Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

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 a₁ b₁ c₁ d₁, a₂ b₂ c₂ d₂… на pv-диаграмме соответствуют процессу расширения вещества при t = const, а кривые ab₁ c₁ f₁, ab₂ c₂ f₂… на Ts-диаграмме – процессу нагревания вещества при p = const.

			p=const
	r=T н (s”- s’)

a2

c1

c2

c1

p н =с onst T н =с onst

b2

b1

c2

p н =с onst T н =с onst

a1

b2

b1

На 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 b₁ c₁, b₂ c₂,…, 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 b₁ c₁, b₂ c₂,… 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 Т s-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.

Опытным 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).

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

,         (4)

где ,  - 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:

                   , м³/кг,           (5)

где V - внутренний объем сосуда, м³;

    т - масса системы жидкость-пар, кг;

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

		~220 B

t окр

При 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.

Таблица 1

Результаты измерений и обработки

ризб .		рн, МПа	е , мВ	, °С	tокр, °С	tн, °С	В, мм рт. ст.
делений	кгс/см2
5
10
15					, °С		Дата и подпись преподавателя:
20
25
30
35
40					ФИО студента № гр.
45
50

 - задается преподавателем каждому студенту индивидуально.

 

Обработка опытных данных

1. Рассчитать абсолютное давление насыщенного пара для всех точек:

                                        , Па;

                                1 кгс/см² = 735,6 мм рт. ст.;

                          750 мм рт. ст. = 10⁵ Па = 0,1 МПа.

2. По величинам е из градуировочного графика определить значения , где . Искомая температура насыщения , °С. Результаты занести в таблицу (табл.1).

3. На миллиметровой бумаге или страничке в клеточку опытные данные р_н и t_н нанести на диаграмму  и построить кривую насыщения (рис. 3), выбрав масштабы по осям:

                                      = 1МПа 1 см;

                                       = 10 °С 1 см.

Методом графической интерполяции построить плавную сглаживающую кривую насыщения, используя гибкую линейку (количество точек над и под кривой должно быть примерно одинаковым). При заданной температуре  провести касательную к кривой насыщения. При этом расстояния от касательной до кривой на равных плечах от заданной точки должны быть примерно одинаковыми.

4. С помощью уравнения (4) рассчитать теплоту парообразования r при заданной температуре :

, кДж/кг.

Значение производной  определить графически как тангенс угла наклона касательной  к кривой насыщения в точке с температурой  (геометрический смысл первой производной!) (рис. 3), т.е. с учетом размерностей:

                , Па/град.

Точность определения теплоты парообразования r будет зависеть от тщательности построения диаграммы и проведения графических измерений.

Значение удельных объемов  и  приведены в табл.2.

 

 

Таблица 2

Параметры насыщенного водяного пара

, °С	v’, м3/кг	v“,м3/кг	h’, кДж/кг	S’, кДж/кг К	r, кДж/кг
250	0,001251	0,05005	1086,1	2,7034	1715,0
255	0,001263	0,04591	1110,2	2,8394	1689,0
260	0,001275	0,04215	1135,0	2,8851	1661,0
265	0,001289	0,03872	1160,2	2,9307	1634,0
270	0,001302	0,03560	1185,3	2,9764	1605,0
275	0,001317	0,03274	1210,7	3,0223	1574,2
280	0,001332	0,03013	1236,8	3,0685	1542,9
285	0,001348	0,02774	1263,1	3,1146	1510,2
290	0,001365	0,02533	1290,0	3,1611	1476,3
295	0,001384	0,02351	1317,2	3,2079	1441,0
300	0,001404	0,02164	1344,8	3,2548	1404,2
305	0,001425	0,01992	1373,1	3,3026	1365,6
310	0,001447	0,01831	1402,2	3,3507	1325,2
315	0,001472	0,011683	1431,7	3,3996	1282,3
320	0,001499	0,01545	1462,0	3,4495	1237,8
325	0,001529	0,01417	1493,6	3,5002	1190,3
330	0,001562	0,01297	1626,1	3,5522	1139,6
335	0,001599	0,01184	1559,8	3,6056	1085,7
340	0,001639	0,01078	1594,8	3,6605	1027,0
345	0,001689	0,00977	1639,0	3,7184	963,5
350	0,001741	0,00880	1671,0	3,7786	893,5
355	0,001807	0,00787	1714,0	3,8439	813,0
360	0,001894	0,00694	1762,0	3,9162	719,3

Примечание: = 374,15 ^оС, =22,129 МПа, =0,00326 м³/кг.

При критических параметрах r =0.

 

Построить графическую зависимость теплоты парообразования от температуры насыщения . Для этого отложить экспериментальные значения , рассчитанные при , на диаграмме , выбрав масштабы по осям:

 

ордината = 50 кДж/кг → 1 см;

абсцисса = 5^оС → 1 см.

При этом следует использовать результаты, полученные другими участниками своей бригады. Объяснить полученную зависимость, пользуясь Ts - диаграммой водяного пара (рис.2).

5. По уравнениям (2) и (1) рассчитать значение внешней ( ) и внутренней ( ) теплоты парообразования при температуре .

6. Рассчитать степень сухости х влажного насыщенного пара при температуре  исследованной двухфазной системы: х , где v_x = 0,00326 м³/кг в соответствии с выражением (5).

7. Вычислить энтальпию влажного насыщенного пара:

                                     х, кДж/кг,

где  - энтальпия жидкости на линии насыщения при температуре  (табл. 2).

8. Определить внутреннюю энергию влажного насыщенного пара при температуре :

                                   , кДж/кг.

9. Рассчитать энтропию влажного насыщенного пара при температуре :

                               , кДж/(кг×К),

где  - энтропия жидкости на линии насыщения при температуре  (табл.2).

10. Изобразить на pv- и Ts-диаграммах (без соблюдения масштаба) исследованный изохорный процесс.

11. Сравнить полученную в опыте величину теплоты парообразования r со справочными данными r_табл. (табл. 2):

                                      .

Величина δ r характеризует качество проведенных измерений и обработки опытных данных.

Контрольные вопросы

 

1. pv- и Ts-диаграммы водяного пара.

2. Процессы фазового перехода на pv- и Ts-диаграммах.

3. Области состояния водяного пара. Кипящая жидкость, влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый пар. Степень сухости.

4. Температура и давление насыщения. Кривая насыщения.

5. Методика определения и физический смысл r, , , x, , , .

6. Термические и калорические параметры.

7. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Достоинства этого уравнения и их использование для определения теплоты парообразования.

8. Схема экспериментальной установки и методика проведения эксперимента.

9. Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей. Методика расчета.

Библиографический список

 

1. Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок. метод. указания / сост.: В. А. Аляев [и др.]. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2000. – 62 с.

2. Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче / В.Н. Афанасьев [и др.]; под ред. В. И. Крутова,              Е. В. Шишова. – М.: Высшая школа, 1988. – 216 с.

3. Гумеров, Ф. М. Суб- и сверхкритические флюиды в процессе переработки полимеров / Ф. М. Гумеров, А. Н. Сабирзянов, Г. И. Гумерова. – Казань: ФЭН, 2007. – 336 с.

4. Техническая термодинамика: учебник для энергомашиностроит. спец. вузов /В. И. Крутов [и др.]. – М.: Высшая школа, 1991. – 384 с.

5. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебное пособие для вузов / В.В. Нащокин. – М.: Аз-book, 2008. – 468 с.

 

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ.. 4

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.. 5

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА.. 8

Лабораторная работа 21

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЛАЖНОГО

ВОЗДУХА В ПРОЦЕССАХ СУШКИ.. 13

Лабораторная работа 22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА.. 26

Лабораторная работа 23

ИССЛЕДОВАНИЕ pv-ДИАГРАММЫ УГЛЕКИСЛОГО

ГАЗА. ОПЫТ ЭНДРЮСА.. 37

Лабораторная работа 24

ИССЛЕДОВАНИЕ КРИВОЙ НАСЫЩЕНИЯ

ВОДЯНОГО ПАРА.. 48

Библиографический список. 59

 

Редактор Л. Г. Шевчук

 

Подписано в печать  10.06.2015		Формат 60´84 1/16
Бумага офсетная	Печать Riso	3,48  усл. печ. л.
3,75 уч.-изд. л.	Тираж 100 экз.	Заказ            «С»  67
Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета   420015, Казань, К. Маркса, 68