|
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Башкирский государственный аграрный университет |
Кафедра «Теплотехника и
энергообеспечение предприятий»
Б3.В7. Теоретические основы теплотехники методические указания
к лабораторной работе на тему
«Исследование процесса парообразования в закрытом объеме»
Направление 140100 Теплоэнергетика
Уфа 2013
Методическое указание разработано к.т.н., доцентом Юхиным Д.П.
Методическое указание одобрено и рекомендовано к печати кафедрой
«Теплотехника и энергообеспечение предприятий»
(протокол № от 2013г.) и методической комиссией энергетического
факультета (протокол № от 2013 г.).
Рецензент:
Ответственный за выпуск:
зав. кафедрой, к.т.н., доцент Инсафуддинов С.З.
1 Цель работы
1. Определить зависимость между температурой и давлением водяного пара в процессе его образования в закрытом объеме.
2. Сравнить полученные фактические зависимости давления и температуры водяного пара с зависимостями, полученными по уравнению состояния Менделеева-Клайперона для изохорного процесса.
3. Определить по полученным значениям температуры и давления параметры водяного пара с помощью компьютерной программы «Н-S диаграмма V1.5.1».
2 Общие сведения
Вода и водяной пар широко применяется в энергетике, промышленности и агропроизводстве (в системах отопления и горячего водоснабжения, для выработки электрической энергии, для выработки различных видов продукции, обеззараживания и очистки поверхностей).
Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества. Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.
Водяной пар является реальным рабочим телом и также может находится в трех состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения, и в перегретом состоянии. В каждом из указанных состояний пар описывается рядом параметров состояния: температура ( в том числе и температура насыщения tн), давление p, удельный объем υ, степень сухости x, энтальпия h и энтропия s.
При проведении технико-экономических расчётов для подбора оборудования в теплоэнергетике и других отраслях, и моделирования тепловых процессов, необходимы надёжные проверенные данные о теплофизических свойствах воды и водяного пара в широкой области давлений и температур.
Следовательно для правильного расчета необходимо знать зависимости между давлением и температурой и удельным объемом водяного пара. Указанная зависимость определяется термическим уравнением состояния.
Уравнения состояния реальных газов сложны, поэтому в теплотехнических расчетах предпочитают использовать специальные таблицы, диаграммы и пакеты прикладных программ для ЭВМ.
Объясняется это тем, что вода представляет собой вещество, свойства которого весьма отличны от свойств большинства других веществ планеты Земля. В силу того, что вода в изобилии встречается во всех местах земного шара и является самой распространенной в природе жидкостью в основу ряда единиц измерения(например, объем 1 кг воды принят за единицу объема – литр; температура замерзания воды при атмосферном давлении принята за начало отсчета шкалы температур – 0 0С).
Многолетнее международное сотрудничество в области исследования свойств воды и водяного пара, позволило разработать и внедрить международные нормативные материалы, содержащие уравнения для описания различных свойств, в специальные таблицы. На основании этих уравнений, соответствующих требованиям Международной системы уравнений для научного и общего применения (The IFC Formulation for Scientific and Generale Use), были составлены и опубликованы подробные таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, которые широко применяются в практике инженерных теплотехнических расчётов. Данные, полученные путём расчёта по международным уравнениям, были приняты и в СССР, и получили определение таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. В них также включили данные по динамической вязкости.
Ещё в 1904 году немецкий теплофизик Рихард Молье разработал специальную диаграмму для упрощения и облегчения решений практических задач по теплотехнике, в которой в координатах энтальпии (h) и энтропии (s) графически отображаются сведения из таблиц состояний. В 1906 году в Берлине была издана его книга «Новые таблицы и диаграммы для водяного пара». Впоследствии такая диаграмма получила название Диаграмма Молье. В СССР некоторое время было принято название I-S диаграмма, а в настоящее время - H-S диаграмма.
H-S диаграмма водяного пара обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс (например, адиабатное дросселирование водяного пара), и решать другие задачи (рисунок 1).
Рисунок 1. Н-S диаграмма водяного пара.
Диаграмма водяного пара состоит из ряда характерных кривых, описывающих идеальные процессы, протекающих в газах (изобары p=const, изотермы t=const, изохоры υ=const), ряд кривых, обозначающих степень сухости водяного пара.
Изобара - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому давлению. Изобары не имеют изломов при пересечении пограничных кривых. Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.
Изотерма - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённой температуре.
Изотермы пересекают пограничные кривые с изломом и, по мере удаления от верхней пограничной кривой, асимптотически приближаются к горизонтали.
Изохора - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому объёму. Изохоры на H-S-диаграмме в области перегретого пара, всегда проходит круче, чем изобары, и это облегчает их распознавание на одноцветных диаграммах.
Степень сухости - это параметр, показывающий массовую долю насыщенного пара в смеси воды и водяного пара. Значение x=0 соответствует воде в момент кипения (насыщения). Значение х= 1, показывает, что в смеси присутствует только пар. При нанесении соответствующих точек в координатах «H-S», взятых из таблиц насыщения справочников свойств воды и водяного пара, при их соединении получаются кривые, соответствующие определённым степеням сухости. В таком случае, линия х=0 является нижней пограничной кривой, а х=1 - верхней пограничной кривой. Область, заключённая между этими кривыми, является областью влажного пара. Область ниже кривой х=0, которая стягивается практически в прямую линию (не показана), соответствует воде. Область выше кривой х=1 - соответствует состоянию перегретого пара.
Любая вертикальная прямая обозначает адиабатный процесс.
В области влажного насыщенного пара изотермы совпадают с кривыми изобарами, так как парообразование происходит при постоянном давлении и при постоянной температуре. На верхней пограничной кривой направление изотермы меняется и в области перегретого пара изотермы отклоняются вправо и не совпадают с изобарами. Практически применяется часть диаграммы, которая смещена вправо от критической точки «К» (точка «К» характеризует такое состояние, при котором стираются различи между свойствами воды и водяного пара). Точка К имеет параметры: pкр = 22,136 МПа;
vкр = 0,00326 м3/кг; tкр = 374,15 °С.
С развитием современной электронно-вычислительной техники и появлением доступных компьютеров и приложений, большое распространение получили H-S-диаграммы в электронном виде. Такие диаграммы представляют собой обычный оконный интерфейс с полями для ввода исходных данных, графическими функциональными клавишами, и полем ответов.
Одной из наиболее распространенных программ является программа «Диаграмма HS для воды и водяного пара V2.1».Программа позволяет определять недостающие параметры состояния пара по вводимым известным. В отличие от графической интерпретации H-S диаграммы электронная программа исключает погрешности при определении параметров состояния, но менее наглядна.