Б3.В7. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫТЕПЛОТЕХНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе на тему
«Исследование процесса парообразования в закрытом объеме»
Направление 140100 Теплоэнергетика
Уфа 2013
Методическое указание разработано к.т.н., доцентом Юхиным Д.П.
Методическое указание одобрено и рекомендовано к печати кафедрой
«Теплотехника и энергообеспечение предприятий»
(протокол №от2013г.) и методической комиссией энергетического
факультета (протокол №от2013 г.).
Рецензент:
Ответственный за выпуск:
зав. кафедрой, к.т.н., доцент Инсафуддинов С.З.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Определить зависимость между температурой и давлением водяного пара в процессе его образования в закрытом объеме.
2. Сравнить полученные фактические зависимости давления и температуры водяного пара с зависимостями, полученными по уравнению состояния Менделеева-Клайперона для изохорного процесса.
3. Определить по полученным значениям температуры и давления параметры водяного пара с помощью компьютерной программы «Н-S диаграмма V1.5.1».
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Вода и водяной пар широко применяется в энергетике, промышленности и агропроизводстве (в системах отопления и горячего водоснабжения, для выработки электрической энергии, для выработки различных видов продукции, обеззараживания и очистки поверхностей).
Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества. Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.
Водяной пар является реальным рабочим телом и также может находится в трех состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения, и в перегретом состоянии. В каждом из указанных состояний пар описывается рядом параметров состояния: температура (в том числе и температура насыщения tн), давление p, удельный объем υ, степень сухости x, энтальпия h и энтропия s.
При проведении технико-экономических расчётов для подбора оборудования в теплоэнергетике и других отраслях, и моделирования тепловых процессов, необходимы надёжные проверенные данные о теплофизических свойствах воды и водяного пара в широкой области давлений и температур.
Следовательно для правильного расчета необходимо знать зависимости между давлением и температурой и удельным объемом водяного пара. Указанная зависимость определяется термическим уравнением состояния.
Уравнения состояния реальных газов сложны, поэтому в теплотехнических расчетах предпочитают использовать специальные таблицы, диаграммы и пакеты прикладных программ для ЭВМ.
Объясняется это тем, что вода представляет собой вещество, свойства которого весьма отличны от свойств большинства других веществ планеты Земля. В силу того, что вода в изобилии встречается во всех местах земного шара и является самой распространенной в природе жидкостью в основу ряда единиц измерения(например, объем 1 кг воды принят за единицу объема – литр; температура замерзания воды при атмосферном давлении принята за начало отсчета шкалы температур – 0 0С).
Многолетнее международное сотрудничество в области исследования свойств воды и водяного пара, позволило разработать и внедрить международные нормативные материалы, содержащие уравнения для описания различных свойств, в специальные таблицы. На основании этих уравнений, соответствующих требованиям Международной системы уравнений для научного и общего применения (The IFC Formulation for Scientific and Generale Use), были составлены и опубликованы подробные таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, которые широко применяются в практике инженерных теплотехнических расчётов. Данные, полученные путём расчёта по международным уравнениям, были приняты и в СССР, и получили определение таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. В них также включили данные по динамической вязкости.
Ещё в 1904 году немецкий теплофизик Рихард Молье разработал специальную диаграмму для упрощения и облегчения решений практических задач по теплотехнике, в которой в координатах энтальпии (h) и энтропии (s) графически отображаются сведения из таблиц состояний. В 1906 году в Берлине была издана его книга «Новые таблицы и диаграммы для водяного пара». Впоследствии такая диаграмма получила название Диаграмма Молье. В СССР некоторое время было принято название I-S диаграмма, а в настоящее время - H-S диаграмма.
H-S диаграмма водяного пара обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс (например, адиабатное дросселирование водяного пара), и решать другие задачи (рисунок 1).
Рисунок 1. Н-S диаграмма водяного пара.
Диаграмма водяного пара состоит из ряда характерных кривых, описывающих идеальные процессы, протекающих в газах (изобары p = const, изотермы t = const, изохоры υ = const), ряд кривых, обозначающих степень сухости водяного пара.
Изобара - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому давлению. Изобары не имеют изломов при пересечении пограничных кривых. Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.
Изотерма - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённой температуре.
Изотермы пересекают пограничные кривые с изломом и, по мере удаления от верхней пограничной кривой, асимптотически приближаются к горизонтали.
Изохора - изолиния, построенная методом объединения точек по значениям энтальпии и энтропии, соответствующих определённому объёму. Изохоры на H-S-диаграмме в области перегретого пара, всегда проходит круче, чем изобары, и это облегчает их распознавание на одноцветных диаграммах.
Степень сухости - это параметр, показывающий массовую долю насыщенного пара в смеси воды и водяного пара. Значение x=0 соответствует воде в момент кипения (насыщения). Значение х= 1, показывает, что в смеси присутствует только пар. При нанесении соответствующих точек в координатах «H-S», взятых из таблиц насыщения справочников свойств воды и водяного пара, при их соединении получаются кривые, соответствующие определённым степеням сухости. В таком случае, линия х=0 является нижней пограничной кривой, а х=1 - верхней пограничной кривой. Область, заключённая между этими кривыми, является областью влажного пара. Область ниже кривой х=0, которая стягивается практически в прямую линию (не показана), соответствует воде. Область выше кривой х=1 - соответствует состоянию перегретого пара.
Любая вертикальная прямая обозначает адиабатный процесс.
В области влажного насыщенного пара изотермы совпадают с кривыми изобарами, так как парообразование происходит при постоянном давлении и при постоянной температуре. На верхней пограничной кривой направление изотермы меняется и в области перегретого пара изотермы отклоняются вправо и не совпадают с изобарами. Практически применяется часть диаграммы, которая смещена вправо от критической точки «К» (точка «К» характеризует такое состояние, при котором стираются различи между свойствами воды и водяного пара). Точка К имеет параметры: pкр = 22,136 МПа;
vкр = 0,00326 м3/кг; tкр = 374,15 °С.
С развитием современной электронно-вычислительной техники и появлением доступных компьютеров и приложений, большое распространение получили H-S-диаграммы в электронном виде. Такие диаграммы представляют собой обычный оконный интерфейс с полями для ввода исходных данных, графическими функциональными клавишами, и полем ответов.
Одной из наиболее распространенных программ является программа «Диаграмма HS для воды и водяного пара V2.1».Программа позволяет определять недостающие параметры состояния пара по вводимым известным. В отличие от графической интерпретации H-S диаграммы электронная программа исключает погрешности при определении параметров состояния, но менее наглядна.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.
Установка представляет собой закрытую емкость, оснащенную электронагревателем спирального типа. Для контроля за процессом парообразования в закрытой емкости установка оснащена электронным измерителем температуры с хромель-копелевой термопарой и механическим манометром. Фиксация затрат энергии на процесс парообразования осуществляется ваттметром. Для сброса избыточного давления пара в установке установлен предохранительный клапан.
Рисунок 2. Схема лабораторной установки: 1-корпус; 2-емкость закрытая; 3-капсула термопары; 4-хромель-копелевая термопара; 5-клапан предохранительный; 6-манометр;7-трубка манометра; 8-воронка расширительная; 9-вентиль; 10-ТЭН; 11-измеритель температуры; 12-ваттметр; 13-выключатель; 14-электрокабель