Изучение эффекта Джоуля-Томсона

 

Функциональный модуль №8 (рис. 23).

1. На передней панели модуля расположены: крепежный винт 1, табличка с названием работы, милливольтметр 2 для измерения термо-э.д.с. дифференциальной хромель-копелевой термопары, манометр 3 для измерения избыточного давления воздуха, тумблер включения вольтметра 4, тумблер включения питания вольтметра и компрессора 5, штуцер подсоса газа в компрессор 6.

2. Экспериментальная установка (рис. 24) состоит из текстолитовой гильзы 10, заполненной опрессованным войлоком 11, образующим пористую перегородку. Накидная гайка 12 через шайбу 13 уплотняет и герметизирует рабочий объем. Дифференциальная термопара 14 соединена с милливольтметром через переключатель 7. один спай термопары 15 находится на входе газового потока, а другой спай термопары 16 – на выходе из пористой перегородки. Компрессор 17 прокачивает газ через пористую перегородку, создавая избыточное давление в пределах (0 … 0, 6) МПа. Вентиль 18 обеспечивает требуемое давление газа на входе в рабочий объем. Термопара 19, спай которой находится на входе газового потока, соединена с милливольтметром через переключатель 7.

 

Получение расчетных формул.

(49)

Проходя пористую перегородку за время τ, некоторое количество газа совершает работу:

Где: P1, V1 – давление и объем некоторого количества газа со стороны высокого давления до его перетекания через перегородку;

P2, V2 – давление и объем того же количества газа со стороны низкого давления после его перетекания через перегородку.

Считая, что процесс перетекания газа через пористую перегородку является квазистатическим (равновесным) адиабатным, применим первый закон термодинамики:

(50)

 

Подставив (49) в (50), получим:

(51)

(52)

 

(53)

Функция (52) характеризует состояние газа и не зависит от вида процесса и является полным дифференциалом:

(54)

Дифференцируя (52) по температуре при Р = const, получим:

(55)

Дифференцируя (52) по давлению при Т = const, получим:

(56)

Подставив (54) и (55) в (53), определим:

(57)

Используя уравнение Ван-дер-Ваальса для данного газа, найдем:

В работе определяется изменение давления газа ∆ Рi и соответствующее изменение температуры ∆ Тi при прохождении его через пористую перегородку.

 

Функциональный модуль №8 (рис. 21, 22).

1. Включить электропитание модуля тумблером “Сеть”.

2. Включить тумблером 4 милливольтметр 2. переключить тумблер 7 в положение “ < < ” – измерение термо-э.д.с. дифференциальной термопары.

3. Включить компрессор тумблером 8 и вентилем 9 установить величину избыточного давления Р = 0, 1 МПа.

4. Через 5 … 7 минут произвести измерение термо-э.д.с. ∆ ε (< <), соответствующей разности температур воздуха до и после пористой перегородки.

5. Выключить компрессор тумблером 8 и произвести измерение термо-э.д.с. ∆ ε (< <).

6. Переключить тумблер 7 в положение “ < ” – измерение термо-э.д.с. термопары, расположенной перед пористой перегородкой. Произвести измерение ∆ ε (<).

7.Включить компрессор тумблером 8. произвести измерение ∆ ε (<). Сравнить значения ∆ ε (<), измеренные в п. 6. и п. 7. Если их различие более 20%, то увеличить время в п. 4.

8. Переключить тумблер 7 в положение “ < < ” и произвести измерение ∆ ε (< <).

9.Пункты 5. … 8. повторить не менее 5 раз. Данные опытов занести в таблицу в графе для ∆ Р₁ = 0, 15 МПа.

10. По заданию преподавателя пункты 3. … 9. можно повторить для следующего избыточного давления ∆ Р2 и т.д.

 

Данные установки и таблица результатов измерений.

 

Атмосферное давление Ро = … МПа;

Температура окружающей среды t_C = … ^оC.

 

Таблица 10.

 

Компрессор включен
∆ Р1 = …, МПа
№№ п\п	∆ ε (<), мВ	∆ t(<), С	∆ ε (< <), мВ	∆ t(< <), С
∆ Р2 = …, МПа
№№ п\п	∆ ε (<), мВ	∆ t(<), С	∆ ε (< <), мВ	∆ t(< <), С
Компрессор выключен
∆ Р = 0
№№ п\п	∆ ε (<), мВ	∆ t(<), С	∆ ε (< <), мВ	∆ t(< <), С

 

11. Обработка результатов измерений.

1.
Определить изменение температуры ∆ t(<) относительно окружающей среды перед пористой перегородкой по формуле:

 

2.
Определить изменение температуры ∆ t(< <) при течении воздуха через пористую перегородку под действием перепада давления и в его отсутствии:

 

3. Рассчитать отношение ∆ Ti / ∆ Pi при данном ∆ Р для каждого опыта.

4.
Рассчитать среднее значение отношения:

 

5. Результаты расчета эффекта Джоуля-Томсона сравнить со справочными данными.

 

Рис.21.

 

Рис.22.