28

Техническая термодинамика. Лабораторная работа №1. Определение термодинамических характеристик воды и водяного пара.

Цель работы – определение параметров влажного пара которые вычисляются на основе экспериментальных данных и таблиц термодинамических особенностей сухого насыщенного пар и кипящей жидкости на линии насыщения.

Процесс преобразования воды в перегретый пар при постоянном давлении (с подведенным теплом) складывается из трёх последовательных стадий: подогрев жидкости, парообразования и перегрев пара. В процессе парообразования осуществляется переход из кипящей воды в сухой пар. В обратном процессе (с отведением теплоты) имеют место такие стадии: охлаждение перегретого пара, конденсация, охлаждение жидкости. В этой работе должен обратить внимание на характерные особенности стадий и чётко знать расчётные формулы как отдельных из них, так и всего процесса в целом. Первая стадия получения пара – нагрев жидкости до кипения, процесс 1-2 при постоянном давлении (рис.12). На начало отсчёта энтальпии для воды и водяного пар принимают значения i_o=O при температуре О ^оС и давлении О,101325 МПа. Без особых потерь для точности расчётов можно считать, что при температуре О ^оС энтальпия не зависит от давления и равняется нулю. Энтальпия кипящей жидкости численно равна теплотеq _рд, которая необходима для нагрева 1кг жидкости в изобарном процессе от О ^оС до температуры кипения .

q _рд = - i_o=

Вычисляют энтальпию кипящей воды по формуле:

(1.1)

где -средняя теплоёмкость воды. Дж/(кг К);

- температура кипения, которая зависит от давления.

Чем выше давление пара, тем больше температура насыщения и энтальпияi кипящей жидкости, которая измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Энтропия кипящей жидкости:

(1.2)

(изменение энтропии отсчитывают от О °С, когда энтропия условно равна 0).

Вторая стадия – переход кипящей жидкости в парообразное состояние – процесс 2-4 (кипение жидкости), существенно отличается от первой. Процесс характеризуется не только постоянным давлением, но и постоянной температурой, то есть он есть изобарно-изотермическим, при котором давление и температура кипения взаимозависимы.

Парообразование начинается с момента закипания жидкости при подведении теплоты и заканчивается её полным испарением – состояние сухого пара точка 4 (рис.12). Количество теплоты, необходимое для преобразования одного килограмма кипящей жидкости в сухой пар при постоянном давлении называется теплотой парообразования (Дж/кг).

С повышением давления теплота парообразования уменьшается, приближаясь к нулю в критической точке при критическом давлении 22,13 МПа и критической температуре 374‚15С.

В процессе кипения масса жидкости масса жидкости уменьшается, а количество пара увеличивается. Состояние, при котором одновременно существуют кипящая жидкость и сухой пар называется влажным паром, точка 3 (рис.12). Массовое соотношение пара с жидкостью оценивается степенью сухости , которая составляет массовую часть пара в пароводяной смеси, то есть отношение массы сухого парак массе влажного пара. Масса влажного пара равна сумме масс кипящей жидкости и сухого пара. Очевидно, что на момент начала выпаривания доля кипящей жидкости 0, а на при полном выпаривании для сухого пара 1. Пар в последнем случае получил название сухого насыщенного пара. Если выпаривание воды не доведено до конца то есть 01, то пар становится влажным насыщенным, и на его образование тратится в процессе выпаривания меньше теплоты, чем для сухого пара.

Рис. 12

Для влажного пара энтальпия i_x и энтропия s _x находятся по формулам:

;

; (1.3)

Изменение энтальпии и энтропии в процессе выпаривания

(1.4)

Энтальпия и энтропия сухого насыщенного пара при x=1 составляют

;(1.5)

Третья стадия – перегрева пара – осуществляется при дополнительной подачи теплоты до сухого насыщенного пара, процесс 4-5 (рис.12). В этом случае между давлением пар и его температурой существует полнейшая независимость: мы можем нагреть пар выше температуры насыщения , до любой заданной температурыt_пп =. Перегретый пар приобретает особенности близкие к идеальному газу. Теплоту перегрева рассчитывают по формуле

, (1.6)

где -- средняя удельная теплоёмкость удельного пара в интервале температурыt_s … t_пп, и зависит не только от температуры, но и от давления (определяют по таблицам воды и перегретого пара).

Энтальпия перегретого пара численно равна сумме теплот трёх последовательных стадий парообразования, т.е.

(1.7)

Энтропия перегретого пара также определяет её аддитивную сторону

. (1.9)

Таким образом, энтальпия перегретого пара численно равна количеству теплоты в джоулях на килограмм массы, нужной для нагревания 1кг воды от О °С до температуры кипения, дальнейшее выпаривания и для перегрева до заданной температуры при постоянном давлении.