Левая ветвь кривой ограничивающей зону влажного пара называется линией

Исследование кривой насыщения влажного пара

Цель работы: изучить pv— и Ts-диаграммы водяного пара, изучить процессы фазового перехода; ознакомиться с понятием теплоты парообразования и ее свойствами; ознакомиться с кривой насыщения и уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

Задание:

1. Провести опыты по исследованию кривой насыщения воды и водяного пара, т.е. зависимость .

2. На основе результатов измерений рассчитать величину теплоты парообразования r, ее составляющих и , энтальпии h_x, внутренней энергии и_х, энтропии s_x при заданной преподавателем температуре .

3. Составить отчет о выполненной работе, который должен содержать: основы теории (кратко), схему экспериментальной установки, таблицу измерений и результаты обработки опытных данных, а также график, выполненный на миллиметровой бумаге.

Основы теории

Процессы парообразования и конденсации широко распространены в химической технологии. Важной теплофизической характеристикой при расчете процессов перегонки, выпарки, 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).

r= Tн(s”- s’)

a

s’ s” s

v’ vx=vкр v”

f2

Рис.1. pv – диаграмма водяного Рис.2. Ts – диаграмма пара. водяного пара.

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.

Ψ1=pн(v”- v’)

На участках b₁c₁, b₂c₂,…, 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. Участки b₁c₁, b₂c₂,… 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 три характерные области состояний:

· область жидкого состояния – расположена левее кривой кипящей жидкости х = 0, t t_н 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 жидкости для перехода её в пар в изобарно-изотермическом (р_н и t_н = const) процессе называется теплотой парообразования r, кДж/кг. Она расходуется на работу расширения и на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия :

, (1)

где — внешняя составляющая теплоты парообразования, она рассчитывается как

, (2)

где и — удельные объемы кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно;

— внутренняя составляющая теплоты парообразования.

На pv-диаграмме (рис. 1), как следует из уравнения (2), величина показана заштрихованной площадкой. На Ts-диаграмме (рис.2) заштрихованной площадкой показана величина теплоты парообразования, которая может быть рассчитана как:

, (3)

где и — энтропия кипящей жидкости и сухого насыщенного пара соответственно, ;

Т_н — температура насыщения, К.

Из pv- и Тs-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. Так, для воды критические параметры в точке К имеют следующие значения: р_кр. = 22,13 МПа, t_кр. = 374,2 °С, v_кр. = 0,00326 м 3 /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 , т.к. в этом состоянии исчезает различие между жидкостью и ее паром и процесс парообразования отсутствует.

Δp

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.

q

Δt

t * н tн Рис.3. Кривая насыщения

Связь между температурой и давлением насыщения выражается уравнением Клапейрона-Клаузиуса.

, (4)

где , — удельные объемы соответственно жидкости и сухого насыщенного пара на линии насыщения при Т_нас. и р_нас., м 3 /кг.

Поскольку > , из уравнения (4) следует, что при фазовом переходе «жидкость-пар» производная всегда больше нуля, т.е. с ростом давления температура насыщения увеличивается.

Уравнение Клапейрона-Клаузиуса (4) имеет важные достоинства. Во-первых, оно устанавливает связь между калорическими и термодинамическими (р, v, Т) параметрами. Во-вторых, дает связь между параметрами жидкого ( , ) и парообразного ( , ) состояний.

Первое из этих достоинств уравнения (4) в данной работе используется для определения теплоты парообразования r по кривой насыщения, полученной по результатам измерения термодинамических параметров р_н и t_н.

Проведение опытов

x 1-x

tокр

tнас

220 B

Рис.4. Схема экспериментальной установки: 1 – сосуд высокого давления; 2 – спираль электронагревателя; 3 – переключатель электронагревателя; 4 – вентилятор; 5 – переключатель вентилятора; 6 – кожух; 7 – образцовый манометр; 8 – контактный манометр, автоматически отключающий нагреватель по достижении давления 216 бар (55 дел.); 9 – милливольтметр; 10 – дифференциальная термопара.

Экспериментальная установка, рис. 4, представляет собой замкнутый сосуд высокого давления, содержащий такое количество воды, при котором удельный объем v_x двухфазной системы «жидкость-пар» (влажного насыщенного пара) равен критическому значению в точке К:

, м 3 /кг, (5)

где V — внутренний объем сосуда, м 3 ;

т — масса системы «жидкость-пар», кг;

v_кр — удельный объем системы в критической точке, м 3 /кг.

При изохорном (v = v_x = const) электрическом 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 манометром 7. Соответствующие температуры насыщения t_н устанавливаются по измеренным значениям э.д.с. дифференциальных термопар.

Порядок работ следующий:

1. Установка включается преподавателем;

2. Измерения начинать по достижении показания манометра 5 делений и далее через каждые 5 делений. Одновременно с показаниями манометра в таблицу 1 записывать показания э.д.с. 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 1.

5. С разрешения преподавателя установку можно отключить.

ризб.	рн, МПа	е, мВ	, °С	tокр, °С	tн, °С	В, мм рт. ст.
делений	кгс/см 2
, °С	Дата и подпись преподавателя:

— задается преподавателем каждому студенту индивидуально.

Источник статьи: http://poisk-ru.ru/s5509t4.html