 425 12.3 7.6 202 345 250 36 77–78

100 216 938 24.4 3.9 68 67 25 48 93 – – 18 565 9.0 58.5 97 445 313 44 25–56 – – 61 477 12.6 10.8 207 275 190 23 60 3 – 81 448 13.2 10.2 189 297 240 33 75–78

200 212 980 26.2 4.2 65 45 17 53 96 – – 19 590 9.4 76.5 91 350 230 34 29–65 – – 53 523 13.6 21.3 200 – 140 25 – – – 71 475 13.6 15.8 171 256 220 32 68–75

Окончание табл. 6 Металл « « Медь (U = 8920) То же « « « « « « « « « Вольфрам (U = 19200) То же « « « « « « « « « Свинец (U = 1130) То же « « « « « « « «

KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \ KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \ KCU HB O с D Uэ Е Vв V0.2 G \

–200 – – 640 207 5.8 0.2 136 380 95 59 77 – – 258 65 2 0.5 429 – – – – – – 40 110 23.4 1.3 19 50 – 36 99.5

–100 13 – 413 340 14.4 0.5 134 295 70 53 74 3–20 – 188 125 3.5 2 417 – – – – – – 39 125 27.1 4.7 19 20 – 31 100

t, qC 20 – 900–1200 398 385 16.5 1.7 129 240 55 49 65–75 3–17 350–450 168 134 4.2 5.5 407 – 850 – – 2 2000–2500 35 125 28.7 20.6 17 14 25 27 100

100 – – 392 393 17.3 2.9 126 200 45 46 – – – 156 136 4.4 7 400 1030 545 – – – – 34 132 30.2 27 15 9 – 30 100

200 – – 380 406 18 3.6 121 165 40 44 – – – 138 138 4.5 9.5 – 810 375 – – – – 32 134 32.4 38 12 4 – 37 100

HB

–

–

38–40

–

–

Свойства

Примечание. Плотность (при 20 °С) U, кг/м3; коэффициент теплопроводности O Вт/(м˜К); теплоемкость с, Дж/(кг˜К); коэффициент линейного расширения D, 10–6˜К–1; электрическое сопротивление Uэ (10–8 Ом˜м); модуль упругости Е, ГПа; предел прочности Vв, МПа; предел текучести V0.2, МПа; относительное удлинение G, %; относительное сужение \, %; ударная вязкость КCU, МДж/м2; твердость по Бринеллю НВ, МПа.

74

Таблица 7 Теплофизические характеристики различных материалов Материал

t, qC

U, кг/м3

Асбест листовой Асбестоволокно Асфальт Вата хлопковая Вата стеклянная Гранит Грунт глинистый талый Грунт песчаный талый Грунт песчаный мерзлый Грунт суглинистый Гипс литой Земля в засыпке Кирпич красный Кирпич огнеупорный Картон Каучук синтетический Кожа Кварц Лед

300 – 20 0 0 – – – – 20 20 – 90 1000 – – 30 0 0 –20 50 0 – – 20 20 0 – – 20 – – 20 20 20 – 0 200 20 –

770 250 2100 50 200 2800 1700 1700 1700 1960 1100 1800 1700 2350 700 1600 1000 2506 920 920 2000 2800 250 790 1500 315 1200 180 350 2500 2209 2900 1300 240 200 1700 2000 2170 1200 1750

Мел Мрамор Опилки древесные Парафин Песок речной мелкий Пробка натуральная Резина обыкновенная Снег свежевыпавший Снег слежавшийся Стекло обыкновенное Стекло кварцевое Слюда Текстолит Ткань шерстяная Торф измельченный Углерод (графит) Фарфор Фаянс Эбонит Эпоксидная смола

75

с, O, кДж/(кг˜К) Вт/(м˜К) 0.818 0.837 2.093 0.697 0.670 0.921 1.231 1.281 0.909 1.156 0.963 0.837 0.879 1.424 1.460 1.620 1.424 0.836 2.120 1.960 0.879 0.921 2.510 2.260 0.795 1.842 1.382 2.093 2.093 0.670 0.892 0.879 1.507 1.340 1.507 0.670 0.913 0.963 1.424 1.100

0.116 0.081 0.700 0.054 0.037 2.907 1.128 1.558 2.233 1.490 0.349 0.814 0.755 3.500 0.175 0.214 0.163 7.21 2.21 2.44 0.930 1.303 0.093 0.268 0.326 0.063 0.157 0.116 0.349 0.74 1.340 0.581 2.33 0.052 0.058 174.0 0.837 1.163 0.163 0.210

а˜106, м2/с 0.184 0.387 0.159 0.637 0.276 1.130 0.539 0.715 1.444 0.658 0.330 0.540 0.505 1.046 0.170 0.086 0.114 3.450 1.133 1.353 0.529 0.505 0.148 0.150 0.273 0.108 0.095 0.308 0.476 0.442 0.680 0.228 0.119 0.162 0.192 153.0 0.458 0.556 0.095 0.109

Таблица 8 Степень черноты полного нормального излучения материалов Материал Алюминий: полированный шероховатый окисленный при 600 °С Железо: полированное свежеобработанное наждаком окисленное окисленное гладкое литое необработанное Стальное литье полированное Сталь: листовая шлифованная окисленная при 600 °С листовая с плотным блестящим слоем окиси Чугун: обточенный окисленный при 600 °С Окись железа Золото, тщательно полированное Латунная пластина: прокатанная, с естественной поверхностью обработанная грубым наждаком тусклая Латунь, окисленная при 600 °С Медь: тщательно полированная, электролитная торговая шабренная до блеска, но не зеркальная окисленная при 600 °С Окись меди Расплавленная медь Молибденовая нить Никель технически чистый, полированный Никелированное травленое железо, неполированное Никелевая проволока Никель, окисленный при 600 °С

76

t, qC

H

225–574 26 200–600

0.039–0.057 0.055 0.11–0.19

425–1020 20 100 125–525 925–1115 770–1040

0.144–0.377 0.242 0.736 0.78–0.82 0.87–0.95 0.52–0.56

940–1100 200–600 25

0.55–0.6 0.80 0.82

830–990 200–600 500–1200 225–635

0.60–0.70 0.64–0.78 0.85–0.95 0.018–0.035

22 22 50–350 200–600

0.06 0.20 0.22 0.61–0.59

80–115

0.018–0.023

22 200–600 800–1100 1075–1275 725–2600 225–375 20

0.072 0.57–0.87 0.66–0.54 0.16–0.13 0.096–0.292 0.07–0.087 0.11

185–1000 200–600

0.096–0.186 0.37–0.48

Продолжение табл. 8 Материал Окись никеля Хромоникель Олово блестящее луженое Платина чистая полированная Платиновая лента Платиновая нить Платиновая проволока Ртуть очень чистая Свинец: серый окисленный окисленный при 200 °С Серебро чистое полированное Хром Цинк: продажный (99,1 %) полированный окисленный при 400 °С Оцинкованное листовое железо: блестящее серое окисленное Асбестовый картон Асбестовая бумага Бумага тонкая, наклеенная на металлическую пластину Вода Гипс Дуб строганый Кварц плавленый шероховатый Кирпич: красный шероховатый, но без больших неровностей динасовый неглазурованный шероховатый динасовый глазурованный шероховатый шамотный глазурованный огнеупорный Лак: белый эмалевый, нанесенный на железную шероховатую пластину черный блестящий, нанесенный на железную пластину черный матовый белый

77

t, qC 650–1255 125–1034 25 225–625 925–1115 25–1375 225–1375 0–100

H 0.59–0.86 0.64–0.76 0.043–0.064 0.054–0.104 0.12–0.17 0.036–0.192 0.073–0.182 0.09–0.12

25 200 225–625 100–1000

0.281 0.63 0.0198–0.0324 0.08–0.26

225–325 400

0.045–0.053 0.11

28 24 24 40–370 19

0.228 0.276 0.96 0.93–0.945 0.924

0–100 20 20 20

0.95–0.963 0.903 0.895 0.932

20

0.93

100 1100 1100 –

0.80 0.85 0.75 0.8–0.9

23

0.906

25

0.875

40–95 40–95

0.96–0.98 0.8–0.95

Окончание табл. 8 Материал Шеллак: черный блестящий, нанесенный на луженое железо черно-матовый Масляные краски различных цветов Алюминиевые краски с переменным содержанием Аl Алюминиевый лак, нанесенный на шероховатую пластину Алюминиевая краска после нагрева до 325 °С Мрамор сероватый полированный Резина: твердая лощеная мягкая серая шероховатая (рафинированная) Стекло гладкое Сажа: свечная копоть с жидким стеклом ламповая 0,075 мм и больше Толь Уголь очищенный (0,9 % золы) Угольная нить Фарфор глазурованный Штукатурка шероховатая известковая Эмаль белая, приплавленная к железу

78

t, qC

H

21

0.821

75–145 100

0.91 0.92–0.93

100

0.27–0.67

20

0.39

150–315 22

0.35 0.931

23 24 22

0.945 0.859 0.937

95–270 100–185 40–370 21 125–625 1040–1405 22 10–88 19

0.952 0.959–0.947 0.945 0.910 0.81–0.79 0.526 0.924 0.91 0.897

Рекомендуемая литература 1. Методические указания к лабораторным работам по термодинамике (работы 1–4) / сост.: С. Н. Богданов, Е. Т. Васьков, Г. Н. Данилова, В. Н. Филаткин, М. Г. Щербов; ЛТИХП. – Л., 1982. – 33 с. 2. Васьков, Е. Т. Термодинамические свойства хладагента 134а / Е. Т. Васьков, В. Т. Васьков; СПбГАСУ. – СПб., 1996. – 117 с. 3. Васьков, Е. Т. Техническая термодинамика: учеб. пос. / Е. Т. Васьков; СПбГАСУ. – СПб., 2005. – 160 с. 4. Богданов, С. Н. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: справочник / С. Н. Богданов, С. И. Бурцев, О. П. Иванов, А. В. Куприянова; под ред. С. Н. Богданова. – СПб.: СПбГАХПТ, 1999. – 320 с. 5. Теплопередача: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам «Общая теплотехника», «Техническая термодинамика и тепловые двигатели» / ЛИСИ; сост. Е. Т. Васьков / под ред. Н. Л. Стаскевича, Г. Н. Северинца. – Л., 1982. – 32 с. 6. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. – М.: Наука, 1972. – 720 с. 7. Акулов, Л. А. Теплофизические свойства криопродуктов / Л. А. Акулов, Е. И. Борзенко, А. В. Зайцев. – СПб.: Политехника, 2001. – 243 с. 8. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – М.: Энергия, 1997. – 343 с. 9. Вакулович, М. П. Теплофизичекие свойства воды и водяного пара / М. П. Вакулович. – М.: Машиностроение, 1967. – 159 с.

79

Оглавление Список обозначений…………………………………………………………….3 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА…………………………………….5 Лабораторная работа № 1. Определение давления насыщенного пара низкокипящих жидкостей…………………………………………………5 Лабораторная работа № 2. Определение удельной теплоемкости жидкостей………………………………………………………………….11 Лабораторная работа № 3. Определение скоростного коэффициента и коэффициента расхода сопла……………………………………………16 2. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА………………………………………………………….21 Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободном движении воздуха………………21 Лабораторная работа № 5. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы…………….……29 Лабораторная работа № 6. Определение коэффициента температуропроводности твердых тел методом регулярного режима…34 Лабораторная работа № 7. Определение степени черноты твердого тела…………………………………………………………………………41 Лабораторная работа № 8. Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости………………………………………47 Лабораторная работа № 9. Исследование цикла парокомпрессорной холодильной машины………………………………52 ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………………58 Рекомендуемая литература……………………………………………………79

80