ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №24 ПО ЦИСЦИПЛИНЕ «Техническая термодинамика и теплотехника» НА ТЕМУ «Исследование кривой насыщения. лаба 24 тд. Отчет по лабораторной работе 24 по цисциплине Техническая термодинамика и теплотехника

• Название: Отчет по лабораторной работе 24 по цисциплине Техническая термодинамика и теплотехника
• Анкор: ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №24 ПО ЦИСЦИПЛИНЕ «Техническая термодинамика и теплотехника» НА ТЕМУ «Исследование кривой насыщения
• Дата: 14.11.2021
• Размер: 314.24 Kb.
• Имя файла: лаба 24 тд.docx
• Тип: Отчет; #271411

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ И РФ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ТЕПЛОТЕХНИКИ

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №24

ПО ЦИСЦИПЛИНЕ

«Техническая термодинамика и теплотехника»

НА ТЕМУ

«Исследование кривой насыщения водяного пара»

Работу выполнил

студент гр.1281-12

Айметдинов.Н.Ф

Проверил:

Доцент Курбангалеев М.С.

Казань 2021

Цель работы: изучить pv- и Ts-диаграммы водяного пара, изучить процессы фазового перехода; ознакомиться с понятием теплоты парообразования и ее свойствами; ознакомиться с кривой насыщения и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Задание:

1. 
   Провести опыты по исследованию кривой насыщения воды и водяного пара, т.е. зависимости .
   
2. 
   На основе результатов измерений рассчитать величину теплоты парообразования r, ее составляющих и , энтальпии h_x, внутренней энергии и_х, энтропии s_x при заданной температуре .
   
3. 
   Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать: основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, таблицу измерений и результаты обработки опытных данных, а также график, выполненный на миллиметровой бумаге.
   

Краткие теоретические сведения

Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии. Важной теплофизической характеристикой при расчете процессов перегонки, выпаривания, ректификации, кипения и сушки является теплота парообразования r.

Для исследования термодинамических процессов, происходящих с реальными газами, большое значение имеют pv- и Ts-диаграммы (рис. 1 и 2). Кривые a₁b₁c₁d₁, a₂b₂c₂d₂… на pv-диаграмме соответствуют процессу расширения вещества при t = const, а кривые ab₁c₁f₁, ab₂c₂f₂… на Ts-диаграмме – процессу нагревания вещества при p = const.


Рис.1. pv – диаграмма Рис.2. Ts – диаграмма

водяного пара водяного пара


p=const

r=T_н(s”- s’)



Н
p_н=сonst

T_н=сonst

p_н=сonst

T_н=сonst

b₁

b₂

a₂

a₁

c₁

c₂

b₁

b₂

c₂

c₁
а обеих диаграммах точки b₁, b₂,… соответствуют началу процесса парообразования и образуют нижнюю пограничную кривую – кривую кипящей жидкости (х = 0). На этих же диаграммах в точках с₁,c₂,… процесс парообразования завершается, и данные точки образуют верхнюю пограничную кривую, соответствующую сухому насыщенному пару (х = 1). Точки d₁, d₂,… (рис. 1) и f₁, f₂,… (рис. 2) соответствуют состоянию перегретого пара, а точка а – жидкости.

Степень сухости:

х =  ,

где  масса сухого насыщенного пара;

 масса влажного насыщенного пара;

 масса кипящей жидкости.

На участках b₁c₁, b₂c₂,…, где происходит переход жидкости в пар, в равновесии находятся системы, состоящие из двух фаз (двух агрегатных состояний) – жидкой и парообразной, причем температура и давление этих фаз одинаковы. Линии b₁c₁, b₂c₂,… на обеих диаграммах являются одновременно изобарой и изотермой, т.е. переход жидкости в пар совершается при р_н = const, t_н = const.

Таким образом, на обеих диаграммах можно выделить пять характерных состояний водяного пара:

• 
  область жидкого состояния, расположенную левее кривой х = 0, при данном давлении;
  
• 
  линию кипящей (насыщенной) жидкости, х = 0, ;
  
• 
  область влажного насыщенного пара – двухфазное состояние, где пар и жидкость находятся в равновесии и имеют одинаковые р_н и t_н; она расположена между пограничными кривыми х = 0 и х = 1, т.е. в этой области 0 < x < 1, ;
  
• 
  линию сухого насыщенного пара, х = 1, ;
  
• 
  область перегретого пара, расположенную правее кривой х = 1, при данном давлении.
  

Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. Вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях, имеют различные физические свойства. Это различие объясняется характером межмолекулярного взаимодействия.

Количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг кипящей жидкости для перехода её в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования r, кДж/кг. Этот процесс протекает при постоянном давлении насыщения и температуре насыщения (р_нас= const и t_нас = const).

Теплота парообразования может быть рассчитана следующим образом:

, (1)

где внешняя составляющая теплоты парообразования, которая расходуется на работу расширения, преодолевая давление р_нас:

, (2)

где и  удельные объемы сухого насыщенного пара и кипящей жидкости соответственно;

 внутренняя составляющая теплоты парообразования, расходуется на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия.

На pv-диаграмме (рис. 1), как следует из уравнения (2), величина работы расширения показана заштрихованной областью. На Ts-диаграмме (рис.2) заштрихованной областью показана величина теплоты парообразования, которая может быть рассчитана как

, (3)

где и  энтропия сухого насыщенного пара и кипящей жидкости соответственно, ;

Т_н температура насыщения, К.

Из pv- и Тs-диаграмм видно, что с увеличением давления р точки b₁, b₂,… на нижней пограничной кривой сближаются с точками с₁, с₂, …на верхней пограничной кривой, и в критической точке они сходятся. Для воды критические параметры в точке К имеют следующие значения: р_кр. = 22,13 МПа, t_кр. = 374,2 С, v_кр. = 0,00326 м³/кг.

Выше критической точки К при p > p_кр. и Т > Т_кр. двухфазного состояния не наблюдается. Жидкая фаза находится под весьма большим внутренним давлением. Фактором, определяющим интенсивность межмолекулярных взаимодействий, является не давление, а температура. С ростом температуры и давления теплота парообразования r уменьшается, а в критической точке r = 0, и , так как в этом состоянии исчезает различие между жидкостью и ее паром и процесс парообразования отсутствует.

О

пытным путем было установлено, что каждому давлению р соответствует определенная температура насыщения t_нас. (кипения) данной жидкости, являющаяся одновременно температурой насыщения пара, с которым жидкость находится в равновесии. Кривая зависимости называется кривой насыщения (рис. 3).

С вязь между температурой и давлением насыщения выражается уравнением Клапейрона-Клаузиуса [4, 5]:

, (4)

г
Рис.3. Кривая насыщения
де , удельные объемы соответственно сухого насыщенного пара и жидкости на линии насыщения при Т_нас. и р_нас., м³/кг. Поскольку  >  , из уравнения (4) следует, что при фазовом переходе жидкость-пар производная всегда больше нуля, т.е. с ростом давления температура насыщения увеличивается до значения критической точки.

В термодинамике внутренняя энергия u (кДж/кг), энтальпия h(кДж/кг), теплоемкость c (кДж/кг К), теплота парообразования r=h”-h’ (кДж/кг) называются калорическими свойствами вещества (1 калория = 4,19 Дж), удельный объем v (м³/кг), давление p (Па) (1 Па = 1 н/м²), и температура T (К) – термическими. Известно, что термические параметры определяются намного проще, чем калорические, поскольку устанавливаются прямыми или косвенными измерениями соответствующими приборами. Таким образом, уравнение Клапейрона-Клаузиуса (4) устанавливает связь между термическими и калорическими свойствами, а также свойствами насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. Поэтому уравнение Клапейрона-Клаузиуса можно использовать для определения калорической характеристики – удельной теплоты парообразования воды r по измеренным в опыте термическим параметрам р_н и Т_н.

Проведение опытов

Экспериментальная установка (рис. 4) представляет собой замкнутый сосуд высокого давления, содержащий такое количество воды, при котором удельный объем v_x двухфазной системы жидкость-пар (влажный насыщенный пар) равен критическому значению в точке К:

где V внутренний объем сосуда, м³;

т масса системы жидкость-пар, кг;

v_кр удельный объем системы в критической точке, м³/кг.

, м³/кг, (5)





П
t_окр
ри изохорном (v = v_x= const) нагревании система жидкость-пар проходит ряд равновесных двухфазных состояний до критической точки К (на рис. 1 и 2 процесс изображен пунктирными линиями). В опыте измеряются избыточные давления образцовым манометром 7. Соответствующие температуры насыщения t_н устанавливаются по измеренным значениям ЭДС дифференциальных термопар.

Проведение опытов

1. 
   Установка включается преподавателем, она прогревается, и давление начинает расти.
   
2. 
   Измерения начинать по достижении показания манометра 5 делений и далее через каждые 5 делений по шкале манометра. Одновременно с показаниями манометра в таблицу (табл.1) записывать показания ЭДС термопары е, мВ, измеряемые милливольтметром 9.
   
3. 
   По достижении показаний манометра 50 делений показать результаты преподавателю.
   
4. 
   Определить температуру окружающей среды t_окр и атмосферное давление В. Заполнить таблицу (табл.1).
   
5. 
   С разрешения преподавателя установку можно отключить.
   

Экспериментальная часть

Таблица 1. Результаты измерений и обработки.

ризб.		рн, МПа	е, мВ	, С	tокр, С	tн, С	В, мм рт. ст.
делений	кгс/см2
5	20	2,06	21,5	184	24	208	767,6
10	40	4,02	26	220		244
15	60	5,99	29,5	248	, С	272
20	80	7,95	32	268		292
25	100	9,9	34	284		308
30	120	11,9	36	300		324
35	140	13,8	37,5	312		336
40	160	15,8	38,5	320	280	344
45	180	17,8	40	332		356
50	200	19,7	41	340		364

1) Рассчитаем абсолютное давление насыщенного пара для всех точек

P_н = p_изб + B , Па

P_н1 = 1,0232*10⁵Па +19,616*10⁵ Па = 20,635*10⁵ Па = 2,06 МПа

P_н2 = 1,0232*10⁵Па +39,232*10⁵ Па = 40,24*10⁵ Па = 4,0 МПа

P_н3 = 1,0232*10⁵Па +58,848*10⁵ Па =59,856*10⁵ Па = 5,99 МПа

P_н4 = 1,0232*10⁵Па +78,464*10⁵ Па = 79,472*10⁵ Па = 7,95 МПа

P_н5 = 1,0232*10⁵Па +98,08*10⁵ Па = 99,088*10⁵ Па = 9,9088 МПа

P_н6 = 1,0232*10⁵Па +117,696*10⁵ Па = 118,704*10⁵ Па = 11,9 МПа

P_н7 = 1,0232*10⁵Па +137,312*10⁵ Па = 138,32*10⁵ Па = 13,8 МПа

P_н7 = 1,0232*10⁵Па +156,928*10⁵ Па = 157,936*10⁵ Па = 15,8 МПа

P_н8 = 1,0232*10⁵Па +176,544*10⁵ Па = 177,522*10⁵ Па = 17,8 МПа

P_н9 = 1,0232*10⁵Па +196,16*10⁵ Па = 197,168*10⁵ Па = 19,7 МПа

2. По величинам eиз градиуровочного графика определим значения Δt=f(e), где Δt=t_н – t_окр. Искомая температура насыщения t_н = Δt +t_окр^оС. Результаты занесем в таблицу 1.

3. В программном пакете Mathcadи Екселе для сравненияпо точкам t_ни p_н методом наименьших квадратов построим функцию p_н =f(t_n) и определим производную в точке t^*_н

Рис.5 График экспериментальных данныхp_н от t_н в Mathcad и построенной по ним МНК функции.


касательная


Рис.6 График экспериментальных данных p_н от t_н Еxcel и построенной по ним МНК функции.



Производная функция в этой точке равна df(280^оС)/dt_н = 0.0921

4. С помощью уравнения (4) рассчитаем теплоту парообразования r при заданной температуре t_н^о :



r₁= 0.0921*(280+273,15)K*(0,0253-0,001365) м³/кг*10³ = 1398кДж/кг

5. По уравнениям (2) и (1) рассчитаем значение внешней и внутренней теплоты парообразования при температуре t_н^*





ψ₁ = 7,70972 * 10⁶Дж/м³*(0,0253-0,001365) м³/кг =184,532 кДж/кг

ψ₂ = r - ψ₁ = 1398кДж/кг–184,532 кДж/кг = 1213,47кДж/кг

6. Рассчитаем степень сухости x влажного насыщенного пара при температуре t_н исследованной двухфазной системы:



x = 0,00326/0,0253 = 0,129

7. Вычислим энтальпию влажного насыщенного пара

h_x = h’ +r*xкДж/кг

h_x = 1295,75+1816*0,129= 1531,001кДж/кг

8. Определить внутреннюю энергию влажного насыщенного пара при температуре t_н^о :



u_x = 1531,00кДж/кг - 7,71* 10³кДж/м³* 0,00326 м³/кг = 1505,87кДж/кг

9. Рассчитаем энтропию влажного насыщенного пара при температуре t_н :



s_x = 3,1616кДж/(кг*K) +1398кДж/кг*0,129/(280+273,15)K =

= 3,482кДж/(кг*K)

10. Изобразим на pvи Ts– диаграммах (без соблюдения масштаба) исследованный изохорный процесс



11. Сравним полученную в опыте величину теплоты парообразования r со справочными данными r_табл.



δr = *100 = 5,16 %

Вывод: мы изучили pv- и Ts-диаграммы водяного пара, изучили процессы фазового перехода; ознакомились с понятием теплоты парообразования и ее свойствами; ознакомились с кривой насыщения и уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Относительная ошибка составила 5,16 %.