Belozerov_V_N_Kuzina_Yu_A

РАБОТА №4. ИЗОХОРНОЕ НАГРЕВАНИЕ ВОДЫ И ВОДЯНОГО ПАРА

В данной работе экспериментально определяется зависимость давления от температуры в двухфазной и однофазной областях в процессе изохорного нагревания при значениях удельного объема, меньшем и большем критического.

Общие замечания

Для реальных веществ в отличие от идеальных газов существуют области двухфазового состояния. Если две фазы находятся в равновесии, то температуры, давления и химические потенциалы этих фаз равны между собой.

Теоретически и опытным путем установлено, что каждому давлению соответствует своя температура, при которой возможно равновесное сосуществование кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Зависимость между давлением насыщенного пара ps и температурой насыщения ts может быть представлена в p,t -диаграмме в

виде линии, называемой кривой насыщения (рис. 1). Каждое вещество обладает присущей только ему кривой насыщения.

Однако характер ее для всех веществ аналогичен.

Во всех точках этой кривой будет иметь место равновесие фаз. Оканчи-

называется фазовой диаграммой. На кривой равновесия фаз свойства вещества изменяются скачком: при давлении чуть выше давления насыщения ps вещество является жидкостью, а ниже – паром.

Помимо p,t -диаграммы можно построить фазовую диаграмму в плоскости p, υ. На этой диаграмме область фазового равновесия любых фаз принимает форму некоторой площади (рис. 2).

21

Область равновесного состояния жидкой и газообразной фазы в p, υ-диаграмме ограничена левой и правой ветвями пограничной

кривой, которые сходятся в критической точке.

Точки на левой кривой соответствуют кипящей жидкости, а правая ветвь характеризует состояние сухого насыщенного пара.

Изменение давления вдоль кривой насыщения (в точках фазового перехода) описывается уравнением Клапейрона-Клаузиуса

Следовательно, при экспериментальном исследовании в зависимости от количества воды, залитой в сосуд, однофазное состояние получается либо в области жидкости, либо в области перегретого пара.

Экспериментальная установка

Исследование вида изохор воды и водяного пара можно провести, наблюдая за изменением параметров (температуры и давления) при нагревании некоторого количества данного вещества в закрытом сосуде (рис.3).

Установка состоит из двух толстостенных стальных сосудов высокого давления 1. Вследствие их идентичности на рис. 3 показан только один сосуд. Объем каждого сосуда 295 см3. Сосуд помещен в массивный медный калориметр 2, вокруг которого намотан электри-

22

ческий нагреватель 3. Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 4. Падение напряжения на нагревателе показывает вольтметр 5. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду сосуд покрыт тепловой изоляцией из асбеста 6 и заключен в металлический кожух 7. Температура в сосуде измеряется хромельалюмелевой термопарой 6, сигнал от которой подается на потенциометр типа КСП-4 9. Давление измеряется образцовым манометром 10.

Рис. 3. Схема установки для изучения изохорного нагревания воды и водяного пара

Методика проведения измерений

1.Включить нагреватели обоих сосудов и следить за показаниями манометров.

2.Как только стрелки манометров отклонятся от нулевого деления, производить запись давления и температуры: для правого сосуда через 2,5 деления по шкале манометра, а для левого сосуда через 20°С по показаниям потенциометра.

3.По соображениям безопасности немедленно выключить соответствующийнагреватель, еслидавление всосудебудетвыше220 бар!

Обработка результатов измерений

1. Количество воды, залитой в сосуд, различно, поэтому характер изменения давления и температуры в сосудах будет различен. По результатам опыта можно судить о характере зависимости между температурой и давлением для различных изохор. Значение

23

удельного объема для каждой из изохор неизвестно и определяется по результатам опыта. Для этого нужно использовать опытные состояния, достаточно удаленные от кривой фазового равновесия, где вещество находится в однофазовом состоянии. Тогда, пользуясь таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара, можно определить величину удельного объема при температуре и давлении, измеренных в опыте. Для большей надежности удельный объем определяется для двух или трех точек.

2.Пользуясь таблицами свойств воды и водяного пара, построить

вкоординатной системе lg p, T1 кривую фазового равновесия для воды от начальной температуры опыта до критической (через 20°).

3.Экспериментальные точки нанести на lg p, T1 - диаграмму.

Используя аналитическую зависимость давления насыщенного пара от температуры вида

найти A, B по построенному графику.

4. Построить в p, υ-диаграмме пограничную кривую для воды и

водяного пара, начиная с 20 бар. Экспериментальные точки и графики процессов нанести на данную диаграмму.

5. По найденным значениям удельного объема для каждой из изохор определить количество воды, залитой в сосуды (для 2–3 состояний), и вычислить среднее значение:

6. Используя табличные значения удельных объемов воды и пара на кривой фазового равновесия и вычисленные значения удельных объемов для каждого сосуда, определить для каждой изохоры

7. По формуле (1) определить теплоту парообразования и сравнить с табличными значениями.

24

Оценка точности экспериментальных данных

Для экспериментальной изохоры значение удельного объема определяется при помощи таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара по измеренным параметрам p и t , поэтому

максимально возможная относительная ошибка равна

обусловленные как систематическими погрешностями измерительных приборов, так и случайными погрешностями, вызванными нестационарностью процесса.

Максимально возможная ошибка определения давления найдется по формуле

Контрольные вопросы

1.Фазовые диаграммы и фазовые переходы для воды и водяного

пара.

2.Влажный, сухой, насыщенный и перегретый пар.

3.Изохорный процесс в p,t -диаграмме.

4.Термодинамические функции для влажного пара и показатель адиабаты.

5.Процессы расширения пара в p, υ-, h,s-, T,s- диаграммах.

25

РАБОТА№5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВО ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ

Цель данной работы заключается в изучении изменений состояния влажного воздуха в процессах, протекающих в сушильной установке.

Общие замечания

Смесь сухого воздуха с водяным паром, а в наиболее общем случае – с водяным паром и очень мелкими каплями воды или кристаллами льда, называют влажным воздухом.

Знание свойств влажного воздуха необходимо в расчетах различных термодинамических процессов: сушка материалов, сжатие воздуха в компрессоре, оборотное охлаждение циркуляционной воды на тепловых электростанциях и т.д. В данных процессах количество сухого воздуха и его агрегатное состояние не изменяются, в то время как количество водяного пара, содержащегося в воздухе, может изменяться – пар может частично конденсироваться и, наоборот, вода испаряться.

В большинстве случаев, встречающихся на практике, влажный воздух находится при сравнительно невысоких (близких к атмосферному) давлениях, поэтому сухой воздух и содержащийся в нем водяной пар можно рассматривать как идеальные газы. Следовательно, к влажному воздуху применим закон Дальтона, согласно которому каждый газ, входящий в смесь, находится под своим парциальным давлением, а сумма парциальных давлений компонентов равна давлению смеси:

где pвл – давление влажного воздуха; pс.в. – парциальное давление сухого воздуха в смеси; pп – парциальное давление водяного пара. Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе не может быть выше величины ps – давления насыщения при данной температуре влажного воздуха, т.е.

Влажный воздух, в котором pп < ps , называется ненасыщенным, а при pп = ps – насыщенным влажным воздухом. Водяной пар, содержащийся в ненасыщенном влажном воздухе, находится в пере-

26

стоянию насыщения (точка 2). При дальнейшем понижении температуры из воздуха будет выпадать влага и уменьшаться парциальное давление пара. Поэтому температура, при которой давление рп ста-

новится равным рs , называется точкой росы, т.е.

Параметры влажного воздуха

Содержание водяного пара во влажном воздухе может быть различным и характеризуется количеством пара в граммах (или в килограммах), приходящимся на 1 м3 влажного воздуха. Эта величина называется абсолютной влажностью воздуха. Объем пара в смеси равен объему всей смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха численно равна плотности содержащегося в нем водяного пара ρп

при парциальном давлении pп и температуре влажного воздуха:

Отношение действительного содержания водяного пара во влажном воздухе к максимально возможному содержанию его в том же объеме влажного воздуха при данной температуре называется относительной влажностью

27

Считая, что водяной пар близок по своим свойствам к идеальному газу, можно считать верной формулу

Важной характеристикой состояния влажного воздуха является влагосодержание. Влагосодержание d представляет собой массу влаги в килограммах (в граммах), приходящейся на 1 кг сухого воздуха:

Если воздух не содержит жидких частиц воды, то связь между влагосодержанием и парциальным давлением пара определяется выражением

Газовая постоянная влажного воздуха находится по формуле

Для удобства расчетов энтальпия влажного воздуха также относится к 1 кг сухого воздуха. Энтальпию влажного воздуха принято отсчитывать от состояния воды в тройной точке (т.е. практически от 0°С). При допущении об идеальности компонентов влажного воздуха и отсутствии твердых частиц воды энтальпия влажного воздуха определяется по уравнению

содержащейся во влажном воздухе в виде пара и жидкости; hп – энтальпия пара; hж – энтальпия воды.

Представляя энтальпию компонентов через теплоемкость и температуру, получим формулу

28

здесь

В этих формулах все теплоемкости приняты независимыми от давления и от температуры.

Опытное определение относительной влажности

Для измерения относительной влажности применяется прибор называемый психрометром. Он состоит из двух ртутных термометров – сухого и так называемого мокрого. Ртутный шарик мокрого термометра обернут тканью, смоченной водой. Если поток влажного воздуха обдувает ртутные шарики этих термометров, сухой термометр показывает температуру влажного воздуха, а мокрый термометр – температуру, которую имеет вода, содержащаяся во влажной ткани. Вследствие испарения воды с поверхности марли ее температура понижается. В результате тепло- и массообмена воздуха с водой в ткани устанавливается равновесие (неизменность температуры влажной ткани) не при температуре точки росы, а при несколько более высокой температуре, которая носит название температуры мокрого термометра tм . Пользуясь показаниями пси-

хрометра tсух и tм , можно определить относительную влажность воздуха ϕ при помощи специальных психрометрических таблиц или при помощи h, d -диаграммы.

h,d-диаграмма влажного воздуха

h, d -диаграмма влажного воздуха была предложена Рамзеным Л.К. в 1918 г. (рис. 2).

нию барометрического давления в центральных районах России. По оси ординат диаграммы отложены значения энтальпии влажного воздуха hвл . По оси абсцисс под углом 135° к оси ординат отло-

жены значения влагосодержания d . Соответствующие точки спроектированы на горизонтальную (условную) ось.

29

Рис.2. h, d -диаграмма влажного воздуха

На диаграмме нанесены идущие под углом 135° к оси ординат линии постоянной энтальпии h , вертикальные линии постоянного влагосодержания d , изотермы влажного воздуха и линии постоянной относительной влажности воздуха ϕ.

На диаграмме пунктиром нанесены также линии постоянной температуры мокрого термометра tм , идущие под небольшим уг-

лом к линиям h =const .

В нижней части диаграммы построена линия парциального давления пара pn = f (dn ) . Ось ординат этого графика расположена на h, d -диаграмме справа.

30