Rys. 2 Schemat stanowiska pomiarowego
Transkrypt
Rys. 2 Schemat stanowiska pomiarowego
LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia: WYZNACZANIE ENTALPII SKRAPLANIA PARY WODNEJ PRZY CIŚNIENIU OTOCZENIA Wyznaczanie entalpii skraplania pary wodnej przy ciśnieniu otoczenia 1. 2 WSTĘP TEORETYCZNY Skraplanie pary lub parowanie cieczy jest przejściem substancji od jednej fazy do drugiej i tego rodzaju przemiany nazywa się przemianami fazowymi. Przemiana fazowa przejścia cieczy w parę chemicznie jednorodnego ciała pod ustalonym ciśnieniem p przebiega w ściśle określonej temperaturze ts (zależnej od tego ciśnienia) nazywanej temperaturą nasycenia. Na wykresie p-t (patrz rys.1) odpowiada temu punkt A. Zbiór punktów A odpowiadających zmianie stanu skupienia przy różnym ciśnieniu tworzy linię zmiany stanu skupienia. W przypadku przejścia cieczy w gaz nazywamy ją linią parowania, a w przypadku odwrotnym linią skraplania. Gaz jest silnie przegrzaną parą, by można go było skroplić trzeba go najpierw schłodzić do temperatury nasycenia ts. Rys. 1 Wykres p-t dla H2O Zmiana stanu skupienia (np. izobaryczna) wody w parę wodną lub odwrotnie tj. przejście z jednego obszaru układu p-t do drugiego przez krzywą równowagi charakteryzuje się przystankiem temperatury związanym z pobieraniem (przy ogrzewaniu) lub oddawaniem (przy ochładzaniu) pewnej ilości ciepła. W procesie izobarycznym ciepło jest równe różnicy entalpii i dlatego tą wielkość nazywa się entalpią parowania (skraplania) lub utajonym ciepłem parowania (skraplania). Zjawiska parowania i skraplania są powszechnie wykorzystywane w technice, przede wszystkim we wszystkich urządzeniach działających w obiegach Clausiusa-Rankine'a, Lindego itp. Zarówno w wielkich systemach przemysłowych (elektrownie, chłodnie) jak i w urządzeniach codziennego użytku (lodówka, zamrażarka) realizowane są przemiany odparowania i skraplania zbliżone do procesu izobarycznego jeżeli pominie się stratę ciśnienia przy przepływie czynnika obiegowego. Ich cieplnym efektem są właśnie entalpia parowania lub entalpia skraplania, w zależności od tego, która z przemian jest realizowana. Instrukcja laboratoryjna LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ Wyznaczanie entalpii skraplania pary wodnej przy ciśnieniu otoczenia 2. 3 CEL I ZAKRES ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie entalpii skraplania pary wodnej w warunkach izobarycznych przy ciśnieniu otoczenia. Uzyskane w czasie ćwiczenia wyniki można porównać z wartościami odczytanymi z tablic parowych dla aktualnych warunków atmosferycznych. 3. OPIS METODY POMIAROWEJ I SCHEMAT STANOWISKA Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 2. Realizacja ćwiczenia laboratoryjnego polega na odparowaniu wody, a następnie skropleniu jej i wyznaczeniu entalpii skraplania pary wodnej na podstawie zarejestrowanych wartości temperatury wody chłodzącej na dopływie i wypływie ze stanowiska pomiarowego oraz temperatury skroplin, a także masy wody chłodzącej i masy skroplin. Schemat bilansowy dla stanowiska pomiarowego Qot ≈ 0 I p = m p (i '+ r ) I w1 = m w c w t w1 I sk = m sk c w t sk I w2 = m w c w t w2 m p = m sk t w 2 − t w1 = ∆t w ρ w ≈ ρ sk Bilans energii: m sk (i '+ r − c w t sk ) = m w c w ∆t w r= m w c w ∆t w + c w t sk − i ' m sk ∆E w mV 0.04 K ∆Ew – wartość siły termoelektrycznej odczytana na miliwoltomierzu, i’ = f(pot) – entalpia właściwa wody na linii nasycenia odczytana z tablic. ∆t w = m w = ρ wV w m sk = ρ sk V sk Instrukcja laboratoryjna LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ Wyznaczanie entalpii skraplania pary wodnej przy ciśnieniu otoczenia r= 4 V w ρ w c w ∆t w + c w t sk − i ' V sk ρ sk mV 6 7 5 dopływ wody chłodzącej 6 t2d t2w 2 8 1 9 t1w 4 przelew 10 woda chłodząca skropliny dopływ wody zasilającej 3 ~ Rys. 2 Schemat stanowiska pomiarowego 1 – zbiornik, 2 – rurka skraplacza, 3 – grzałki elektryczne, 4 – zawór regulacyjny wody zasilającej, 5 – zawór regulacyjny wody chłodzącej, 6 – termopary, 7 – miliwoltomierz, 8 – termometry, 9 – naczynie miarowe na wodę chłodzącą, 10 – naczynie miarowe na skropliny Do dolnej części zbiornika 1 doprowadzane jest woda zasilająca. Natężenie przepływu regulowane jest zaworem 4. Woda ta podgrzewana jest sześcioma grzałkami (3) zasilanymi prądem elektrycznym poprzez włącznik główny i dwa wyłączniki pomocnicze służące do odłączenia dwóch par grzałek. Poziom wody zasilającej wytwornicę pary ustalony jest w układzie przelewowym – nadmiar jest odprowadzany do kanalizacji. Uzyskana para wodna kierowana jest do kondensatora 2, w którym ulega skraplaniu. Woda chłodząca doprowadzana jest do skraplacza przewodem przez zawór regulacyjny 5, a odprowadzana do wyskalowanego zbiornika pomiarowego 10. Przyrost temperatury wody chłodzącej skraplacz odczytujemy na miliwoltomierzu 7, do którego podłączone są dwie termopary (6) typu NiCrNi. Uzyskane skropliny odprowadzane są ze skraplacza przewodem do wyskalowanego naczynia pomiarowego 9. Pomiar temperatury skroplin oraz wody chłodzącej na wylocie ze stanowiska odbywa się za pomocą termometrów rtęciowych 8. 4. PROGRAM ĆWICZENIA a) Otworzyć zawór wody zasilającej 4 i ustalić przepływ z układu przelewowego tak, aby strumień wody zajmował połowę przekroju przewodu przelewowego. b) Ustawić zawór trójdrożny na odpływie wody chłodzącej skraplacz tak, aby woda kierowana była do kanalizacji. Instrukcja laboratoryjna LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ Wyznaczanie entalpii skraplania pary wodnej przy ciśnieniu otoczenia 5 c) Włączyć zasilanie stanowiska, a następnie główny i pomocnicze włączniki grzałek. d) Włączyć miliwoltomierz. e) W chwili pojawienia się skroplin jeden z wyłączników pomocniczych grzałek ustawić w pozycji „0” (wyłączony). f) Po otrzymaniu stanu ustalonego – stabilne wskazania termometru i miliwoltomierza – przystąpić do pomiaru. g) Jednocześnie z podstawieniem pod wylot przewodu skroplin pustego naczynia 10 przestawić zawór trójdrożny i skierować wodę chłodzącą do naczynia 9. W czasie pomiaru odczytywać wskazania miliwoltomierza 7 i termometru 8 w odstępach 30 s. h) Po uzyskaniu około l dm3 skroplin pomiar zakończyć jednoczesnym skierowaniem wody chłodzącej do kanalizacji (przestawić zwór trójdrożny) i podstawieniem pod wylot przewodu skroplin naczynia zastępczego. Odczytać również ilość wody chłodzącej w zbiorniku 9. i) Pomiar powtórzyć dla innego natężenia przepływu wody chłodzącej. j) Odczytać ciśnienie otoczenia z barometru. k) Po zakończeniu pomiaru wyłączyć grzałki , miliwoltomierz i zasilanie stanowiska. Pozostawić odkręcone zawory wody chłodzącej 5 i wody zasilającej 4 aż do wystudzenia stanowiska. l) Obliczyć entalpię skraplania pary wodnej. - Uśrednić wyniki pomiarów temperatury. - Odczytać entalpię pary dla aktualnych warunków atmosferycznych. - Podstawić dane do wzorów. 5. TABELA POMIAROWA I SPRAWOZDANIE Lp. temperatura skroplin tsk, ºC różnica temperatury wody chłodzącej ∆Ew, mV W sprawozdaniu zamieścić: 1) ogólne uwagi o skraplaniu pary, 2) opis metody pomiarowej i bilans energii urządzenia pomiarowego, 3) wyniki pomiarów, 4) szczegółowe obliczenia dla jednego pomiaru, 5) komplet wyników obliczeń, 6) uwagi i wnioski końcowe. LITERATURA 1) J. Szargut: Termodynamika, PWN Warszawa, 1992. 2) J. Szymczyk, H. Górniak: Podstawy termodynamiki, skrypt Politechniki Śląskiej nr 1875, Gliwice 1993. Instrukcja zaktualizowana 25.02.2004 Instrukcja laboratoryjna LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ