laboratorium techniki cieplnej

LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ
INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ
WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
I ENERGETYKI
POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
INSTRUKCJA LABORATORYJNA
Temat ćwiczenia TE-9
BADANIE PARAMETRÓW KRZYWEJ NASYCENIA DLA
WODY
1.
WPROWADZENIE TEORETYCZNE
Każde ciało może występować w postaci stałej, ciekłej i gazowej [1]. Każdą z tych
postaci nazywamy stanem skupienia. W stanie gazowym, odległości pomiędzy
poszczególnymi drobinami są duże w związku z czym siły wzajemnego oddziaływania są
małe i drobiny mogą swobodnie przemieszczać się wypełniając dostępną objętość. Przy
dostatecznie wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze, odległości pomiędzy drobinami maleją
i zwiększają się siły wzajemnego oddziaływania do tego stopnia, że drobiny tracą zdolność
swobodnego poruszania się. Następuje przejście w stan ciekły w którym substancja łatwo
zmienia kształt ale przeciwstawia się zmianom objętości. W miarę obniżania się temperatury
intensywność cieplnych ruchów drobin zmniejsza się i zwiększa się lepkość cieczy. W
dostatecznie niskiej temperaturze drobiny tracą zdolność przemieszczania się – ciecz
przechodzi w stan stały.
Zmiana stanu skupienia substancji jednorodnych przy ustalonym ciśnieniu odbywa się w
ściśle określonej i stałej temperaturze. Dla każdego chemicznie jednorodnego ciała można w
układzie współrzędnych p-T wyróżnić trzy obszary: obszar stanu stałego, ciekłego i
gazowego. Obszary te są ograniczone krzywymi przejścia : krzywą parowania (skraplania),
topnienia (krzepnięcia) i sublimacji (resublimacji), rys. 1. Krzywe przejścia określają
zależność pomiędzy temperaturą a ciśnieniem w procesach zmiany stanu skupienia. W
punktach położonych na krzywych przejścia mogą obok siebie współistnieć w równowadze
termodynamicznej dwie sąsiadujące z sobą fazy rozważanej substancji. Krzywa przejścia
pomiędzy fazą gazową i ciekłą (krzywa parowania lub skraplania) nasi nazwę krzywej
nasycenia i będzie przedmiotem badania w niniejszym ćwiczeniu.
Krzywe przejścia spotykają się w punkcie zwanym punktem potrójnym Tr w którym
mogą obok siebie istnieć w równowadze termodynamicznej trzy fazy: stała, ciekła i gazowa.
Rys. 1. Krzywe przemian
fazowych substancji
jednorodnych [1]
1->2 – przejście od stanu stałego
do gazowego poprzez stan ciekły
3->4 – przejście od stanu
gazowego do ciekłego
I->II – przejście od stanu stałego
bezpośrednio do gazowego
(sublimacja), kierunek
przeciwny-resublimacja
Przy izobarycznym podgrzewaniu ciała stałego pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia
punktu potrójnego (linia 1-2 rys.1) następuje najpierw topnienia ciała, a następnie po dalszym
podgrzewaniu cieczy do dostatecznie wysokiej temperatury rozpoczyna się proces parowania.
Moment rozpoczęcia procesu parowania (powstanie pierwszego pęcherzyka pary) nosi nazwę
punktu pęcherzyków, a ten sam punkt, ale osiągnięty przy ochładzaniu pary, w którym
wykrapla się pierwsza kropla cieczy nosi nazwę punktu rosy.
Krzywa parowania (krzywa nasycenia) rozpoczyna się w punkcie potrójnym, a kończy w
punkcie krytycznym. Dalsze podgrzewanie pary otrzymanej na linii parowania prowadzi do
Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody, 4.02.2008
2
przegrzania pary. W efekcie otrzymuje się parę przegrzaną czyli gaz. Gaz można skroplić.
Należy w tym celu tak zmienić jego parametry termiczne (ciśnienie, temperaturę) aby wejść
w obszar cieczy, rys. 1. Można to osiągnąć przez izobaryczne ochładzanie pod ciśnieniem
niższym od ciśnienia krytycznego, a wyższym od ciśnienia w punkcie potrójnym (np.
przejście wzdłuż linii 2-1, rys. 1) lub gaz sprężyć izotermicznie przy temperaturze niższej od
krytycznej (rys. 1, z punktu 2 w górę w kierunku punktu 4). Przy ciśnieniu wyższym od
ciśnienia krytycznego zanika proces parowania (wrzenia). Kotły w nowoczesnych
elektrowniach parowych o parametrach nadkrytycznych (ciśnieniu nadkrytycznym),
stosowane we współczesnej energetyce w zasadzie nie są już kotłami parowymi, ponieważ nie
zachodzi w nich proces parowania, a jedynie podgrzewania.
Poniżej podano parametry w charakterystycznych punktach krzywej parowania dla wody.
Punkt potrójny
Ciśnienie, Pa
Temperatura, K/ oC
611,2
273,16/ 0,01
2.
Punkt krytyczny
Ciśnienie, MPa
Temperatura, K/ oC
22,115
647,27/ 374,12
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
a) Zapoznanie się z konstrukcją i budową urządzenia do badania parametrów krzywej
nasycenia,
b) Wyznaczenie parametrów dla krzywej nasycenia dla wody.
3.
OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO
3.1. Opis stanowiska
Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. Głównym elementem
jest zaizolowany cieplnie zbiornik 7 w którym umieszczona jest grzałka elektryczna 2.
Urządzenie to nosi nazwę kotła Marceta. Zbiornik ma zainstalowane dwa zawory, 1-służący
do opróżniania zbiornika z wody i zawór przelewowy 3-służący do kontroli stanu jego
napełnienia. Napełnianie zbiornika odbywa się przez otwór 6 – zaślepiany na stałe śrubą. Do
zbiornika podłączony jest manometr ciśnienia bezwzględnego 8, natomiast w wodzie
zanurzona jest tulejka pomiarowa w której znajduje się czujnik Pt-100 do pomiaru
temperatury. Wartość temperatury wyświetlana jest na panelu wskaźnika 11. Włącznik 9
służy do załączania i wyłączania stanowiska natomiast włącznik 9 służy do załączania lub
wyłączania zasilania grzałek, stosownie do potrzeb.
Otwór 6 (zamknięty śrubą) służy do okresowego napełniania zbiornika wodą. Zawory 1 i
3 używane są do obsługi serwisowej stanowiska i nie mogą być używane w czasie ćwiczenia.
Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody, 4.02.2008
3
Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego
1-zawór spustowy, 2-grzałka elektryczna, 3-zawór przelewowy, 4-czujnik temperatury,
5-zawór bezpieczeństwa, 6-korek do napełniania zbiornika, 7-kocioł wraz z płaszczem
izolacyjnym, 8-manometr ciśnienia bezwzględnego, 9-włącznik/wyłącznik główny,
10-włącznik/wyłącznik grzałki, 11-wskaźnik wartości temperatury
3.2. Opis działania stanowiska
Woda znajdująca się z zbiorniku jest podgrzewana za pomocą grzałki 2. Jeżeli z
przestrzeni nad powierzchnią wody jest usunięte powietrze, a temperatura jest w całej
przestrzeni wyrównana, to para wypełniająca przestrzeń jest parą nasyconą. Przy załączeniu
grzałki i podgrzewaniu nastąpi wzrost temperatury i równocześnie ciśnienia, ponieważ
nastąpi częściowe odparowanie wody. Przy założeniu wyrównania się temperatury w całej
objętości wody i pary, odpowiadające sobie wartości temperatury i ciśnienia będą
parametrami opisującymi krzywą nasycenia. Temperatura odpowiadająca danemu ciśnieniu
nosi nazwę temperatury nasycenia, natomiast ciśnienie odpowiadające danej temperaturze
nosi nazwę ciśnienia nasycenia.
3.3. Uwagi dotyczące bezpiecznej eksploatacji stanowiska
a)
W czasie eksperymentu, gdy woda w zbiorniku jest nagrzana i manometr wskazuje
ciśnienie bezwzględne wyższe niż 1,0 MPa, pod żadnym pozorem nie wolno otwierać
zaworów 1 lub 3, ponieważ w tym przypadku nastąpi gwałtowny wypływ gorącej wody
lub pary przez zawór. Grozi to poparzeniem.
b) Gdy stanowisko jest ochłodzone do temperatury otoczenia, a zawór 3 jest zamknięty,
manometr powinien wskazywać ciśnienie bezwzględne zbliżone do 0,0. Nie należy
wówczas otwierać zaworu żadnego z zaworów, ponieważ nastąpiłoby w tym przypadku
zapowietrzenie stanowiska przez zassanie powietrza do wnętrza zbiornika.
Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody, 4.02.2008
4
3.4. Dane techniczne stanowiska, zalecenia serwisowe
•
•
•
•
•
•
Pojemność zbiornika wodnego 1,98 l,
Maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze: 1,6 MPa,
Ciśnienie otwarcia się zaworu bezpieczeństwa: 2,0 MPa,
Zakres roboczy temperatury: 0-200 oC,
Moc grzałki elektrycznej: 2 kW,
Rodzaj czujnika temperatury: Pt 100.
a)
W czasie pomiarów zbiornik stanowiska powinien być odpowietrzony, ponieważ tylko
wtedy otrzyma się poprawne wyniki pomiarów.
Odpowietrzanie zbiornika przeprowadza się przez nagrzanie wody w zbiorniku powyżej
100oC (manometr powinien wskazywać ciśnienie bezwzględne wyższe od 0,1 MPa) i
otwarcie na krótką chwilę zaworu 3, a następnie zamknięcie przed momentem obniżenia
się ciśnienia do poziomu ciśnienia atmosferycznego. Czynność tę można powtórzyć.
Każde odpowietrzanie związane jest z ubytkami wody w zbiorniku, w związku z tym
należy okresowo uzupełniać jej poziom. W miarę możliwości należy ograniczać
częstotliwość zabiegów odpowietrzania.
Zbiornik stanowiska powinien być napełniony całkowicie wodą w czasie eksperymentu.
Do uzupełniania poziomu wody stosować tylko wodę destylowaną.
Odkręcając korek 6 celem uzupełnienia poziomu wody należy wcześniej bezwzględnie
odprężyć zbiornik otwierając zawór 3.
Należy kontrolować stan techniczny miedzianej uszczelki znajdującej się pod korkiem 6,
w razie uszkodzenia wymienić na nową.
Na końcówkę wylotową z zaworu bezpieczeństwa powinien być nałożony odcinek węża
gumowego, a koniec powinien być zabezpieczony przed swobodnym przemieszczaniem
się w razie wylotu gorącej pary.
b)
c)
d)
e)
f)
g)
4.
PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE
a)
Na początku uczestnicy ćwiczenia zapoznają się z budową i działaniem stanowiska,
lokalizacją poszczególnych zaworów i aparatury pomiarowej.
Włączyć włącznikiem głównym zasilanie stanowiska. Odczytać wartość ciśnienia i
temperatury, zanotować odczytane wartości. Jeżeli wartości te odpowiadają wartościom z
krzywej nasycenia, to oznacza to, że zbiornik kotła nie jest zapowietrzony.
Wyspecyfikować wartości ciśnień dla których będzie odczytywana temperatura.
Włączyć grzałkę kotła i obserwować wzrost ciśnienia i temperatury. Ze względu na
bezwładność cieplną tulejki w której znajduje się czujnik temperatury i jej wolniejsze
nagrzewanie się, wskazania temperatury będą na ogół nieco zaniżone. Aby poprawić
jakość pomiaru należy odczekać aż ciśnienie nieco przekroczy zadaną wartość, a
następnie wyłączyć grzałkę. Następnie odczekać, aż ciśnienie obniży się do pożądanej
wartości, odczytać i zanotować wartość temperatury i ciśnienia.
Włączyć grzałkę o powtórzyć opisaną wyżej operację celem osiągnięcia kolejnej zadanej
wartości ciśnienia.
b)
c)
d)
e)
Wielkościami mierzonymi są parametry termiczne pary mokrej znajdującej się w
zbiorniku kotła – temperatura i ciśnienie.
Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody, 4.02.2008
5
5.
OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
5.1. Opracowanie wyników pomiarów
Opracowanie wyników pomiarów sprowadza się do porównania wyników pomiarów z
danymi tablicowymi.
a) Wyniki porównania zestawić w tablicy podając wartość zmierzoną i tablicową
temperatury nasycenia oraz odchylenie obu wartości. Skomentować wyniki porównania.
b) Wprowadzić dane do arkusza kalkulacyjnego EXCEL i dobrać rodzaj krzywej
(wielomian, zależność wykładnicza i inne), wyznaczyć współczynnik korelacji dla
każdego rodzaju krzywej (będący miarą dopasowanie krzywej do zbioru punktów),
znaleźć równanie które najlepiej dopasowuje się do posiadanego zbioru punktów.
5.2. Sporządzenie sprawozdania
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Sprawozdanie powinno zawierać:
Krótkie wprowadzenie teoretyczne
Krótki opis stanowiska pomiarowego
Opis pomiarów.
Wyniki pomiarów.
Porównanie wyników pomiarów z danymi tablicowymi dotyczącymi pary wodnej.
Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe.
Literatura cytowana i uzupełniająca
[1]
Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, 1998.
Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek
Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody, 4.02.2008
6