Пружинные манометры

Для измерения давления в лаборатории используются пружинные приборы. Устройство таких приборов основано на изменении упругой деформации под действием давления или разрежения скрученной полой пружины (манометры и вакуумметры с трубкой Бурдона) или эластичной тонкой пластины – мембраны (барометр «анероид»).

Основной частью трубчатого манометра является изогнутая пустотелая трубка овального сечения. Свободный конец трубки закрыт наглухо, а закрепленный открытый конец соединяется с пространством, в котором измеряется давление. При увеличении давления трубка слегка разгибается. К свободному концу трубки присоединяется передающий механизм со стрелкой. После градуировки шкалы манометра (по показаниям образцового прибора) он может быть применен для измерения избыточного давления. Трубка Бурдона может быть использована также и для измерения вакуума. Трубчатые манометры применяются для измерения давления до 500 МПа.

Необходимо помнить, что пружинные манометры не позволяют измерять непосредственно истинное (абсолютное) давление р_абс в сосуде, а показывают лишь разницу между ним и атмосферным давлением В.

Лабораторная работа № 1 определение зависимости между температурой и давлением насыщенного пара хладагента r12

1. Задание

1. Иметь четкое представление о каждом из возможных состояний жидкости и пара (насыщенная и ненасыщенная жидкости; влажный, сухой насыщенный и перегретый пар; критическое состояние). Уяснить физический смысл и взаимосвязь основных величин, определяющих ход процесса кипения: температуры насыщения, удельной теплоты парообразования, степени сухости влажного пара.

2. Определить экспериментально зависимость давления от тем-пературы для насыщенного пара хладагента R12 при изменении давления от 0,5 до 0,8 МПа. Провести аппроксимацию опытных данных.

3. Использовать полученное уравнение p = f (T) для расчета теплоты парообразования хладагента R12.

2. Основные теоретические понятия

Хладоны относятся к классу галоидных производных насыщенных углеводородов. Так, хладагент R12 может быть получен при замещении атомов водорода в молекуле метана СН₄ двумя атомами фтора и двумя атомами хлора.

Химическая формула хладагента R12 – CF₂Cl₂. При атмосферном давлении хладагент R12 – газ без цвета и запаха. При понижении температуры до минус 30 С хладагент R12 конденсируется под давлением 0,1 МПа (750 мм рт.ст.), а при дальнейшем понижении температуры до минус 156 С он затвердевает.

За последние десятилетия хладагенты нашли широкое применение в различных областях техники, в особенности при получении искусственного холода.

Попадая в испаритель холодильной машины, жидкий хлад-агент R12 кипит и при этом отнимает теплоту от тел, подлежащих охлаждению. Очевидно, что каждый килограмм насыщенной жидкости хлад-агент R12, выкипая и превращаясь в сухой насыщенный пар, может отнять от охлаждаемых тел количество теплоты, равное удельной теплоте парообразования.

Каждому давлению р_н хладагента R12 соответствует определенная температура кипения, называемая температурой насыщения. Так, если в испарителе холодильной машины поддерживать давление, равное 0,1 МПа, то находящийся там хладагент R12 будет кипеть при температуре минус 30 С. Если давление в испарителе повысить, например, до 0,26 МПа, то кипение жидкого хладагента R12 и превращение его в пар будет происходить при температуре минус 5 С.

Кривая парообразования по форме обычно близка к экспоненте, но для каждого вещества имеет индивидуальные особенности. Однако температура кипения всех жидкостей возрастает с повышением давления. Для хладагента R12 зависимость между температурой и давлением при фазовом переходе из жидкого состояния в газообразное показана на рис. 1. Вправо от кривой расположена область перегретого пара, влево – область жидкости. Вся область влажного пара (двухфазного состояния) изобразится на диаграмме pT этой кривой фазового перехода.

Рис. 1. Диаграмма р–Т для хладагента R12

Кривая парообразования имеет ограниченную протяженность между тройной и критической точками вещества.

В тройной точке существуют и находятся в термодинамическом равновесии три различные фазы вещества (твердая, жидкая и парообразная). Тройная точка хладагента R12 (на рис. 1 не показана) лежит в области весьма низких значений давления и температуры (117 К).

Точка K называется критической точкой. При значениях параметров больше p_к или Т_к (для хладагента R12 р_к = 4,12 МПа; Т_к = 385 К и v_к = 1,76 см³/г), скачкообразный переход из жидкого в парообразное состояние (или наоборот) не имеет места, так как за пределами точки K рабочее тело однородно и четко выраженных состояний жидкости и пара уже не существует. Критическая температура хладагента R12 сравнительно высока (плюс 112 С), поэтому в условиях практического применения он рассматривается как реальный газ. Ожижение хладагента R12 в конденсаторе может происходить только при температурах ниже критической.

3. Лабораторная установка

В данной лабораторной работе зависимость давления насыщения от температуры определяется по методу кипения. Для проведения измерений по этому методу обеспечивается весьма медленное изменение температуры и давления влажного пара, заполняющего пространство над жидкостью (жидкость кипит, а образующийся из нее пар конденсируется). Схема установки изображена на рис. 2.

Основной элемент установки – кипятильник-конденсатор, который представляет собой закрытый вертикально расположенный полый цилиндр, выполненный из малотеплопроводной нержавеющей стали. Верхняя часть этого цилиндра является конденсатором, она охвачена змеевиком 2, внутри которого циркулирует водопроводная вода, отводящая теплоту конденсации пара хладона. Смотровое окно 5 позволяет наблюдать процесс кипения хладона во время опыта. В нижней части корпуса, служащей кипятильником, находится элект-ронагреватель 6. Он представляет собой теплопроводный кожух, внутри которого находится электрическая спираль. На крышке кипятильника расположен вентиль для заполнения установки хладоном и установки манометра 1. На шкале манометра имеется красная черта, указывающая предельно допустимое давление в установке (р_изб = 0,9 МПа). Для того чтобы исключить опасное повышение давления, на установке имеется предохранительный клапан.

Температура паров хладагента R12 измеряется с помощью термопары. Ее горячий спай 4 введен в верхнюю часть кипятильника-конденсатора. Спай окружен экраном 3 для исключения радиационного теплообмена с корпусом аппарата. Холодный спай термопары помещен в сосуд Дьюара, который перед пуском установки заполняется измельченным льдом с водой. Сила тока в цепи регулируется с помощью реостата 7.

Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 – манометр; 2 – змеевик; 3 – экран; 4 – горячий спай; 5 – смотровое окно; 6 – электронагреватель; 7 – реостат

После сборки и гидравлического испытания установки из кипятильника-конденсатора удаляют воздух и заполняют жидким хлад-агентом R12 до уровня верхнего края смотровых окон.

Установка работает следующим образом. Выделяемая элект-ронагревателем теплота вызывает кипение хладона; полученный влажный насыщенный пар поднимается вверх, достигая конденсатора, где, охлаждаясь, конденсируется на стенках и стекает обратно в холодильник. При указанном уровне заполнения аппарата и в пределах установленного максимального рабочего давления 1 МПа в пар может быть превращена лишь незначительная часть жидкого хладагента R12. Следовательно, в условиях работы на данной установке может быть получен лишь влажный насыщенный пар.

Давление насыщения изменяется в зависимости от температуры, которая, в свою очередь, зависит от мощности электронагревателя, температуры и расхода воды в конденсаторе. Мощность электронагревателя определяется силой протекающего через него тока и может регулироваться реостатом.

Таким образом, регулируя работу нагревателя и конденсатора, можно получить любое давление в пределах установленного для данного аппарата безопасного максимума и определить температуру пара, соответствующую этому давлению.

Невозможность получения в установке сухого насыщенного пара не имеет значения, ибо, как известно, и у влажного пара, и у сухого насыщенного зависимости между давлением и температурой одинаковы.

4. Выполнение работы

Приступая к работе, необходимо:

 ознакомиться с устройством и принципом действия опытной установки;

 ознакомиться с применяемыми в работе измерительными приборами и занести в таблицу характеристику приборов (см. прил. 1);

 записать данные градуировки термопары по градуировочной таблице, имеющейся при установке (см. прил. 2).

Измеренные величины необходимо записать в протокол наблюдений (табл. 1).

Таблица 1

Протокол наблюдений

Атмосферное давление В = мм рт. ст.

Для установления точной зависимости между давлением и температурой пара следовало бы произвести измерение этих параметров при нескольких различных режимах кипения, каждый из которых являлся бы стационарным, т. е. таким, когда количество теплоты, воспринимаемой жидкостью, а также температура и давление пара оставались бы постоянными во времени. Однако на учебной установке, при отсутствии автоматического регулирования силы тока в электронагревателе или количества охлаждающей воды в конденсаторе, выполнение такого опыта потребовало бы слишком много времени. Поэтому в данной работе измерение давления и температуры пара производится при медленном повышении или понижении этих параметров.

Рабочая зона установки ограничена пределами давления насыщенных паров хладона от 0,4 МПа (что соответствует температуре 8 С) до 1 МПа (температура пара приблизительно плюс 41 С).

Начинать измерения следует с давления 0,4–0,5 МПа и вести их до 1 МПа с интервалом 0,05–0,1 МПа. ПРЕВЫШАТЬ ДАВЛЕНИЕ 1 МПа ЗАПРЕЩАЕТСЯ. В случае перехода стрелки манометра за красную черту необходимо немедленно выключить ток и увеличить поступление воды в конденсатор.

Если в момент начала работы давление в установке достигло максимально допустимого, то следует увеличить приток воды в конденсатор или уменьшить силу тока в электронагревателе таким образом, чтобы давление пара в аппарате начало медленно снижаться, и вести замеры с теми же интервалами, какие рекомендованы выше.

Для получения зависимости p = f (T_н) с удовлетворительной точностью в условиях нестационарного процесса кипения весьма важно производить измерения температуры и давления ОДНОВРЕМЕННО. Измерение давления при положении стрелки манометра в промежутке между двумя делениями шкалы связано с повышением погрешности отсчета. Поэтому измерения производят следующим образом: при приближении стрелки манометра к очередному делению шкалы заранее записывают значение данного деления; затем (также заранее) при помощи кнопки или ключа включают термопару в цепь прибора для измерения ЭДС и по достижении стрелкой манометра линии деления быстро делают отсчет показания цифрового милливольтметра.

Для определения абсолютного давления пара необходимо знать атмосферное давление; так как оно изменяется относительно медленно, его достаточно измерить один раз – в начале опыта. Измерение производится при помощи барометра.