ЛР-ТД_5

35

Лабораторная работа №5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ

Цель работы

Определение удельной теплоты парообразования воды при атмосферном давлении калориметрическим методом.

Введение

Удельной теплотой парообразования r называется количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы кипящей жидкости в сухой насыщенный пар при постоянном давлении (при постоянной температуре). В соответствии с этим определением удельная теплота парообразования вычисляется как разность между удельными энтальпиями сухого насыщенного пара и кипящей воды, т.е.

. (5.1)

Экспериментальные исследования показывают, что удельная теплота парообразования для всех известных жидкостей уменьшается с температурой и становится равной нулю в критической точке.

Знание численных значений удельной теплоты парообразования при различных давлениях является весьма важным для расчёта многих технологических и энергетических установок, в которых рабочие тела испытывают фазовые превращения.

Экспериментальное определение удельной теплоты парообразования может быть произведено различными методами, в частности конденсационным методом, методом кипения или косвенными методами (например, акустическим). В настоящей работе применён конденсационный метод, представляющий собой чисто калориметрические измерения, основанные на уравнении теплового баланса, согласно которому в теплоизолированной системе, поддерживаемой при постоянном давлении (в калориметре), количество теплоты, отданное одним телом, в точности равно количеству теплоты, полученному другим телом. В частности, пусть в калориметре находится вода в количестве M_в (кг) при температуре t₁. При введении в калориметр m_к (кг) сухого насыщенного водяного пара с энтальпией (при наличии теплового контакта с водой) пар сначала конденсируется, отдавая теплоту в количестве (Дж), а затем охлаждается от температуры насыщения до некоторой равновесной температуры , отдавая количество теплоты . Суммарное количество тепла, отданное паром и конденсатом, воспринимается калориметром, который также нагревается до температуры . Учитывая, что калориметр, в зависимости от его конструкции, состоит из нескольких элементов – корпус, вода, змеевик и т.д., то количество теплоты Q, поглощаемое им при сравнительно медленном прогреве, будет вычисляться следующим образом:

, (5.2)

где (5.3)

есть полная теплоёмкость калориметра, носящая также название водяного эквивалента калориметра.

Тепловой баланс записывается тогда в виде

. (5.4)

Отсюда имеем расчётную формулу для вычисления по экспериментальным данным удельной теплоты парообразования воды:

. (5.5)

Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рис.5.1. Установка состоит из парогенератора 1, конденсатора 11, сепаратора (пароотделителя) 13, калориметра 23 и змеевика 20 с конденсатосборником 19. Парогенератор 1 заполняется водой из водопровода через кран 2. Кран 3 служит для слива воды. Водомерное стекло 7 служит для контроля уровня воды в парогенераторе. Теплота к воде в парогенераторе подводится с помощью электронагревателя 4, мощность которого регулируется автоматически специальным регулятором давления (на рисунке не показан). Манометр 5 служит для контроля давления пара в парогенераторе. Предохранительный клапан 6 служит для аварийного сброса давления при отказе регулятора давления. Влажный пар через патрубок 8 поступает в парораспределитель 9, откуда он, в зависимости от того, какой из кранов 10 или 12 открыт, поступает либо в конденсатор 11, где пар конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде из водопровода, а конденсат сбрасывается в ёмкость 15, либо поступает в сепаратор 13. Здесь пар "подсушивается" за счёт инерционных эффектов. Накопившийся в сепараторе 13 конденсат через кран 14 сбрасывается в ёмкость 15, а подсушенный пар при открытом кране 16 по трубке 17, соединённой с патрубком 18, поступает в змеевик 20, где он, отдавая тепло охлаждающей воде в бачке 22 калориметра 23, конденсируется. Конденсат скапливается в конденсатосборнике 19. Для обеспечения равномерности распределения температуры воды в бачке 22 калориметра используется мешалка 24 с электроприводом 25, число оборотов которой регулируется лабораторным автотрансформатором 26. Температура воды в бачке 22 калориметра измеряется лабораторным термометром 27 с ценой деления шкалы 0.1^оС. Давление в конденсатосборнике 19 и в змеевике 20 поддерживается постоянным и практически равным атмосферному давлению за счёт того, что они напрямую соединены с атмосферой выходным патрубком 21.

Порядок проведения опыта

При проведении эксперимента следует соблюдать осторожность, так как температура пара достигает 100^оС и выше!

1. Подготовить в тетради лабораторных работ табл.5.1.

2. Разобрать калориметр 23. Для этого:

а) убрать термометр 27 (если он был установлен);

б) снять обе половины крышки 28 калориметра;

в) вынуть змеевик 20 с конденсатосборником 19;

г) перевернув змеевик над раковиной, проверить его на отсутствие остатков воды;

д) снять мешалку 24 вместе с электроприводом 25, не отсоединяя его от автотрансформатора 26;

е) вынуть бачок 22 из калориметра и при необходимости удалить из него остатки воды.

3. Взвесить на весах пустой бачок 22 и записать его вес (массу) M_б в соответствующую графу табл.5.1.

4. Взвесить на весах пустой змеевик 20 в сборе с конденсатосборником 19 и записать его вес (массу) m_зм в соответствующую графу табл.5.1.

5. Налить в бачок 22 водопроводной воды в количестве, достаточном для покрытия ею погруженного в бачок змеевика с конденсатосборником .

6. Взвесить на весах бачок 22 с водой и записать суммарный вес (массу) M_б+в в соответствующую графу табл.5.1.

7. Поставить бачок 22 с водой в калориметр 23.

8. Поставить на место мешалку 24 с электроприводом 25.

9. Поставить внутрь бачка 22 змеевик 20 с конденсатосборником 19.

10. Закрыть калориметр 23 обеими половинами крышки 28, зафиксировав ими патрубки 18 и 21 змеевика.

11. Вставить термометр 27 в соответствующее гнездо крышки 28 калориметра.

12. Включить питание электропривода 25 мешалки 24 и не выключать мешалку до окончания опыта.

13. По истечении 2…3 минут записать показание термометра 27 в графу t₁ табл.5.1 и вынуть термометр во избежание его поломки.

14. Убедиться, что избыточное давление пара в парогенераторе 1 по манометру 5 составляет 0.5…0.7 кГ/см².

15. Открытый конец парового шланга 17 вставить в стакан с небольшим количеством воды.

16. Открыть краны 14 и 16 сепаратора 13.

17. Открыть кран 12 парораспределительного устройства 9.

18. Закрыть кран 10 парораспределительного устройства 9.

19. Вынув паровой шланг 17 из стакана и направив его открытым концом вверх, закрыть кран 14 сброса конденсата.

20. Подождав, когда вытекающий из парового шланга 17 пар станет бесцветным на небольшом начальном участке, открыть кран 14 и затем закрыть кран 16.

21. Надеть открытый конец парового шланга 17 на приёмный патрубок 18 змеевика 20.

22. Открыть кран 16 и затем закрыть кран 14.

23. Не прекращая работы мешалки, внимательно следить за выходным патрубком 21.

24. Как только в открытом конце патрубка 21 появится конденсат, открыть кран 14 сброса конденсата и тут же перекрыть кран 16 подачи пара.

25. Снять паровой шланг 17 с патрубка 18. При этом мешалка продолжает работать.

26. Открыть вентиль 10 парораспределительного устройства 9 и затем закрыть вентиль 12.

27. При работающей мешалке поставить на место термометр 27 и следить за его показаниями.

28. После того как показания термометра установятся, записать температуру t₂ в соответствующую графу табл.5.1.

29. Остановить вращение мешалки 24, выведя на ноль напряжение на клеммах автотрансформатора 26.

30. Убрать термометр 27, снять обе половины крышки 28 и вынуть из бачка 22 змеевик 20 с конденсатосборником 19.

31. Обтерев сухой тряпкой змеевик с конденсатосборником, взвесить его на весах и записать результат в графе m_зм+к табл.5.1.

32. Опорожнить змеевик с конденсатосборником над раковиной.

33. Сняв мешалку, вынуть бачок 22 и опорожнить его в раковину.

34. Вновь собрать установку (см. пункты 7…10), не заполняя водой бачок 22.

Таблица 5.1

Mб, кг	mзм, кг	Mб+в, кг	Mв, кг	mзм+к, кг	mк, кг	t1, оС	t2, оС

Обработка результатов опыта

На основании формулы (5.3) вычисляется водяной эквивалент W (полная теплоёмкость) калориметра. Элементами калориметра, получающими тепло от конденсирующегося в змеевике пара и от охлаждающегося в конденсатосборнике конденсата, являются бачок 22, змеевик 20 с конденсатосборником 19 и часть мешалки 24, погруженная в воду, залитую в бачок. Все эти элементы выполнены из латуни, удельная теплоёмкость которой . Масса подводной части мешалки m_меш=0.087 кг. Удельная теплоёмкость воды с достаточной степенью точности может быть взята равной c_в=4.19 кДж/кг/К. Имеем тогда:

. (5.6)

Удельная энтальпия конденсата в конденсатосборнике 19, скапливающегося в змеевике 20 в процессе конденсации пара, определяется по таблице термодинамических свойств воды (стр. 40, прил.2) при барометрическом давлении. Удельная энтальпия конденсата в конце опыта определяется также по таблице прил.2 в графе по конечной температуре опыта t₂. Вычисленное по формуле (5.5) значение удельной теплоты парообразования r сравнить с табличным значением r_табл, взятым при барометрическом давлении p_В. Вычислить также относительную ошибку ε экспериментального определения удельной теплоты парообразования по сравнению с её табличным значением. При работе с таблицами при необходимости следует использовать метод линейной интерполяции.

Результаты расчёта заносятся в табл.5.2.

Таблица 5.2

B, мм рт.ст.	pВ, бар	W, кДж/К	, кДж/кг	i2, кДж/кг	r, кДж/кг	rтабл, кДж/кг	ε, %