Вимірювання теплоємності повітря

Лабораторна робота № 1

ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОЄМНОСТІ ПОВІТРЯ

Ціль роботи

Ціль роботи – поглибити знання з розділу «Властивості ідеальних газів. Теплоємність газів»; ознайомитись з основними принципами проведення калориметричного досліду.

Завдання

1. Виміряти середню об'ємну ізобарну теплоємність повітря методом
проточного калориметру.

2. За даними вимірювань розрахувати масову ізобарну і масову ізохорну
теплоємності повітря.

3. Оцінити точність одержаних експериментальних даних і порівняти їх з
наведеними в літературі.

Загальні відомості

Теплоємністю називається фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної для зміни температури тіла на один градус. Якщо кількість теплоти віднести до одиниці кількості речовини, теплоємність буде питомою:

масовою - с,кДж/кг·К;

мольною - с_µ, кДж/кмоль·К;

об'ємною - с´, кДж/м³_н·К;

де м³_н – кубічний метр при нормальних умовах, Р_н=760мм рт. ст; Т_н=273,15 К.

Між питомими теплоємностями існують такі співвідношення:

; ; , (1.1)

де µ - мольна маса газу, кг/кмоль;

v _µ - мольний об'єм газу, м³/кмоль;

ρ - густина газу, кг/м³.

В залежності від процесу, в якому здійснюється підведення або відведення теплоти, теплоємність може змінити своє значення від 0 (в адіабатному процесі) до ±∞ (в ізотермічному процесі). Велике практичне значення мають теплоємності в ізобарному с_р і в ізохорному с_v процесах.

Для ідеального газу справедливо співвідношення, так зване рівняння
Майєра:

, (1.2)

де R – питома газова стала, кДж/(кг·К).

В термодинамічних розрахунках часто використовується відношення с_р і с_v, або показник адіабати - к:

. (1.3)

У відповідності з молекулярно-кінетичною теорією теплоємність ідеальних газів не залежить від температури; залежність теплоємності газів від температури встановлюють експериментально. Теоретичні значення теплоємностей газів в залежності від температури вираховуються на основі спектроскопічних даних з використанням квантової статистики і наводяться у відповідних таблицях.

Розрізнюють дійсну теплоємність при даній температурі , тоді , і середню теплоємність в інтервалі температур , звідки .

Опис методики експерименту

Одним з найбільш поширених методів вимірювання теплоємності газів є метод проточного калориметру. До потоку газу, що протікає через калориметр, підводять деяку кількість теплоти Q, яка викликає зміну температури від Т₁ до Т₂. Після встановлення стаціонарного режиму температура газу на вході в калориметр і виході з нього не змінюється і кількість теплоти залишається сталою. На рис. 1.1 показана спрощена схема проточного калориметра, де газ рухається зліва направо, нагрівання газу відбувається між перерізами 1 і 2.

Рис. 1.1. Схема проточного калориметра.

Для перерізів 1 і 2 калориметра запишемо повне рівняння першого закону термодинаміки для 1 кг потоку (потік стаціонарний).

, (1.4)

де q _сл - кількість теплоти, підведеної в електричному нагрівачі до 1 кг газу, який проходить через калориметр; h₂, h₁ – питомі ентальпії газу в перерізі відповідно 1 і 2; w₁, w₂ – швидкості газу в перерізі відповідно 1 і 2; l_техн – технічна робота; q_тв – теплові втрати в навколишнє середовище в розрахунку на 1 кг газу.

Так як швидкості газу w₁, w₂ відрізняються одна від одної незначно, технічна робота не відбувається; якщо висоти b₁ і b₂ відрізняються одна від одної також незначно, відповідні члені із рівняння (1.4) випадають і залишаються такі:

(1.5)

В загальному випадку ентальпія газу залежить від температури і тиску і диференціал ентальпії має вигляд:

(1.6)

Так як повітря при атмосферному тиску за своїми властивостями дуже близьке до ідеального тазу, член = 0. Тоді для кінцевого інтервалу температур

. (1.7)

З врахуванням (1.5) маємо

. (1.8)

. (1.9)

В (1.8) величини q _сл і q_тв визначаються на 1 кг газу, а в експерименті за 1с проходить т кг, тому розрахункову формулу можна записати у вигляді:

. (1.10)

Опис лабораторної установки

Основною частиною лабораторної установки (рис. 1.2) є проточний калориметр 1, протікання повітря через який забезпечується за допомогою вентилятора 7. Витрата газу регулюється за допомогою зажиму 6, а вимірюється – за допомогою попередньо відградуйованої ротаметричної трубки 5, яка з'єднується з калориметром трубкою 4. В калориметрі є електричний нагрівач, потужність якого регулюється автотрансформатором; для вимірювання струму в ланцюзі є амперметр А, а для вимірювання напруги – вольтметр V. Температура t₁ на вході в калориметр і виході із нього t₂ вимірюється ртутними термометрами відповідно 2 і 3. Для виключення теплових втрат калориметр оточений посеребреною скляною оболонкою; простір між оболонкою і калориметром вакуумовано.

 

Рис. 1.2. Схема лабораторної установки.

Порядок проведення досліду

1. Ввімкнути вентилятор і за допомогою зажиму відрегулювати витрату
повітря через калориметр за вказівками викладача.

2. За допомогою автотрансформатора встановити необхідну потужність
нагрівача за вказівками викладача і потім ввімкнути його.

3. Слідкувати за встановленням температурного режиму, реєструючи кожні 5
хв температури t₁ і t₂.

4. Після того, як температура і витрата повітря стануть сталими, записати в
табл. 1. 1 стаціонарні значення всіх параметрів.

5. Вимкнути нагрівач, потім вентилятор.

6. Результати обробки дослідних даних занести з табл. 1.2.

Протокол вимірювань

Показання барометра Р_t=.

Таблиця 1.1

№ п/п	Δτ, с	Напруга U, В	Струм І, А	Температура, ^оС	Витрата повітря
на вході t1	на виході t2	Кількість поділок ротаметра	V t, м^3/с

Лабораторна робота № 2

Ціль роботи

Ціль роботи – вивчити методику визначення параметрів вологого повітря за допомогою психрометра та Hd – діаграми; навчитися будувати процеси нагрівання повітря в електрокалорифері і зволоження його в сушильній камері, визначити витрату повітря, кількість вологи, що випаровує і кількість теплоти, витраченої на випаровування в сушильній камері на 1 кг вологи.

Завдання

Звіт з роботи повинен вміщувати схему лабораторної установки; відповідні таблиці результатів обробки дослідних даних; викопіровку Hd – діаграми вологого повітря з побудованими процесами нагрівання і зволоження повітря в сушильній установці; розрахунок кількості теплоти, витраченої на нагрівання повітря в електрокалорифері; продуктивності установки з випареної вологи; кількості теплоти, витраченої на випаровування 1 кг вологи; сумарних втрат теплоти.

Загальні відомості

Вологе повітря як робоче тіло широко використовують в сушильній техніці, системах кондиціювання, вентиляції і повітряному опаленні.

Атмосферне повітря складається з сухого повітря і водяної пари. В суху частину повітря входить азот, кисень, інертні гази, зокрема, аргон, вуглекислота і невелика кількість інших газів.

Водяна пара, що вміщується в вологому повітрі, може бути перегрітою, сухою і вологою насиченою.

Якщо в повітрі міститься перегріта пара, повітря називається ненасиченим, якщо суха насичена - насиченим, а якщо пара волога насичена, - перенасиченим, або туманом.

З точністю, достатньою для технічних розрахунків, можна вважати, що вологе повітря підлягає усім законам суміші ідеальних газів. Кожний газ, в тому числі водяна пара, що входить в склад суміші, займає той же об'єм, що і вся суміш. Пара має температуру суміші, знаходиться під своїм парціальним тиском. Тиск вологого повітря Р_{в.п .}, задовольняє рівнянню Дальтона:

(2.1)

де Р_{с.п .}, Р_п – парціальний тиск відповідно сухого повітря і пари, кПа.

Вміст вологи в повітрі характеризується абсолютною і відносною вологістю, а також вологовмістом.

Абсолютною вологістю повітря називається маса пари, що міститься в 1 м³. Так як об'єм вологого повітря V_{в.п .} дорівнює об'єму пари V_п, абсолютну пологість можна визначити як густину пари при її парціальному тиску і температурі повітря, кг/м³:

(2.2)

Відносна вологість повітря дорівнює відношенню густини пари до густини насиченої пари, або відношенню парціального тиску водяної пари до парціального тиску насиченої водяної пари при тій же температурі, %:

, % (2.3)

Вологовміст являє собою відношення маси пари М_п до маси сухої частини вологого повітря М_с.в., г/кг с.в.:

(2.4)

Ентальпію вологого повітря Н_в.п. також відносять до 1 кг його сухої частини. Питома ентальпія вологого повітря дорівнює сумі питомих ентальпій 1 кг сухого повітря і d/1000 кг водяної пари, кДж/кг с.п.:

, (2.5)

де: h_с.п. - ентальпія сухого повітря, кДж/кг;

h_п - ентальпія пари, кДж/кг;

с_рс.п - ізобарна теплоємність сухого повітря, кДж/(кг·К);

r - питома теплота пароутворення води, при 0 ^оС, кДж/кг;

с_рп - ізобарна теплоємність пари, кДж/(кг·К).

Стан вологого повітря характеризують також такі поняття, як температура точки роси і температура мокрого термометра.

Температурою точки роси t_т..р називається така температура, до якої необхідно охолодити повітря при сталому парціальному тиску, щоб воно стало насиченим.

При адіабатному випаровуванні води температура повітря на поверхні випаровування знижується, так як випаровування відбувається за рахунок теплоти повітря. Температура, яка встановлюється в повітрі при його адіабатному насиченні (Н=соnst), називається температурою мокрого термометра t_м.

На принципі адіабатного випаровування заснований прилад, який називається психрометром і призначений для вимірювання відносної вологості повітря.

Психрометр складається із двох однакових термометрів, один із яких
називається сухим (а його показники - температурою повітря за сухим
термометром), а другий - "мокрим", тому що його ртутна кулька покрита
матерією, змоченою у воді.

Показання психрометра дозволяють визначити відносну вологість за допомогою Нd-діаграми або психрометричної таблиці.

Вологе повітря використовується в якості сушильного агенту в різних сушильних установках. Сушіння є широко поширеним технологічним процесом в легкій промисловості.

Сушінням називається процес видалення вологи із матеріалу шляхом випаровування за рахунок підведеної теплоти.

По засобу підводу теплоти розрізняють конвективне, контактне сушіння, а також сушіння в електромагнітному полі. Схема установки показана на рис.2.1.

Конвективна сушильна установка з однократним використанням повітря складається із наступних основних елементів: вентилятора 1 для переміщення повітря; калорифера 2 для нагрівання повітря; сушильної камери 3, в якій розміщується матеріал для висихання 4. Повітря із приміщення за допомогою вентилятора подається в калорифер, в якому нагрівається до заданої температури. Із калорифера повітря надходить в сушильну камеру, де віддає теплоту на випаровування пологи із матеріалу. Відпрацьоване, тобто зволожене, повітря видаляється із сушильної камери. Із діаграм, показаних па рис.2.1, видно, як змінюються параметри повітря в сушильній установці, наприклад температура знижується від t₂ до t₃, так як теплота витрачається на випаровування вологи; в процесі випаровування вологи повітря зволожується, його вологовміст збільшується від d₂ до d₃, а відносна вологість – від φ₂ до φ₃.

Рис.2.1. Принципова схема сушарки і діаграми зміни параметрів повітря.

Рівняння теплового балансу конвективної сушильної установки» з однократним використанням теплоносія має такий вигляд:

(2.6)

де: Q_к - кількість теплоти, підведеної до повітря в калорифері, кВт; Q_відх - втрати теплоти з повітрям, що виходить з калориферу, кВт; Q_м, Q_тр - витрати теплоти на нагрівання відповідно матеріалу і транспортних засобів, кДж; Q_ис - витрати теплоти в навколишнє середовище через стінки сушильної камери, кДж; С_вWt_м - кількість теплоти маси вологи, що видаляється в процесі сушіння, кВт.

Якщо обидві частини рівняння (2.6) поділити на кількість вологи, що видаляється в процесі сушіння вологи W, тоді підставляючи значення q_к і q_відх в рівняння теплового балансу, одержимо:

(2.7)

де Н₁, Н₂, Н₃ - ентальпія повітря відповідно перед калорифером, після нього і після сушильної камери, кДж/кг с.п.; l - витрата в одиницю часу сухого повітря на 1 кг випареної вологи, кг.с.п./(кг вип.вол.)·с.

Після перестановки одержимо:

, (2.8)

Алгебраїчну суму втраченої теплоти (кДж/кг вип.вол) позначимо:

. (2.9)

Це рівняння називається внутрішнім тепловим балансом сушарки. На основі рівнянь (2.8) і (2.9) одержимо:

(2.10)

Звідси одержимо рівняння дійсного процесу сушіння:

(2.11)

На практиці при відсутності допоміжного калорифера і сушильної камери Δ<0. В цьому випадку ентальпія сушильного агенту в процесі сушіння зменшується (Н₃<Н₂).

В теорії сушіння для аналізу процесу використовують умовне поняття теоретичної сушарки, якою називається така сушарка, де відсутні втрати теплоти в навколишнє середовище, на нагрівання транспортуючих пристроїв і матеріалу, що висушується, а температура матеріалу на вході в сушильну камеру і виході із неї приймається 0 °С. В теоретичній сушарці процес сушіння (тобто зволоження повітря) протікає при сталій ентальпії, тобто адіабатно. При цьому кількість теплоти, що віддається сушильним агентом на випаровування вологи, повертається до нього.з теплотою випареної вологи.

В Нd-діаграмі (рис.2.2.) процеси в теоретичній сушарці зображаються процесами підігрівання повітря 1-2 в калорифері (d=соnst) і його зволоження при сушінні (Н=соnst). На практиці із-за втрат ентальпія сушильного агента в процесі сушіння зменшується (Н₃<Н₂), процес реального сушіння протікає від т.2 до т. 3.

Рис.2.2. Нd-діаграма.

Опис лабораторної установки

Рис. 2.3. Схема конвективної сушарки.

Лабораторна установка (рис.2.3) складається з вісьового вентилятора 10, слектрокалорифера 9 і сушильної камери 6, в якій розмішується вологий матеріал 4. Конструктивно вентилятор і сушильна камера розташовані в циліндричному каркасі 8, встановленому на підставці. Сушильна камера представляє собою круглий повітровід, в центральній частині якого є кришка 3 для завантаження вологого матеріалу. Простір між сушильною камерою і каркасом заповнено теплоізолюючим матеріалом.

В якості вологого матеріалу служать чотири зразки тканин, закріплені на каркасі 5. Повітря через жалюзі 11 надходить в установку і з допомогою вентилятора нагнітається до електрокалориферу. Нагріте повітря віддає свою теплоту волозі, що міститься в матеріалі. Відбувається випаровування вологи із матеріалу і зволоження повітря. При цьому температура повітря знижується, а вологість збільшується.

Параметри повітря в процесі сушіння вимірюються за допомогою психрометрів 2 і 12, розташованих на вході в сушильну установку і на виході із сушильної камери. Термометр 7, що знаходиться після електрокалорифера, вимірює температуру нагрітого повітря. На виході із сушильної камери встановлений крильчастий анемометр 1, призначений для вимірювання швидкості повітря.

Порядок проведення досліду

1. Підключити електрокалорифер установки в електромережу.

2. Прогріти установку до встановленого режиму.

3. Під час прогрівання установки змочити у воді тканину "мокрих" термометрів і
тканину зразків, призначених для сушіння.

4. У таблицю 2.1, тричі з інтервалом 2 хв. записати показання барометра і психрометра 12 (див. рис.2.3), що знаходиться перед входом в сушильну установку.

5. З інтервалом 3 хвилини контролюють показники психрометра 2, доки не впевняться в тому, що установка прогріта і температура повітря не підвищується.

6. Відкрити кришку 3 і помістити в сушильну камеру рамку з вологим зразком.

7. Записати показання на циферблаті анемометра. Підготовити секундомір і за допомогою важільця, що знаходиться на корпусі анемометра, включити механізм відліку показників. Через 60 секунд відключити механізм і записати показники анемометра. Вимірювання повторити три рази. Вирахувати середнє значення і за допомогою тарувального графіка визначити швидкість повітря. Результати занести в табл.2.1.

Таблиця 2.1.

№ п/п	Час, хв	Параметри повітря перед входом в установку (психрометр 1)	Показання анемометра	Барометричний тиск, Р
Температура сухого термометра, t1, ^оС	Температура мокрого термометра, tм1, ^оС	Число поділок	Швидкість повітря, м/с

 

8. Записувати показання термометра 7 і психрометра 2 з інтервалом 2 хв. Результати занести в табл.2.2.

Таблиця 2.2.

№ п/п	Час, хв.	Температура повітря після виходу із електрокалорифера (термометр 7), t2, ^оС	Параметри повітря після виходу із сушильної камери (психрометр 2)
Температура сухого термометра, t3, ^оС	Температура мокрого термометра, tм3, ^оС
Стале значення

 

9. Після виходу установки на стаціонарний режим (тобто коли показання термометра 7 і психрометра 2 встановляться) і одержання результатів вимірювань, які представляють викладачу, вимкнути установку.

Примітка. Для розрахунків необхідно взяти показання приладів, одержані при стаціонарному режимі роботи установки.

H-d діаграма

 

Лабораторна робота № 3

Ціль роботи

Поглибити знання з теми «Термодинамічні цикли холодильних установок», ознайомитися з конструкцією і методикою проведення випробовувань холодильної установки.

Завдання

1. Визначити параметри холодоагента в характерних точках циклу.

2. Відобразити цикл холодильної установки на Т, S - діаграмі.

3. Визначити холодопродуктивність установки, витрати енергії на привід
компресора, холодильний коефіцієнт.

Звіт про роботу повинен вмішувати схему і короткий опис лабораторної установки, опис принципу роботи компресорної холодильної установки і термодинамічних процесів, що протікають в її елементах, таблиці результатів вимірювань і обробки дослідних даних, відображення циклу холодильної уста­новки в Т, S - координатах.

Загальні відомості

Значна кількість технологічних процесів в промисловості проходить при низьких температурах. Для підтримання температури охолоджуємих тіл нижче температури навколишнього середовища необхідно безперервно відводити від них теплоту і передавати її навколишньому середовищу.

Згідно другому закону термодинаміки для здійснення передачі теплоти від менш нагрітих тіл до більш нагрітих необхідно витрачати енергію. В залежності від форм витрати енергії холодильні установки поділяються на компресорні (енергія витрачається у вигляді механічної роботи на привід компресора), абсорбційні та інші.

Найбільш широко в промисловості застосовують компресорні холодильні установки. Робочим тілом (холодоагентом) в цих установках служить рідина, що має при атмосферному тиску температуру кипіння нижче 0 ^оС. Найбільш поширеними холодоагентами є аміак і фреони.

Принципова схема компресорної холодильної установки показана на рис.3.1.

Рис 3.1. Схема компресорної холодильної установки:

1 - компресор, 2 - конденсатор, 3 - дросельний вентиль, 4 -випарник.

Основним енергоспоживаючим вузлом установки є компресор. Газоподібний холодоагент стискується в компресорі 1 від тиску Р₁, який звичайно перевищує атмосферний тиск до тиску Р₂ (Р₂ ~ 0,6÷1,0 МПа), при цьому температура холодоагента підвищується. Потім холодоагент надходить в конденсатор 2, де, віддаючи теплоту навколишньому середовищу, охолоджується і конденсується. Після виходу із конденсатора рідкий холодоагент дроселюють через регулюючий вентиль 3 до тиску Р₁. При цьому холодоагент частково випаровується, а його температура знижується до температури випаровування (кипіння) при тиску Р₁. Надалі випаровування холодоагента відбувається в випарнику 4 за рахунок теплоти, що відбирається від охолоджуємих тіл. Випарений (газоподібний) холодоагент знову надходить в компресор і цикл повторюється.

Цикл холодильної установки, побудований в координатах температура-ентропія (рис.3.2) дозволяє простежити за змінами станів холодоагента в різних вузлах установки і визначити основні її енергетичні характеристики.

Рис. 3.2. Зображення компресорної холодильної установки в Т-S - діаграмі фреону Ф-12.

В компресорі в адіабатному процесі 1-2 холодоагент стискується, причому весь процес 1-2 проходить в області перегрітої пари. Після стиснення температура суттєво перевищує температуру навколишнього середовища. В конденсаторі в ізобарному процесі 2-3а-3б-3 теплота відводиться від холодоагента, який переходить із стану перегрітої пари (точка 2 на рис.3.2) в стан сухої насиченої пари (точка 3а), потім в ізобарно-ізотермічному процесі 3а-3б переходить в стан насиченої рідини 3б і далі ізобарно в стан однофазної ненасиченої рідини 3, при цьому Т₃< Т_3б.

Конденсація відбувається тоді, коли температура кипіння холодоагента
при тиску Р₂ перевищує температуру навколишнього середовища. Відведеній в
конденсаторі теплоті q₁ відповідає площа 2-3а-3б-3-S₃-S₁-2. Оскільки процес
охолодження і конденсації холодоагента 2-3а-3б-3 є ізобарним, тоді теплота
процеса q₁ може бути визначена як різниця ентальпій початкового і кінцевого
стану: (3.1)

В регулюючому вентилі холодоагент дроселюється і переходить із рідкого стану в стан вологої насиченої пари. Дроселювання - адіабатно-ізоєнтальпійний процес, проте, внаслідок його незворотності ентропія холодоагента зростає (пунктирна лінія 3-4).

У випарнику до холодоагента в ізобарному процесі 4-4а-1 підводиться теплота q₂, якій відповідає площа S₄-4-4а-1-S₁-S₄.

Ділянка 4-4а відображає ізобарно-ізотермічне випаровування холодо­агента, а ділянка 4а-1 нагрівання газоподібного холодоагента перед входом в
компресор.

Кількість теплоти q₂, відведеної 1 кг холодоагента від охолоджуємих тіл називається питомою холодопродуктивністю.

Так як процес 4-4а-1 є ізобарним, тоді (3.2)

Площа S₃-4б-4-S₄ відповідає втраті холодопродуктивності внаслідок незворотності процесу адіабатного дроселювання рідини. 3 врахуванням умови h₃= h₄ і на основі 1 і 2 законів термодинаміки визначимо теоретичну роботу адіабатного стиснення холодоагента в компресорі l₀

. (3.3)

Покажемо, що роботі l₀ виповідає площа 1 -2-3а-3-5-1. Припустимо, що ентальпія холодоагента в стані 5 дорівнює h₅. Різниця ентальпій h₁-h₅ дорівнює теплоті, підведеній в ізобарному процесі (Р_t=соnst) 5-4-4а-1, якій відповідає площа 5-4-4а-1-S₁-S₅-5. Різниця ентальпій h₂-h₅ дорівнює теплоті, підведеній при Р₂=соnst в процесі 5-3-3б-3а-2, якій відповідає площа 5-3-3б-3а-2-S₁-S₅-5. Отже роботі l₀ =h₂-h₁ відповідає різниця вищенаведених площ – площа 5-3-3б-3а-2-1-4а-4-5.

Показником ефективності холодильної установки є холодильний коефіцієнт ε, що відображає відношення холодопродуктивності q₂ до енергетичних витрат на привід компресора l₀.

(3.4)

У випадку адіабатного стиснення холодоагента в компресорі параметри холодильного циклу зручно визначати в Р,h-діаграмі (рис.3.3).

Рис. 3.3. Зображення циклу компресорної холодильної установки в 1q р-h діаграмі фреона-12.

На рис. 3.3 замкнутий круговий процес 4-4а-1-2-3а-3б-3-4 відобра­жає розглянутий вище холодильний цикл. Теплоті q₂= h₁-h₄ відповідає відрізок а, роботі l₀ = h₂-h₁ відрізок b. Чисельному значенню ε відповідає відношення довжин відрізків а і b. Перевага Р,h- діаграми є в тому, що замість вираховування площ у Т,S-діаграмі можна визначити лінійні відрізки.

В реальному компресорі за рахунок його часткового охолодження процес стиснення відбувається із зменшенням ентропії (процес 1-2а на рис.3.2.). Теоретична робота політропного стиснення 1-2а менше розглянутої роботи адіабатного стиснення 1-2 на величину Δ1, якій в Т, S - діаграмі відповідає площа трикутника 2-2а-1. Ця площа дорівнює різниці площ трапецій S2а-2а-2-1- S₂ і S_2а-2а-1- S₂:

(3.5)

де: Т_2а, S_2а – температура і ентропія холодоагента на виході компресора; Т₁, S₁ – температура і ентропія холодоагента на вході компресора; Т₂ – кінцева температура адіабатного (S₁=S₂=соnst) стиснення холодоагемта до тиску Р₂. При політропному стисненні холодоагента в компресорі

(3.6)

(3.7)

де: h₂ визначається при Р₂ і S₁.

Лабораторна робота № 4

Ціль роботи

1. Поглибити знання за розділом "Тепломасообмінні процеси" на прикладі сушіння матеріалів легкої промисловості.

2. Практично ознайомитися з принципами роботи радіаційно-конвективної сушарки, оцінити її ефективність.

Завдання

1. Вивчити теоретичні відомості за темою.

2. Вивчити лабораторну сушарку, дослідити на ній кінетику радіаційного і радіаційно-конвективного сушіння.

3. Для двох режимів сушіння побудувати криві кінетики сушіння і термограми сушіння.

4. Виконати необхідні розрахунки, скласти звіт про виконану роботу.

Теоретичні відомості

Сушіння – це видалення рідини із твердих, рідинних або газоподібних тіл. В більшості випадків видаляється вода, тобто здійснюється обезводнення речовини. В техніці, зокрема в процесах легкої промисловості, найбільш поширене сушіння твердих матеріалів. При сушінні видаляється волога, зв'язана з матеріалом фізико-хімічно (адсорбційно і осмотично) і фізико-механічно (волога макро- і мікрокапілярів). Хімічно зв'язана вода (наприклад в кристалогідратах) утримується найбільш міцно, і навіть при нагріванні матеріалу до температур 120-130 °С не видаляється.

Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне сушіння здійснюється за рахунок теплоти атмосферного повітря. Його перевагою є виконання основної умови сушіння – збереження фізико-хімічних і споживчих властивостей матеріалів. Основна вада – велика тривалість сушіння. Для прискорення (інтенсифікації) процесу сушіння в легкій промисловості застосо­вуються різні види сушарок.

За способами підведення тепла розрізняюсь сушарки:

- контактні (6езпосередній контакт висушуємого матеріалу з поверхнею нагріву);

- конвективні (матеріал обтікається потоком попередньо нагрітого сушильного агента, яким частіше всього є повітря);

- радіаційні (висихання під дією інфрачервоного випромінювання);

- високочастотні (видалення вологи під дію електричного поля високої частоти);

- вакуумні (видалення вологи під вакуумом, причому випаровування відбувається за рахунок внутрішньої енергії матеріалу).

Переваги кожного із наведених вище способів можна посилити, а вади послабити. Це досягається шляхом сполучення різних способів підведення тепла і видалення випареної вологи, тобто при комбінованих способах сушіння.

В легкій промисловості використовуються контактно-конвективні, контактно-вакуумні, радіаційно-конвективні і радіаційно-вакуумні сушарки.

До переваг радіаційного сушіння необхідно віднести високий коефіцієнт перетворення енергії джерела випромінювання у підведену до матеріали теплоту, яка витрачається на випаровування вологи.

Потужність теплового потоку інфрачервоного джерела Q_вип може бути розрахована на основі закону Стефана-Больцмана.

(4.1)

де: Q_вип – потужність потоку випромінювання лампи розжарювання, Вт; F_вип - поверхня джерела випромінювання, м²; ε₁ – ступінь чорноти джерела випромінювання; С_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м²·К⁴; Т_вип – температура джерела випромінювання, К.

Тільки частина цього потоку попадає на матеріал, який висушується, частина потоку, що попала на матеріал відображається, а поглинута частина пропорційна ступеню чорноти матеріалу ε₂.

Крім того необхідно враховувати власне випромінювання матеріалу і навколишніх тіл, в особливості стінок камери для сушіння. Кількісний розрахунок радіаційного теплообміну являє собою складну задачу, оскільки необхідно враховувати взаємні випромінювання, відображення і поглинання тіл, які присутні в теплообміні.

В першому наближенні потужність власного випромінювання матеріалу
Q_м розраховується за рівнянням:

(4.2)

де: Q_м – потужність потоку випромінювання матеріалу, Вт; С_н – наведений коефіцієнт випромінювання, залежний від ступенів чорноти матеріалу ε₂ і стінок ε_с; Т_м – середня температура матеріалу в процесі сушіння, К; Т_с – середня температура стінок камери в процесі сушіння, К; F – поверхня матеріалу, який висушується, м².

Результуючий потік теплового випромінювання, що поглинається матеріалом

(4.3)

де: φ – коефіцієнт опромінення – частина потоку інфрачервоного випромінювання, яка попадає на зразок, залежить від геометричних розмірів випромінювача, матеріалу і їх взаємного розташування; ε₂ – ступінь чорноти матеріалу, який висушується; Q_вип – визначається за формулою (4.1); Q_м – за формулою (4.2).

У рівнянні (4.3) прийнято, що повітря, яке знаходиться в сушарні, не поглинає випромінювану енергію.

В процесі радіаційного сушіння зменшується середній вологовміст матеріалу W (відношення маси вологи до маси сухого матеріалу, %) і підвищується його температура.

Кінетикою процесу сушіння є закономірність зміни середнього вологовмісту W_m і середньої температури матеріалу t_m в часі. На рис. 4.1 зображені типова крива сушіння W_m (τ), і типова термограма t_m(τ).

Рис.4.1. Кінетика сушіння: 1 – крива сушіння; 2 – термограма сушіння.

На кривій сушіння можна виділити три ділянки. Першій ділянці
відповідає період початкового підігріву матеріалу. Наступний період
характеризується приблизно постійною швидкістю сушіння, далі іде період
падаючої швидкості сушіння. Швидкістю сушіння називається зміна
вологовмісту матеріалу в одиницю часу.

Швидкість сушіння може бути визначена методом графічного диференціювання, як тангенс кута нахилу дотичної до будь-якої точки кривої сушіння.

Прямолінійна ділянка на кривій W_m(τ) відповідає періоду сталої швидкості сушіння. Період сталої швидкості сушіння зв’язують з переважним випаровуванням вологи з поверхні матеріалу, після чого видаляється волога, що знаходиться в об’ємі.

Закінченням сушіння вважається момент досягнення матеріалом рівноважного вологовмісту W_р, тобто стану динамічної рівноваги водяної пари над матеріалом з водяною парою в навколишньому середовищі. Матеріал, що досяг рівноважного вологовмісту W_р інколи називають повітряно-сухим.

Якщо матеріал пересихає в сушильній камері, то він після сушіння буде сорбувати вологу із навколишнього повітря. Неповне висушування матеріалу призводить до погіршення його властивостей, деструкції барвників і ін. Експериментально встановлено, що висушувати матеріал (тканину, шкіру) в сушильних установках доцільно до вологовмісту W_р= 8÷12%.