Исследование процессов изменения состояния влажного атмосферного воздуха

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Методические указания для выполнения лабораторной работы

Иваново 2004

 

 

Составитель И.М. ЧУХИН

 

Редактор Т.Е. СОЗИНОВА

 

Данные методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлениям: 650800 – Теплоэнергетика, 651100 - Техническая физика, 657900 - Автоматизированные технологии и производства, специальностей: 100500, 100600, 100700, 100800, 101000 и 210200 теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов, изучающих теплотехнические дисциплины.

Они включают основные теоретические положения, необходимые для расчета термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха и для выполнения лабораторной работы по изучению процессов влажного воздуха на физическом стенде сушильной установки.

 

 

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

 

 

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники Ивановского государственного энергетического университета

 

 

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

при выполнении лабораторной работы

1. К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории технической термодинамики с записью в соответствующем журнале и личной подписью студента и преподавателя, проводившего инструктаж.

2. Включение и выключение установки осуществляется только инженером или лаборантом с разрешения преподавателя.

3. Приступать к выполнению работы разрешается только после ознакомления с методикой проведения эксперимента и самим лабораторным стендом, в чем должен убедиться преподаватель.

4. Запрещается:

а) осуществлять подключение и отключение стенда к электропитанию;

б) осуществлять подключение и отсоединение любых электрических кабелей, проводов заземления и т.п. соединений оборудования;

в) притрагиваться к неизолированным частям любых проводов, к радиаторам и трубопроводам системы отопления, водоснабжения и канализации, если таковые обнаружатся;

г) работать при отсутствии света или недостаточном освещении.

5. Обо всех замеченных неисправностях на установке немедленно докладывать преподавателю, и до их полного устранения к выполнению работы не приступать.

 

Цель работы

 

Изучение термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха.

Задание

 

1. Снять опытные характеристики влажного атмосферного воздуха в процессах нагрева и сушки с физического стенда установки.

2. Провести обработку экспериментальных данных и определить термодинамические параметры влажного воздуха в характерных точках процессов.

3. Построить процессы влажного воздуха, проходящие в установке, в H,d – диаграмме.

4. Определить расходы влажного и сухого воздуха через установку.

5. Определить количество сухого воздуха, необходимого для испарения 1 кг влаги в данной установке.

6. Определить количество теплоты, затраченной в калорифере, необходимой для нагрева воздуха при испарении им 1 кг влаги.

7. Определить потери теплоты в окружающую среду в калорифере и сушильной камере в расчете на 1 кг испаренной влаги.

8. Провести анализ процессов, проходящих в установке, с точки зрения их термодинамической эффективности.

 

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Влажный воздух - это смесь сухого воздуха и водяного пара. В воздухе при определенных условиях кроме водяного пара может находиться его жидкая (вода) или кристаллическая (лед, снег) фаза. В естественных условиях воздух всегда содержит водяной пар.

 

Описание экспериментальной установки

 

Схемы экспериментальной установки и ее рабочего участка представлены на рис. 4.1 и 4.2.

Из помещения лаборатории воздух, состояние которого определяется барометром и психрометром 13, компрессором 7 подается в калорифер 19, где он нагревается с помощью электронагревателя, температура на входе и выходе калорифера измеряется термопарами 21 и 22, расход воздуха определяется с помощью расходомерной диафрагмы 18 по перепаду давления на ней, измеряемому U образным манометром 2. Далее нагретый воздух по трубке 15 поступает в сушильную камеру 14, где он, проходя через отверстия трубки 15, испаряет влагу из материи 16, которой обернута снаружи трубка. Вода подается на материю 16 через капельницу 17. Забрав в себя испаренную из материи влагу, воздух при температуре, фиксируемой сухой 23 и мокрой 24 термопарами выходит из сушильной камеры в помещение лаборатории.

 

Порядок проведения опыта

 

Внимание!!! Пункты 2 – 8 и 11 выполняются обслуживающим персоналом лаборатории или преподавателем.

Студентами выполняются только пункты 1и 9 - 10, с остальными пунктами они просто знакомятся.

1. Записать в журнал наблюдений показания лабораторного барометра и психрометра 13.

2. Подключить стенд к электросети с помощью белого кабеля с вилкой, расположенного на задней панели установки.

3. Соединить проводами гнезда мультиметра 5 с гнездами 3 на передней панели установки для измерения напряжения U_o на образцовом сопротивлении 20 и U_н на нагревателе калорифера. Включить мультиметр в режим измерения напряжения переменного тока.

4. Смочить ткань 16 в сушильной камере дистиллированной водой, залив ее в количестве 30 мл в капельницу 17. Смачивания производить через 10 минут.

5. Вынуть термопару 24 из гильзы и смочить ткань на ней дистиллированной водой. Установить термопару в гильзу. Смачивания производить через 10 минут.

6. Включить кнопку 9 «сеть» и тумблер включения прибора измерения температур 8. Проверить с помощью кнопок Ý ß на приборе 1 работу первых четырех термопар. Показания прибора по первой термопаре соответствуют термопаре 21, по второй – 22, по третьей – 23, по четвертой – 24.

7. Включить кнопку 10 «компрессор» и установить регулятором мощности компрессора 12 требуемый расход воздуха, ориентируясь на показания манометра 2 (в пределах 20-40 мм водн. ст.).

8. Включит кнопку 11 «нагрев» и установить требуемое напряжение на нагревателе калорифера с помощью регулятора напряжения 6, ориентируясь на показания мультиметра 5 при положении тумблера 4 вниз на измерение U_н (в диапазоне 80 - 120 В). При этом температура по показаниям второй термопары прибора 1 должна находиться на уровне 50 – 70 ^оС.

9. Записать в журнал наблюдений показания приборов стенда:

5 - измеряющего напряжение U_o положение переключателя 4 вверх и U_н положение переключателя 4 вниз;

2 – измеряющего перепад давлений на расходомерной диафрагме Dh;

1 – измеряющего температуры t₁, t₂, t₃, t₄, соответствующие каналам прибора с первого по четвертый.

10. Повторить все измерения через 5 минут, данные измерений занести в журнал наблюдений и приступить к их обработке расчетным путем.

11. Отключение установки происходит в обратном порядке по отношению к включению:

регулятором напряжения 6 устанавливается U_н=0 и отключается нагреватель калорифера кнопкой 11,

регулятором расхода воздуха компрессора 12 устанавливается минимальный расход и кнопкой 10 отключается компрессор,

тумблером 8 отключается прибор измерения температур,

кнопкой 9 «сеть» отключается напряжение от установки и вынимается электрическая вилка из розетки электропитания лаборатории.

 

Журнал наблюдений

 

Дата «__»______200 г Подпись преподавателя

Подпись студента ____________________

_______________

 

Атмосферное давление В=____ мм рт. ст.,

Показания психрометра в лаборатории:

сухого t_о=__ ^oC, мокрого t_ом=__ ^oC

 

№ п/п	Uн В	Uo B	∆h мм	t1 ^oC	t2 ^oC	t3 ^oC	t4 ^oC	Примечание

 

U_н - напряжение на нагревателе в Вольтах,

U_o - напряжение на образцовом сопротивлении в Вольтах,

∆h - перепад давлений на расходомерной диафрагме в мм вод. ст.,

t₁, t₂ – температуры на входе и выходе из калорифера в ^oC,

t₃, – температура сухого термометра на выходе из сушильной камеры в ^oC,

t₄, – температура мокрого термометра на выходе из сушильной камеры в ^oC.

 

Таблица 1

Точка	t, ^oC	d, г/(кг с в)	tр ^oC	pп мм рт ст	j	H кДж/(кг с в)	rвв кг/м^3

 

 

 

 

 

 

5.3. Определение потерь теплоты в калорифере и

сушильной камере

 

Определение потерь теплоты в калорифере ведется сравнением теплоты, выделенной электрическим нагревателем калорифера, и теплоты воспринятой воздухом в калорифере.

Теплота, выделенная электрическим нагревателем калорифера, рассчитывается по формуле

, Вт (5.8)

где U_н – напряжение на электрическом нагревателе в В,

I – ток на электрическом нагревателе в А, который определяется по R_o=0,1 Ом - образцовому сопротивлению 20 рис.4.2, последовательно включенному в цепь с нагревателем, как I=U_o/R_o.

Теплота, воспринятая воздухом в калорифере, рассчитывается по выражению

Q_В=G(H₂-H₁), кВт (5.9)

где H₂ и H₁ – энтальпии влажного воздуха на выходе и входе в калорифер в кДж/(кг с в).

Потери теплоты в калорифере во внешнюю среду определяются как разность (обратите внимание на размерность величин в формуле)

. кВт (5.10)

Потери теплоты в сушильной камере определяются путем сопоставления реального процесса сушки 2-3 с идеальным процессом сушки без потерь теплоты во внешнюю среду, который идет по постоянной энтальпии H₂=const.

Расчетное выражение потерь теплоты в сушильной камере во внешнюю среду выполняется по формуле-

, кВт (5.11)

где H₂ и H₃ – энтальпии влажного воздуха на входе и выходе из сушильной камеры соответственно в кДж/(кг с в).

Общие потери теплоты в установке соответствуют сумме

. кВт (5.12)

 

5.4. Определение количества теплоты, необходимой

для испарения 1 кг воды в установке

 

Для определения количества теплоты необходимого для испарения 1 кг влаги в данной установке сперва рассчитывается количество сухого воздуха необходимого для испарения 1 кг воды по формуле

, (кг с. в.)/(кг исп. вл.) (5.13)

где (d₃-d₁) – количество водяного пара испаренное 1 кг сухого воздуха в г.

Количество теплоты, затраченной в калорифере на нагрев воздуха, для испарения 1 кг воды будет соответствовать выражению

. кДж/(кг исп. вл.) (5.14)

Действительное количество теплоты, затраченное в установке, для испарения 1 кг воды будет соответствовать выражению

, кДж/(кг исп. вл.) (5.15)

где Q_к в Вт, G в кг/c, d₃ и d₁ в г/(кг. с.в.).

Результаты расчета процессов в сушильной установки сводятся в таблицу 2.

Таблица 2

QК	QВ					Q	QД
кВт	кВт	кВт	кВт	кВт

 

Результаты расчета процессов в сушильной установки анализируются на основании данных таблиц 1 и 2. По результатам этого анализа делаются краткие выводы о эффективности работы данной установки и ее недостатках.

 

 

6. Требования к оформлению отчета

 

Отчет составляется каждым студентом и включает следующие разделы:

1. Название работы и ее цель,

2. Схематичное изображение рабочего участка лабораторного стенда, с указанием его элементов,

3. Журнал наблюдений,

4. Схематичное изображение процессов, проходящих в установке, в H,d – диаграмме влажного воздуха,

5. Обработка опытных данных и расчет процессов в установке,

6. Результаты расчета и их анализ (по данным таблиц 1 и 2).

 

7. Контрольные вопросы для отчета по работе

 

1. Дайте характеристику термическим параметрам атмосферного влажного воздуха.

2. Дайте понятия и расчетные выражения абсолютной и относительной влажности воздуха, поясните какие допущения делаются для атмосферного влажного воздуха и какие формулы при этом используются для расчета абсолютной и относительной влажности.

3. Назовите основные состояния влажного воздуха и соответствующие этим состояниям параметры и характеристики влажного воздуха. Покажите состояния водяного пара в этом воздухе в P,v- диаграмме.

4. Дайте понятие температуры точки росы и покажите эту изотерму в P,v- диаграмме для водяного пара. Поясните практическое значение температуры точки росы.

5. Дайте понятие влагосодержания воздуха и выведите расчетное выражение влагосодержания пара для атмосферного влажного воздуха.

6. Напишите расчетное выражение энтальпии влажного воздуха при наличии в нем паровой, жидкой и твердой фаз воды. Поясните, какие требования предъявляются к удельным энтальпиям, входящим в это уравнение.

7. Напишите расчетное выражение энтальпии для влажного атмосферного воздуха при наличии в нем паровой, жидкой и твердой фаз воды. Поясните, какие допущения приняты при получении расчетных выражений удельных энтальпий, входящих в это уравнение.

8. Поясните принцип работы психрометра и его практическое предназначение.

9. Поясните принцип построения изотерм в области ненасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме.

10. Поясните принцип построения линий постоянных относительных влажностей для влажного атмосферного воздуха в H,d- диаграмме.

11. Поясните принцип построения изотерм в области перенасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме, и изотерм влажного термометра психрометра в области ненасыщенного воздуха.

12. Поясните особенность линий постоянных относительных влажностей атмосферного воздуха при температурах больше 100 ^оС.

13. На основании какого выражения строится зависимость парциального давления пара от влагосодержания в H,d- диаграмме?

14. Поясните назначение калорифера в сушильной установке.

15. Рассчитайте, какое теоретически минимальное количество сухого воздуха необходимо пропустить через установку для испарения 1 кг вода при выключенном нагревателе калорифера.

16. Рассчитайте, какое количество сухого воздуха необходимо пропустить через установку для испарения 1 кг вода при отсутствии потерь теплоты в сушильной камере.

17. Поясните, почему процесс идеальной сушки идет при постоянной энтальпии.

18. Поясните, как определяется парциальное давление пара в области перенасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме.

19. Поясните, как определяется температура точки росы в области перенасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме.

20. Поясните, как определяются влагосодержания паровой и жидкой фаз воды в области перенасыщенного влажного воздуха в H,d- диаграмме.

21. Определите по H,d- диаграмме, какое количество жидкости выпадет из 1 кг сухого воздуха состояния точки 1, если его охладить до температуры 10 ^оС.

 

Список литературы

 

1. Кириллин В.А.,Сычев В.В.,Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика.- М: Энергоиздат, 1983. - 416 с.

2. Коновалов В.И. Техническая термодинамика / Иван. гос. энерг. ун-т.- Иваново, 1995. - 464 с.

3. Чухин И.М., Коновалов В.И. Термодинамические свойства реальных газов и паров. Учеб. пособие / Иван. гос. энерг. ун-т.- Иваново, 2003. - 100 с.

4..Л.,Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. - М.: Издательство МЭИ, 1999. 168 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Требования по технике безопасности …………………………………... 3

1.Цель работы ………………………………………………………………. 4

2. Задание …………………………………………………………………… 4

3. Основные теоретические положения ………………………………... 4

3.1. Основные характеристики влажного воздуха ……………………. 4

3.2. Характеристики атмосферного влажного воздуха ………………. 6

3.3. H,d - диаграмма атмосферного влажного воздуха …………….. 11

4. Описание экспериментальной установки ………………………….. 18

4.1. Порядок проведения опыта ………………………………………... 18

5. Методика обработки результатов эксперимента ………………… 22

5.1. Определение массового расхода сухого воздуха через

установку ……………………………………………………………… 22

5.2. Построение процесса в H,d – диаграмме ……..………………… 23

5.3. Определение потерь теплоты в калорифере и сушильной

камере ……………………………………………….………………… 26

5.4. Определение количества теплоты, необходимой для

испарения 1 кг воды в установке ……………………………...….. 26

6. Требования к оформлению отчета …………………………………. 27

7. Контрольные вопросы для отчета по работе ………………...…… 28

Список литературы ……………………………………………………….. 30

 

 

ЧУХИН Иван Михайлович

Исследование процессов изменения состояния влажного

атмосферного воздуха

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Методические указания для выполнения лабораторной работы

Иваново 2004

 

 

Составитель И.М. ЧУХИН

 

Редактор Т.Е. СОЗИНОВА

 

Данные методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлениям: 650800 – Теплоэнергетика, 651100 - Техническая физика, 657900 - Автоматизированные технологии и производства, специальностей: 100500, 100600, 100700, 100800, 101000 и 210200 теплоэнергетического, инженерно-физического и других факультетов, изучающих теплотехнические дисциплины.

Они включают основные теоретические положения, необходимые для расчета термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха и для выполнения лабораторной работы по изучению процессов влажного воздуха на физическом стенде сушильной установки.

 

 

Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ

 

 

Рецензент

кафедра теоретических основ теплотехники Ивановского государственного энергетического университета

 

 

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

при выполнении лабораторной работы

1. К выполнению работы допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности в лаборатории технической термодинамики с записью в соответствующем журнале и личной подписью студента и преподавателя, проводившего инструктаж.

2. Включение и выключение установки осуществляется только инженером или лаборантом с разрешения преподавателя.

3. Приступать к выполнению работы разрешается только после ознакомления с методикой проведения эксперимента и самим лабораторным стендом, в чем должен убедиться преподаватель.

4. Запрещается:

а) осуществлять подключение и отключение стенда к электропитанию;

б) осуществлять подключение и отсоединение любых электрических кабелей, проводов заземления и т.п. соединений оборудования;

в) притрагиваться к неизолированным частям любых проводов, к радиаторам и трубопроводам системы отопления, водоснабжения и канализации, если таковые обнаружатся;

г) работать при отсутствии света или недостаточном освещении.

5. Обо всех замеченных неисправностях на установке немедленно докладывать преподавателю, и до их полного устранения к выполнению работы не приступать.

 

Цель работы

 

Изучение термодинамических свойств и процессов влажного атмосферного воздуха.

Задание

 

1. Снять опытные характеристики влажного атмосферного воздуха в процессах нагрева и сушки с физического стенда установки.

2. Провести обработку экспериментальных данных и определить термодинамические параметры влажного воздуха в характерных точках процессов.

3. Построить процессы влажного воздуха, проходящие в установке, в H,d – диаграмме.

4. Определить расходы влажного и сухого воздуха через установку.

5. Определить количество сухого воздуха, необходимого для испарения 1 кг влаги в данной установке.

6. Определить количество теплоты, затраченной в калорифере, необходимой для нагрева воздуха при испарении им 1 кг влаги.

7. Определить потери теплоты в окружающую среду в калорифере и сушильной камере в расчете на 1 кг испаренной влаги.

8. Провести анализ процессов, проходящих в установке, с точки зрения их термодинамической эффективности.