4. Выполнение работы

Приступая к выполнению работы, необходимо:

 ознакомиться с устройством и работой опытной установки;

 ознакомиться с применяемыми в работе измерительными приборами и записать их характеристики в таблицу (прил. 1);

 выписать данные градуировки термопары из градуировочной таблицы, имеющейся в лаборатории.

Все измерения заносятся в протокол наблюдений (см. табл. 1).

Для установления зависимости между давлением и температурой пара с наибольшей точностью желательно было бы произвести измерение этих параметров при нескольких различных режимах кипения, каждый из которых являлся бы стационарным. Однако выполнение такого опыта потребовало бы весьма значительного времени. Поэтому в данной работе измерения давления и температуры пара производятся при не вполне стационарных условиях, т. е. при медленном повышении или понижении этих параметров.

Измерения следует вести с интервалом 0,020,06 МПа; всего в опыте должно быть не менее пяти-шести измерений.

ПОВЫШЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ ВЫШЕ 0,3 МПа НЕДОПУСТИМО. В случае перехода стрелки манометра за красную черту (3 кгс/см²) необходимо немедленно выключить ток и увеличить поступление воды в конденсатор.

Если в момент начала работы давление в установке достигнет максимально допустимого значения, следует работать «на понижение», т. е. увеличить приток воды в конденсатор или уменьшить силу тока в электронагревателе таким образом, чтобы давление начало медленно снижаться, и вести измерения в направлении понижения давления с теми же интервалами, какие рекомендованы выше, при работе «на повышение».

Для получения данных зависимости p = f (T_н) с удовлетворительной точностью в условиях нестационарного процесса кипения весьма важно производить измерения давления и температуры ОДНОВРЕМЕННО. Измерение давления при положении стрелки манометра между двумя делениями шкалы также связано с определенной погрешностью отсчета. Поэтому измерения производят следующим образом, при приближении стрелки манометра к очередному делению шкалы заранее записывают значение данного деления; затем, также заранее, нажимают кнопку включения термопары и при 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.

5. Обработка результатов опыта

По окончании измерений полученные 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-исследо-вательских работ.

Для каждого из состояний пара, при которых производились измерения, рассчитывают абсолютное давление и температуру пара; при расчете температуры интерполирование рекомендуется производить графическим способом, для чего на основании градуировочной таблицы предварительно строят график t = f (E).

Ход обработки и ее результаты систематизируют в таблице.

Далее строят на миллиметровке КРУПНОМАСШТАБНЫЙ график рТ_н, на который наносят опытные точки и осредненную кривую. На том же графике строят вторую кривую по выписанным из таблиц справочным данным для интервала температур от 90 до 150 С (с шагом 5 или 10 С). Точку изображают пересечением вертикального и горизонтального штрихов, соответствующих табличным значениям температуры и давления. Через середины пересечений по согнутой линейке проводят кривую. С помощью этой кривой определяют точные значения давлений насыщения для всех опытных температур и включают их в табл. 2. Определяют расхождения р между опытными и точными данными справочных значений давления.

Для четырех-пяти опытных значений температур вычисляют относительную ошибку определения давления (в процентах) по формуле

_р = (р/р_табл)100.

Затем вычисляют среднее арифметическое отклонение. Опытные данные считаются удовлетворительными, если оно не превышает 3 %.

На основании проведенного расчетного анализа необходимо сделать краткие выводы о характере изучаемой зависимости, о качестве полученных опытных данных и о возможных причинах отклонения их в том или другом направлении от имеющихся табличных данных.

3. Лабораторная установка

Устройство установки показано на рис. 4. Установка работает на водяном паре, поступающем из парогенератора 14. Постоянное давление пара, подаваемого в установку, обеспечивается с помощью контактного манометра. Перегрев пара осуществляется в электрическом пароперегревателе 13, откуда пар поступает в первую измерительную камеру 5.

В первой камере с помощью образцового манометра измеряется давление р₁, а с помощью медьконстантановой термопары 4 – температура t₁. Энтальпия пара в первой измерительной камере подлежит определению. Из первой камеры пар поступает в вентиль 6, где и происходит его дросселирование до давления, близкого к атмосферному. После вентиля пар проходит во вторую измерительную камеру 8, где измеряются его параметры после дросселирования: давление р₂ – образцовым манометром и температура t₂ – термопарой 7. Измерение ЭДС в цепи термопар 4 и 7 производится с помощью цифрового милливольтметра, который переключателем может быть включен в цепь той или другой термопары.

Рис. 4. Схема лабораторной установки:

1– водомерное стекло; 2 – мерный бак; 3, 12 – термометры; 4, 7 – термопары; 5, 8 – измерительные камеры; 6 – вентиль; 9 – конденсатор-калориметр; 10 – термометр; 11 – мерный сосуд; 13 – пароперегреватель; 14 – парогенератор

Из второй измерительной камеры пар поступает в конденсатор-калориметр 9, где охлаждается и конденсируется. Образовавшийся конденсат сливается в мерный сосуд 11. Температура конденсата на выходе t_к измеряется с помощью термометра 10. Теплота, отдаваемая паром при охлаждении и конденсации, воспринимается проточной водопроводной водой. Ее расход может быть определен с помощью мерного бака 2, снабженного водомерным стеклом 1. Шкала водомерного стекла отградуирована в литрах.

Температура воды на входе и выходе из конденсатора-калори-метра измеряется с помощью термометров 3 и 12. Все элементы установки, по которым проходит пар, для уменьшения тепловых потерь расположены возможно ближе друг к другу и защищены изоляцией. Достаточно большая скорость пара в дроссельном устройстве также способствует адиабатичности процесса.

4. Выполнение работы

Парогенератор включается лаборантом до начала работы и все происходящие в установке процессы своевременно приобретают стационарный характер.

Перед началом измерений необходимо внимательно ознакомиться с устройством установки и произвести предварительные (без записи в таблицу) измерения давлений р₁ и р₂, температур пара t₁ и t₂, конденсата t_к и охлаждающей воды на входе и выходе t_вх и t_вых.

Избыточное давление пара в первой измерительной камере устанавливается в пределах 0,20,3 МПа; температура – 150200 С.

После ознакомления с установкой производят измерения величин, необходимых для вычисления энтальпии.

Для измерения количества получаемого конденсата и расхода охлаждающей воды подставляют под слив конденсата пустой мерный сосуд и одновременно переключают трехходовой кран для подачи охлаждающей воды в мерный бак 2. В этот же момент записывают время, соответствующее началу сбора конденсата и охлаждающей воды. Сбор рекомендуется вести 1015 мин. По истечении намеченного времени необходимо убрать мерный сосуд 0из под слива конденсата и одновременно переключить кран на подачу охлаждающей воды в сливную воронку. Имея данные о собранном количестве конденсата и воды в выбранном интервале времени, рассчитывают расход конденсата и воды.

В течение опыта необходимо произвести не менее пяти измерений величин р₁, р₂, t₁, t₂, t_к, t_вх, t_вых, занося результаты измерений в протокол наблюдений (табл. 3).

6. 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;

 совмещенный график зависимости p = f (T_н) по данным, полученным из опыта, и литературным данным (на миллиметровой бумаге с указанием масштабов по осям координат);

 значение _р и расчеты, связанные с его определением;

 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. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.  М.: Изд-во стандартов, 1969.  408 с.

Лабораторная работа № 3 определение энтальпии водяного пара при помощи адиабатического дросселирования

1. Задание

1. Иметь четкое представление об энтальпии как функции состояния, уяснить физический смысл этого параметра, способы определения энтальпии паров по таблицам, диаграммам и расчетом.

2. Провести эксперимент по определению энтальпии перегретого водяного пара. Сравнить полученное значение энтальпии и интегрального эффекта Джоуля–Томпсона с данными таблиц свойств водяного пара.

2. Основные теоретические понятия

Энтальпией, или теплосодержанием, называется функция состояния, представляющая собой сумму внутренней энергии и потенциальной энергии давления:

h = u + pv.

Энтальпию можно представить также как количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества от состояния, принятого за начальное, до данного состояния в процессе постоянного давления:

h = c_pm t.

Энтальпия – важный параметр, дающий возможность просто и точно определить количество теплоты, участвующей в процессах парообразования, конденсации и других изобарных процессах.

Энтальпия является одной из важнейших калорических величин, необходимых для расчета любого энергетического или холодильного оборудования: котлов, турбин, компрессоров, различных теплообменников и т. п.

Энтальпия вещества может быть определена различными способами. В лабораторной работе производится определение энтальпии водяного пара с помощью адиабатического дросселирования. Идея заключается в определении энтальпии пара h₁ по равному ей значению энтальпии после дросселирования h₂. Применение этого способа позволяет получить наиболее точные результаты.

Под дросселированием, или мятием, понимается понижение давления пара или газа при прохождении рабочего тела через участок с местным сопротивлением. При этом обычно уменьшается и температура пара, увеличивается его объем, но расширение не сопровождается совершением полезной работы. Процесс дросселирования является типичным необратимым процессом и сопровождается увеличением энтропии.

Из уравнения первого закона термодинамики для случая адиабатического дросселирования может быть получено равенство h₁ = h₂, показывающее, что энтальпия пара после дросселирования равна его начальной энтальпии.

Таблица 3