Короткі теоретичні відомості. Тема: Визначення параметрів стану водяної пари.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

Тема: Визначення параметрів стану водяної пари.

Мета: Вивчення методики розрахунку параметрів стану водяної пари.

 

Порядок виконання роботи

1. Згідно свого варіанту значень (табл.1), (табл.2), (табл.3), розв’язати завдання:

Завдання 1.

Визначити всі характерні параметри пару (температуру, щільність, ентропію, ентальпію, питомий об’єм,), якщо він має тиск Р.

Завдання 2.

Вода знаходиться під тиском Р, нагріта до температури t. Встановити чи настало кипіння води чи ні?

Завдання 3.

При тиску Р, вода нагріта до температури t. Наскільки градусів потрібно ще нагріти воду, щоб почалось кипіння, або охолодити до початкової точки кипіння?

Завдання 4.

Визначити масу, внутрішню енергію, ентальпію, ентропію вологого насиченого водяного пару, який займає об’єм V, має тиск Р та ступінь сухості х.

Завдання 5.

В паровому котлі об’ємом V знаходяться вода та пар масою М з тиском Р та температурі насичення. Визначити масу води та масу сухого насиченого пару які знаходяться у котлі.

Завдання 6.

Визначити кількість теплоти необхідної для отримання перегрітого пару масою М, якщо температура перегріву становить t, а вода нагрівається від 0⁰С до температури перегріву пару при сталому тиску Р. Також, визначити параметри водяного пару, а саме:

- температуру насичення сухого насиченого пару;

- питомий об’єм: рідини, вологого насиченого пару, сухогонасиченого пару, перегрітого пару;

- щільність: вологого насиченого пару, сухого насиченого пару;

- ентальпію: води, вологого насиченого пару, сухого насиченого пару, перегрітого пару;

- теплоту пароутворення;

- ентропію: рідини, вологого насиченого апру, сухого насиченого пару, перегрітого пару.

Ступінь сухості вологого насиченого пару для необхідних розрахунків обирається згідно свого варіанту із завдання №4 (табл.2).

2. Для розв’язку завдань необхідно використовувати дані параметрів насиченого водяного пару та перегрітого пару.

 

 

Таблиця.1

Варіанти значень

 

Номер залікової книжки	Варіант значень (табл.2)	Варіант значень (табл.3)	Номер залікової книжки	Варіант значень (табл.2)	Варіант значень (табл.3)

 

Таблиця 2

Параметри величин

 

Варіант значень	Завдання 1	Завдання 2	Завдання 3	Завдання 4	Завдання 5
Р, (МПа)	Р, (МПа)	t, (0C)	Р, (МПа)	t, (0C)	V, (м3)	P, (МПа)	x	V, (м3)	M, (кг)	P, (МПа)
	1,0	0,1		3,0			2,3	0,9
	1,2	0,15		3,7			2,4	0,95
	1,3	0,2		4,0			2,9	0,7
	1,4	0,25		4,7			1,5	0,75
	1,5	0,3		5,0			1,9	0,8
	1,6	0,35		5,5			3,0	0,85
	1,7	0,4		6,0			3,6	0,7
	1,8	0,45		6,8			3,1	0,75
	1,9	0,5		7,0			3,8	0,8
	2,0	0,55		0,42			4,0	0,85
	2,1	1,15		0,6			4,1	0,9
	2,2	1,55		0,99			4,8	0,95
	2,3	2,15		0,23			5,0	0,7
	2,4	2,55		0,5			6,0	0,75
	2,5	3,15		0,39			1,4	0,9
	2,6	3,55		0,11			6,3	0,8
	2,7	4,15		0,15			5,8	0,95
	2,8	4,55		1,9			5,1	0,85
	2,9	5,15		1,4			3,6	0,7
	3,0	5,55		2,8			2.8	0,8

 

Таблиця 3

Параметри величин до завдання №6

 

Варіант значень	Значення величин
P, (МПа)	t, (0C)	M, (кг)
	1,0
	1,2
	1,4
	1,6
	1,8
	2,0
	3,0
	8,0
	9,0
	10,0
	12,0
	13,0
	0,8
	0,6
	0,12
	0,1
	0,03
	0,02
	0,016
	0,01

 

Короткі теоретичні відомості

 

Діаграмма водяного пара в РV координатах характеризується трьома кривими (рис.1.). Кривій І відповідає вода при температурі t=0⁰, кривій ІІ відповідає вода при температурі кипіння її називають нижньою пограничною кривою, кривій ІІІ відповідає сухий насичений пар (стан сухого насиченого пару визначається його тиском Р та температурою t) її називають верхньою пограничною кривою. Дані криві ділять всю діаграму на три частини: облать поміж кривими І і ІІ – це рідина; область поміж кривими ІІ і ІІІ – це суміш киплячої рідини та пару; область яка знаходиться правіше кривої ІІІ – це перегрітий пар.

 

 

Рис.1. Діаграма водяного пару в РV координатах.

 

Критична точка К характеризує критичний стан, при якому зникає різниця у властивостях пара та рідини. Критична температура є найвищою температурою рідини та її насиченого пара. При температурах вище критичної може існувати тільки перегрітий пар.

Стан вологого насиченого пару визначається його тиском P, температурою t та ступеню сухості x. Якщо х=0 то стан пару відповідає воді на початку кипіння, а якщо х=1 то стан пару є сухим насиченим паром (вся вода знаходиться в стані пару).

Температура вологого пару є функцією тільки тиску та визначається за таблицями. Питомий об’єм v_x вологого пару залежить від тиску та від ступеню сухості і визначається як:

 

 

де: v^/ - питомий об’єм рідини (води) (м³/кг); v^// - питомий об’єм сухого насиченого пара (м³/кг); х – ступінь сухості пару (х=0 – 1 величина безрозмірна).

З формули (1) отримуємо значення:

 

 

Щільність вологого насиченого пару визначається як:

 

 

Перегрітий пар має більш високу температуру t в порівнянні з температурою t_н сухого насиченого пару того ж тиску. На відміну від насиченого пару, перегрітий пар певного тиску може мати різні температури. Для характеристики стану перегрітого пару необхідно знати два його параметри, тиск Р та температуру t. Різницю температур (t- t_н) перегрітого та насиченого пара того ж тиску називають перегрівом.

Слід зазначити, що досить важливим в теплотехнічних розрахунках є визначення кількості теплоти, яка витрачається на окремі стадії процесу пароутворення та зміну внутрішньої енергії. Так процес перетворення рідини в пар має такі етапи витрати енергії:

- кількість теплоти, витраченої для підігріву рідини від 0⁰С до температури кипіння при постійному тиску;

- кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг киплячої рідини в сухий насичений пар при постійному тиску;

- кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг сухого насиченого пару в перегрітий при постійному тиску.

Отже, загальна кількість теплоти яка необхідна для отримання 1кг перегрітого пару буде визначатись як:

 

, (4)

 

де: q_p – кількість теплоти, витраченої для підігріву 1кг рідини від 0⁰ С до температури кипіння при постійному тиску (Дж/кг);

r - кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг киплячої рідини в сухий насичений пар при постійному тиску, (теплота пароутворення) (Дж/кг);

q_п - кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг сухого насиченого пару в перегрітий при постійному тиску (теплота перегріву) (Дж/кг).

Кількість теплоти, витраченої для підігріву рідини від 0⁰ С до температури кипіння при постійному тиску, називають теплотою рідини і позначають q_р.
Її можна визначити як різницю ентальпій рідини в стані кипіння та рідини при тому ж тиску та 0⁰С:

 

; (5)

 

де: і^/ - та і^/₀ - відповідно ентальпія рідини в стані кипіння та при температурі 0⁰С при сталому тиску (Дж/кг).

При невисоких тисках ентальпію рідини при 0⁰С можна рахувати такою що дорівнює нулю. Тоді рівняння (5) буде мати вигляд:

 

. (6)

 

Отже, кількість теплоти що витрачається на підігрів рідини від 0⁰ С до температури кипіння буде дорівнювати ентальпії рідини в стані кипіння при постійному тиску. Значення ентальпії рідини в стані кипіння подається в таблицях насиченого пару.

Значення внутрішньої енергії рідини u^/ (Дж/кг) та ентропії s^/ (Дж/кгК) можна розрахувати за формулами:

 

внутрішня енергія:

 

 

ентропія:

 

 

де: с- теплоємність води с=4,19(кДж/кгК); Т_н – температура насичення рідини.

Кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг киплячої рідини в сухий насичений пар при постійному тиску, називається теплотою пароутворення і позначається r. Дана кількість теплоти витрачається на зміну внутрішньої енергії, яка пов’язана з подоланням сил щеплення між молекулами рідини, та на роботу розширення. Значення r подається в таблицях насиченого пару. Ентальпія і^//, внутрішня енергія u^// та ентропія s^// сухого насиченого пару визначається за такими співвідношеннями:

ентальпія:

 

 

внутрішня енергія:

 

 

ентропія:

 

 

Для вологого насиченого пару значення ентальпії, внутрішньої енергії та ентропії визначається за такими співвідношеннями:

ентальпія:

 

 

внутрішня енергія:

 

 

ентропія:

 

 

Кількість теплоти, витраченої для переводу 1кг сухого насиченого пару в перегрітий при постійному тиску називається теплотою перегріву і визначається як:

 

 

де: t_н, t – температура, відповідно насичення та температура перегріву водяного пару;
с_р – середня масова теплоємність водяного пару при постійному тиску.

Теплота перегріву пару також може бути визначена за такою формулою:

 

 

де: і - ентальпія перегрітого пару, її можна визначити за допомогою таблиць.

Внутрішня енергія u та ентропія s^// перегрітого пару визначається за такими співвідношеннями:

 

внутрішня енергія:

 

 

ентропія:

 

 

Ентропію перегрітого пару можна визначити також за допомогою відповідних таблиць.

Знаючи тиск при якому відбувається нагрів води та температуру перегріву пару можна за допомогою відповідних таблиць визначити необхідні параметри водяного пару, а саме:

- температуру насичення сухого насиченого пару;

- питомий об’єм: рідини, сухого насиченого пару, перегрітого пару;

- щільність сухого насиченого пару;

- ентальпію: води, сухого насиченого пару, перегрітого пару;

- теплоту пароутворення;

- ентропію: рідини, сухого насиченого пару, перегрітого пару.