Материал: А27626 Лабораторный практикум по термодинамике

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

6. Отчет о работе

По окончании работы составляют отчет, в котором приводят:

 схему установки;

 характеристику применяемых в работе измерительных приборов;

 протокол наблюдений;

 таблицу и график градуировки термопар;

 результаты обработки опытных данных и таблицу расчетных данных;

 изображение всех процессов, происходящих на установке в T–s и h–s диаграммах.

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 № 5 определение удельной теплоты парообразования хладонов

1. Задание

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

2. Определить опытным путем теплоту парообразования хладона С318 при одной температуре. Сравнить полученное значение теплоты парообразования с табличными данными и определить погрешность.

2. Основные теоретические понятия

Пар – это 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 имеет сложный характер и выражается кривой линией. При повышении давления температура насыщения возрастает. Насыщенный пар может быть сухим или влажным.

Сухой насыщенный пар получается при полном испарении всей жидкости, т. е. представляет собой пар, не содержащий жидкой фазы и имеющий температуру насыщения.

Влажный насыщенный пар получается при неполном испарении жидкости и является смесью сухого насыщенного пара и 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 при постоянном давлении, называется удельной теплотой парообразования.

Теплоту парообразования можно разделить на две составляющие – внутреннюю и внешнюю теплоту парообразования. Первая представляет собой теплоту, расходуемую на изменение агрегатного состояния вещества, равную разности значений внутренней энергии насыщенного пара и насыщенной жидкости _вн = u  u; вторая – теплоту, расходуемую на совершение работы расширения, связанной с изменением объема вещества при превращении насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар при постоянном давлении:

 = р (v  v).

Итак,

r = _вн + .

Для всех жидкостей значение r зависит от температуры или от соответствующего ей давления насыщения. По мере их повышения r уменьшается и достигает нулевого значения в критической точке, где _вн = 0 и  = 0.

Теплота парообразования зависит от молекулярной массы вещества. Для высокомолекулярных жидкостей ее значения малы.

Значения удельной теплоты парообразования при 0 С весьма различны для разных жидкостей, кДж/кг:

вода …………………………………………………	2501,0
аммиак …………………………………...................	1261,5
хладон 12 …..………………………………………..	152,1
хладон 22 ….………………………………………..	204,4

Удельная теплота парообразования является одной из важнейших характеристик хладагентов, так как в значительной степени определяет удельную холодопроизводительность циклов.

Аналитически теплота парообразования может быть найдена по уравнению Клапейрона–Клаузиуса

3. Лабораторная установка

Устройство установки показано на рис. 6. Основными ее элементами являются хладоновый парогенератор 7 и конденсатор 11, которые соединены трубками с вентилями 6 и 10.

Парогенератор и конденсатор вместе с соединительными магистралями помещены в термостат 5, в котором организована принудительная циркуляция воздуха с помощью вентилятора 1. Для стабилизации температуры воздуха используется малоинерционный нагреватель 2, включением и выключением которого управляет контактный термометр 4.

Парогенератор представляет собой тонкостенный стальной сосуд. В нижнюю его часть вмонтирован электрический нагреватель 8, обеспечивающий подвод теплоты к кипящему хладону. В верхней части парогенератора установлен лабиринтный отделитель капель жидкости, препятствующий их уносу в магистраль. Температуру жидкого кипящего хладона и его пара определяют с помощью термопар, горячие спаи которых введены внутрь парогенератора. Давление хладона измеряется манометром 9, стрелка которого не должна заходить за красную черту на шкале прибора, соответствующую максимально допустимому уровню давления.

При открытом вентиле 6 пар из парогенератора поступает в конденсатор. В верхней части конденсатора расположен змеевик 3, по которому циркулирует вода из жидкостного термостата. Температура воды в термостате поддерживается на 2–4 С ниже температуры хлад-агента в парогенераторе. Соответственно, и давление пара хладагента в конденсаторе ниже, чем давление в парогенераторе, что заставляет пар устремиться из парогенератора в конденсатор. Здесь пар конденсируется на наружной поверхности змеевика, стекает и собирается в нижней части сосуда, так как вентиль 10 закрыт. Уровень конденсата и его объем могут быть установлены с помощью специальной шкалы. Вентиль 10 открывают для перепуска (переливания) жидкого хлад-агента из конденсатора в парогенератор (эту процедуру выполняет лаборант после окончания серии опытов).

Рис. 6. Схема лабораторной установки:

1 – вентилятор; 2 – малоинерционный нагнетатель; 3 – змеевик; 4 – термометр; 5 – термостат; 6, 10 – вентили; 7 – парогенератор; 8 – электрический нагреватель, 9 – манометр; 11 – конденсатор

Следует подчеркнуть, что получение правильных результатов возможно, если теплота, выделяемая нагревателем парогенератора, будет практически полностью расходоваться на процесс парообразования хладагента, а теплообмен термостата с воздухом очень мал. Поэтому температура воздуха в термостате должна быть весьма близкой к температуре кипения хладагента.

4. Выполнение работы

Воздушный и жидкостный термостаты включаются лаборантом заранее для того, чтобы к началу измерений температуры различных элементов установки стабилизировались. Прежде чем начать опыт, необходимо: тщательно ознакомиться с устройством установки; проверить наличие тока в цепи нагревателя парогенератора (по показанию амперметра); проверить работу воздушного и жидкостного термостатов. При правильной работе нагревательные элементы обоих термостатов периодически включаются и выключаются, что легко контролируется по сигнальным лампочкам. Процесс конденсации хладагента можно наблюдать через прозрачную часть корпуса конденсатора. Если более половины объема конденсатора заполнено жидким хладоном и оставшегося свободного пространства недостаточно для проведения опыта, то необходимо с помощью лаборанта перепустить жидкий хладон в парогенератор.

Убедившись в правильности работы элементов установки, при-ступают к проведению опыта. Для этого фиксируют время начала эксперимента и уровень жидкого хладагента в конденсаторе. Обычно продолжительность опыта составляет 20–30 мин. В течение этого времени необходимо не менее пяти раз произвести измерения мощности нагревателя парогенератора и температуры кипящего хладагента. Для получения удовлетворительных результатов нужна высокая стабильность температуры пара хладагента, так как удельная теплота парообразования существенно зависит от температуры насыщения. В конце измерения вторично фиксируют время и определяют новый уровень конденсата. Результаты измерений записывают в протокол наблюдений (табл. 6).

,

где v и v  удельные объемы хладагента в состоянии сухого насыщенного пара и насыщенной жидкости, а производная dp/dT_н характеризует темп роста давления насыщения при увеличении температуры.

Экспериментально величину r можно определить путем прямых калориметрических измерений.