Материал: А27626 Лабораторный практикум по термодинамике

Протокол наблюдений

Атмосферное давление В = мм рт. ст.

5. Обработка результатов опыта

Определяют объемные расходы конденсата и охлаждающей воды как разности конечного и начального отсчетов по водомерному стеклу. Подсчитывают абсолютное давление по показаниям манометра и барометра. Значения температур t₁ и t₂, отсчитанные по шкале цифрового милливольтметра (в милливольтах), переводят в градусы Цельсия с помощью таблиц градуировки, имеющихся в лаборатории.

Так как в ходе опыта возможны небольшие колебания температур охлаждающей воды, пара и конденсата, а также колебания давления из-за включения и выключения электронагревателя в парогенераторе, в качестве расчетных значений всех этих величин принимают среднее по данным пяти измерений.

Для нахождения энтальпии h₁ воспользуемся упомянутым выше соотношением h₁ = h₂ и определим расчетом величину h₂, равную интересующей нас величине h₁.

Процесс отвода теплоты от пара в конденсаторе-калориметре  изобарный и отведенная теплота может быть выражена через разность энтальпий

q = h₂ – h_к,

где q – удельное количество теплоты, отведенной от пара, кДж/кг; h₂ – энтальпия пара на входе в конденсатор-калориметр, равная энтальпии во второй измерительной камере, кДж/кг; h_к – энтальпия конденсата на выходе из конденсатора-калориметра, кДж/кг.

Величина q может быть найдена по данным о нагревании охлаждающей воды, ее массовом расходе и массовом расходе конденсата:

Энтальпия h_к конденсата может быть рассчитана по формуле

h_к = с_pm t_к.

где c_pm – удельная теплоемкость воды, равная 4,19 кДж/(кгК).

Таким образом,

h₁ = h₂ = q + h_к.

Значения энтальпий h₁ и h₂ необходимо также определить по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара [2], зная t₁ и р₁ в первой камере и t₂ и р₂ во второй камере.

По окончании расчета необходимо изобразить на диаграмме T-s все процессы, происходящие на установке; показать точки, соответствующие состояниям пара до и после дросселирования, и провести ориентировочную линию процесса адиабатного дросселирования.

Необходимо иметь в виду, что определение энтальпии перегретого пара можно было бы осуществить и не подвергая пар дросселированию. В этом случае пар из первой измерительной камеры поступал бы непосредственно в конденсатор. При этом расход пара был бы очень велик, следовательно, и теплообменную поверхность конденсатора нужно было бы значительно увеличить.

Для сопоставления опытного значения интегрального эффекта Джоуля–Томпсона t = t₂ – t₁ со значением эффекта, найденного по диаграмме hs для воды и водяного пара, необходимо выполнить следующее построение. По параметрам пара в первой камере (р₁ и t₁) находят по диаграмме точку 1, через которую проводят линию h = const до пересечения с изобарой р₂ в точке 2. Затем определяют t₂ и величину эффекта t = t₂ – t₁. Поскольку точность такого построения небольшая, интегральный эффект Джоуля–Томпсона также следует рассчитывать, используя интерполяцию табличных данных по термодинамическим свойствам перегретого водяного пара [2].

6. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

 принципиальную схему установки;

 протокол наблюдения;

 расчеты, связанные с определением h₁;

 табличные значения энтальпии (определенные по р₁ и t₁ и р₂ и t₂) и расчет отклонений опытных данных от табличных;

 опытное значение интегрального эффекта Джоуля–Томпсона и сравнение его с расчетными значениями эффекта;

 диаграмму T-s для водяного пара с изображением всех процессов, происходящих на установке, включая процесс дросселирования;

 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 № 4 определение степени сухости влажного насыщенного пара

1. Задание

1. Иметь четкое представление о каждом из состояний вещества (ненасыщенная и насыщенная жидкость; влажный, сухой насыщенный и перегретый пар; критическое состояние). Уяснить сущность и взаимосвязь основных величин, характеризующих процесс кипения: температуры насыщения, давления насыщения, удельной теплоты парообразования, степени сухости влажного пара.

2. Определить опытным путем степень сухости водяного пара при некотором заданном режиме парообразования (давление, тепловая нагрузка) в котле экспериментальной установки.

2. Основные теоретические понятия

Паром называется реальный газ, близкий к состоянию насыщения, т. е. к превращению в жидкость.

Насыщенным называется пар, находящийся в равновесии с кипящей жидкостью, из которой он образуется. Температура кипящей жидкости и находящегося над ней пара называется температурой насыщения; она является однозначной функцией давления, при котором происходит процесс кипения (давления насыщения). Эта зависимость T_н = f (p) имеет сложный характер. При повышении давления температура насыщения возрастает. Насыщенный пар может быть сухим и влажным.

Влажный насыщенный пар получают при неполном испарении жидкости: он является смесью сухого насыщенного пара с мельчайшими взвешенными в нем капельками насыщенной жидкости.

Степенью сухости влажного пара х называется массовая доля сухого насыщенного пара в общей массе влажного пара.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар того же давления, называется удельной теплотой парообразования.

Состояние влажного пара определяется двумя параметрами – давлением (или температурой) и степенью сухости. Так как при одном давлении и соответствующей температуре насыщения возможно бесчисленное множество состояний влажного пара, отличающихся по степени сухости, то таблицы влажного пара не составляются и параметры его определяются расчетом.

Так, энтальпия влажного пара (Дж/кг) может быть найдена по формуле

h_х = h + rx,

где h  энтальпия насыщенной жидкости при том же давлении, Дж/кг; r – удельная теплота парообразования при данном давлении, Дж/кг; x – степень сухости влажного пара.

Произведение rx показывает, какое количество теплоты должно быть подведено к 1 кг насыщенной жидкости, чтобы превратить в пар часть жидкости, равную х. Иначе, rx представляет собой приращение энтальпии вещества в процессе перехода из состояния насыщенной жидкости в состояние влажного пара со степенью сухости х в процессе постоянного давления.

3. Лабораторная установка

Схема установки изображена на рис. 5. Образовавшийся в электрическом парогенераторе 6 водяной пар поступает в пароперегреватель 4. Несмотря на наличие в парогенераторе приспособления для осушки, входящий в пароперегреватель пар имеет степень сухости х меньше единицы, т. е. является влажным. Пароперегреватель представляет собой трубку, внутри которой движется пар, а снаружи расположен электрический нагреватель. Для уменьшения теплопотерь электроспираль изолирована. Все устройство помещено в жестяной кожух.

Благодаря подводу теплоты от нагревателя влажный пар превращается сначала в сухой, а затем в перегретый пар и через вентиль 3 поступает в конденсатор 2. Конденсатор сделан в виде трубчатого змеевика, расположенного в кожухе. Внутри змеевика движется пар, снаружи – охлаждающая вода. Вода отнимает теплоту от пара (температура воды ниже температуры пара), благодаря чему он конденсируется. Конденсат собирается в мерный сосуд 1.

В цепь электронагревателя, установленного на пароперегревателе, включены ваттметр для измерения и реостат для регулировки мощности.

Состояние пара, входящего в пароперегреватель, обозначим буквой «а», а выходящего – буквой «b».

Рис. 5. Схема лабораторной установки:

1 – мерный сосуд; 2 – конденсатор; 3 – вентиль; 4 – пароперегреватель; 5 – манометр; 6 – парогенератор

Для измерения температуры пара, входящего в пароперегреватель и выходящего из него, установлены термопары t_a и t_b. Они подключены к переключателю, через который могут быть соединены с цифровым милливольтметром. Холодные спаи термопар опущены в сосуд Дьюара, где поддерживается температура 0 С.

Для измерения давления в парогенераторе и пароперегревателе установлен манометр 5.

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 по форме, данной в прил. 1;

 записать данные градуировки термопар по градуировочной таблице, имеющейся на установке, в пределах колебания ЭДС в опыте (по форме прил. 2);

 подготовить для записи замеров протокол наблюдений по форме, приведенной в табл. 4.

Таблица 4

Протокол наблюдений

Атмосферное давление В = кгс/см²

5. Обработка результатов опыта

Обработку опытных данных произвоят в следующем порядке.

Определяют абсолютное давление р_абс = р_изб + В. По графику или таблице градуировки находят температуру t_b по среднему значению ЭДС термопары.

Температуру t_а также определяют по среднему значению ЭДС соответствующей термопары. Для контроля эту температуру находят и по таблицам насыщенных паров [2] по величине давления р_абс.

Степень сухости пара, поступающего в пароперегреватель, может быть определена следующим образом. Энтальпия пара (кДж/кг) в точке «b»

h_b = h_a + q,

где h_а – энтальпия пара в точке «а», кДж/кг; q – количество теплоты, подведенной к 1 кг пара, проходящего через пароперегреватель, кДж/кг.

Энтальпия h_b может быть определена по температуре t_b и давлению в точке «b» с помощью таблиц для перегретых паров либо (менее точно) – с помощью диаграмм T–s или h–s водяного пара.

Удельная теплота q может быть найдена по уравнению

q = Q/M.

В свою очередь,

Q = Q_w – Q_m,

где Q_w  тепловой поток, подводимый электронагревателем, кВт; Q_m – тепловой поток, отдаваемый поверхностью пароперегревателя в воздух (теплопотери), кВт.

Теплопотери в основном зависят от температуры поверхности пароперегревателя и определяются в зависимости от измеренной температуры t_b из таблицы вида Q_m/Q_w = f (t_b), имеющейся на установке.

По известным h_b и q определяется h_а. С другой стороны, энтальпия влажного пара

h_a = h_a + r_a x_a,

где h_a – энтальпия насыщенной жидкости при температуре t_a, кДж/кг; r_a – удельная теплота парообразования при t_a, кДж/кг.

Величины h_a и r_a находят по таблицам насыщенных паров или по диаграммам T–s и h–s при температуре входящего пара t_a.

Таким образом, известны все величины, кроме х_а, следо-вательно,

x_a = (h_a – h_a)/r_a.

Итоги расчетов оформляют в виде табл. 5.

Таблица 5

Результаты обработки опытных данных