Transportenergie (Kältetransport) Luftfeuchtigkeit. Wärmekapazität und Enthalpie der Luft

Luftfeuchtigkeit. Wärmekapazität und Enthalpie der Luft

Atmosphärische Luft ist ein Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf (von 0,2 % bis 2,6 %). Somit kann die Luft fast immer als feucht angesehen werden.

Die mechanische Mischung aus trockener Luft und Wasserdampf heißt feuchte Luft oder Luft/Dampf-Gemisch. Maximal möglicher Inhalt dampfförmige Feuchtigkeit in der Luft m wie temperaturabhängig t und Druck P Mischungen. Wenn es sich ändert t und P Luft kann von anfänglich ungesättigt in einen Sättigungszustand mit Wasserdampf übergehen, und dann beginnt überschüssige Feuchtigkeit hineinzufallen Gasvolumen und auf umschließenden Flächen in Form von Nebel, Reif oder Schnee.

Die Hauptparameter, die den Zustand feuchter Luft charakterisieren, sind: Temperatur, Druck, spezifisches Volumen, Feuchtigkeitsgehalt, absolute und relative Feuchtigkeit, Molekulargewicht, Gaskonstante, Wärmekapazität und Enthalpie.

Nach dem Daltonschen Gesetz für Gasgemische Gesamtdruck feuchter Luft (P) es gibt eine summe Partialdruck trockene Luft R c und Wasserdampf R p: P \u003d R c + R p.

Ebenso werden das Volumen V und die Masse m feuchter Luft durch die Beziehungen bestimmt:

V \u003d V c + V p, m \u003d m c + m p.

Dichte und spezifisches Volumen feuchter Luft (v) definiert:

Molekulargewicht feuchter Luft:

wobei B der barometrische Druck ist.

Da die Luftfeuchtigkeit während des Trocknungsprozesses kontinuierlich zunimmt und die Menge an trockener Luft im Dampf-Luft-Gemisch konstant bleibt, wird der Trocknungsprozess danach beurteilt, wie sich die Menge an Wasserdampf pro 1 kg trockener Luft ändert, und alle Indikatoren von das Dampf-Luft-Gemisch (Wärmekapazität, Feuchtigkeitsgehalt, Enthalpie usw.) bezieht sich auf 1 kg trockene Luft in feuchter Luft.

d \u003d m p / m c, g / kg oder X \u003d m p / m c.

Absolute Luftfeuchtigkeit- Dampfmasse in 1 m 3 feuchter Luft. Dieser Wert ist numerisch gleich .

Relative Luftfeuchtigkeit - ist das Verhältnis der absoluten Feuchtigkeit ungesättigter Luft zur absoluten Feuchtigkeit gesättigter Luft unter gegebenen Bedingungen:

hier , häufiger wird jedoch die relative Luftfeuchtigkeit in Prozent angegeben.

Für die Dichte feuchter Luft gilt die Beziehung:

Spezifische Wärme feuchte Luft:

c = c c + c p × d/1000 = c c + c p × X, kJ/(kg × °C),

wobei c c die spezifische Wärmekapazität trockener Luft ist, c c = 1,0;

c p - spezifische Wärmekapazität von Dampf; mit n = 1,8.

Wärmekapazität trockener Luft bei konstanter Druck und kleine Temperaturbereiche (bis 100 ° C) für ungefähre Berechnungen können als Konstante gleich 1,0048 kJ / (kg × ° C) angesehen werden. Bei überhitztem Dampf liegt die mittlere isobare Wärmekapazität bei Luftdruck und niedrige Überhitzungsgrade können ebenfalls als konstant angenommen werden und gleich 1,96 kJ/(kg×K) betragen.

Enthalpie (i) von feuchter Luft- Dies ist einer seiner Hauptparameter, der bei Berechnungen von Trocknungsanlagen häufig verwendet wird, hauptsächlich um die Wärme zu bestimmen, die für die Verdunstung von Feuchtigkeit aus getrockneten Materialien aufgewendet wird. Die Enthalpie feuchter Luft wird auf ein Kilogramm trockener Luft in einem Dampf-Luft-Gemisch bezogen und ist definiert als die Summe der Enthalpien von trockener Luft und Wasserdampf, also

ich \u003d ich c + ich p × X, kJ / kg.

Bei der Berechnung der Enthalpie von Mischungen Startpunkt Die Enthalpiezahl aller Komponenten muss gleich sein. Für Berechnungen von feuchter Luft kann davon ausgegangen werden, dass die Enthalpie von Wasser bei 0 ° C Null ist, dann wird die Enthalpie von trockener Luft auch ab 0 ° C gezählt, dh i in \u003d c in * t \u003d 1,0048 t.

Was notwendig ist, um die Temperatur des Arbeitsmediums zu ändern, in dieser Fall, Luft, ein Grad. Die Wärmekapazität der Luft ist direkt abhängig von Temperatur und Druck. Allerdings für die Recherche verschiedene Typen Wärmekapazitäten genutzt werden verschiedene Methoden.

Mathematisch wird die Wärmekapazität von Luft als Verhältnis der Wärmemenge zum Temperaturanstieg ausgedrückt. Die Wärmekapazität eines Körpers mit einer Masse von 1 kg wird als spezifische Wärme bezeichnet. Die molare Wärmekapazität von Luft ist die Wärmekapazität von einem Mol eines Stoffes. Die Wärmekapazität wird angezeigt - J / K. Molare Wärmekapazität bzw. J / (mol * K).

Die Wärmekapazität kann als physikalische Eigenschaft eines Stoffes, in diesem Fall Luft, angesehen werden, wenn die Messung unter konstanten Bedingungen durchgeführt wird. Meistens werden solche Messungen bei konstantem Druck durchgeführt. So wird die isobare Wärmekapazität von Luft bestimmt. Sie nimmt mit zunehmender Temperatur und Druck zu und wird auch lineare Funktion gegebenen Werte. In diesem Fall erfolgt die Temperaturänderung bei konstantem Druck. Zur Berechnung der isobaren Wärmekapazität ist es notwendig, die pseudokritische Temperatur und den Druck zu bestimmen. Sie wird anhand von Referenzdaten ermittelt.

Wärmekapazität der Luft. Besonderheiten

Luft ist ein Gasgemisch. Bei ihrer Berücksichtigung in der Thermodynamik wurden die folgenden Annahmen getroffen. Jedes Gas in der Mischung muss gleichmäßig über das Volumen verteilt sein. Somit ist das Volumen des Gases gleich dem Volumen der gesamten Mischung. Jedes Gas in der Mischung hat seinen eigenen Partialdruck, den es auf die Gefäßwände ausübt. Jede der Komponenten Gasgemisch sollte eine Temperatur haben, die gleich der Temperatur der gesamten Mischung ist. In diesem Fall ist die Summe der Partialdrücke aller Komponenten gleich dem Druck der Mischung. Die Wärmekapazität von Luft wird anhand von Daten zur Zusammensetzung des Gasgemisches und der Wärmekapazität einzelner Komponenten berechnet.

Die Wärmekapazität charakterisiert einen Stoff mehrdeutig. Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik können wir schließen, dass die innere Energie des Körpers nicht nur von der aufgenommenen Wärmemenge, sondern auch von der vom Körper geleisteten Arbeit abhängt. Beim verschiedene Bedingungen Im Verlauf des Wärmeübertragungsprozesses kann die Arbeit des Körpers variieren. Somit kann die gleiche an den Körper übermittelte Wärmemenge Temperaturänderungen mit unterschiedlichen Werten verursachen und innere Energie Karosserie. Dieses Merkmal ist nur für gasförmige Stoffe charakteristisch. Im Gegensatz zu hart und flüssige Körper, gasförmige Stoffe, kann die Lautstärke stark verändern und Arbeit erledigen. Deshalb bestimmt die Wärmekapazität der Luft die Art des thermodynamischen Prozesses selbst.

Bei konstantem Volumen verrichtet die Luft jedoch keine Arbeit. Daher ist die Änderung der inneren Energie proportional zur Änderung seiner Temperatur. Das Verhältnis der Wärmekapazität in einem Prozess mit konstantem Druck zur Wärmekapazität in einem Prozess mit konstantem Volumen ist Teil der adiabatischen Prozessformel. Es wird mit dem griechischen Buchstaben Gamma bezeichnet.

Aus der Geschichte

Die Begriffe „Wärmekapazität“ und „Wärmemenge“ beschreiben ihr Wesen nicht sehr gut. Dies liegt daran, dass sie zu sich kamen moderne Wissenschaft aus der im 18. Jahrhundert populären Kalorientheorie. Die Anhänger dieser Theorie betrachteten Wärme als eine Art unwägbare Substanz, die in Körpern enthalten ist. Diese Substanz kann weder zerstört noch geschaffen werden. Die Abkühlung und Erwärmung von Körpern wurde durch eine Abnahme bzw. Zunahme des Kaloriengehalts erklärt. Im Laufe der Zeit wurde diese Theorie als unhaltbar erkannt. Sie konnte nicht erklären, warum die gleiche Veränderung in der inneren Energie eines Körpers durch Übertragung auf ihn erreicht wird andere Menge Wärme und hängt auch von der Arbeit ab, die der Körper verrichtet.

Die wichtigsten physikalische Eigenschaften Luft: Luftdichte, ihre dynamische und kinematische Viskosität, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Prandtl-Zahl und Entropie. Die Eigenschaften von Luft sind in Abhängigkeit von der Temperatur bei normalem Atmosphärendruck in Tabellen angegeben.

Luftdichte gegen Temperatur

Vorgestellt ausführliche Tabelle Trockenluftdichtewerte bei verschiedene Temperaturen und normalem atmosphärischem Druck. Welche Dichte hat Luft? Die Dichte von Luft kann analytisch bestimmt werden, indem man ihre Masse durch das von ihr eingenommene Volumen dividiert. unter gegebenen Bedingungen (Druck, Temperatur und Feuchtigkeit). Es ist auch möglich, seine Dichte mit der Zustandsgleichungsformel des idealen Gases zu berechnen. Dazu müssen Sie den absoluten Druck und die Temperatur der Luft sowie ihre Gaskonstante und ihr molares Volumen kennen. Mit dieser Gleichung können Sie die Dichte der Luft in trockenem Zustand berechnen.

In der Praxis, herauszufinden, wie dicht die Luft bei verschiedenen Temperaturen ist, ist es bequem, fertige Tabellen zu verwenden. Zum Beispiel die angegebene Tabelle mit Dichtewerten atmosphärische Luft abhängig von seiner Temperatur. Die Luftdichte in der Tabelle wird in Kilogramm pro ausgedrückt Kubikmeter und ist im Temperaturbereich von minus 50 bis 1200 Grad Celsius bei normalem Atmosphärendruck (101325 Pa) angegeben.

Luftdichte in Abhängigkeit von der Temperatur - Tabelle

t, °С	ρ, kg / m 3	t, °С	ρ, kg / m 3	t, °С	ρ, kg / m 3	t, °С	ρ, kg / m 3
-50	1,584	20	1,205	150	0,835	600	0,404
-45	1,549	30	1,165	160	0,815	650	0,383
-40	1,515	40	1,128	170	0,797	700	0,362
-35	1,484	50	1,093	180	0,779	750	0,346
-30	1,453	60	1,06	190	0,763	800	0,329
-25	1,424	70	1,029	200	0,746	850	0,315
-20	1,395	80	1	250	0,674	900	0,301
-15	1,369	90	0,972	300	0,615	950	0,289
-10	1,342	100	0,946	350	0,566	1000	0,277
-5	1,318	110	0,922	400	0,524	1050	0,267
0	1,293	120	0,898	450	0,49	1100	0,257
10	1,247	130	0,876	500	0,456	1150	0,248
15	1,226	140	0,854	550	0,43	1200	0,239

Bei 25°C hat Luft eine Dichte von 1,185 kg/m 3 . Beim Erhitzen nimmt die Dichte der Luft ab - die Luft dehnt sich aus (ihr spezifisches Volumen nimmt zu). Mit steigender Temperatur, beispielsweise bis 1200°C, a sehr geringe Dichte Luft, gleich 0,239 kg / m 3, was 5-mal weniger als sein Wert ist Zimmertemperatur. BEIM Allgemeiner Fall, die Reduktion während des Erhitzens ermöglicht einen Prozess wie die natürliche Konvektion und wird beispielsweise in der Luftfahrt verwendet.

Wenn wir die Luftdichte in Bezug auf vergleichen, ist Luft um drei Größenordnungen leichter - bei einer Temperatur von 4 ° C beträgt die Dichte von Wasser 1000 kg / m 3 und die Dichte von Luft 1,27 kg / m 3. Es ist auch notwendig, den Wert der Luftdichte bei zu notieren normale Bedingungen. Normalbedingungen für Gase sind solche, unter denen ihre Temperatur 0 ° C beträgt und der Druck dem normalen atmosphärischen Druck entspricht. Also laut Tabelle Luftdichte unter normalen Bedingungen (bei NU) beträgt 1,293 kg / m 3.

Dynamische und kinematische Viskosität von Luft bei verschiedenen Temperaturen

Bei der Durchführung thermischer Berechnungen ist es erforderlich, den Wert der Luftviskosität (Viskositätskoeffizient) bei verschiedenen Temperaturen zu kennen. Dieser Wert wird benötigt, um die Reynolds-, Grashof- und Rayleigh-Zahlen zu berechnen, deren Werte das Strömungsregime dieses Gases bestimmen. Die Tabelle zeigt die Werte der Dynamikkoeffizienten μ und kinematisch ν Luftviskosität im Temperaturbereich von -50 bis 1200°C bei Atmosphärendruck.

Die Viskosität von Luft nimmt mit steigender Temperatur stark zu. Beispielsweise beträgt die kinematische Viskosität von Luft 15,06 · 10 -6 m 2 / s bei einer Temperatur von 20 ° C, und bei einem Temperaturanstieg auf 1200 ° C wird die Viskosität der Luft gleich 233,7 · 10 -6 m 2 / s, das heißt, es erhöht sich um das 15,5-fache! Die dynamische Viskosität von Luft bei einer Temperatur von 20°C beträgt 18,1·10 –6 Pa·s.

Wenn Luft erhitzt wird, steigen die Werte sowohl der kinematischen als auch der dynamischen Viskosität. Diese beiden Größen sind durch den Wert der Luftdichte miteinander verbunden, deren Wert abnimmt, wenn dieses Gas erhitzt wird. Eine Erhöhung der kinematischen und dynamischen Viskosität von Luft (sowie anderer Gase) während des Erhitzens ist mit einer intensiveren Vibration der Luftmoleküle um sie herum verbunden. Gleichgewichtszustand(laut MKT).

Dynamische und kinematische Viskosität von Luft bei verschiedenen Temperaturen - Tabelle

t, °С	μ 10 6 , Pa s	v 10 6, m 2 /s	t, °С	μ 10 6 , Pa s	v 10 6, m 2 /s	t, °С	μ 10 6 , Pa s	v 10 6, m 2 /s
-50	14,6	9,23	70	20,6	20,02	350	31,4	55,46
-45	14,9	9,64	80	21,1	21,09	400	33	63,09
-40	15,2	10,04	90	21,5	22,1	450	34,6	69,28
-35	15,5	10,42	100	21,9	23,13	500	36,2	79,38
-30	15,7	10,8	110	22,4	24,3	550	37,7	88,14
-25	16	11,21	120	22,8	25,45	600	39,1	96,89
-20	16,2	11,61	130	23,3	26,63	650	40,5	106,15
-15	16,5	12,02	140	23,7	27,8	700	41,8	115,4
-10	16,7	12,43	150	24,1	28,95	750	43,1	125,1
-5	17	12,86	160	24,5	30,09	800	44,3	134,8
0	17,2	13,28	170	24,9	31,29	850	45,5	145
10	17,6	14,16	180	25,3	32,49	900	46,7	155,1
15	17,9	14,61	190	25,7	33,67	950	47,9	166,1
20	18,1	15,06	200	26	34,85	1000	49	177,1
30	18,6	16	225	26,7	37,73	1050	50,1	188,2
40	19,1	16,96	250	27,4	40,61	1100	51,2	199,3
50	19,6	17,95	300	29,7	48,33	1150	52,4	216,5
60	20,1	18,97	325	30,6	51,9	1200	53,5	233,7

Hinweis: Seien Sie vorsichtig! Die Viskosität von Luft wird hoch 10 6 angegeben.

Spezifische Wärmekapazität der Luft bei Temperaturen von -50 bis 1200 °C

Eine Tabelle der spezifischen Wärmekapazität von Luft bei verschiedenen Temperaturen wird vorgestellt. Die Wärmekapazität in der Tabelle ist bei konstantem Druck (isobare Wärmekapazität von Luft) im Temperaturbereich von minus 50 bis 1200 °C für trockene Luft angegeben. Wie groß ist die spezifische Wärmekapazität von Luft? Der Wert der spezifischen Wärmekapazität bestimmt die Wärmemenge, die einem Kilogramm Luft bei konstantem Druck zugeführt werden muss, um ihre Temperatur um 1 Grad zu erhöhen. Zum Beispiel bei 20°C, um 1 kg dieses Gases um 1°C in zu erwärmen isobaren Prozess, ist es erforderlich, 1005 J Wärme zu bringen.

Spezifische Wärme Luft nimmt mit steigender Temperatur zu. Die Abhängigkeit der Massenwärmekapazität von Luft von der Temperatur ist jedoch nicht linear. Im Bereich von -50 bis 120°C ändert sich sein Wert praktisch nicht - unter diesen Bedingungen mittlere Wärmekapazität Luft ist 1010 J/(kg Grad). Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Temperatur ab einem Wert von 130°C einen deutlichen Einfluss zu nehmen beginnt. Die Lufttemperatur beeinflusst jedoch seine spezifische Wärmekapazität viel schwächer als seine Viskosität. Bei einer Erwärmung von 0 auf 1200 °C erhöht sich die Wärmekapazität der Luft also nur um das 1,2-fache - von 1005 auf 1210 J/(kg Grad).

Zu beachten ist, dass die Wärmekapazität von feuchter Luft höher ist als die von trockener Luft. Wenn wir Luft vergleichen, ist es offensichtlich, dass Wasser einen höheren Wert hat und der Wassergehalt in der Luft zu einer Erhöhung der spezifischen Wärme führt.

Spezifische Wärmekapazität von Luft bei verschiedenen Temperaturen - Tabelle

t, °С	C p , J/(kg Grad)	t, °С	C p , J/(kg Grad)	t, °С	C p , J/(kg Grad)	t, °С	C p , J/(kg Grad)
-50	1013	20	1005	150	1015	600	1114
-45	1013	30	1005	160	1017	650	1125
-40	1013	40	1005	170	1020	700	1135
-35	1013	50	1005	180	1022	750	1146
-30	1013	60	1005	190	1024	800	1156
-25	1011	70	1009	200	1026	850	1164
-20	1009	80	1009	250	1037	900	1172
-15	1009	90	1009	300	1047	950	1179
-10	1009	100	1009	350	1058	1000	1185
-5	1007	110	1009	400	1068	1050	1191
0	1005	120	1009	450	1081	1100	1197
10	1005	130	1011	500	1093	1150	1204
15	1005	140	1013	550	1104	1200	1210

Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Prandtl-Zahl der Luft

Die Tabelle zeigt solche physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Luft wie Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und ihre Prandtl-Zahl in Abhängigkeit von der Temperatur. Thermophysikalische Eigenschaften Luft sind im Bereich von -50 bis 1200 °C für trockene Luft angegeben. Laut Tabelle ist das klar angegebenen Eigenschaften Luft ist stark temperaturabhängig und Temperaturabhängigkeit betrachteten Eigenschaften dieses Gases ist unterschiedlich.

Labor Nr. 1

Definition von Masse isobar

Luftwärmekapazität

Die Wärmekapazität ist die Wärme, die einer Mengeneinheit eines Stoffes zugeführt werden muss, um sie um 1 K zu erwärmen. Eine Mengeneinheit eines Stoffes kann in Kilogramm, Kubikmeter unter normalen physikalischen Bedingungen und Kilomol gemessen werden. Ein Kilomol Gas ist die Masse des Gases in Kilogramm, numerisch gleich seiner Molekulargewicht. Somit gibt es drei Arten von Wärmekapazitäten: Masse c, J/(kg⋅K); Volumen c', J/(m3⋅K) und molar, J/(kmol⋅K). Da ein Kilomol Gas eine μ-fache Masse von mehr als einem Kilogramm hat, wird eine eigene Bezeichnung für die molare Wärmekapazität nicht eingeführt. Beziehungen zwischen Wärmekapazitäten:

wobei = 22,4 m3/kmol das Volumen in Kilomol ist ideales Gas unter normalen körperlichen Bedingungen; ist die Dichte des Gases unter normalen physikalischen Bedingungen, kg/m3.

Die wahre Wärmekapazität eines Gases ist die Ableitung der Wärme nach der Temperatur:

Die dem Gas zugeführte Wärme hängt vom thermodynamischen Prozess ab. Sie lässt sich aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik für isochore und isobare Prozesse bestimmen:

Dabei wird die Wärme 1 kg Gas im isobaren Prozess zugeführt; ist die Änderung der inneren Energie des Gases; ist die Arbeit von Gasen gegen äußere Kräfte.

Formel (4) formuliert im Wesentlichen den 1. Hauptsatz der Thermodynamik, woraus die Mayer-Gleichung folgt:

Wenn wir = 1 K setzen, dann ist das physikalische Bedeutung Die Gaskonstante ist die Arbeit von 1 kg Gas in einem isobaren Prozess, wenn sich seine Temperatur um 1 K ändert.

Mayers Gleichung für 1 Kilomol Gas ist

wobei = 8314 J/(kmol⋅K) die universelle Gaskonstante ist.

Zusätzlich zur Mayer-Gleichung sind die isobaren und isochoren Massenwärmekapazitäten von Gasen durch den Adiabatenindex k (Tabelle 1) miteinander verbunden:

Tabelle 1.1

Werte der adiabatischen Exponenten für ideale Gase

Atomizität von Gasen
Einatomige Gase
Zweiatomige Gase
Drei- und mehratomige Gase

ZIEL DER ARBEIT

Verankerung Theoretisches Wissen nach den Grundgesetzen der Thermodynamik. Praktische Entwicklung der Methode zur Bestimmung der Wärmekapazität von Luft anhand der Energiebilanz.

Experimentelle Bestimmung der spezifischen Massenwärmekapazität von Luft und Vergleich des erhaltenen Ergebnisses mit einem Referenzwert.

1.1. Beschreibung des Laboraufbaus

Die Installation (Abb. 1.1) besteht aus einem Messingrohr 1 mit einem Innendurchmesser d =
= 0,022 m, an deren Ende sich eine elektrische Heizung mit Wärmedämmung befindet 10. Im Inneren des Rohres bewegt sich ein Luftstrom, der zugeführt wird 3. Der Luftstrom kann durch Änderung der Lüftergeschwindigkeit gesteuert werden. Im Rohr 1 ist ein Rohr für vollen Druck 4 und überschüssigen statischen Druck 5 installiert, die mit Manometern 6 und 7 verbunden sind. Außerdem ist im Rohr 1 ein Thermoelement 8 installiert, das sich gleichzeitig mit dem entlang des Querschnitts bewegen kann voller Druckschlauch. Der EMF-Wert des Thermoelements wird durch das Potentiometer 9 bestimmt. Die Erwärmung der durch das Rohr strömenden Luft wird mit einem Labor-Spartransformator 12 geregelt, indem die Heizleistung geändert wird, die durch die Messwerte des Amperemeters 14 und des Voltmeters 13 bestimmt wird Lufttemperatur am Ausgang des Erhitzers wird durch das Thermometer 15 bestimmt.

1.2. EXPERIMENTELLE TECHNIK

Wärmestrom der Heizung, W:

wo ich aktuell bin, A; U – Spannung, V; = 0,96; =
= 0,94 - Wärmeverlustkoeffizient.

Abb.1.1. Schema des Versuchsaufbaus:

1 - Rohr; 2 - Verwirrer; 3 – Lüfter; 4 - Rohr zur Messung des dynamischen Drucks;

5 - Abzweigrohr; 6, 7 – Differenzdruckmanometer; 8 - Thermoelement; 9 - Potentiometer; 10 - Isolierung;

11 - elektrische Heizung; 12 – Laborspartransformator; 13 - Voltmeter;

14 - Amperemeter; 15 - Thermometer

Von Luft empfundener Wärmestrom, W:

wobei m der Luftmassenstrom in kg/s ist; – experimentelle, massenisobare Wärmekapazität von Luft, J/(kg·K); – Lufttemperatur am Ausgang des Heizabschnitts und am Eingang in ihn, °C.

Luftmassenstrom, kg/s:

. (1.10)

Hier - Durchschnittsgeschwindigkeit Luft im Rohr, m/s; d ist der Innendurchmesser des Rohrs, m; - Luftdichte bei Temperatur , die durch die Formel gefunden wird, kg/m3:

, (1.11)

wobei = 1,293 kg/m3 die Luftdichte unter normalen physikalischen Bedingungen ist; B – Druck, mm. rt. St.; - zu hoher statischer Luftdruck im Rohr, mm. Wasser. Kunst.

Die Luftgeschwindigkeiten werden durch die dynamische Höhe in vier gleichen Abschnitten, m/s, bestimmt:

Wo ist der dynamische Kopf, mm. Wasser. Kunst. (kgf/m2); g = 9,81 m/s2 ist die Freifallbeschleunigung.

Mittlere Luftgeschwindigkeit im Rohrabschnitt, m/s:

Die durchschnittliche isobare Massenwärmekapazität von Luft wird aus Formel (1.9) bestimmt, in die der Wärmestrom aus Gleichung (1.8) eingesetzt wird. Genauer Wert Die Wärmekapazität von Luft bei einer durchschnittlichen Lufttemperatur wird gemäß der Tabelle der durchschnittlichen Wärmekapazitäten oder gemäß der empirischen Formel J / (kg⋅K) ermittelt:

. (1.14)

Relativer Fehler des Experiments, %:

. (1.15)

1.3. Durchführung des Experiments und Verarbeitung

Messergebnisse

Das Experiment wird in der folgenden Reihenfolge durchgeführt.

1. Das Laborstativ wird eingeschaltet und nachdem der stationäre Modus hergestellt wurde, werden die folgenden Messwerte genommen:

Dynamischer Luftdruck an vier Punkten gleicher Rohrabschnitte;

Zu hoher statischer Luftdruck im Rohr;

Strom I, A und Spannung U, V;

Einlasslufttemperatur, °С (Thermoelement 8);

Austrittstemperatur, °С (Thermometer 15);

Luftdruck B, mm. rt. Kunst.

Das Experiment wird für den nächsten Modus wiederholt. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1.2 eingetragen. Berechnungen werden in der Tabelle durchgeführt. 1.3.

Tabelle 1.2

Maßtabelle

	Wertname
	Lufteinlasstemperatur, °C
	Luftauslasstemperatur, °C
	Dynamischer Luftdruck, mm. Wasser. Kunst.
	Überhöhter statischer Luftdruck, mm. Wasser. Kunst.
	Luftdruck B, mm. rt. Kunst.
	Spannung U, V

Tabelle 1.3

Berechnungstabelle

	Name der Mengen
	Dynamische Förderhöhe, N/m2
	Durchschnittliche Vorlauftemperatur, °C

Zielsetzung: Bestimmung der isobaren Wärmekapazität von Luft nach der Flow-Calorimeter-Methode.

Die Übung:

Bestimmen Sie experimentell die durchschnittliche volumetrische isobare Wärmekapazität von Luft.

Berechnen Sie auf der Grundlage der erhaltenen experimentellen Daten die durchschnittlichen isobaren Massen- und molaren Wärmekapazitäten sowie die durchschnittlichen Massen-, Volumen- und molaren Wärmekapazitäten von Luft.

Bestimmen Sie den Adiabatenexponenten für Luft.

Vergleichen Sie die erhaltenen Daten mit der Tabelle.

Schätzen Sie die Genauigkeit experimenteller Daten ab.

WICHTIGSTE BESTIMMUNGEN.

Wärmekapazität- eine Eigenschaft, die angibt, wie viel Wärme dem System zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Grad zu ändern.

In dieser Formulierung hat die Wärmekapazität die Bedeutung eines umfangreichen Parameters, d.h. abhängig von der Menge der Materie im System.

In diesem Fall ist es unmöglich, die thermischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu quantifizieren, indem man sie miteinander vergleicht. Ein für die Praxis viel aussagekräftigerer Parameter ist der sogenannte spezifische Wärme.

Spezifische Wärme gibt an, wie viel Wärme auf eine Mengeneinheit eines Stoffes gebracht werden muss, um ihn um ein Grad zu erwärmen.

Abhängig von den Einheiten, in denen die Menge eines Stoffes gemessen wird, gibt es:

spezifische Massenwärmekapazität (C). Im SI-System wird es in gemessen

;

Verschiedene Arten spezifischer Wärmekapazitäten sind miteinander verbunden:

,

wo
- jeweils spezifische Masse, volumetrische und molare Wärmekapazität;

- Gasdichte unter normalen physikalischen Bedingungen, kg/m 3 ;

- Molmasse des Gases, kg/kmol;

- das Volumen von einem Kilomol eines idealen Gases unter normalen physikalischen Bedingungen.

Im Allgemeinen hängt die Wärmekapazität von der Temperatur ab, bei der sie bestimmt wird.

Die bei einem gegebenen Temperaturwert ermittelte Wärmekapazität, d.h. wenn die Temperaturänderung des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt gegen Null geht
, wird genannt wahre Wärmekapazität.

Die Durchführung ingenieurtechnischer Berechnungen von Wärmeübertragungsprozessen wird jedoch stark vereinfacht, wenn man davon ausgeht, dass bei der Durchführung des Prozesses im Bereich der Systemtemperaturänderung aus Vor Die Wärmekapazität hängt nicht von der Temperatur ab und bleibt konstant. In diesem Fall ist die sog mittlere Wärmekapazität.

Durchschnittliche Wärmekapazität
– die Wärmekapazität des Systems ist im Temperaturbereich konstant ab Vor .

Die Wärmekapazität hängt von der Art des Prozesses der Wärmezufuhr zum System ab. Bei einem isobaren Prozess ist es notwendig, um das System um ein Grad zu erwärmen große Menge Wärme als bei einem isochoren Prozess. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einem isobaren Prozess Wärme nicht nur für die Änderung der inneren Energie des Systems wie bei einem isochoren Prozess aufgewendet wird, sondern auch für die Verrichtung der Volumenänderungsarbeit durch das System.

Dabei unterscheiden isobar
und isochor
Wärmekapazität, und die isobare Wärmekapazität ist immer größer als die isochore. Die Beziehung zwischen diesen Arten von Wärmekapazitäten wird durch die Mayer-Formel bestimmt:

wo - Gaskonstante, J/(kgGrad).

Bei der praktischen Anwendung dieser Formel ist auf die Übereinstimmung der Größendimensionen zu achten
,
und . In diesem Fall muss beispielsweise die spezifische Massenwärmekapazität verwendet werden. Diese Formel gilt auch für andere Typen spezifischer Wärmekapazitäten, jedoch ist zur Vermeidung von Berechnungsfehlern immer auf die Übereinstimmung der Dimensionen der in die Formel aufgenommenen Größen zu achten. Zum Beispiel, wenn anstelle von verwendet wird Universelle Gas Konstante die Wärmekapazität muss spezifisch molar sein usw.

BEIM isothermer Prozess Die gesamte dem System zugeführte Wärme wird für externe Arbeit aufgewendet, und die interne Energie und folglich die Temperatur ändern sich nicht. Die Wärmekapazität des Systems bei einem solchen Prozess ist unendlich groß. In einem adiabatischen Prozess ändert sich die Temperatur des Systems ohne Wärmeaustausch mit der äußeren Umgebung, was bedeutet, dass die Wärmekapazität des Systems in einem solchen Prozess Null ist. Aus diesem Grund Es gibt keine Konzepte für isotherme oder adiabatische Wärmekapazität.

In dieser Arbeit wird das Durchflusskalorimeter-Verfahren zur Bestimmung der Wärmekapazität von Luft eingesetzt. Das Diagramm des Laboraufbaus ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb.1. Schema des Laborständers

Dem Kalorimeter wird Luft mit Hilfe eines Ventilators 1 zugeführt, der ein Rohr 2 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und eine äußere Wärmedämmung 3 ist, die zur Vermeidung von Wärmeverlusten erforderlich ist Umgebung. Im Inneren des Kalorimeters befindet sich eine elektrische Heizung 4. Die Heizung wird über einen Spannungsregler 5 aus dem Wechselstromnetz gespeist. Die Leistung der elektrischen Heizung wird mit einem Wattmeter 6 gemessen. Zur Messung der Lufttemperatur am Einlass zum und Auslass aus dem Kalorimeter, Thermoelemente 7 werden verwendet, die über einen Schalter 8 mit dem Instrument zur Messung der Thermo-EMK 9 verbunden sind. Der Luftstrom durch das Kalorimeter wird durch den Regler 10 geändert und mit einem Schwimmerrotameter 11 gemessen.

REIHENFOLGE DER AUSFÜHRUNG DER ARBEIT.

Holen Sie sich die Anfangsdaten und die Erlaubnis des Leiters, die Arbeit auszuführen

Schalten Sie den Lüfter ein und stellen Sie den gewünschten Luftstrom ein.

Installieren Wert einstellen elektrische Heizleistung.

Nach dem Aufbau eines stationären Temperaturregimes (gesteuert durch die Messwerte des Temperatursensors am Ausgang des Kalorimeters) werden die Lufttemperatur am Eingang und am Ausgang des Kalorimeters, der Luftstrom und die Heizleistung gemessen. Die Messergebnisse sind in der Tabelle der Versuchsdaten festgehalten (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1.

Eine neue wird installiert Temperaturregime und wiederholte Messungen durchgeführt werden. Messungen müssen in 2, 3 verschiedenen Modi durchgeführt werden.

Bringen Sie nach dem Ende der Messungen alle Regelorgane in den ursprünglichen Zustand und schalten Sie das Gerät aus.

Basierend auf den Messergebnissen wird der Wert der durchschnittlichen volumetrischen isobaren Wärmekapazität von Luft bestimmt:

wo
- die Wärmemenge, die der Luft im Kalorimeter zugeführt wird, W. Es wird gleich der elektrischen Leistung der Heizung genommen;

- jeweils die Lufttemperatur am Ein- und Ausgang des Kalorimeters, K;

- volumetrischer Luftstrom durch das Kalorimeter, reduziert auf normale physikalische Bedingungen, m 3 / s;

Um den Luftstrom durch das Kalorimeter auf normale Bedingungen zu bringen, verwenden Sie die Zustandsgleichung eines idealen Gases, geschrieben für normal Physische Verfassung und Prüfbedingungen:

,

wobei auf der linken Seite die Parameter der Luft am Kalorimetereinlass und auf der rechten Seite - unter normalen physikalischen Bedingungen.

Nach dem Finden der Werte
jeweils entsprechend untersuchten Modi wird der Wert ermittelt
, die als Schätzung des experimentellen Werts der Wärmekapazität von Luft angenommen und in weiteren Berechnungen verwendet wird.

, kJ/kg;

Aus dem Verhältnis wird der Adiabatenindex für Luft ermittelt

;

Vergleichen Sie die erhaltenen Werte der isobaren und isochoren Wärmekapazität mit Tabellenwerten (siehe Anhang 1) und bewerten Sie die Genauigkeit der erhaltenen experimentellen Daten.

Tragen Sie die Ergebnisse in Tabelle 2 ein.

Tabelle 2.

TESTFRAGEN.

Was ist Wärmekapazität?

Welche Arten von spezifischer Wärmekapazität gibt es?

Was ist die durchschnittliche und wahre Wärmekapazität?

Was nennt man isobare und isochore Wärmekapazität? Wie hängen sie zusammen?

Welche der beiden Wärmekapazitäten ist größer: C p oder C v und warum? Geben Sie eine Erklärung anhand des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik.

Besonderheiten praktische Anwendung Mayers Formel?

Warum gibt es die Konzepte der isothermen und adiabatischen Wärmekapazität nicht?

Anhang 1.

Wärmekapazität der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

UNTERSUCHUNG DES PROZESSES DES ADIABATISCHEN GASABFLUSSES DURCH EINE UMKEHRDÜSE.

Zielsetzung: experimentelle und theoretische Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften des Prozesses des Gasaustritts aus einer konvergierenden Düse.

Die Übung:

1. Ermitteln Sie für ein gegebenes Gas die Abhängigkeit der tatsächlichen Ausströmgeschwindigkeit und Durchflussmenge von der vorhandenen Druckdifferenz vor und nach der Düse.

WICHTIGSTE BESTIMMUNGEN.

Die thermodynamische Untersuchung der Prozesse der Gasbewegung durch Kanäle ist von großer praktischer Bedeutung. Die wesentlichen Bestimmungen der Theorie des Gasaustritts werden bei der Berechnung des Strömungsweges von Dampf- und Gasturbinen, Strahltriebwerken, Kompressoren, pneumatischen Antrieben und vielen anderen technischen Systemen verwendet.

Ein Kanal mit veränderlichem Querschnitt, durch den sich der Gasstrom mit abnehmendem Druck und zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt, wird als Kanal bezeichnet Düse. In den Düsen wird die potentielle Energie des Gasdrucks in die kinetische Energie der Strömung umgewandelt. Wenn im Kanal der Druck des Arbeitsmediums zunimmt und die Geschwindigkeit seiner Bewegung abnimmt, wird ein solcher Kanal genannt Diffusor. Bei Diffusoren erfolgt die Erhöhung der potentiellen Energie des Gases durch Verringerung seiner kinetischen Energie.

Zur Vereinfachung der theoretischen Beschreibung des Gasausströmvorgangs werden folgende Annahmen getroffen:

das Gas ist ideal;

im Gas nicht vorhanden innere Reibung, d.h. Viskosität;

es gibt keine irreversiblen Verluste im Ablaufprozess;

der Gasstrom ist stetig und stationär, d.h. an jedem Punkt Kreuzung die Strömungsgeschwindigkeit w und die Parameter des Gaszustands (p, v, T) sind gleich und ändern sich nicht mit der Zeit;

die Strömung ist eindimensional, d.h. Strömungsverhalten ändert sich nur in Strömungsrichtung;

es findet kein Wärmeaustausch zwischen der Strömung und der äußeren Umgebung statt, d.h. der Ausflussprozess ist adiabat.

Die theoretische Beschreibung des Gasausströmvorgangs basiert auf den folgenden Gleichungen.

Ideale Gaszustandsgleichung

,

wobei R die Gaskonstante ist;

T- Absolute Temperatur Gasstrom.

Adiabatische Gleichung (Poisson-Gleichung)

wobei p der absolute Gasdruck ist;

k ist der Adiabatenexponent.

Strömungskontinuitätsgleichung

wobei F die Querschnittsfläche der Strömung ist;

w ist die Durchflussrate;

v ist das spezifische Gasvolumen.

Bernoulli-Gleichung für ein kompressibles Arbeitsmedium unter Berücksichtigung des Fehlens innerer Reibung

Diese Gleichung zeigt, dass mit zunehmendem Gasdruck seine Geschwindigkeit und kinetische Energie immer abnehmen, und umgekehrt, mit abnehmendem Druck nehmen die Geschwindigkeit und die kinetische Energie des Gases zu.

Die Gleichung des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik für die Strömung.

Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik hat im allgemeinen Fall folgende Form

,

wo
ist die elementare Wärmemenge, die dem System zugeführt wird;

ist eine elementare Änderung der inneren Energie des Systems;

ist die elementare Volumenänderungsarbeit des Systems.

Bei einem beweglichen thermodynamischen System (Strömung eines bewegten Gases) wird ein Teil der Volumenänderungsarbeit für die Überwindung der äußeren Druckkräfte aufgewendet, d.h. für den Gastransport. Dieser Teil gemeinsame Arbeit namens schiebende Arbeit. Die restliche Arbeit der Volumenänderung kann sinnvoll genutzt werden, beispielsweise um das Turbinenrad zu drehen. Dieser Teil des Gesamtbetriebs des Systems wird genannt Einweg bzw technische Arbeit .

Im Falle einer Gasströmung besteht die Volumenänderungsarbeit also aus 2 Begriffen - der Schubarbeit und der technischen (verfügbaren) Arbeit:

wo
- elementare Schiebearbeiten;

- elementare technische Arbeiten

Dann hat der 1. Hauptsatz der Thermodynamik für die Strömung die Form

,

wo
- elementare Änderung der Enthalpie des Systems.

Bei adiabatischer Abströmung

Also bei adiabatischer Ausfluss, technische Arbeit wird durch den Verlust der Gasenthalpie verrichtet.

Basierend auf den obigen Annahmen für den Fall des Gasaustritts aus einem Behälter mit unbegrenztem Fassungsvermögen (in diesem Fall die anfängliche Gasgeschwindigkeit
) Formeln zur Bestimmung der theoretischen Geschwindigkeit erhalten und Gasmassenstrom im Austrittsbereich der Düse:

oder

wo
- Druck und Temperatur des Gases im Einlassbereich der Düse;

- spezifische Enthalpie der Strömung jeweils am Düseneinlass und Düsenauslass;

- adiabatischer Index;

- Gaskonstante;

- das Verhältnis der Drücke am Auslass der Düse und am Einlass der Düse;

- Bereich des Auslassabschnitts der Düse.

Eine Analyse der erhaltenen Formeln zeigt, dass nach der anerkannten Theorie die Abhängigkeiten der theoretischen Geschwindigkeit und des Massenstroms vom Druckverhältnis  die Form haben sollten, die in den Diagrammen durch die mit dem Buchstaben T gekennzeichneten Kurven dargestellt wird (siehe Abb. 1 und Abb. 2). Aus den Diagrammen folgt, dass nach der Theorie, wenn die Werte von  von 1 auf 0 abnehmen, die Abgasgeschwindigkeit kontinuierlich zunehmen sollte (siehe Abb. 1), und der Massendurchsatz zunächst auf einen bestimmten Maximalwert ansteigt , und sollte dann bei = 0 auf 0 abnehmen (siehe Abb.2).

Bild 1. Abhängigkeit der Abflussmenge vom Druckverhältnis 

Abb. 2. Abhängigkeit des Massenstroms vom Druckverhältnis 

Bei einer experimentellen Untersuchung des Ausströmens von Gasen aus einer konvergierenden Düse wurde jedoch festgestellt, dass bei einer Verringerung von  von 1 auf 0 die tatsächliche Ausströmgeschwindigkeit und dementsprechend die tatsächliche Durchflussrate zunächst in voller Übereinstimmung mit dem Akzeptierten zunehmen Theorie des Prozesses, aber nach Erreichen des Maximums bleiben ihre Werte bei einer weiteren Abnahme von  bis auf 0 unverändert

Die Art dieser Abhängigkeiten wird in den Diagrammen durch mit dem Buchstaben D gekennzeichnete Kurven dargestellt (siehe Abb. 1 und Abb. 2).

Eine physikalische Erklärung für die Diskrepanz zwischen der theoretischen Abhängigkeit und experimentellen Daten wurde erstmals 1839 von dem französischen Wissenschaftler Saint-Venant vorgeschlagen. Dies wurde durch weitere Untersuchungen bestätigt. Es ist bekannt, dass sich jede, selbst eine schwache Störung eines stationären Mediums mit Schallgeschwindigkeit darin ausbreitet. Bei einer Strömung, die sich durch eine Düse in Richtung der Störungsquelle bewegt, ist die Übertragungsrate der Störung in die Düse, d. h. entgegen der Strömungsrichtung um den Wert der Strömungsgeschwindigkeit selbst geringer sein. Dies ist die sogenannte relative Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung, die gleich ist
. Beim Durchgang der Störwelle innerhalb der Düse entlang der gesamten Strömung kommt es zu einer entsprechenden Umverteilung der Drücke, deren Ergebnis laut Theorie eine Erhöhung der Ausströmgeschwindigkeit und des Gasstroms ist. Bei konstantem Gasdruck am Düseneintritt P 1 = const entspricht eine Abnahme des Drucks des Mediums, in das das Gas strömt, einer Abnahme des Wertes von β.

Wenn jedoch der Druck des Mediums, in das das Gas strömt, auf einen bestimmten Wert sinkt, bei dem die Ausströmgeschwindigkeit am Düsenaustritt gleich der lokalen Schallgeschwindigkeit wird, kann sich die Störwelle nicht innerhalb der Düse ausbreiten, da die relative Geschwindigkeit seiner Ausbreitung im Medium in der der Bewegung entgegengesetzten Richtung gleich Null ist:

.

In dieser Hinsicht kann die Druckumverteilung in der Strömung entlang der Düse nicht auftreten, und die Gasausströmungsgeschwindigkeit am Düsenausgang bleibt unverändert und gleich der lokalen Schallgeschwindigkeit. Mit anderen Worten, die Strömung „bläst“ die von außen erzeugte Verdünnung sozusagen aus der Düse heraus. Auch wenn der Absolutdruck des Mediums hinter der Düse nicht weiter abnimmt, steigt die Ausströmgeschwindigkeit und damit die Durchflussmenge nicht weiter an, weil bildlich gesprochen, so Reynolds, „hört die Düse auf zu spüren, was außerhalb passiert“ oder, wie sie manchmal sagen, „die Düse ist verriegelt“. Eine Analogie zu diesem Phänomen ist die Situation, die manchmal beobachtet werden kann, wenn der Klang der Stimme einer Person von einem starken Gegenwind weggeblasen wird und der Gesprächspartner seine Worte nicht hören kann, selbst wenn er sehr nahe ist, wenn der Wind von ihm in Richtung des Windes weht Lautsprecher.

Der Ausströmmodus, bei dem die Ausströmgeschwindigkeit am Düsenaustritt die örtliche Schallgeschwindigkeit erreicht, wird bezeichnet Kritischer Modus. Ablaufrate , Verbrauch und Druckverhältnis entsprechend diesem Modus werden auch aufgerufen kritisch. Dieses Regime entspricht den Maximalwerten der Durchflussmenge und der Strömungsgeschwindigkeit, die erreicht werden können, wenn das Gas durch eine herkömmliche konvergierende Düse strömt. Das kritische Druckverhältnis wird durch die Formel bestimmt

,

wobei k der adiabatische Exponent ist.

Das kritische Druckverhältnis hängt nur von der Art des Gases ab und ist für ein bestimmtes Gas konstant. Zum Beispiel:

für einatomige Gase k= 1,66 und  bis 0,489;

für 2 atomare Gase und Luft k= 1,4 und  bis 0,528

für 3 und mehratomige Gase k=1,3 und  bis 0,546.

Die im Rahmen der angenommenen Annahmen erhaltenen theoretischen Abhängigkeiten zur Bestimmung der Ausströmgeschwindigkeit und des Gasdurchflusses sind somit tatsächlich nur im Wertebereich gültig
. Für Werte
die Durchflussrate und der Durchfluss bleiben für gegebene Bedingungen tatsächlich konstant und maximal.

Darüber hinaus gelten für reale Strömungsverhältnisse die tatsächliche Ausströmgeschwindigkeit und Gasdurchflussmenge am Düsenaustritt auch bei den Werten
etwas niedriger sein als ihre entsprechenden theoretischen Werte. Dies liegt an der Reibung des Strahls an den Wänden der Düse. Die Temperatur am Ausgang der Düse ist etwas höher als die theoretische Temperatur. Dies liegt daran, dass ein Teil der verfügbaren Arbeit des Gasstroms abgeführt und in Wärme umgewandelt wird, was zu einer Temperaturerhöhung führt.

BESCHREIBUNG DES LABORSTÄNDERS.

Die Untersuchung des Prozesses des Gasaustritts aus der Düse wird an einer Anlage durchgeführt, die auf der Methode der realen Simulation basiert physikalische Prozesse. Die Installation besteht aus einem PC, der mit einem Modell des Arbeitsbereichs verbunden ist, einem Bedienfeld und Messgeräten. Das Installationsdiagramm ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 3. Schema einer Anlage zur Untersuchung des Prozesses des Gasaustritts

Der Arbeitsabschnitt der Anlage ist ein Rohr, in dem die untersuchte konvergierende Düse 3 mit einem Austrittsdurchmesser d = 1,5 mm eingebaut ist. Gasströmung (Luft, Kohlendioxid(CO 2), Helium (He)) durch die Düse wird unter Verwendung einer Vakuumpumpe 5 erzeugt. Der Gasdruck am Einlass ist gleich dem barometrischen Druck (P 1 = B). Der Gasdurchfluss G und der Durchfluss w werden über das Ventil 4 geregelt. Die Betriebsarten werden durch den Unterdruck hinter der Düse P 3 bestimmt, der am Digitalanzeiger 6 erfasst wird. Der Gasdurchfluss wird mit einem Messinstrument gemessen Diaphragma mit einem Durchmesser d d = 5 mm. Der Druckabfall über der Membrane H wird am Digitalanzeiger 7 aufgezeichnet und auf dem PC-Monitor dupliziert. Die Verdünnung P 2 im Auslaufbereich der Düse wird ebenfalls auf der Digitalanzeige 6 und auf dem Bildschirm erfasst. Als Ergebnis der Kalibrierung wird der Durchflusskoeffizient der Messmembran mit kalibrierter Bohrung = 0,95 ermittelt.

REIHENFOLGE DER AUSFÜHRUNG DER ARBEIT.

Schalten Sie die Installation im Netzwerk ein und treten Sie in einen Dialog mit dem Programm Experiment eingebettet in den Computer.

Wählen Sie die Gasart für das Experiment aus.

Schalten Sie die Vakuumpumpe ein. Dadurch entsteht hinter dem Ventil 4 ein Unterdruck, der auf dem Bildschirm angezeigt wird.

Durch allmähliches Öffnen des Ventils 4 wird das Mindestvakuum eingestellt

P 3 = 0,1 atm, was dem 1. Modus entspricht. Dies startet den Gasfluss.

Tragen Sie in das Versuchsprotokoll (Tabelle 1) die Zahlenwerte P 3 ,P 2 ,H ein, die mit Hilfe der Digitalanzeigen 6 und 7 festgelegt wurden.

Messungen der Werte P 2 ,H für nachfolgende Modi durchführen, die den Werten des von der Vakuumpumpe erzeugten Vakuums entsprechen,

P 3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5…..0,9 at. Trage die Messergebnisse in Tabelle 1 ein

Tabelle 1.

Gasdruck am Düseneintritt P 1 =B= Pa.

Die Gastemperatur am Düseneintritt t 1 =C.

	Modus Nr.	Messergebnisse

VERARBEITUNG DER MESSERGEBNISSE.

Es wird der Absolutdruck des Mediums P 3 hinter der Düse bestimmt, in die das Gas ausströmt

, Pa

4.2. Der absolute Gasdruck P 2 im Austrittsabschnitt der Düse wird bestimmt

, Pa

Der tatsächliche Gasmassenstrom wird durch die Größe des Druckabfalls H über der Messmembran bestimmt

, kg/s

wo
- Durchfluss der Messmembran;

- Druckabfall über der Messmembran, Pa;

- Gasdichte, kg/m 3 ;

- barometrischer Druck, Pa;

- Gaskonstante, J/(kg∙deg);

- Gastemperatur, С;

- Durchmesser der Messöffnung.

4.4. Da der Ausströmvorgang adiabat ist, wird die theoretische Gastemperatur T 2 am Düsenaustritt mit der bekannten Beziehung für den adiabaten Vorgang bestimmt:

4.5. Die tatsächliche Geschwindigkeit des Ablaufs wird bestimmt und Gastemperatur im Austrittsbereich der Düse

, Frau;

wo - tatsächlicher Massendurchsatz des Gases, kg/s;

- Temperatur (K) bzw. Druck (Pa) des Gases im Austrittsbereich der Düse;

- Bereich des Auslassabschnitts der Düse;

- Durchmesser des Auslassabschnitts der Düse.

Andererseits basiert auf dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik für die Strömung

wo
- spezifische Enthalpie des Gases jeweils am Einlass und Auslass der Düse, J/kg;

- Gastemperatur am Einlass bzw. Auslass der Düse, K;

- spezifische isobare Wärmekapazität von Gas, J/(kgGrad);

Durch Gleichsetzen der rechten Seiten der Gleichungen (17) und (18) und Auflösen der resultierenden quadratischen Gleichung für T 2 wird die tatsächliche Gastemperatur im Auslassabschnitt der Düse bestimmt.

oder

,

wo
;

;

.

4.6. Es wird der theoretische Massenstrom des Gases beim adiabatischen Ausströmen bestimmt

, kg/s;

wo - Fläche des Auslassabschnitts der Düse, m 2 ;

- absoluter Gasdruck am Düseneinlass, Pa;

- Gastemperatur am Düseneinlass, K;

- Gaskonstante, J/(kgGrad);

ist der adiabatische Index.

4.7. Der theoretische Gasdurchsatz wird ermittelt

wo - Gastemperatur im Einlassbereich der Düse;

- adiabatischer Index;

- Gaskonstante;

- Druckverhältnis;

- absoluter Druck des Mediums, in das Gas ausströmt, Pa;

- absoluter Gasdruck am Düseneintritt, Pa.

4.8. Der maximale theoretische Gasdurchsatz wird ermittelt
(Abfluss ins Leere bei P 3 = 0) und lokale theoretische Schallgeschwindigkeit (kritische Geschwindigkeit)
.

4.9. Die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 2 eingetragen.

Tabelle 2.

Berechnungsergebnisse

4.10. In Koordinaten
und
Abhängigkeitsgraphen werden erstellt, und ein Abhängigkeitsgraph wird ebenfalls erstellt
. Die Diagramme bestimmen den Wert des kritischen Druckverhältnisses ,

die mit der berechneten verglichen wird

.

4.11. Ziehen Sie auf der Grundlage der Ergebnisse von Berechnungen und grafischen Konstruktionen eine Schlussfolgerung über Folgendes:

Wie abhängen theoretische Geschwindigkeit Ausfluss und Gasfluss aus dem Verhältnis der Drücke β?

Wie hängen die tatsächliche Ausströmgeschwindigkeit und der Gasdurchfluss vom Druckverhältnis β ab?

Warum sind die Werte der tatsächlichen Ausströmgeschwindigkeit und des Gasdurchflusses niedriger als die entsprechenden theoretische Werte unter gleichen äußeren Bedingungen?

TESTFRAGEN.

Welche Annahmen werden bei der theoretischen Beschreibung der Thermodynamik des Gasausströmvorgangs getroffen?

Mit welchen Grundgesetzen wird der Abflussprozess theoretisch beschrieben?

Aus welchen Komponenten besteht die Arbeit, die der Gasstrom beim Durchströmen der Düse verrichtet?

In welchem ​​Zusammenhang stehen Enthalpie und technische Arbeit einer Gasströmung bei adiabatischer Abströmung?

Was ist ein kritisches Strömungsregime und wie wird es charakterisiert?

Wie erklärt man mit körperlicher Punkt Blick auf die Diskrepanz zwischen theoretischer und experimenteller Abhängigkeit der Ausströmgeschwindigkeit und Durchflussmenge von ?

Wie beeinflussen sie reale Bedingungen von Geschwindigkeit, Durchfluss und Temperatur des Gases am Austritt der Düse?