teplotech

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА "ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ"

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ НАСЫЩЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Методические указания к лабораторной работе

Волгоград

2003

2

Построение кривой насыщения и определение теплоты парообразования. Методические указания к лабораторной работе / Сост. А.А. Буров, Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов. - 3-е изд., доп. и перераб. – Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2003. – 11 c.

Даются цели и содержание лабораторной работы по экспериментальному определению параметров насыщения для воды и водяного пара. Рассматриваются основные методы определения этих параметров. Описывается лабораторная установка. Излагается рекомендуемая методика выполнения работы, обработки и анализа результатов. Приводятся вопросы для самоконтроля.

Ил. 3. Табл. 1. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент Е.А. Захаров

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Волгоградский государственный технический университет, 2003

3

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1.Изучение методов экспериментального определения зависимости между температурой и давлением насыщения.

1.2.Определение теплоты парообразования и ее зависимости от температуры насыщения.

1.3.Углубление знаний о свойствах реальных газов, в частности водяного пара.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1.Экспериментальное определение значений температуры насыщения для воды и водяного пара при различных давлениях. Сравнение полученных данных с табличными.

2.2.Построение кривой насыщения в исследованной области изменения параметров.

2.3.Определение с помощью кривой насыщения теплоты парообразования для воды и анализ зависимости ее величины от температуры насыщения.

3.МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАСЫЩЕНИЯ И ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Для получения зависимости давления насыщенного пара от его температуры используются различные методы. Наибольшее распространение получили статические методы и метод точек кипения.

3.1. Статические методы

Суть статических методов заключается в следующем. Исследуемое вещество помещается в термостатированный сосуд, из которого предварительно удален воздух. После того, как в сосуде устанавливается равновесие между конденсированной фазой и паром, измеряется либо давление в сосуде (прямой метод), либо количество вещества, перешедшее в паровую фазу (косвенный метод).

На рис.3.1. показана схема установки, в которой реализуется прямой статический метод. Исследуемое вещество находится в сосуде 1, который помещен в термостат 2. Заданная температура в термостате поддерживается нагревателем 3. Давление в сосуде измеряется мановакуумметром 4, а температура - термометром 5. Вентили 6 и 7 используется для вакуумирования сосуда и заполнения его исследуемым веществом.

Рис. 3.1. Схема установки для определения параметров насыщения статическим методом

Давление насыщенного пара однозначно определяется температурой на границе между паром и жидкостью. Поэтому при использовании статических методов важно обеспечить хорошее термостатирование с тем, чтобы температура, измеренная термометром 5, соответствовала бы температуре исследуемого вещества на границе раздела фаз.

3.2. Метод точек кипения

Определение давления и температуры насыщенного пара методом точек кипения основано на том, что при равенстве внешнего давления давлению насыщенного пара жидкость закипает. При реализации этого метода исследуемая жидкость помещается в сосуд (рис. 4.1), который, в отличие от статического метода, предварительно не вакуумируется. Свободное пространство над жидкостью в нем заполнено воздухом или другим инертным газом. Устанавливая с помощью вакуумного насоса или компрессора различные давления газа в сосуде и нагревая жидкость, фиксируют тем или иным способом, например визуально, момент закипания. Значения давления и температуры в сосуде в этот момент соответствуют давлению и температуре насыщения для исследуемой жидкости. Так как кипящая жидкость может быть перегрета, температуру в сосуде измеряют над ее поверхностью, т.е. в области пара.

7

4)запрещается оставлять включенную установку без присмотра;

5)при обнаружении каких-либо неисправностей в установке необходимо ее немедленно отключить и поставить об этом в известность преподавателя или лаборанта.

5.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Методика проведения эксперимента.

5.1.1.Измерить атмосферное давление и температуру воздуха в лабо-

ратории.

5.1.2.Включить нагреватель и после того, как температура, которую показывает установленный в колбе термометр, начнет повышаться, создать над поверхностью воды в колбе максимально возможное разрежение. Для этого пустить воду в струйный насос при полностью закрытом регулировочном вентиле.

5.1.3.Наблюдать за поведением воды и в момент ее закипания измерить температуру пара и величину разрежения в колбе. Результаты измерений поместить в таблицу 5.1.

5.1.4.С помощью регулировочного вентиля последовательно уменьшать примерно на 10 кПа разрежение в колбе, измеряя при каждом новом значении давления температуру пара в момент закипания жидкости. Всего получить таким образом 6..8 пар соответствующих друг другу значений

8

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

6.1. Вычисляются значения абсолютных давлений и температур:

6.2. По уравнению Ван-дер-Ваальса находятся значения v′′ . Для решения уравнения Ван-дер-Ваальса рекомендуется использовать один из численных методов. В частности, можно воспользоваться специальной программой, которая имеется в ЭВМ, установленной в лаборатории. Перед запуском программы необходимо найти по справочнику или вычислить значения характеристической газовой постоянной и коэффициентов a и b для водяного пара. При вычислениях необходимо согласовывать размерность давлений и газовой постоянной в формулах (3.4) и (3.5). Если в эти формулы давления подставляются в Па, то размерность характеристической газовой постоянной R должна быть Дж/(кг К).

6.3.Строится кривая насыщения pн = f(Tн ) и исходя из ее вида делается вывод о характере взаимосвязи pн и Tн .

6.4.Используя полученную зависимость pн = f(Tн ) , найти для всех измеренных значений Tн , кроме минимального и максимального, величину производной dpdT . Для нахождения производной можно воспользоваться

одним из известных методов численного дифференцирования. Некоторые из этих методов представлены в математических пакетах программ для ЭВМ. Кроме того, можно применить графический способ, то есть определять производные по величине углов наклона касательных к кривой насыщения в точках с заданной температурой Tн . При этом следует помнить,

что тангенс угла наклона касательной должен быть вычислен с учетом масштабов, принятых на графике для температур и давлений. Графический способ нахождения dpdT иллюстрируется рис. 6.1. На этом рисунке

в качестве примера показано определение значения dpdT при температуре

насыщения в экспериментальной точке 1. Касательная AB проводится к кривой насыщения в той ее точке 1', которая соответствует значению температуры насыщения в экспериментальной точке. На касательной выбираются произвольно точки A и B. По значениям давлений и температур в

6.4. По уравнению Клайперона-Клаузиуса (3.3) рассчитываются теплоты парообразования для заданных значений температуры насыщения. Проводится сравнение полученных значений со справочными табличными данными [1, 4].

10

8.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какие свойства реальных газов не учитываются в модели идеального га-

за?

2.Как записывается уравнение Ван-дер-Ваальса? Чем это уравнение отличается от уравнения состояния идеального газа?

3.Что такое критическая точка вещества?

4.При каких условиях можно путем изотермического сжатия перевести вещество из газообразного состояния в жидкое?

5.Какой пар называется насыщенным?

6.Как выглядит изображение процесса парообразования при p = const в

pv- и Ts- координатах?

7.Чем отличаются сухой пар от влажного? Что понимается под степенью сухости ?

8.Что такое теплота парообразования?

9.Как записывается уравнение Клайперона-Клаузиуса?

10.Как определяются параметры состояния пара при инженерных расчетах?

11.Как определить удельный объем, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию влажного водяного пара с помощью таблиц?

12.Какие экспериментальные методы применяются для определения параметров насыщения?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.– М.: Высшая школа, 1980.– С. 161–172.

2.Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.– М.: Высшая школа, 1988.– С. 85–100.

3.Техническая термодинамика./ Под редакцией Крутова В.И. – М.: Высшая школа, 1971. – С. 231–261.

4.Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара.– М.: Машиностроение, 1967.– 160 с.