Контрольные вопросы

1. При каких условиях эксперимента результирующее уравнение теп­лового баланса калориметра имеет вид?

2. Чем определить горючих газов?

3. Почему расчет тепловых аппаратов ведут по , a не по  ?

4. Перечислите основные физико-химические и теплотехни­ческие характеристики горючих газов.

5. Назовите условия, при которых газовоздушная смесь взрывается, а не горит.

2.3. Определение степени сухости влажного насыщенного пара

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Массовую долю сухого насыщенного пара в этой смеси называ­ют степенью сухости и обозначают через х.

Эта характеристика определяет все основные термодинамичес­кие параметры влажного пара, в том числе удельную энтальпию (Дж/кг):

ix=i' + r∙х,

(2.3.1)

где i' – удельная энтальпия кипящей жидкости, Дж/кг; r – удельная теплота па­рообразования, Дж/кг. Эти параметры однозначно определяются давлением.

Для нагрева тепловых аппаратов к ним подают пар с высокой степенью сухости x₁, а отводят с малой степенью сухости х₂.

В результате конденсации паров при постоянном давлении вы­деляется теплота (Дж):

Qзатр=DП ·(ix1 – ix2) ∙τ =DП ∙(i' +r∙x1 - i' + r∙x2)∙τ =DП∙r∙(x1 - х2)∙τ,

(2.3.2)

где D_П – массовый расход пара, кг/с; τ— продолжительность нагрева, с.

Таким образом, из формулы (2.3.2) видно, что количество подведенной к аппарату теплоты определяется главным образом степенью сухости влажного пара на входе в аппарат и на выходе из него.

Наиболее экономичным вариантом, при котором имеет место минимальный расход пара, является случай подвода сухого насы щенного пара (х₁ = 1) и отвода конденсата (х₂ = 0).

Поэтому в реальных условиях перед подачей в аппараты пар осу­шают в водоотделителях, а на выходе из парового теплообменника устанавливают специальные устройства – конденсатоотводчики, уменьшающие степень сухости «пролетного» пара (х₂ = 0).

Определение степени сухости влажного насыщенного пара

Цель работы: изучить свойства влажного насыщенного пара и определить степень сухости влажного пара.

Для измерения степени сухости влажного пара используют экспериментальный стенд (рис. 2.3.1).

Пар образуется при нагреве воды в парогенераторе. При вклю­чении тэнов в электросеть используют автотрансформатор. Давле­ние пара в парогенераторе контролируется манометром. Пар через трубку подается в мерную емкость, заполненную холодной водой.

Для регистрации температуры воды в емкости и воздуха в по­мещении используют термометры.

Для измерения массы воды в мерной емкости, а также массы конденсата, поступившего в результате пропускания через воду пара (барботирования), используют весы.

Уравнение теплового ба­ланса калориметрируемой жидкости, находящейся в сосуде, как и для любого парового аппарата, имеет вид:

Qзатр = Q1 + Q5 + Q6,

(2.3.3)

где Q₁ - полезное количество теплоты, пошедшее на нагрев воды, Дж;

Рис. 2.3.1. Схема стенда по измерению степени сухости влажного пара: 1– термометр для измерения температуры воды; 2 – указатель уровня; 3 – амперметр (РА); 4 – вольтметр (PV); 5 – автотрансформатор; 6 – тэн; 7 – паровой объем; 8 – манометр; 9 – пароподводящая трубка; 10 – емкость; 11 – весы; 12 –термометр для измерения температуры воздуха в помещении

Q1 = Mвод·свод·(tгор-tхол),

(2.3.4)

где M_вод – масса холодной воды, залитой в емкость, кг; с_вод – удельная изобарная теплоемкость воды, Дж/(кг·К); t_гор, t_хол – начальная температура холодной воды и конечная температура смеси воды и конденсата, °С.

Q₅ – потери теплоты от стенок емкости в окружающую среду, Дж;

Q5 = α · Fст ·( tст.ср - tвозд) ·τ,

(2.3.5)

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); F_ст – площадь поверхности сте­нок, м²; τ – время эксперимента, с; t_ст.ср – средняя температура стенок за время эксперимента, °С;

(2.3.6)

где t_возд – температура воздуха, °С. Если в результате барботирования пара разность температур холодной воды и смеси не превышает 10...15 °С, то t_ст.ср= t_возд и, сле­довательно, можно принять Q₅ = 0.

Q₆ – потери теплоты на разогрев емкости, Дж;

Q6 = Mпор·сс· ( tгор- tхол),

(2.3.7)

где M_пор – масса порожнего сосуда, кг; с_с – удельная теплоемкость материала сосуда, Дж/(кг·К).

Общее количество теплоты (Дж), подведенной к калориметрируемой жидкости,

Qзатр = MП · ( ix1- i2),

(2.3.8)

где M_П – масса пара, кг;

MП = Мcм - Мвод,

(2.3.9)

М_cм – конечная масса смеси нагреваемой воды и конденсата, кг; М_вод – началь­ная масса воды, кг; i_x1 – удельная энтальпия влажного пара на входе в калориметрирующий сосуд, Дж/кг; i_x1 = i^/ + r∙х₁; i₂ – удельная энтальпия конденсата при конечной температу­ре смеси, Дж/кг; i₂ = с_вод ·t_гор.

Следовательно,

Qзатр = [MП∙∙(t' + r∙x1) - cвод∙tгор],

(2.3.8)

Общее уравнение теплового баланса можно записать в следую­щем виде:

(Мсм - Мвод) ∙ (i' + r∙x1 - cвод∙ tгор) = Мвод∙свод× × (tгор-tхол)+Mпор∙сс∙(tгор-tхол),

(2.3.9)

Отсюда следует, что

(2.3.10)

где i', r – соответственно удельные энтальпия кипящей жидкости и теплота паро­образования, Дж/кг; с_вод – удельная теплоемкость воды; с_вод = 4,187 кДж/(кг∙К); М_пор – масса порожнего сосуда (определяется взвешиванием), кг; М_вод – масса воды, определяемая повторным взвешиванием сосуда с водой, кг;

Мвод = Мполн – Мпор,

(2.3.11)

где М_полн – масса сосуда с водой до эксперимента, кг.

При выполнении работы необходимо соблюдать такую после­довательность действий:

- включить парогенератор, предварительно убедившись, что уро­вень воды не ниже допустимого;

- взвешиванием определить массу: М_пор, М_вод;

- измерить с помощью термометра начальную температуру воды;

- при выходе парогенератора на стационарный режим поместить паропроводящую трубку в калориметрирующий сосуд и, непре­рывно помешивая жидкость в сосуде, нагреть воду на 10...15 °С;

- взвешиванием определить массу конденсата, образовавшегося при конденсации М_п = М_см – М_вод;

- пользуясь прил. 3, по давлению пара в парогенерато­ре определить значения i', r, t_s;

- вычислить значение х₁ по формуле (2.3.10), приняв теплоем­кость воды с_вод = 4187 Дж/(кг∙К), удельная теплоемкость алюми­ниевого сосуда с_с = 1000 Дж/(кг∙К);

- повторить эксперимент трижды при тех же исходных парамет­рах системы. Определить среднеарифметическое полученных зна­чений степени сухости.

Обработка экспериментальных данных и составление отчета. Дан­ные наблюдений, расчетные соотношения, последовательность вы­числений и их результаты записать в лабораторную тетрадь.