Исследование кривой насыщения водяного пара в диапазоне 1 – 6 бар

Содержание работы: Определение зависимости между температурой и давлением насыщенного пара при давлениях в диапазоне 1–6 бар. Расчет теплоты парообразования.

Теоретическая основа эксперимента

Во всех областях промышленного производства большое распространение получил водяной пар, являющийся рабочим телом в паровых турбинах, в процессах химической технологии, в атомных установках, в различных теплообменниках и т.д. при этом очень часто встречается процесс перехода вещества из жидкого состояния в парообразное – парообразование.

Предположим, что в закрытом сосуде находится некоторое количество жидкости (воды), заполняющей его объем не полностью. Вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над поверхностью жидкости. Совокупность движущихся в этом пространстве молекул образует насыщенный пар. Часть этих молекул вследствие теплового движения попадает в область, заполненную жидкостью, т.е. возвращается обратно в жидкость, а некоторая доля молекул жидкости, наоборот, испаряется, пополняя убыль молекул в области пара. Между переходом молекул из жидкости в пар и обратным переходом молекул из пара в жидкость устанавливается равновесие, в результате которого плотность молекул над жидкостью, а следовательно, и давление насыщенного пара принимают при данной температуре вполне определенную величину.

Пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся в термическом равновесии с ней, называется насыщенным. Соответствующие этому состоянию давление и температура называются параметрами насыщения.

При подводе жидкости некоторого количества теплоты температура ее возрастает. Вследствие повышения энергии колебательного движения молекул воды облегчается возможность их вылета в паровое пространство, количество молекул пара возрастает, тем самым, увеличивая его давление. Таким образом, с ростом температуры насыщения растет и давление насыщенных паров.

Кривая в плоскости P– t, устанавливающая соответствие между давлением и температурой, находящейся в термическом равновесии двухфазной системы при наличии плоской поверхности раздела фаз, называется кривой насыщения.

Между наклоном кривой насыщения и параметрами равновесия двухфазной системы уравнение Клайперона – Клаузиуса устанавливает следующую связь:

, (1)

где r – полная теплота парообразования;

T_н – абсолютная температура насыщения;

p_н – давление насыщения;

– удельный объем насыщенного пара;

– удельный объем жидкости в состоянии насыщения.

Уравнение Клайперона –Клаузиуса часто используется для определения термодинамических свойств различных веществ.

Описание экспериментальной установки.

Экспериментальная установка для исследования кривой насыщения водяного пара изображена на стенде. Основным элементом ее являются цилиндрический сосуд, изготовленный из нержавеющей стали, сосуд покрыт сверху тепловой изоляцией из асбеста 2 и помещен в кожух из листового алюминия 3.

Внутрь цилиндра налита вода. Для ее нагрева применяется электронагреватель 4. Ток в нагревателе регулируется при помощи лабораторного автотрансформатора 5 и контролируется по показаниям амперметра 6. Во избежание перегрева спирали нагревателя величина тока не должна превышать 4 ампера. Уровень жидкости в цилиндре должен быть выше поверхности нагревателя во избежание прогара уже самого нагревателя. Контроль над уровнем жидкости обеспечивается водомерной трубой 7, на которой краской обозначена верхняя граница нагревателя.

Давление водяного пара определяется по показаниям трубчатого манометра 8. Температуры воды и водяного пара измеряются термометром 9. Термометр помещен в металлическую гильзу 10, заполненную термостойкой кремнийорганической жидкостью, которая обеспечивает хороший тепловой контакт термометра с гильзой.

В верхней части цилиндра имеется вентиль 11 для выпуска пара и неконденсирующихся газов (воздуха).

Проведение эксперимента.

Включить в сеть автотрансформатор и установить указанную перед началом работы величину тока нагревателя. Температура воды начинает медленно повышаться. Когда в цилиндре температура воды достигнет 100⁰С, давление водяных паров равно 1 атмосфере. Но в цилиндре до начала нагревания давление было также атмосферным – оно оказывалось из давления воздуха и давления водяных паров. При комнатных температурах давление водяных паров мало, и следовательно, весь объем над жидкостью в начале опыта заполнен и воздухом. Для устранения ошибки эксперимента вследствие наличия воздуха в цилиндре его нужно выпустить вместе с паром, когда давление пара больше или равно атмосферному, т.е. при температуре больше 100⁰С. Показание манометра при выпуске воздуха упадет до нуля, т.к. трубчатый манометр измеряет избыточное давление – разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей среды. После этого вентиль 11 закрыть.

При дальнейшем нагреве давление пара превышает атмосферное и только здесь начинает давать показание манометр. Начиная со 100⁰С производятся одновременная запись температуры пара и показаний манометра при изменении температуры через каждые 5 ⁰С. Данные измерения заносятся в таблицу 1. Один раз во время проведения опыта замеряется барометрическое давление по барометру – анероиду.

Измерения прекращаются когда манометр станет показывать 4 бар. После этого уменьшить до нуля напряжение на нагревателе и выключить автотрансформатор из сети.

ВНИМАНИЕ! Не превышать давление в цилиндре сверх 4 бар и после работы не оставлять включенным нагреватель. Это вызовет дальнейшее повышение температуры и давления пара и может привести к взрыву.

Обработка результатов

Необходимо помнить, что трубчатый манометр показывает величину избыточного давления. Следовательно, абсолютное давление пара находится из выражения:

(2)

где р_изб – показание манометра;

В – барометрическое давление, считываемое с барометра–анероида.

Перерасчет показаний с барометра с мм.рт.ст. в бары производится из соотношения: 760 мм.рт.ст = 1 бар.

На основании данных таблицы строится в координатах t – р_абс кривая насыщения. Причем, линия через экспериментальные точки проводится плавно с помощью лекала. При этом возможно некоторое отклонение точек от линии – так называемый экспериментальный разброс. Но точки должны быть расположены по обе стороны от кривой. По оси ординат откладывается давление в единицах системы СИ, т.е. в Н/м² (1бар = 10⁵ Н/м²). По оси абсцисс откладывается температура в градусах Цельсия.

Полная теплота парообразования рассчитывается с помощью уравнения Клайперона – Клаузиуса, Дж/кг:

(3)

необходимые для расчета значения удельных объемов жидкости и пара на линии насыщения и берутся из таблицы термодинамических свойств водяного пара. Следует помнить, что здесь T_н – абсолютная температура насыщения, т.е. T_н = t_н +273. Значение можно получить графическим дифференцированием полученной экспериментальной зависимости давления насыщенного пара от температуры. Расчет производной , а так же выбор величин и из таблиц производится при некоторой температуре насыщения, величина которой задается преподавателем перед началом работы.

Для вычисления производной по экспериментально построенной кривой насыщения при некоторой заданной температуре t₁ поступают следующим образом (см. рис. 1).

Выбирают точки 0 и 2 на равном расстоянии Dt от точки 1 (например, Dt = 5⁰С) и считывают с кривой значения давления в этих точках р₀ и р₂. Тогда производная в точке 1 вычисляется из соотношения:

Геометрическая интерпретация графического дифференцирования такова: производная от кривой в точке 1 равна наклону секущей, проходящей через равностоящие точки 0 и 2.

Таблица 1

Поиск по сайту: