Определение удельной теплоты парообразования воды

 

цель работы

 

Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".

 

ЗАДАНИЕ

 

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.

2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.

3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.

4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.

5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.

6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.

7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

8. Сделать вывод по работе.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре t_н, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.

При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,

r = u" - u' + p (v" -v'),(1)

или

r = i" - i', (2)

где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м³/кг;

u', i', v' - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м³/кг.

Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.

Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.

Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v', v", i', i", r, s', s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u', Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям

u' = i' -pv' (3)

и

u" = i" -pv" (4)

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

Рисунок. Схема экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.

 

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

 

1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".

2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.

3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".

4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).

5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.

6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м³). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.

7. По барометру определить атмосферное давление P_a, мм.рт.ст.

8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.

9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.

 

Т а б л и ц а 1

 

Номер замера	U, В	I, А	Pа мм. рт. ст.	V, м3	t, с
1. 2. и т.д.

 

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

 

1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды r_оп , Дж/кг:

r_оп = (W - Q) t / (Vr),

где W = UI - мощность нагревателя, Вт;

Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;

r - плотность конденсата, кг/ м³. Принимаем r = 1000 кг/ м³.

2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по [4] табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.

Т а б л и ц а 2

 

v', м3/кг	i', кДж/кг	S', кДж/(кгК)	v", м3/кг	i", кДж/кг	S", Дж/(кгK)	r, кДж/кг

 

3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u' и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).

4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования r_оп, кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:

D = (r_оп - r) 100 / r.

5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.

6. Сделать вывод по работе.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ [1 - 3]

 

1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.

2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.

3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества

4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.

5. Удельная теплота парообразования жидкости.

6. Степень сухости, степень влажности пара.

7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.

8. Определение параметров влажного пара.

9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.

10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.

 

РАБОТА № 4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАПОЛНЕНИЯ СОСУДА ВОЗДУХОМ ПРИ ЕГО АДИАБАТНОМ ИСТЕЧЕНИИ ЧЕРЕЗ ДИАФРАГМУ

 

цель работы

 

Закрепление знаний по разделу "Процессы истечения реальных газов", а также определение параметров адиабатного истечения воздуха через диафрагму.

 

ЗАДАНИЕ

1. Изучить схему экспериментальной установки, включить ее и вывести на заданный режим.

2. Провести опыт, снимая показания приборов и занося их в таблицу наблюдений.

3. Определить расчетные текущие значения времени, соответствующие заданным значениям давления.

4. Построить графики экспериментальной и расчетной зависимости b(t), сопоставить их и сделать выводы.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

В соответствии с первым законом термодинамики для потока, теплота, подведенная к потоку рабочего тела извне, расходуется на увеличение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увеличение кинетической энергии потока.

dq_внешн = di + dl_тех + d(с²/2) (1)

Это уравнение справедливо как для равновесных процессов, так и для течений, сопровождающихся трением.

Для увеличения скорости потока газа применяют специально спрофилированные каналы, называемые соплами. Для большинства технически важных задач наибольший интерес представляет рассмотрение случая адиабатного истечения газа через сопло, т.е. без подводки отвода тепла извне. Если рассматривать идеальное истечение потока (т.е. без учета трения о стенки сопла), то уравнение первого закона термодинамики для потока примет вид:

di + d(с²/2) = 0 (2)

где i - энтальпия потока, с - скорость потока.

Массовый расход воздуха при адиабатном истечении без трения можно определить по формулам:

при ,(3)

при b_кр _ b _ 1, (4)

b = Р₂/Р₁,

где Р₁ = 133.3Н_б – атмосферное давление, Па;

Р₂ = Р₁ - Р_в – абсолютное давление воздуха в сосуде, Па;

Т₁ = 273 + t₁ – абсолютная температура воздуха в помещении, К;

R = 287 Дж/(кг×К) – газовая постоянная воздуха;

k = 1.4 – постоянная адиабаты;

b_кр = 0.528;

F = 2.3×10^{-7 м2} – площадь сечения отверстия диафрагмы.

Из уравнения Клапейрона следует:

М = P₂V/(RT₂) = bP₁V/(RT₂), (5)

где М – масса воздуха в сосуде, кг;

V = (V_к -V_н)10^-3 – объем сосуда, м³;

Т₂ – температура воздуха в сосуде, К.

Внутри сосуда кинетическая энергия вытекающей из отверстия воздушной струи полностью преобразуется в энергию теплового движения молекул, поэтому Т₂ = Т₁.

Подставим М из (4) в (3), в результате интегрирования получим

(6)

где

; t_кр = А×(b_кр – b_н),

; С = ;

t_кр – продолжительность периода истечения с постоянной (критической) скоростью, с;

b_н – начальное (соответствующее t = 0) значение b.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из вакуум – насоса 1 с помощью которого в сосуде 2 создается разрежение, измеряемое вакуумметром 3, после чего производится заполнение сосуда атмосферным воздухом, приходящим через диафрагму 4. Объем приходящего воздуха измеряется газовым счетчиком 5.

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок. Схема экспериментальной установки

 

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

1. Повернуть ручку на щите в положение "1" и нажатием пусковой кнопки включить вакуум – насос. Открыть краны 6 и 7. В момент прохождения стрелкой газового счетчика деления шкалы 0 закрыть кран 6. При достижении разрежения в сосуде 0,93 кгс/см² закрыть кран 7 и включить вакуум – насос.

2. Записать в табл. 1 начальное показание вакуумметра Р_в, а в табл. 2. – начальное показание счетчика V_н.

Т а б л и ц а 1

 

Рн, кгс/см2	Рв, Па	b	t, с опыт	t, с расчет
0.93
0.9
0.8
0.7
…
0.1

 

3. Открыть кран 6, одновременно включив секундомер, и записать в табл. 1 моменты времени t, соответствующие указанным в первой графе значениям Р_в.

4. Записать в табл. 2 конечное показание счетчика V_к, температуру воздуха в помещении t, и показание барометра Н_б.

 

Т а б л и ц а 2

 

Vн, дм3	Vк, дм3	t1, 0С	Нб, мм.рт.ст.

 

Обработка опытных данных

 

1. По формуле (4) рассчитать значения b, соответствующие показаниям вакуумметра, приведенным в табл. 1.

2. По формулам (6) рассчитать зависимость t(b), результаты расчета записать в табл. 1.

3. Построить графики экспериментальной и расчетной зависимости b(t), сопоставить их.

4. Сделать выводы по работе.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Написать уравнение первого закона термодинамики для потока.

2. Какие каналы называются соплами и диффузорами?

3. Что называется располагаемой работой?

4. Написать уравнение первого закона термодинамики для потока применительно к теплообменному аппарату, тепловому двигателю, компрессору, соплу и диффузору.

5. Скорость истечения идеального газа при адиабатном процессе.

6. Критическое отношение давлений и его определение.

7. Дать описание сопла Лаваля.

8. Как определяется скорость истечения и секундный расход газа при выходе из сопла Лаваля?

9. Как определяется минимальное и выходное сечение сопла Лаваля?

10.Нарисовать процесс адиабатного истечения идеального газа в T-s и i-s-диаграммах.

11.Нарисовать процесс адиабатного истечения реального газа в газа в T-s и i-s-диаграммах.

12.Что такое дросселирование газа?

13.Нарисовать процесс дросселирования в i-s-диаграмме.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Теплотехника / Под ред. А.П. Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.

2. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.- 466 с.

Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике.- М.: Энергия, 1973.- 344 с.

РАБОТА № 5