5.2. Лабораторная работа №2 Изохорное нагревание воды и водяного пара

Целью работы является практическое освоение студентами методики измерения параметров состояния в процессе изохорного нагревания водяного пара и расчёта термодинамических свойств на основе результатов измерений с использованием соотношений термодинамики, изученных в теоретическом курсе термодинамики.

Экспериментальный стенд

Для исследования изохорного процесса водяной пар нагревается в закрытом толстостенном сосуде (пьезометре) с постоянным объемом V. При нагревании масса вещества m также остаётся постоянной и поэтому удельный объём v =V/m неизменен, v=const.

При строгом проведении опыта следовало бы производить запись показаний приборов при равновесных состояниях пара в сосуде. Проведение такого опыта требует длительного времени. Поэтому нагревание ведется медленно, одновременно измеряя температуру и давление.

На стенде собраны две экспериментальные установки. В левой части стенда находится установка для исследования изохорного процесса при v < v_кр, в правой части стенда − при v > v_КР. Конструкция установок одинакова. На рис. 5.2.1 представлена принципиальная схема одной из двух экспериментальных установок.

Рис. 5.2.1. Принципиальная схема экспериментальной установки

На приборной панели верхняя и нижняя группы приборов относятся соответственно к левой и правой установкам. Водяной пар находится в толстостенном сосуде − пьезометре 1, изготовленном из нержавеющей стали. Снаружи сосуд обогревается электрическим нагревателем из нихромовой проволоки 2. Сосуд вместе с нагревателем покрыт тепловой изоляцией 3 и помещён в металлический кожух 4. Для измерения температуры пара предусмотрена хромель-алюмелевая термопара 5, спай которой помещен в гильзе, вваренной внутрь сосуда. Для измерения давления выведенная из сосуда 1 трубка 6 соединена с преобразователем давления 7. Сигналы датчика-преобразователя давления ПД100-ДИ и хромель-алюмелевой термопары подаются на входы универсального измерителя-регулятора ОВЕН ТРМ202, одновременно показывающего давление в барах и температуру в °С.

Включение и отключение установок производится соответственно кнопками «пуск» и «стоп» контактора 9. В установке предусмотрено аварийное отключение электропитания нагревателей при достижения необходимых давления (в левой установке) или температуры (в правой установке). Обе установки имеют одинаковые электрические схемы, за исключением преобразователей давления 7 на рис.1.

Проведение измерений

Процессы изохорного нагревания при v < v_кр и v > v_кр изображены схематично на рис.5.2.2 в р,v- и р,Т- диаграммах.

Рис. 5.2.2. Изохорные процессы в р,v- и р,Т диаграммах.

Начальными состояниями водяного пара в обеих установках при температурах, близких к комнатным, являются двухфазные состояния влажного пара 1а и 1b. В установке, расположенной слева где v < v_кр, уровень жидкости в сосуде расположен высоко, а в установке, где на изохоре v > v_кр, воды в сосуде мало, и почти весь объём сосуда занят паром. Состояния 2а и 2b в конце процессов расположены соответственно в области воды (2а) и перегретого (2b) пара.

Перед началом опыта необходимо оформить рабочий протокол по приведенной ниже форме для записи результатов наблюдений и индивидуальных заданий, которые выдаст в конце занятия преподаватель.

Опыт начинается включением нагревателей обеих установок кнопками “ВКЛ” на приборной панели. После включения нагревателей дальнейшая работа сводится к тому, чтобы записывать попеременно температуру и давление в двух пьезометрах с измерителей ТРМ202 ОВЕН в соответствующие ячейки табл. 1, начиная с температуры 100 ^oC; в правом пьезометре с шагом 10^oC, в левом пьезометре сначала (в области влажного пара) с шагом 10^oC (см. рис. 5.2.2), а в области воды (при быстром росте давления) – с шагом 20 бар.

Таблица 5.2.1

Лабораторная работа №2 (стенд №__ ) Изохорное нагревание воды и водяного пара Дата Группа Студент Результаты измерений Левый пьезометр (верхний измеритель ТРМ202) Правый пьезометр (нижний измеритель ТРМ202) t, ºС р, бар t, ºС р, бар 1 2 3 4 5 Индивидуальные задания: Подпись преподавателя:

Нагреватель правого пьезометра (где v > v_кр) при температуре 350 ÷ 375^oC автоматически отключается и опыт на этом пьезометре заканчивается. В левом пьезометре (где v < v_кр) нагреватель тоже отключается автоматически, но из-за тепловой инерции подвод теплоты и рост давления в течение некоторого времени продолжаются и нужно продолжать записывать показания приборов до достижения максимального давления. При необходимости можно отключить нагреватели обеих установок красными кнопками “ОТКЛ” на приборной панели. Полученные экспериментальные данные используются для последующей обработки.

Рабочий протокол с результатами измерений должен быть подписан у преподавателя.