ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Схема и описание установки
Рабочее тело − воздух компрессором 1 (рис. 1) забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Воздух на пути из окружающей среды в компрессор проходит через воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящее через установку, может изменяться с помощью заслонки 3. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11. На панели 4 расположены три U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н), на входе в компрессор ( 
) и за компрессором ( 
). В результате подведенного тепла, воздух, проходя от сечения I−I, где его температура равна температуре окружающей среды 
, нагревается до температуры t 2 a, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором.
| Рис. 1. Схема установки |
Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, израсходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы».
Протокол наблюдений
| № П./п.
| Измеряемая величина
| Обозначение
| Единицы измерен
| Номера опытов | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||||||
| 1 | Температура воздуха при входе в воздухомер (сечение I) | t1 | °С | ||||||||
| 2 | Температура воздуха при входе в трубу (сечение IIа) | t2а | °С | ||||||||
| 3 | Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II) | t2 | °С | ||||||||
| 4 | Показания вакуумметра («горло» воздухомера) | Н | мм вод. ст. | ||||||||
| 5 | Показания пьезометра (после компрессора) | Нн | мм вод.ст. | ||||||||
| 6
| Напряжение и сила тока, потребляемого компрессором | Uк | в | ||||||||
| Iк | а | ||||||||||
| 7 | Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы | Uн | в | ||||||||
| Iн | а | ||||||||||
| 8 | Показания барометра | B | мбар | ||||||||
| 9 | Температура окружающей среды | tокр | °С | ||||||||
Расчетные формулы и расчеты
4.1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
ПА (10)
4.2. Перепад давления воздуха в воздухомере ΔР
, Па, (11)
|
|
|
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3;
g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2;
Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
4.3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера ρв
кг/м3, (12)
где R – газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.
4.4. Расход воздуха G
кг/сек. (13)
4.5. Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу Р2а
, Па, (14)
где Нн - показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
4.6. Плотность воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу ρ2а
кг/м3, (15)
где t2а – температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение IIa), °С.
4.7. Плотность воздуха на выходе из трубы ρ2
кг/м3, (16)
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), °С.
|
|
|
4.8. Значение энтальпии воздуха h в сечениях I, IIa и II определяется по общему уравнению
кДж/кг (17)
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С);
tj – температура в рассматриваемом сечении, °С;
j – индекс рассматриваемого сечения (I, IIa или II).
4.9. Средняя скорость потока Wj в сечениях IIa и II определяется по общему уравнению
м/сек, (18)
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35·10-3 м2;
ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3;
j - индекс рассматриваемого сечения (IIa или II).
Скорость потока воздуха в сечении I (на входе в воздухомер из окружающей среды) должна быть принята равной W1 = 0.
4.10. Изменение потенциальной энергии на участке I − IIа ΔЭпот
кДж/кг (19)
Так как в данной работе (Z2а – Z1) = 0,4 м , то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кг одинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (5) можно пренебречь.
4.11. Работа электрического тока lэ1 на I-ом участке (подсистеме)
|
|
|
кДж/кг (20)
где Iк – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, а;
Uк – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, в.
4.12. Работа электрического тока lэ2 на II-ом участке (подсистеме)
кДж/кг (21)
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а;
Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.
4.13. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной таблицы.
Сводная таблица
| № п./п. | Измеряемая величина | Обозначение | Единицы измерен | Номера опытов | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||||
| 1 | Атмосферное давление | Ратм. | Па | ||||||
| 2 | Перепад давления воздуха в воздухомере | ΔР. | Па | ||||||
| 3 | Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера | ρв | кг/м3 | ||||||
| 4 | Расход воздуха | G | кг/сек | ||||||
| 5 | Плотность воздуха в сечении IIа | ρ2a | кг/м3 | ||||||
| 6 | Средняя скорость потока в сечении IIa | W2a | м/сек | ||||||
| 7 | Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II) | ρ2 | кг/м3 | ||||||
| 8 | Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II) | W2 | м/сек | ||||||
| 9 | Работа электрического тока на первом участке (подсистеме) | lЭ1 | кДж/кг | ||||||
| 10 | Изменение энтальпии потока на первом участке (подсистеме) | Δh1 | кДж/кг | ||||||
| 11 | Изменение кинетической энергии потока на первом участке (подсистеме) | ΔЭкин1 | кДж/кг | ||||||
| 12 | Количество теплоты, отдаваемое на первом участке в окружающую среду | qн1 | кДж/кг | ||||||
| 13 | Работа электрического тока на втором участке (подсистеме) | lЭ2 | кДж/кг | ||||||
| 14 | Изменение энтальпии потока на втором участке (подсистеме) | Δh2 | кДж/кг | ||||||
| 15 | Изменение кинетической энергии потока на втором участке (подсистеме) | ΔЭкин2 | кДж/кг | ||||||
| 16 | Количество теплоты, отдаваемое на втором участке в окружающую среду | qн2 | кДж/кг | ||||||
| 17 | Общее количество тепла, отдаваемое в окружающую среду термодинамической системой | qн | кДж/кг | ||||||
4.14. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы:
К строке 10: 
К строке 11: 
К строке 12: 
К строке 14: 
К строке 15: 
К строке 16: 
К строке 17: 
Лабораторная работа 2.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Цель работы . Изучение термодинамических свойств влажного воздуха и процессов изменения параметров влажного воздуха.
Основные положения . Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара. Знание свойств влажного воздуха необходимо для расчетов процессов сушки влажных материалов и изделий, а также систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Влажный воздух можно рассматривать с некоторыми допущениями как газовую смесь, к которой применимы законы идеального газа.
Закон Дальтона формулируется так: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений компонентов. Каждый газ ведет себя так, как если бы он был один в сосуде, занимая весь объем смеси:
, (1)
где В − барометрическое давление; рв и рп − парциальные давления, соответственно, сухого воздуха и водяного пара.
Уравнение состояния для идеального газа может быть использовано как для сухого воздуха, так и для водяного пара, находящегося во влажном воздухе, так как во влажном ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара. Уравнение состояния можно записать в следующем виде:
(2)
или для 1 кг рабочего тела:
(3)
где р − парциальное давление компонента, Па;
V − объем газовой смеси, м3;
m − масса газа, кг;
R − характеристическая газовая постоянная, Дж/(кг·град);
Т − абсолютная температура, °К; 14
v − удельный объем газа, м3/кг.
Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть выражено по-разному: через абсолютную или относительную влажность, или влагосодержание.
Абсолютная влажность воздуха характеризует массу водяного пара, которая содержится в 1 м3 влажного воздуха. Так как объем водяного пара в 1 м3 влажного воздуха также составляет 1 м3 , то можно сказать, что абсолютная влажность численно равна плотности водяного пара в смеси ρп, кг/м3. Таким образом, абсолютная влажность представляет собой объемную концентрацию пара. Концентрация влаги в воздухе может изменяться. Воздух, который способен поглощать водяной пар, называется ненасыщенным, причем эта его способность к насыщению зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше движущая сила процесса сушки, определяемая разностью парциальных давлений паров растворителя над материалом и в окружающем воздухе. Влага переходит из материала в воздух до наступления состояния равновесия. При насыщении воздух не поглощает влагу, и избыточная влага начинает конденсироваться. Поэтому в процессе сушки очень важно знать способность воздуха к насыщению, которая характеризуется относительной влажностью φ [2].
Относительная влажность — это отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха или газа к концентрации водяного пара насыщенного воздуха или газа при одинаковых температурах и давлениях, т. е. это отношение плотности водяного пара при данных условиях к плотности, предельно возможной при той же температуре и том же барометрическом давлении:
(4)
где ρп − плотность пара в ненасыщенном состоянии, кг/м3;
ρн − плотность пара в состоянии насыщения, кг/м3.
Из уравнения (3) относительную влажность воздуха можно выразить с небольшой погрешностью отношением парциального давления пара в воздухе к парциальному давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Ошибка при предположении, что водяной пар является идеальным газом, составляет приблизительно 1,5%, что вполне допустимо при инженерных расчетах. Тогда относительная влажность воздуха при температуре t менее 100°С:
. (5)
При температуре выше 100°С относительная влажность определяется по формуле:
, (6)
где В − барометрическое давление, Па; 
.
Для абсолютно сухого воздуха, когда рп = 0, относительная влажность тоже равна 0. Для воздуха, насыщенного водяными парами, рп = рн и φ= 1. Поэтому можно сказать, что относительная влажность является показателем степени насыщения воздуха водяными парами.
Влагосодержание воздуха. Влагосодержанием влажного воздуха называется масса водяного пара в граммах, приходящаяся на 1 килограмм абсолютно сухого воздуха:
, (7)
где Мп и Мв – соответственно массы водяного пара и сухого газа, кг.
Используя уравнение состояния (2) для влажного воздуха, запишем:
(8)
Величина В, входящая в формулу, зависит от географического положения местности (для центральных частей России В ≈ 745 мм рт. ст.).
Из уравнения (8) видно, что влагосодержание воздуха зависит от относительной влажности, парциального давления насыщенного водяного пара и барометрического давления. Для насыщенного воздуха (φ = 1) с возрастанием парциального давления (или температуры насыщения) увеличивается количество влаги в газе. С увеличением барометрического давления влагосодержание воздуха падает. При температуре более 100 °С рн = В, тогда формула (8) приобретает следующий вид:
, (9)
т.е. величина d при t > 100 °С зависит только от φ.
Теплосодержание влажного воздуха, в котором содержится 1 кг сухого воздуха и d г влаги, можно представить как сумму теплосодержаний (энтальпий) сухого газа и перегретого водяного пара. Теплосодержание I влажного воздуха относится обычно к 1 кг сухого воздуха:
, (10)
где hв = 1,006·t — энтальпия сухого воздуха, кДж/кг (1,006 — средняя удельная теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг·град);
hп = (2500+1,97·t) — энтальпия водяного пара, равная сумме его теплосодержания при 0°С и тепла перегрева от 0° до t (1,97 — средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара, кДж/(кг · град).
Таким образом, теплосодержание влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха определяется по формуле:
(11)
Из этой формулы видно, что энтальпия влажного воздуха возрастает с увеличением его температуры и влагосодержания.
Температура точки росы является одной из характеристик влажного воздуха. По этой температуре можно определить относительную влажность воздуха. Температурой точки росы, или температурой насыщения, называется та температура, до которой следует охладить влажный воздух (при постоянном влагосодержании), чтобы он стал насыщенным. При этом водяной пар конденсируется и выпадает в виде росы (φ = 1). Парциальное давление водяного пара рп равно давлению в состоянии насыщения рн. Температуру точки росы можно определить по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара как температуру насыщенного воздуха при парциальном давлении насыщения рн или по I−d диаграмме влажного воздуха (рис. 3).
Схема и описание установки
Лабораторная установка (рис. 1) состоит из прозрачного пластмассового воздуховода 1, внутри которого установлен психрометр. Психрометр состоит из двух ртутных термометров: сухого 5 и так называемого мокрого 4.
Рис. 1. Схема лабораторной установки
Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный термобаллончик обернут тканью, смоченной водой. Таким образом, мокрый термометр показывает температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Очевидно, что с поверхности мокрой ткани (если только влажный воздух не является насыщенным) происходит испарение воды. Убыль влаги в процессе испарения компенсируется ее поступлением под действием капиллярных сил из специального баллончика 3 с водой. Для уменьшения погрешности показаний мокрого термометра компрессором 2 создается поток воздуха, скорость которого измеряется расходомерным устройством типа труба «Вентури» 9 по показаниям U-образного вакуумметра 10. При достижении стационарного режима (разность показаний сухого и мокрого термометров не изменяется во времени) сухой термометр показывает истинное значение температуры влажного воздуха tс, а мокрый − температуру испаряющейся с поверхности ткани воды tм.
Причем, чем суше воздух, тем больше психрометрическая разность (tс − tм). Переход от одного режима к другому осуществляется путем изменения температуры воздуха с помощью электронагревателя 6. В работе предусмотрена возможность изменения скорости воздушного потока с помощью поворотной заслонки 8, а также изменение влагосодержания путем впрыскивания в поток воздуха водяного пара, генерируемого в автоклаве 7. Измерение параметров окружающей среды выполняется с помощью ртутного барометра 11 и термометра 12. Результаты наблюдений вносятся в протокол.
Протокол наблюдений
| № п/п | Измеряемая величина | Обозначение | Единицы измерения | Номер опытов | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||||
| 1 | Температура сухого термометра | tc | 0С | ||||||
| 2 | Температура мокрого термометра | tМ | 0С | ||||||
| 3 | Разряжение в «горле» воздухомера | Н | мм.вод.ст. | ||||||
| 4 | Показание барометра | В | мбар | ||||||
| 5 | Температура окружающей среды | tокр. | 0С | ||||||
Расчетные формулы и расчеты
4.1. Приступая к вычислениям, необходимо рассчитать истинное значение температуры мокрого термометра tм′ по формуле:
, (12)
где tм − показание мокрого термометра в психрометре, °С;
Δ − ошибка в процентах от измеренной разности (tс – tм), определяемая по графику (рис. 2) в зависимости от скорости потока;
tс − температура по сухому термометру, °С.
Рис. 2. График для определения величины ошибки
к показаниям мокрого термометра при разной скорости воздуха
4.2. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:
(13)
4.3. Перепад давления воздуха в воздухомере ΔР:
ΔР =Н·g·ρ, Па, (14)
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3;
g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2;
Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод.ст.
4.4. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера ρв
, (15)
где R –газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.
4.5. Расход воздуха G
(16)
4.6. Средняя скорость потока W определяется по уравнению
, (17)
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, равная величине 0,0177, м2;
4.7. Плотность воздуха ρ в рассматриваемом сечении при атмосферном давлении определяется по формуле
(18)
4.8.Определение относительной влажности:
а) по психометрической формуле
(19)
где рм − давление насыщения водяного пара при измеренной температуре мокрого термометра;
рн − давление насыщения водяного пара при температуре сухого термометра.
Величины рм и рн находятся по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или по рекуррентной формуле полинома:
(20)
Поправочный коэффициент А, учитывающий влияние скорости воздуха, находится по формуле:
(21)
где В − барометрическое давление; W − скорость воздуха, м/сек.
б) по I−d диаграмме (рис.3).
4.9. Абсолютная влажность воздуха ρп определяется по уравнению:
(22)
Здесь и далее φ – относительная влажность в долях единицы;
Rп – газовая постоянная водяного пара равная 462 Дж/(кг·град);
рн − давление водяного пара при температуре сухого термометра, Па;
4.10. Влагосодержание воздуха определяется по формуле (8).
4.11. Теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха находится по формуле (11).
4.12. Парциальное давление пара во влажном воздухе определяется по формуле:
(23)
4.13. Результаты расчетов по формулам и найденные по I-d диаграмме влажного воздуха должны быть продублированы в форме сводной таблицы.
Таблица
| № п/п | Измеряемая величина | Обозна-чение | Единицы измере-ния | Номер опытов | |||||||||||
| по расчету | по I-d диаграмме | ||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||||
| 1 | Истинное значение мокрого термометра | 
| 0С | ||||||||||||
| 2 | Относительная влажность | 
| % | ||||||||||||
| 3 | Влагосодержание | d | г/кг сух.воз. | ||||||||||||
| 4 | Абсолютная влажность | 
| кг/м3 | - | - | - | - | - | - | ||||||
| 5 | Теплосодержание (энтальпия) | I | кДж/кг | ||||||||||||
| 6 | Парциальное давление пара |
| Па | ||||||||||||
| 7 | Парциальное давление насыщения | 
| Па | ||||||||||||
| 8 | Температура точки росы | 
| 0С | - | - | - | - | - | - | ||||||
Лабораторная работа 3.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 157; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!