Ќазаќстан республикасыныѕ білім министрлігі

ТӘЖІРИБЕНІҢ ЖҮРГІЗІЛУ РЕТІ
Тәжірибе екі бөліктен тұрады.

Бірнші бөлікте ауаның салыстырмалы ылғалдылығының температураға тәуелділігін анықтау керек, тәжірибенің басында психрометрдің көрсетулері бойынша бөлмедегі ауаның ылғалдылығы, оның салыстырмалы ылғалдылығы және парциал қысымы анықталады.

Сосын желдеткіш қосылып, кейіннен калорифердің электр қыздырғышы қосылады.

14 құрғақ және 15 ылғалды термометрлер кептіруші камераның шыға берісінде орналасқан. Олардың көрсетулері мен және i,d – диаграмманың көмегімен салыстырмалы ылғалдылық шамасы анықталады.

φ = f(t) графигін салу үшін, 5 – 10⁰С температуралар интервалымен 5 – 6 өлшеулер жасау қажет.

Екінші бөлікті өткізу үшін, кептіруші камера сыртындағы ауаның салыстырмалы ылғалдылығының тұрақтылығы мен сипатталатын,стационарлық режим орнағанына дейін, қондырғы қыздырылуы керек. Қондырғыны қыздырғаннан кейін, электр қыздырғыш өшіріліп, бұл ылғалдандырылады. Сосын электр қыздырғыш қайта қосылады. 4 – 5 минуттан соң вольтметр, амперметр, газдық есептеуіш пен термометрдің көрсетуі 2 – 3 минут интервалымен жазылынып алынады. Тәжірибенің ұзақтығы 15 минут.

ӨЛШЕМДЕР НӘТИЖЕЛЕРІН ӨҢДЕУ

Тапсырманың бірінші бөлігін орындағанда, ауаның салыстырмалы ылғалдылығының мәні мына формуламен анықталады:

φ = Р_б / Р_Қб · 100

мұндағы Р_б - бөлмедегі ауаның күйі бойынша будың парциал қысымы;

Р_Қб – кептіруші камераның шыға берісіндегі қаныққан будың парциал қысымы.

Табылған мән i,d – диаграмманың көмегімен алынған мәнмен салыстырылады.

Сосын φ = f(t) тәуелділігі салынады, мұнда абсцисса осіндегі φ, ал ордината осінде t⁰С – мен алынған.

Тапсырманың екінші бөлігін орындағанда салыстырмалы ылғалдылықты және i,d – диаграммамен ауаның ылғалдылығы орнатылады:

• 
  орнату алдында φ₀, d₀ ;
  
• 
  кептіруші камераның кіре берісінде φ₁, d₁;
  
• 
  кептіруші камераның шыға берісінде φ₂, d₂;
  

1. 
   Құрғақ ауаның массалық жұмсалуы, кг/сағ – пен анықталады:
   

мұндағы Р_ҚА – қондырғының кіре берісіндегі құрғақ ауаның парциал қысымы, мм сын.бағ; V_A – есептеуіш көрсетуімен анықталатын, ауаның көлемдік жұмсалуы, м³/сағ; R_ҚА = 287 Дж/(кг·К) – құрғақ ауаның газ тұрақтысы; Т_О – қондырғыға кіре берістегі ауаның абсолют температурасы, К.

2. 
   Құрақ ауаның парциал қысымы, мм сын.бағ.:
   

мұндағы В – лабораториялық ауаның қысымына тең, барометрлік қысым, мм сын.бағ. ; Р_б - i,d – диаграммамен анықталатын, атмосфералық ауаның ішіндегі су буларының парциал қысымы мм сын.бағ.

3. 
   Буланған ылғалдың мөлшері, кг/сағ:
   

4. 
   Жылудың жалпы жұмсалуы, кВт:
   

5. 
   Калорифердегі құрғақ ауаға келтірілген жылу мөлшері, кВт:
   

6. 
   Калориферде жылудың шығыны, кВт:
   

7. 
   1 кг ылғалдық булануына жұмсалған, нақты жылудың мөлшері, кДж/кг:
   

Лабораториялық жұмыс бойынша есеп беру үшін:

1. 
   жұмыс мақсаты;
   
2. 
   тәжірибелік құрылғының сызбанұсқасы;
   
3. 
   бақылаулар протоколы;
   
4. 
   есептеулер нәтижесі керек.
   

БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

1. 
   Ылғалды ауаның күйін анықтайтын, негізгі параметрді анықтап беріңіз.
   
2. 
   Ауаның абсолют ылғалдылығының анықтамасын беріңіз.
   
3. 
   Ауаның салыстырмалы ылғалдылығының анықтамасын беріңіз.
   
4. 
   Ылғалды ауаның «ылғалдылығы» деген ұғымды түсіндіріп және оның өлшем бірлігін атап беріңіз.
   
5. 
   Құрғақ ауаның парциал қысымы қалай анықталады?
   
6. 
   i,d – диаграмманың сызықтарының мәнісін түсіндіріп беріңіз.
   
7. 
   i,d – диаграммада, тәжірибелік қондырғыдағы ылғалды ауаны салқындату, кептіру және қыздыру процестерін бейнелеңіздер.
   

Лабораториялық – есептеу жұмыс ТД – 5

құрылғының сызбанұсқасы.

2 сурет. ГТҚ – ның теориялық және нақты циклдары.

1. 
   η_оі^Т, η_оі^К, η_М , Т₁ және Т₃ берілген мәндерінде МЭЕМ көмегімен y=const кезінде (7) тәуелділік бойынша, ГТҚ циклының тиімділік ПӘК – нің максимал мәнін есептеу керек.
   

Графикті есептеу мен құру компьютер класында LAB_TDS.EXE атта программа көмегімен жүргізіледі. Жұмысты орындау үшін қажет болатын мәндер VAR_TDS.EXE атты программаның көмегімен вариант нөміріне сай беріледі.

2. 
   Х_ҚОЛ анықтағанынан кейін Т₂ = Х_ҚОЛ·Т₁ және Т₄=Т₁·Т₃/Т₂ есептейді. (4) және (5) формулалар бойынша нақты циклдың Т₅ және Т₆ температураларын есептейді.
   
3. 
   (1) теориялық циклдың термиялық ПӘК – і анықталады және берілген:
   

формуласы бойынша ГТҚ циклының максимал тиімділік ПӘК – мен салыстырылады.

4. 
   vT^-1 = const қатынасын 1 – 4, 2 – 3 изобаралық және pv^k = const 1–2, 3–4 адиабаталық процестер үшін пайдаланып, мынандай шамаларды анықтауға болады:
   

P₂ = P₁(T₂/T₁)^k/(k-1); v₂ = R·T₂/P₂;

б) 1,3,4,5,6 нүктелерінде:

P4=P1; P3=P2; v_i= R·T_i/P_i (i=1,3,4,5,6)

Екенін ескере отырып, меншікті көлемді;

в) 2-3, 2-5 және 4-6 процесстерінде энтропияның өзгеруін:

∆S_i-j = C_p·ln(T_j/T_i) (i,j = 2,3; 2,5; 4,6)

Лабораториялық және есептеу жұмысы бойынша есеп беру үшін:

1. 
   жұмыс мақсаты;
   
2. 
   газотурбиналық құрылғының сызбанұсқасы;
   
3. 
   vp – және ST – диаграммаларындағы ГТҚ құрылғының теориялық және нақты циклдары;
   
4. 
   есептеулер нәтижелерінің баспасы керек.
   

БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

1. 
   ГТҚ қандай негізгі бөліктерден құралады?
   
2. 
   ГТҚ – ның тиімділік ПӘК – і дегеніміз не? Ол қандай параметрлерге тәуелді?
   
3. 
   ST диаграммасының көмегімен, Т₂/Т₁ қатынастары бірдей циклдағы, Т₃/Т₁ қатынасы көбірек болғанда, ПӘК –і де көп болатынын көрсетіңіз.
   
4. 
   ST диаграммасының көмегімен, Т₃/Т₁ қатынастары бірдей болғанда, ылғида η_оі^Т, η_оі^К, η_М берілген мәндеріндегі циклда, ГТҚ – ның тиімділік ПӘК максимал мәні болатынын көрсетіңіз.
   
5. 
   vp – диаграммада, нақты және теориялық циклдарда компрессордың жетегіне жұмсалған жұмысты көрсетіңіз.
   
6. 
   S,T координаталарында 5-3 процесінің астындағы аудан нені сипаттайды?
   
7. 
   ГТҚ – ның тиімділік ПӘК – і компрессор мен турбинаның ПӘК – нің мәніне тең бола ала ма?
   

ТЕОРИЯЛЫҚ МАҒЛҰМАТТАР

Жылу алмасу теориясында денелер тұтас орталар ретінде қарастырылады, олардың макроскопиялық жылу физикалық қасиеттері бар деп есептелінеді. Оларға мынадай қасиеттер жатады: жылуөткізгіштік, температура өткізгіштік а, меншікті жылу сыйымдылық с. Жылуфизикалық қасиеттер дененің табиғатына және термодинамикалық параметрлеріне тәуелді өзгереді, сондықтан тәжірибелік әдістер оларды алудың ең сенімді жолы болып табылады. Жылшуфизикалық қасиеттерді анықтаудың тәжірибелік әдістерін стационар және стационар емес деп болу қабылданған.

Стационарлық әдістер. Фурье заңы мен сипатталатын, температуралық стационар өріс қасиеттеріне негізделген:

Q = – λ (dt/dn) (1)

мұндағы λ – жылуөткізгіштік, Вт/(мК); dt/dn – нормаль изотермиялық бетке бағытталғандағы температураның градиенті. К/м;

F – жылу алмасу беті, м²;

сонымен қатар стационар жылу алмасу және жылуөткізгіштің температураға тәуелді болмайтын жағдайында мына түрге келетін

(d²t/dx²)+(d²t/dy²)+(d²t/dz²) (2)

жылуөткізгіштің диференциалдық теңдеуі.

Пайдаланылатын жылуөткізгіштің қазіргі әдістері бірмәнділіктің белгілі жағдайларында (2) теңдеудің жеке шешімдеріне негізделеді.

Сөйтіп шекті жағдайлары 1 – ші ретті болатын цилиндрлік қабаттың бірөлшемді температуралық өрісіне қатысты жылуөткізгіштікті мына қатынастан анықтауға болады:

λ = (Q·ln(d₂/d₁)/2π·1(t₁-t₂)) (3)

мұндағы Q – жылу ағыны, Вт; t₁, t₂ – цилиндр қабатының ішкі және сыртқы бетінің температуралары, ⁰С; d₁, d₂ – цилиндр қабатының ішкі және сыртқы диаметрлері, м; 1- цилиндр қабатының ұзындығы, м;

Сонымен λ зерттелетін материалдың жылуөткізгіштігін анықтау үшін, зерттелетін үлгі арқылы өтетін, стационар күйдегі жылу ағынының және оның изотермиялық беттеріндегі температураларын өлшеу қажет. Өзінің методикалық қарапайымдылығына қарамастан, стационарлық жылуөткізгіштік әдістерін практикалық жүзеге асыру, жылу шығынын ескеруде және зерттелетін үлгіге бірөлшемді температуралық өріс орнатуда қиындықтармен жолығады.

Цилиндр ұзындығының оның диаметріне қатынасы 1/d>10 барынша үлкен болғанда мүмкін болатын, цилиндр торцалары арқылы жоғалатын жылуды ескермеген кезде, (3) теңдеу қанағаттанарлық нәтиже береді.

dt/dτ = a(d²t/dx²+ d²t/dy²+ d²t/dz²) (4)

бірінші-үшінші ретті шекті жағдайларда.

Мұндағы а = λ/(рс) – температура өткізгіштік, м²/с;

ρ – тығыздық, кг/м³; с – жылу сыйымдылық, кДж/(кгК).

Бұл теңдеудің шешімдері, стационарлық жылу тәртібінің жағдайындағыдай, дұрыс геометриялық қалыпты денелер үшін қарапайым түрде болады.

1 сурет. Тәжірибелік құрылғының сызбанұсқасы.

ТӘЖІРИБЕНІҢ ЖҮРГІЗУ РЕТІ
Тәжірибе алдында жылу процесінің стационарлығын қамтамасыз ету үшін, құрылғыны 3-4 сағат барысында тұрақты электрлік тәртіпте қыздыру қажет. Орнатылған стационар тәртіпте, қыздырғыш бөлетін жылу зерттелетін материал қабаты арқылы өтеді және амперметр мен вольтметрдың көрсеткіштері арқылы өлшенеді.

Тәжірибенің орындалуы барысында 10-15 мин интервалымен 3-4 өлшем жасалады. Әрбір өлшемнен кейін бақылаулар протоколына (1 кесте) қыздырғыш тізбегіндегі кернеу, тоқ күшін және потенциометр көрсетуін жазу керек. Кернеу автортансформатор көмегімен келтіріледі.

Бақылаулар протоколы 1 кесте

Q = I·U, Вт

мұндағы I – тоқ күші, А; U – кернеу, В.

Материалдың жылуөткізгіштігінің коэффиценті (3) формуламен анықталады. Жылуөткізгіштіктің алынған мәнін кестелік мәнмен салыстыру керек.

Лабораториялық және есептеу жұмысы бойынша есеп беру үшін:

1) жұмыс мақсаты;

2) тәжірибелік құрылғының сызбанұсқасы;

3. 
   Бақылаулар протоколы;
   
4. 
   есептеулер нәтижелері қажет.
   

БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

1. 
   Заттың жылуөткізгіштігі дегеніміз не?
   
2. 
   Халықаралық бірліктер жүйесінде (SI) жылуөткізгіштіктің өлшем бірлігі қандай?
   
3. 
   Берілген жұмыста жылуөткізгіштік қандай әдіспен анықталады?
   
4. 
   Фурье заңын айтыңыз.
   
5. 
   Стационарлық жылу алмасу үшін жылуөткізгіштіктің дифференциалдық теңдеуін жазыңыз.
   
6. 
   Заттардың жылу физикалық қасиеттерін анықтауда стационар және стационар емес әдістердің мәні неде?
   

Eсептеу лабораториялық жұмыс ТМП – 2

Конвекция дегеніміз кеңістікте газ және сұйық көлемдерінің орын ауыстыруындағы жылу тасымалдауы.

Жылу тасымалдау процесі жылуөткізгіштікпен және конвекциямен бір мезгілде өтсе, оны конвективтік жылу алмасу деп атаймыз.

Қатты дене бетімен сұйық немесе газ арасындағы конвективтік жылу алмасу жылу беру деп аталады.

Конвекцияны табиғи (еркін) және еріксіз деп бөледі. Бірқалыпсыз қыздырылған сұйықтағы температуралар айырмасы тығыздықтың бірқалыпсыз таралуына әкеледі, ал сондықтан сұйықтың шартты қозғалуына әкелетін көтеруші күш пайда болады. Осының есебінен еркін конвекция пайда болады. Сыртқы күштердің әсерінен пайда болатын конвективтік жылу алмасу, еріксіз конвекция деп аталады.

Конвективтік жылу алмасу интенсивтілігі α жылу беру коэффицентімен сипатталады, ол Ньютон – Рихман заңымен анықталады:

Q = α·(T_C - T_K) · F (1)

мұндағы Q – жылу ағыны, Вт; T_C – сұйық (газ) температурасы, К;

T_K – жылу алмасу бетінің температурасы, К; F – жылу алмасу бетінің ауданы, м².
Конвективтік жылу алмасудың әртүрлі жағдайлары үшін, жылу беру коэффиценті мынадай реттегі мәндер қабылдайды, Вт/(м²·К);

Газдардағы еркін конвекция 5 – 30

Судың еркін конвекциясы 100 – 1000

Газдың ерксіз конвекциясы 10 – 500

Судың еріксіз конвекциясы 500 – 2 · 10⁴

Судың қайнауы 2 · 10³ – 4 ·10⁴

Су буларының жұқа қабықшалы конденсациясы 4 · 10³ – 1,5 · 10⁴

Су буларының тамшылық конденсациясы 4 · 10⁴ – 1,2 · 10⁵

ρ, λ, с, μ және тағы басқа факторлардың функциясы болады, яғни

α = f(φ, 11, 12, ω, ТС, ТҚ, ρ, λ, с, μ, ...) (2)

Конвективтік жылу алмасу тек жылулық емес, сондай – ақ гидродинамикалық құбылыстармен де анықталады. Сондықтан осы физикалық құбылысты сипаттайтын тәуелділіктер жылу алмасу, жылуөткізгіштік, қозғалыс, тұтастық теңдеулерінен тұрады.

Берілген конвективтік жылу алмасу есебіне жоғарыда келтірілген теңдеулер жүйесінде шешу үшін, шектік жағдайлар немесе бірмәнділік шарттарын қосады.

Ұқсастық теориясының әдістерімен бірмәнділік шарттары және теңдеулер жүйесін анализдей отырып, конвективтік жылу алмасудың түрлі жағдайлары үшін ұқсастық критерийлерінің арасындағы функционалдық байланыстың жалпы түрін алуға болады.

Сөйтіп шектелмеген (үлкен) көлем жағдайында еркін конвекцияның критерийалық теңдеуі мына түрге келеді:
Nu = C ·(Gr · Pr)ⁿ = C · Raⁿ
мұндағы Nu – Нуссельт критерийі, Gr – Грасгоф критерийі,

Pr – Прандтль критерийі, Ra=Gr·Pr – Релей критерийі.

С тұрақты мән n дәреже көрсеткішінің мәндері аргументтің өзгеру диапазонына, яғни Ra критерийіне тәуелді.
ТАПСЫРМА
Әрбір студент жеке тапсырма алады, онда оқытушы берген немесе лабораториялық жұмыстың жүргізуінде алынған тәжірибелік зерттеулер нәтижелері келтірілген.
ТӘЖІРИБЕЛІК ҚҰРЫЛҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ
Құрылғы (1 сурет) диаметрі d = 30 мм және ұзындығы L = 0,825 м 1 жұқа қабырғалы көлденең орналасқан болат құбырдан тұрады. Құбыр ішінде оның боымен жылуды біркелкі бөлетін, нихром сымнан жасалған 2 электроқыздырғыш орнатылған. Қоршаған ортаға құбырмен берілетін жылу мөлшері, қыздырғыш пайдаланылатын электр қуатымен анықталады. Бұл қуат 3 автотрансформатормен келтіріледі және 4 вольтметр, 5 амперметрмен өлшенеді.

Бетінің температурасын өлшеу үшін, құбыр бетіне бес терможұп 6 орнатылған. Терможұптар хромель мен копельден жасалған. Терможұптың термо-ЭҚК-і ПС1 – 06 типті потенциометр 7 көмегімен өлшенеді.

1 сурет. Тәжірибелік құрылғының сызбанұсқасы.

ТӘЖІРИБЕНІҢ ОРЫНДАУ РЕТІ
Құрылғының сипаттамасымен танысқаннан кейін бақылаулар протоколының қалпын дайындап, өлшеу құрылғыларының қосылуының дұрыстығын тексеру керек.

Электроқыздырғышты қосып, автотрансформатор көмегімен вольтметрде 20 В кернеу орнату керек, егер құралдардың көрсетулері өзгермесе, онда өзге екі тәртіптегі өлшемдерге көшуге болады.

Өлшеулер нәтижелерін мына қалыппен құрылған бақылаулар протоколына жазу керек.
Бақылаулар протоколы

ӨЛШЕМДЕР НӘТИЖЕЛЕРІН ӨҢДЕУ

ν – кинематикалық тұтқырлық м²/с; а – ауаның температура өткізгіштігі, м²/с; λ – жылуөткізгіштік, Вт/(мК); d – цилиндрдің сыртқы диаметрі, м;

g = 9,81 м²/с – еркін түсу үдеуі;

β = 1/(t_m+273.15) – көлемдік ұлғаю коэффиценті, 1/К;

t_m=(t_Қ + t_C)/2

мұндағы t_Қ – цилиндр бетінің температурасы, ⁰С; t_C – бөлмедегі ауа температурасы, ⁰С;
Алынған тәжірибелік мәндерді (4) тәуелділік түрімен көрсету үшін:

1. 
   Әрбір тәртіп үшін Ньютон – Рихман формуласы (1) бойынша α, Вт/(м²·К) жылу беру коэффицентін анықтау керек
   

мұндағы Q_K=Q–Q_СШ – конвективтік жылу ағыны, Вт;

F=π·d·L – жылу алмасу бетінің ауданы, м²;

Q=I·U – тоқтық жылу ағыны, Вт;

Q_СШ – сәуле шығарумен берілген жылу ағыны, Вт; ол (5) теңдеумен анықталады.

Q_СШ = ε · C_O[(T_Қ/100)⁴ – (T_С/100)⁴] ·F (5)

мұндағы ε – құбыр бетінің қаралығының дәрежесі, никельденген бет үшін ε =0,6; C_O=5,67 Вт/(м²К⁴) – абсолют қара дененің сәуле шығаруы;

T_Қ= t_Қ+273,15 K; T_C=t_C+273,15 K.

2. 
   tm мәнінде λ, ν, Pr физикалық параметрлердің мәндерін 1 – ші Қосымшадағы 1 – ші кестеден анықтау.
   

3. 
   Nu_m, Ra_m=(Gr·Pr)_m және олардың үш тәртібіндегі логарифмдерінің мәндерін есептеу.
   

4. 
   Алынғын тәжірибелік мәндерді лагорифмдік координаталарда lnNu–lnRa еңгізу (2 сурет)
   

5. 
   С және n тұрақтыларын анықтау.
   

а) С және n тұрақтылары тәжірибеден былай анықталады. Логарифмдық координаталардағы (2 сурет) (4) тәуелділік түзу болады.

lnNu_m= lnC + n · lnRa_m, (6)

n дәреже көрсеткішіне тең, бұрыштық коэффиценті бар. Ордината осімен түзу қиылысқанда пайда болатын кесіндіде lnС тұрақты болып табылады.

10³8, болғандағы көлденең құбыр манындағы ламинарлық ағыс үшін, көптеген тәжірибелік мәндерді бір жүйеге келтіріп, тұрақтылардың мынадай мәндерін алады:

Nu=0,54·Ra_m^0.25 (7)

2 сурет. Логарифмдық координаталардағы Nu=Raⁿ тәуелділігі.

A=n, X=lnRa_m, Y=lnNu_m, B=lnC белгілеулер енгізіп жаңа айнымалылар үшін сызықтық теңдеу аламыз

Y = B + A·X (8)

бұл үшін коэффициенттерді табу жеңіл.

Теңдеулер жүйесін құрайық

A∑ X²_i + B∑ X_i = ∑X_i · Y_i

(9)

A∑ X_i + k · B = ∑Y_i

Белгілеулер енгізейік:

Σ Х_i=S_i, Σ Y_i=S₂, Σ X²_i=S₃, Σ X_iY_i=S₄

Осыны ескерсек жүйе мына түрге келеді:

(10) жүйенің шешілуі: