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