Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет»


Скачать 117.73 Kb.
НазваниеРеспублики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет»
Дата публикации28.03.2014
Размер117.73 Kb.
ТипПрактическая работа
vb2.userdocs.ru > Астрономия > Практическая работа


Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь
Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет»

КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Специальность: все инженерные специальности
Предмет: Теплотехника

П Р А К Т И Ч Е С К А Я Р А Б О Т А № 4


ТЕМА: Водяной пар

Цель: Изучить процесс парообразования и его изображение в координатах

р–υ и Т–S.

ГРОДНО 2013

Разработано: доцент Кондрашова Г.С.

Процесс парообразования и его изображение в координатах р–υ; Т–s и h–s
При анализе режимов работы теплосиловых установок часто приходится иметь дело с разного рода жидкостями и их парами: водой, аммиаком, фреоном, углекислотой и т. д.

Процесс парообразования для всех жидкостей одинаков а его можно проследить на примере воды.

Положим, что имеем 1 кг воды при температуре 0°С и удельном давлении р. Если при этом давлении ее удельный объем обозначить υо то этому состоянию жидкости в системе координат рυ будет соответствовать точка ао с координатами р и υо (рисунок 4.1).


Рисунок 4.1 – Процесс парообразования в координатах р–υ
Если при постоянном давлении (р = const) жидкость нагревать, то, как показывает опыт, ее температура будет постепенно повышаться, а удельный объем расти. При этом с поверхности жидкости молекулы воды, имеющие большую, чем другие молекулы скорость, преодолевают силы молекулярного сцепления и вылетают в окружающее пространство. Идет процесс парообразования за счет испарения жидкости только с ее поверхности. Этот процесс тем интенсивнее, чем температура жидкости выше температуры окружающей среды при постоянном давлении.

В некоторый момент температура воды достигнет температуры кипения ts (точка b'). При кипении пар образуется во всей массе жидкости. Имея меньшую плотность, чем жидкость, пузырьки пара устремляются к поверхности и начинается интенсивное испарение жидкости с сильным увеличением объема смеси. Таким образом, отрезок изобары aоb' соответствует процессу нагревания жидкости при постоянном давлении от 0°С до температуры кипения ts. Температуру кипения, при которой вода начинает превращаться в пар, называют температурой насыщения, а пар, образующийся при этом, – влажным насыщенным паром.

При дальнейшем подводе теплоты количество жидкой фазы уменьшается, а количество пара увеличивается. Температура смеси остается постоянной, так как вся подводимая теплота идет на испарение жидкой фазы. Этот процесс парообразования в координатах р–υ изображается линией b'—с", которая одновременно является и изобарой, и изотермой. Следовательно, процесс парообразования на линии b'с" изобарно-изотермический.

При переходе смеси в состояние, характеризуемое на диаграмме точкой с", последняя капля воды переходит в пар, который называется уже сухим насыщенным паром.

Следовательно, сухой насыщенный пар – это пар, полностью освобожденный от примесей воды. Все точки на линии b'с" характеризуют состояние влажного пара. Чем правее располагается точка на липни b'с", тем пар суше, и наоборот
80

/

Для обозначения величин, относящихся к различным состояниям, принята следующая индексация: величина с индексом «0» – относится к начальному состоянию воды при 0°С и давлении р, величина с индексом' – к воде, нагретой до температуры кипения при давлении р, величина с индексом" – к сухому насыщенному пару при давлении р; величина с индексом к влажному насыщенному пару; величина без индекса – к перегретому пару.

Основной характеристикой насыщенного пара как двухфазовой системы является массовая концентрация сухого пара х – паросодержание, определяемая как отношение массы паровой фазы G" к общей массе парожидкостной смеси G, или концентрация жидкости

(1–х) – влагосодержание, определяемая как отношение жидкой фазы G' к общей массе парожидкостной смеси G
(4.1)

или



Теплота, расходуемая на превращение 1 кг воды, предварительно нагретой до температуры кипения, в пар той же температуры, называется теплотой испарения или теплотой парообразования и обозначается r.

При дальнейшем подводе теплоты при том же давлении р температура пара и его объем увеличиваются, происходит процесс перегрева пара (см. рис. 4.1, линия c"d). Точка d соответствует состоянию перегретого пара и в зависимости от температуры может находиться на разных расстояниях от точки с". Таким образом, перегретым называется пар, температура которого выше температуры сухого насыщенного пара (t > ts) того же давления р.

Если рассмотреть процесс парообразования при другом давлении p1 > p, то можно заметить следующие изменения. Точка ао1, соответствующая состоянию 1 кг жидкости при температуре 0 °С и новом давлении p1, остается на той же вертикали, так как вода практически несжимаема и ее удельный объем поэтому мало зависит от давления. Точка b'1 соответствующая состоянию 1 кг воды при температуре кипения, смещается вправо, так как с увеличением давления увеличивается температура кипения и, следовательно, удельный объем жидкости. Точка с1", характеризующая состояние 1 кг сухого насыщенного пара, смещается влево, так как с увеличением давления уменьшается удельный объем пара, несмотря на повышение температуры.

При других начальных давлениях парообразования р2, р3 и. т. д. получаем аналогично точкам ао, aо1, b', b1', с", с1" и другие точки ао2, ао3, b'2, b'з, с2", с3" и т. д.

Соединяя одноименные точки между собой, получаем линии АВ, МК и NK. Линия АВ характеризует значение удельных объемов жидкости при температуре 0°С, линия МК – состояние кипящей жидкости, а линия KN состояние сухого насыщенного пара. Таким образом, линии АВ, МК и NK делят диаграмму на три области. Область, лежащая в криволинейном треугольнике MKN, соответствует влажному насыщенному пару (область насыщения). Состоянию перегретого пара соответствует область, лежащая правее и над верхней пограничной кривой KN. Область, заключенная между линией АВ и нижней пограничной кривой МК, характеризует жидкую фазу.

Удельный объем влажного насыщенного пара определяется следующим образом. 1 кг влажного насыщенного пара состоит из х сухого насыщенного пара и (1 – х) кг воды. Следовательно, объем сухого насыщенного пара в смеси равен " м3, а объем воды (1 – x)υ' м3. Отсюда удельный объем насыщенного пара

υx = " + (1 – х) υ' = υ' + x{υ" — υ'). (4.2)

Если объемом жидкости υ' в уравнении (4.2) пренебречь в силу того, что υ" > υ, то уравнение (4.2) примет вид

υх ≈ хυ'

Удельная энтальпия влажного пара hx определяется так же, как для смеси пара и жидкости, по уравнению

hx = xh" + (lx)h' = h' + x(h" – h') =h' + xr, (4.3)

где r теплота парообразования, равная количеству теплоты, необходимой для

превращения 1 кг воды, нагретой до температуры кипения при данном давлении,

в сухой насыщенный пар той же температуры (r = h" h').

Из диаграммы рисунок 4.1 видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов υ"– υ' уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые МК и NK. Состояние, соответствующее точке К, называется критическим. Оно характерно тем, что в точке К кипящая жидкость и сухой насыщенный пар имеют одинаковые параметры ркр, tкр и υкр, называемые критическими, т. е. в точке К жидкость и пар не отличаются по свойствам друг от друга. Для воды параметры критического состояния таковы: ркр ≈ 22,13 МПа; tкр = = 374,15°С; υкр = 0,00326 м3/кг.

Если процесс парообразования протекает при давлениях, выше критических (например, по линии DE, рисунок 4.1), то в этом случае вода превращается в пар постепенно, без образования двухфазовой среды жидкость – пар.

На рисунке 4.2 показаны изотермы влажного и перегретого пара в координатах р–υ.



Рисунок 4.2 – Изотермы влажного и перегретого пара в координатах р–υ
Из диаграммы рисунок 4.2 видно, что, если сжатие пара вести по изотермам с температурой меньшей, чем критическая температура (t1 < t2 < t3 < tкр), эти изотермы будут пересекать верхние и нижние пограничные кривые NK и МК. На горизонтальных участках в области косоугольного треугольника MKN эти изотермы являются одновременно и изобарами.

Если сжатие вести по критической изотерме t4 = tкр, то она не пересечет пограничные кривые NK и МК, а только коснется их в критической точке К. Изотермы с температурами выше критической проходят выше точки К, имея здесь перегиб, который будет тем меньше, чем выше температура перегретого пара. При высоких температурах этот перегиб исчезает совсем и линия процесса сжатия принимает вид равноосной гиперболы – изотермы идеального газа, т. е. чем выше температура перегретого пара над уровнем критической температуры тела, тем больше газ по своим свойствам приближается к свойствам идеального газа. Из диаграммы рис. 4.2 видно, что сжатие любого газа при температурах, равных или выше критических, не дает возможности перевести газ в жидкое состояние.

Рассмотрим диаграмму Т–s водяного пара (рисунок 4.3).



Рисунок 4.3 – Диаграмма Т–s для водяного пара
Общие свойства этой диаграммы были описаны ранее. Диаграмма Т–s для воды строится по данным специальных таблиц, содержащих параметры Т, s' и s", полученные на основании опытов и теоретических исследований. Так как энтропия воды в тройной точке, т.е. при t = 0,01 °С (Т = 273,16 К), принимается равной нулю, это состояние в диаграмме Т–s соответствует точке М. Откладывая для разных температур Т значения s' и s", получим нижнюю (х = 0) и верхнюю (х = 1) пограничные кривые с критической точкой К, соединяющей их.

В области влажного насыщенного пара изобара совпадает с изотермой (см. рис. 4.2). Из точки М проведена изобара, соответствующая давлению в тройной точке ро. Область, заключенная в треугольнике MKN, будет характеризовать различные состояния влажного насыщенного пара. Область, лежащая ннже изобары тройной точки ро, соответствует состояниям смеси пар + лед. Состояния перегретого пара характеризуются областью, которая лежит правее и над линией КN, а состояние воды – областью левее линии МК и над ней.

Процесс нагрева 1 кг воды от температуры t = 0,01 °С (точка М) при давлении р1 происходит вначале по изобаре М а', практически совпадающей с пограничной кривой х = 0. Количество подведенной теплоты при этом характеризуется площадью Ma'loM и в соответствии с первым законом термодинамики, процесс p = const равно

qi,2 = h' ,hоh'; hо = cpt = 0. (4.4)

Процесс парообразования при давлении p1 в области насыщения на диаграмме изображается линией а'а". Количество подведенной теплоты (в Дж/кг) определяется площадью lа'а"и и по уравнению (4.19) (процесс p = const)

q1,2 = h"– h' = r, (4.5)

где r теплота парообразования, равная количеству теплоты, необходимой для

превращения 1 кг воды, нагретой до темпе­ратуры кипения при данном давлении,

в сухой насыщенный пар той же температуры Ts

r = Ts{s"-s') .(4.6)

Удельная энтропия влажного насыщенного пара sx определяется уравнением

, (4.7)

при х = 0, sx = s', а при х= 1уравнение (4.7) переходит в уравнение (4.6) r = Ts{s" – s').

Процесс перегрева пара соответствует на диаграмме рис. 4.3 при давлении р линии а"–а, а количество подведенной теплоты – площади ua"ad, причем количество теплоты для превращения сухого насыщенного пара в перегретый с температурой Т можно определить по уравнению

q1,2 = cpm(TTs), (4.8)

где срт средняя изобарная теплоемкость пара в интервале температур между Ts и Т.

Удельная энтальпия перегретого пара h равна количеству теплоты, которую надо подвести к сухому насыщенному пару массой 1 кг, чтобы при постоянном давлении довести его до температуры t

h = h" + cpm(tts), (4.9)

где h" – удельная энтальпия сухого насыщенного пара, Дж/кг;

спт средняя теплоемкость перегретого пара в интервале t–ts, Дж/(кг·°С);

tsтемпература сухого насыщенного пара, °С.

Таким образом, весь процесс получения перегретого пара при давлении р изображается ломаной линией ^ Ма'а"а.

На диаграмме Т–s видно, что по мере повышения давления теплота преобразования r уменьшается и в критической точке К становится равной нулю гк = 0. При давлении выше критического процесс парообразования протекает по линии Mb, лежащей над пограничной кривой. Если на диаграмме Т–s нанести линии изохор (υ = const)t то они будут располагаться круче, чем изобары.

Задачи
4.1 Определить, каково состояние водяного пара – влажный ли он, сух или перегрет, если его состояние характеризуется следующими параметрами: р = 0,5 МПа, υ = 0,22 м3/кг.

Решение

Так как давлению р = 0,5 МПа соответствует удельный объем насыщенного пара

υ'' = 0,3749 м3/кг (таблица 4.1), что больше υ = 0,22 м3/кг, то очевидно, что пар с объемом

υ = 0,22 м3/кг является влажным, а степень его сухости приближенно можно оценить через соотношение объемов



4.2 Определить, каково состояние водяного пара – влажный ли он, сух или перегрет, если его состояние характеризуется следующими параметрами: р = 1 МПа, t = 200 ºС.
4.3 Определить, каково состояние водяного пара – влажный ли он, сух или перегрет, если его состояние характеризуется следующими параметрами: р = 2 МПа, t = 212.4 ºC.
4.4 В резервуаре объемом 1,5 м3 содержится 5 кг воды и 8 кг сухого пара. Каково давление в резервуаре?
4.5 Определить массу и энтальпию насыщенного пара должно соответствовать давление свыше 1 МПа. Точное значение давление может быть найдено интерполированием.
4.6 С помощью диаграммы h–s определить конечную температуру, термодинамическую и потенциальную работу процесса, если пар массой 10 кг при начальных параметрах

р1 = 3,0 МПа и t1 = 350 ºС расширяется при изохорном процессе до давления р2 = 2 МПа. Определить также температуру и количество теплоты, отводимой в процессе расширения.
4.7 Пар массой G = 10 кг со степенью сухости х = 0,090 давлении р = 1 МПа подогревается в процессе р = const до температуры 300 ºС. Определить начальные и конечные параметры пара, количество подведенной теплоты в процессе, термодинамическую работу и изменение внутренней энергии. Задачу решать с помощью диаграммы h–s.
Таблица 4.1 – Параметры сухого насыщенного пара и воды в зависимости от давления

и кривой насыщения




Контрольные вопросы
1. Что такое влажный и сухой насыщенный пар? Каковы его основные характеристики?

2. Что называется теплотой парообразования? Как она определяется?

3. Как изображаются процессы парообразования в координатах р–υ и Т–s.
Литература
1. Теплотехника. Учебн. для вузов. Под ред. А.П. Баскакова. 2-е изд. перераб.

М.: Энергоатомиздат, 1991ю–224 с.
2. Ерохин В.Г., Маханько М.Г., Самойленко П.И. Основы термодинамики

и теплотехники. М.: Машиностроение. 1980.–224 с

.

3. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассобмена.

Под ред. В.И. Крутова и Г.Б. Петражицкого. М.: Высш. шк. 1986.–383 с.
4. Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники.

М.: Недра, 1988.–300 с.


Похожие:

Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconПродовольствия республики беларусь учреждение образования «гродненский...
Рецензенты: доцент, кандидат биологических наук, Макарчиков А. Ф., доцент, кандидат биологических наук Кубышин В. Л
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconРеспублики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный...
Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы»
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconРеспублики Беларусь Учреждение образования “Гродненский государственный...
Автор-составитель Н. Л. Улейчик, кандидат исторических наук, доцент кафедры истории славянских государств
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconИ продовольствия республики беларусь главное управление образования...
По семействам химических элементов (s, p, d ) следует написать уравнения получения и химических свойств простых и сложных веществ....
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение...
С октября по ноябрь 2012 г. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования...
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconРеспублики Беларусь Учреждение образования «Полоцкий государственный...
Кафедра геодезии и фотограмметрии Учреждения образования «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconРеспублики беларусь учреждение образования «Гомельский государственный...
Учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconУчреждение образования «гродненский государственный аграрный университет»...
Ггау и предназначено для оказания существенного влияния на повышение качества подготовки специалистов, воспитания специалистов нового...
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» iconЛидский колледж
Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы»
Республики Беларусь Учреждение образования «Гродненский государственный аграрный университет» icon«Социологическое исследование: понятие и классификация»
Учреждение образования «гродненский государственный университет имени янки купалы»
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница