LR-Termodinamika

где рн – давление насыщенного водяного пара соответствующее температуре влажного воздуха t=tс по таблице приложения 3, Па; ∆рн – абсолютная погрешность в определении давления насыщенного водяного пара по таблице равная 68,6 Па.

5.СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ

1.Название и цель лабораторной работы.

2.Краткое описание работы.

3.Обработка результатов эксперимента.

4.К результатам работы приложить выкопировку из h-d – диаграммы

снанесением на ней точки состояния данного влажного воздуха.

6.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Что называется влажным воздухом, пересыщенным, насыщенными и ненасыщенным влажным воздухом.

2.Водяной пар. Влажный, сухой насыщенный и перегретый водяной

пар.

3.Закон Дальтона применительно к влажному воздуху. Что называется парциальным давлением?

4.Что называется температурой точки росы и влагосодержанием влажного воздуха?

5.Что называется абсолютной и относительной влажностью?

6.Чем определяется максимально возможное парциальное давление водяного пара в смеси и чему оно равно?

7.Написать уравнение Менделеева-Клапейрона для сухого воздуха, водяного пара, влажного воздуха и объяснить все входящие в уравнения величины.

8.В h-d – диаграмме показать линии φ=const, h=const, d=const,

tс=const, tм=const.

9.Почему на h-d – диаграмме линии постоянной относительной влажности при температуре выше 100 ºС изображаются вертикальными линиями?

10.Чему равна максимально возможная плотность при данной температуре влажного воздуха?

11.Как определить газовую постоянную и энтальпию влажного воз-

духа?

21

Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА

Цель работы: изучение методики экспериментального определения теплоты парообразования водяного пара.

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Втеплотехнике некоторые тела, находящиеся в газообразном состоянии, принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии – водяной пар, аммиак – аммиачный пар.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара /1–5/.

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения. Между данными процессами существует принципиальное различие.

Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.

Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара.

Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией, а жидкость – конденсатом.

Если парообразование жидкости происходит в неограниченном пространстве, то вся она может превратиться в пар. Если парообразование происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над ней, при этом часть молекул, движущихся в паровом пространстве над поверхностью, возвращается обратно в жидкость. В некоторый момент между парообразованием и обратным переходом молекул из пара в жидкость может наступить равновесие, при котором число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость .В этот момент в пространстве над жидкостью будет находиться максимально возможное количество моле-

22

кул. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным.

Различают следующие состояния водяного пара:

–влажный пар;

–сухой насыщенный пар;

–перегретый пар.

Влажный пар – насыщенный пар, содержащий в себе одноименную жидкость в виде взвешенных мелкодисперсных частиц.

Сухой насыщенный пар – пар, не содержащий одноименной жидкости и имеющий температуру кипения tн, при данном давлении р. Индекс «н» при температуре обозначает насыщение (или кипение).

Перегретый пар – пар, температура которого превышает температуру насыщения (кипения) tп>tн при данном давлении р.

Для того, чтобы иметь возможность однозначно определить состояние двухфазной смеси (влажного пара), необходимо знать, соотношение масс жидкости и ее пара.

Степенью сухости х двухфазной смеси называют отношение массы сухого насыщенного пара Gп, содержащегося в смеси к общей массе смеси

G

ются экстенсивными величинами и, следовательно, обладают свойствами аддитивности, то для удельных значений этих величин в двухфазной области справедливы следующие соотношения:

Здесь индексом «штрих» обозначены параметры кипящей жидкости, индексом «два штриха» – параметры сухого насыщенного пара.

23

Данные по свойствам вода и водяного пара, предназначенные для практического использования в различного рода расчетах, приведены в таблицах термодинамических свойств /5/. Эти таблицы рассчитываются, как правило, по уравнениям состояния, коэффициенты которых определены на основе экспериментальных данных.

Наряду с таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара важное значение в теплотехнических расчетах имеют Т-s и h-s – диаграммы.

Рассмотрим Т-s – диаграмму воды и водяного пара.

Рис.3.1. Т-s – диаграмма водяного пара

На Т-s – диаграмму наносят (рис.3.1) критическую точку k, левую (х=0) и правую (х=1) пограничные кривые, а также линии, соединяющие точки одинаковых давлений (p=const), температур (T=const), объемов (v=const) и степеней сухости (x=const). В некоторых диаграммах наносят также линии h=const.

Пограничные кривые bk (х=0) и kc (х=1) делят диаграмму на три час-

ти:

–влево от bk располагается область жидкости;

–под пограничной кривой bkс – область влажного пара;

–вверх от точки k и вправо от kc – область перегретого пара.

Вобласти жидкости изобары достаточно близко расположены друг к другу и практически сливаются с левой пограничной кривой bk.

Вобласти насыщения пара соответствующие изобары и изотермы совпадают и представляют собой горизонтальные прямые (отрезки bc). Все линии постоянной сухости идут от критической точки вниз расходящимся пучком. Левая и правая пограничные кривые являются также линиями по-

24

стоянной сухости: левая – x=0, правая – x=1. Левая пограничная кривая заканчивается в тройной точке а с параметрами: ртт=611,2 Па; tтт=0,01 ºС. Параметры критической точки: ркр=22,115 Мпа; tкр=374,12 ºС.

В области перегретого пара изобары идут вправо вверх, а изотермы остаются горизонтальными прямыми линиями.

Чем выше давление пара, тем выше проходит его изобара (р3>p2>p1). Линии постоянных удельных объемов проходят несколько круче изобар, как в области насыщения, так и в области перегрева. Подобно изобарам, изохоры претерпевают излом в точке пересечения с правой пограничной кривой, однако левую пограничную кривую не пересекают. Чем больше удельный объем, тем ниже располагается изохора (v1>v2).

B Т-s – диаграмме площадь, заключенная между линией процесса и осью абсцисс соответствует удельному количеству теплоты

Т-s – диаграмма широко используется в технике при исследовании термодинамических процессов и циклов, так как позволяет видеть изменение температуры рабочего тела и находить количество теплоты, участвующее в процессе.

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения (насыщения), в сухой насыщенный пар при постоянном давлении и температуре, называют теплотой парообразования. Теплота парообразования r зависит от давления (температуры кипения). С повышением давления теплота парообразования уменьшается и обращается в нуль в критической точке (рис.3.2).

Рис.3.2. Изображение теплоты парообразования в Т-s – диаграмме

25

В соответствии с уравнением первого закона термодинамики удель-

Часть ρu удельной теплоты парообразования r расходуется на изменение внутренней удельной энергии, на преодоление сил внутреннего сце-

где ρu – внутренняя удельная теплота парообразования; ψ – внешняя удельная теплота парообразования.

2. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

Экспериментальная установка выполнена с соблюдением требований безопасной эксплуатации в соответствии с ГОСТ Р МЭК 335–1–94, ГОСТ

12.1.009-76.

Перед выполнением лабораторной работы студент обязан прослушать инструктаж.

Запрещается руками или какими-либо предметами проникать в пространство между стендом и стеной лаборатории. Немедленно отключить установку в случае появления дыма, искр или запаха горелого материала.

3.МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Внастоящей работе определение теплоты парообразования производится конденсационным методом с применением непроточного калориметра. Вода, нагреваясь в парогенераторе, превращается в сухой насыщенней пар, который направляется в калориметр, где пар конденсируется, отдавая тепло воде калориметра. Определяя подведенную в калориметр теплоту, выделяющуюся при конденсации пара в течение опыта, а также, определяя массу образовавшегося конденсата за это же время, вычисляют величину теплоты парообразования. Существуют и другие метода определения r.

26

Рис.3.3. Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка по определению теплоты парообразования состоит из двух основных частей (рис.3.3):

1)парогенератора 1, служащего для получения из воды сухого насыщенного пара с помощью электронагревателя 2;

2)калориметра 7, где сухой насыщенный пар конденсируется, отдавая тепло воде калориметра. Полученный в парогенераторе сухой насыщенный пар направляется по питательной трубке 5 через трехходовой кран 6 в калориметр. За уровнем воды в парогенераторе можно следить по водомерному стеклу 4. Давление в парогенераторе измеряется манометром 3.

Калориметр представляет собой хорошо изолированный сосуд, в которой установлен конденсатор 8 и сборник конденсата 9.

Вода в калориметре во время опыта интенсивно перемешивается при помощи мешалки 11 с приводом от электродвигателя. Температуру воды в калориметре определяют по ртутному термометру 10. Масса образовавшегося конденсата определяется с помощью мерного сосуда 12.

Поддержание постоянного давления пара в парогенераторе осуществляется автоматически. Для защиты от недопустимого превышения давления на парогенераторе установлен предохранительный клапан 14.

27

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Необходимо заготовить протокол для записи показаний приборов.

Протокол измерений

К началу занятий парогенератор включен, так как на его прогрев необходимо некоторое время (30–40 мин.).

Приступая к опыту, необходимо:

1.Проверить уровень воды в парогенераторе по водомерному стеклу. Уровень воды должен находиться в средней трети водомерного стекла.

2.Проверить наличие воды в калориметре.

3.Проверить работу мешалки калориметра.

4.Убедиться, открыв кран 13, что в сборнике конденсата конденсат отсутствует, после чего кран закрыть.

5.Замерить температуру воды в калориметре t1.

6.Открыв трехходовой кран 6, обеспечить подачу пара в калориметр.

7.Наблюдать за повышением температуры воды в калориметре, периодически включая мешалку. Когда вода в калориметре нагреется примерно на 10–15 °С, прекратить подачу пара в калориметр. Через 4–5 мин.,

включив мешалку, определить температуру воды в калориметре t2 с той же точностью, что и t1.

8.Выпустить весь конденсат через кран 13 в мерный сосуд. Определить массу конденсата.

9.Определить давление в парогенераторе по манометру.

28

10.Найденные величины занести в протокол измерений.

5.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

5.1. Расчет теплоты парообразования водяного пара

Количество теплоты, отданное паром в калориметре Qп, можно под-

Здесь Мк – масса получившегося в калориметре конденсата, кг; r – теплота парообразования при давлении рн, кДж/кг; сmр – средняя изобарная теплоемкость воды в интервале температур от tк до tн, определяемая по таблицам /5/, кДж/(кг·К); tн – температура насыщения при давлении рн, определяется по таблицам /5/ ,°С; tк – температура конденсата, которую можно принять равной t2, °С.

Первое слагаемое в правой части уравнения (3.12) представляет собой теплоту, выделившееся при конденсации пара в количестве, равном Мк. Второе слагаемое – теплота, выделившаяся при охлаждении конденсата от температуры насыщения tн до температуры tк.

Если пренебречь тепловыми потерями, то теплота, рассчитанная по

где Mв – количество воды, залитой в калориметр, кг; срв – средняя изобарная теплоемкость воды в интервале температур от t1 до t2, приближенно ее можно принять равной 4,19 кДж/(кг·К); Mi – масса деталей калориметра, кг; ci – теплоемкость деталей калориметра.

Выражение

называют водяным эквивалентом калориметра.Значение А для калориметра данной установки приведено на стенде. Вводя А в формулу (3.13), а

2. Вычислить относительную величину расхождения между экспериментальным и табличный значением r

29

щей воды и сухого насыщенного пара: h′, h″, v′, v″, s′, s″, r для давления в парогенераторе рн.

ρu = u"−u' , где u" = h"−pн v" , u' = h'−pн v' .

5.В Т-s – координатах изобразить процесс конденсации пара и нагрева воды в калориметре.

6.Воспользовавшись таблицами воды и водяного пара /5/, построить

вмасштабе зависимость давления насыщения и теплоты парообразования

от температуры, т.е. функции рн=f(tн) и r=f(tн). Проанализировать построенные зависимости.

5.2. Оценка погрешностей в эксперименте

Относительная максимально возможная ошибка определения r опре-

∆tк = ∆t2 .

Напомним, что величины со знаком ∆ есть абсолютные ошибки измерения соответствующих величин. Значения ∆t2 и ∆t1 определяются точностью отсчета по термометру и принимаются равными 0,5 цены деления шкалы прибора.

Относительная ошибка в определении Mк равна относительной ошибке в определении объема конденсата (δMк=δVк), если масса конденсата определяется по его объему без взвешивания.

Величина ∆tн определяется погрешностью измерения давления насыщения рн. Значение же ∆рн зависит от класса точности манометра. Таким образом, вначале находится величина ∆рн, а затем по таблицам /5/ величи-

на ∆tн.

Последнее слагаемое в уравнении (3.18) представляет собой ошибку отнесения.

30