Материал: А27626 Лабораторный практикум по термодинамике

5. Обработка результатов опыта

Полученные в результате измерений опытные данные обрабатывают таким образом, чтобы наглядно выявить зависимость p = f (T_н) и сравнить эту опытную зависимость с точными справочными данными, установленными рядом теоретических и экспериментальных научно-исследовательских работ.

Обработку производят в следующем порядке.

Для каждого из состояний пара, при которых производились измерения, рассчитывают абсолютную температуру пара и жидкости, а также абсолютное давление пара.

Для расчета абсолютной температуры предварительно определяют температуру по стоградусной шкале при помощи графика t = f (E), который строят на основании градуировочной таблицы (график на миллиметровой бумаге прилагают к отчету о выполнении работы). Абсолютное давление рассчитывают с учетом действительного барометрического давления. По ходу обработки результатов расчеты систематизируют в виде таблицы (табл. 2).

Таблица 2

Результаты обработки опытных данных

Полученные опытные данные наносят на КРУПНОМАСШ-ТАБНЫЙ график р_абс–Т, выполняемый на миллиметровке. По согнутой линейке проводят плавную линию, осредняющую опытные точки. Для сопоставления полученной из опыта зависимости со справочными данными выписывают из таблиц термодинамических свойств хладагента R12 в состоянии насыщения значения температур от плюс 10 до плюс 50 С (с шагом 5–10 С) и соответствующие им значения давления насыщения. По этим данным пересечением вертикальных и горизонтальных штрихов строят точки, соответствующие табличной информации. Точно через середины пересечений проводят вторую кривую по согнутой линейке. Подписывают кривые. По второй кривой для четырех-пяти произвольно выбранных опытных значений температур определяют значения давления р_табл, которые заносят в табл. 2. Там же записывают разности р между измеренными и справочными значениями давления, т. е. абсолютные погрешности опытных данных. Далее вычисляют и включают в таблицу относительные погрешности _р, полученные в ходе измерений значений давления насыщения.

Среднее отклонение опытных давлений от табличных, при котором результаты опыта могут считаться удовлетворительными, не должно превышать приблизительно 3 %.

6. Дополнительная обработка опытных данных

На основании проведенного анализа необходимо сделать краткие выводы о характере зависимости p = f (T_н), о качестве полученных данных и о возможных причинах их отклонения (в том или другом направлении) от действительных.

Полученные опытные данные нужно использовать для расчета теплоты парообразования хладагента R12 при температурах плюс 20 и плюс 50 С (или других температурах по указанию преподавателя). Для этого обычно выполняют аппроксимацию опытных данных, например с помощью метода наименьших квадратов, и получают уравнение кривой парообразования. Аналогичный результат может быть получен графическим осреднением опытных данных в координатах lnp–1/T_н на крупномасштабном графике, построенном на миллиметровке. В указанных координатах кривую парообразования можно считать в первом приближении прямолинейной. На этот график, кроме опытных точек, наносят критическую точку, параметры которой Т_кр и р_кр берут из справочника [2]. Через критическую точку проводят прямую так, чтобы она осредняла опытные данные. Уравнение этой линии

lnp = lnp_кр  c (1/T_н – 1/T_кр).

Для вычисления коэффициента с в уравнение подставляют параметры р и Т_н одной из опытных точек (близкой к осредняющей прямой) или параметры произвольной точки, взятой на этой линии.

Дифференцируя представленное выше уравнение, находят фор-мулу для расчета уклона кривой парообразования:

.

Вычисляют уклон для заданных температур и, используя справочные значения удельных объемов v и v, находят значения теплоты парообразования по уравнению КлапейронаКлаузиуса:

r = T_н (v – v) dp/dT_н.

Определяют расхождения между ними и соответствующими значениями по справочнику [2].

7. Отчет о работе

По окончании работы составляют отчет, который должен содержать:

 схему опытной установки с краткой спецификацией основных ее элементов;

 характеристику приборов;

 данные градуировки термопар и график t = f (E);

 протокол наблюдений;

 результаты обработки опытных данных (см. табл. 2);

 графическое представление опытной и табличной зависимос-тей p = f (T_н) на миллиметровой бумаге с указанием масштабов;

 графическое представление опытных данных в координатах lnp1/T_н на миллиметровой бумаге;

 расчет теплоты парообразования хладагента R12 и сопоставление полученных значений r с табличными данными;

 анализ опытных данных и выводы по результатам работы.

Список литературы

1. Теоретические основы хладотехники. Часть 1. Термодинамика / Под ред. Э.И. Гуйго. – М.: Изд-во «Колос», 1994. – 288 с.

2. Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ: Справ. / С.Н. Богданов, С.И. Бурцев, О.П. Иванов, А.В. Куп-риянова. – СПб.: СПбГАХПТ, 1993. – 309 с.

Лабораторная работа № 2 определение зависимости между температурой и давлением насыщенного водяного пара

1. Задание

1. Иметь четкое представление о каждом из возможных состоя-ний жидкости и пара (ненасыщенная и насыщенная жидкости; влажный, сухой насыщенный и перегретый пар; критическое состояние). Уяснить физический смысл и взаимосвязь основных величин, определяющих процесс кипения: температуры насыщения, давления насыщения, удельной теплоты парообразования, степени сухости влаж-ного пара.

2. Определить экспериментально зависимость давления от температуры насыщения для водяного пара в интервале давлений от 0,1 до 0,3 МПа.

3. Полученные значения давлений насыщения сравнить с табличными для соответствующих температур.

2. Основные теоретические понятия

Опытным путем установлено, что каждому давлению насыщения соответствует определенная температура кипения или насыщения чистой жидкости и наоборот, т. е. между температурой и давлением кипения или насыщения существует однозначная зависимость.

Кривая парообразования (или насыщения) обычно по форме близка к показательной функции, но для каждого вещества имеет индивидуальные особенности. Давление насыщения всех жидкостей возрастает с повышением температуры.

Для водяного пара кривая парообразования показана на рис. 3. Вправо от кривой расположена область перегретого водяного пара, влево – область воды. Вся область влажного пара (двухфазных состояний) изобразится на диаграмме рТ кривой фазового перехода.

Кривая парообразования имеет ограниченную протяженность между точками А и К. Точка А называется тройной точкой (для воды р_А = 610 Па и Т_А = 273,16 К). При этих параметрах сосуществуют (находятся в термодинамическом равновесии) три различные фазы вещества (твердая, жидкая и парообразная).

Рис. 3. Диаграмма рТ для водяного пара

Точка K называется критической точкой. В сверхкритической области, при значениях параметров, больших р_к или Т_к (например, для воды при давлении р_к  22,1 МПа и температуре Т_к  647,3 К), 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 пара и жидкости уже не существует.

Зависимость давления от температуры насыщения для водяного пара в интервале температур от 273 до 647 К получена на основании экспериментальных работ и приводится в таблицах для водяного пара [2].

3. Лабораторная установка

В данной лабораторной работе определение зависимости давления насыщения от температуры производится методом кипения, который заключается в измерении температуры и давления влажного пара, заполняющего пространство над жидкостью, кипящей на дне закрытого сосуда.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. Основной частью установки является кипятильный аппарат, который представляет собой стальной сосуд, покрытый слоем изоляции и снабженный смотровым окном 5. Кипятильник обогревается спиралью электронагревателя 6. Ползунковый реостат 7 обеспечивает регулировку нагрева кипятильника; для удобства регулировки в цепь также включен вольтметр (на рисунке не показан). На верхнюю часть сосуда, выполняющую функции конденсатора, намотан змеевик 2, в который подается вода из водопроводной сети.

Для измерения избыточного давления используется манометр 1. Для измерения температуры применена медьконстантановая термопара, горячий спай 4 которой введен в верхнюю часть кипятильного аппарата. Цилиндрический экран 3 защищает спай термопары от лучистого теплообмена с холодными стенками корпуса. Холодный спай термопары помещен в сосуд Дьюара, заполняемый до начала лабораторной работы смесью измельченного льда с водой. Для измерения ЭДС термопары используется цифровой милливольтметр. Таблица градуировки термопары имеется в лаборатории.

Установка работает следующим образом. Лаборант предварительно заполняет кипятильный аппарат дистиллированной водой, подает ток на электронагреватель, а затем включает воду на конденсатор. Получаемый из воды влажный пар собирается в верхней части цилиндра кипятильного аппарата, являющейся конденсатором, а затем, охлаждаясь водой, протекающей через змеевик, сжижается и стекает вниз по стенкам сосуда.

Давление влажного пара изменяется в соответствии с температурой, которая зависит от мощности электронагревателя и от расхода и температуры воды в конденсаторе. Мощность электронагревателя зависит от силы протекающего через него тока и регулируется реостатом; производительность конденсатора регулируется количеством охлаждающей воды.