2018-01-08
3923
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОТЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ ВОДЫ
1. Цель работы:
а) изучение метода и установки для опытного определения теплоты парообразования веществ при температурах выше температуры окружающей среды;
б) экспериментальное определение теплоты парообразования воды калориметрическим методом;
в) оценка точности экспериментального определения значения теплоты парообразования воды.
2. Пояснение к работе
Теплотой парообразования (r) называется количество теплоты, необходимое для превращения одного килограмма кипящей жидкости в насыщенный пар при постоянном давлении.
Из этого определения следует, что если к кипящей жидкости при постоянном давлении подводится теплота, то температура ее не изменяется, а вся подводимая теплота затрачивается на работу дисгрегации (разделения) молекул жидкости.
Измерив массу пара и количества теплоты, затраченной на его образование, можно рассчитать значение теплоты парообразования в условиях опыта. Для определения массы пара, образовавшегося за время опыта, достаточно взвесить сосуд (змеевик со сборником конденсата) соответственно в начале и конце опыта. Для определения количества теплоты, затраченной на образование этого количества пара, достаточно измерить температуру воды в калориметре также в начале и в конце опыта. Тогда значение теплоты парообразования может быть рассчитано из следующего уравнения теплового баланса
(Ср,в × Мв + W)× (t1 – t0) = Mk × r + Mk×Cр,в× (ts – t1), (1)
где Мв – масса воды, находящейся в калориметре (обычно 5 кг);
W – водяной эквивалент калориметра – количество теплоты, необходимое для нагрева всех смоченных водой частей калориметра на один градус; определяется в другом независимом опыте, здесь же принимается равным 5,4 кДж/К;
Мk = М1 – М0 – масса конденсата, образовавшегося за время опыта, кг;
М0 и М1 – масса змеевика в начале и в конце опыта, соответственно;
Ср,в = 4,1868 кДж/(кг×К) – удельная изобарная теплоемкость воды;
ts – температура насыщения (кипения) при давлении опыта;
t0 и t1 – начальная и конечная температура воды в калориметре;
t0 измеряется в начале опыта (до начала подачи пара в змеевик-конденсатор); t1 измеряется после выравнивания температуры конденсата (змеевика) и воды в калориметре.
В уравнении (1) левая часть представляет собой теплоту, полученную водой и калориметром в целом за время опыта. Первое слагаемое правой части соответствует теплоте, выделившейся при конденсации Mk кг пара:000 (Mk×r), а второе слагаемое – теплоте, отданной конденсатом при его охлаждении от температуры конденсации (ts) до температуры, установившейся в конце опыта (t1) (максимальной температуры воды в калориметре в опыте).
Из уравнения (1) следует, что теплота парообразования r равна
(2)
где Dt = t1 – t0 – разность температуры воды в конце и в начале опыта.
3. Описание экспериментальной установки
Рис.4. Схема установки для определения удельной теплоты парообразования воды.
Экспериментальная установка для измерения теплоты парообразования воды (рис. 4) состоит из:
1 – электронагревателя; 2 – испарителя; 3 – соединительного паропровода; 4 – змеевика со сборником конденсата; 5 – калориметра; 6 – мешалки с электрическим приводом; 7 – термометра; 8 – экрана, препятствующего передаче теплоты лучеиспусканием от горячей плитки к наружной поверхности калориметра. В лабораторную установку входят также электронные весы с абсолютной точностью взвешивания +0,01 грамма.
4. Методика выполнения опыта
4.1. Убедившись, что змеевик со сборником конденсата пустой, взвесьте его на электронных весах. Внимание! Перед каждым взвешиванием змеевика его надо протирать насухо ветошью.
4.2. Поместите в калориметр змеевик со сборником конденсата; плотно закройте все крышки калориметра; замерьте начальную температуру воды в калориметре с помощью стационарного термометра.
4.3. Включите электронагреватель испарителя (электрическую плиту).
4.4. После достижения устойчивого процесса кипения воды в испарителе (визуально наблюдается интенсивный выход пара из трубки паропровода) соедините испаритель со змеевиком-конденсатором трубкой паропровода; включите электропривод мешалки.
4.5. Периодически наблюдайте за изменением температуры воды в калориметре; при повышении ее температуры на 3–5 оС, отсоедините змеевик-конденсатор от испарителя, выключите нагреватель испарителя; продолжайте непрерывно наблюдать за изменением температуры воды в калориметре при работающей электромешалке.
4.6. После стабилизации температуры воды в калориметре (определяется по показаниям термометра 7 и температуре змеевика-испарителя) – замерьте максимальную температуру в опыте, остановите мешалку.
4.7. Взвесьте змеевик-конденсатор; замерьте атмосферное давление при помощи имеющегося в лаборатории барометра.
Измеряемые величины записывайте в таблицу наблюдений (табл. 1).
Таблица 1
| Атмосферное давление, ратм, мм рт. ст. или бар | Температура воды в калориметре, оС | Масса змеевика в опыте, кг | ||
| в начале, tо | в конце, t1 | в начале, Мо | в конце, М1 | |
Рассчитанные величины записывайте в таблицу 2.
Таблица 2
| Водяной эквивалент калориметра W, кДж/кг | Температура кипения воды ts, oC | Повышение температуры воды в калориметре Dt, oC | Масса конденсата Мk, кг | Теплота парообразования r, кДж/кг |
Полученное в результате опыта значение теплоты парообразования rоп необходимо сопоставить со значением теплоты парообразования rm, определённым по таблицам воды и водяного пара Вукаловича в зависимости от атмосферного давления, при котором производились измерения. То есть определить погрешность экспериментального определения теплоты парообразования водяного пара в %
5. Содержание протокола лабораторной работы:
5.1. Титульный лист по образцу, приведенному выше;
5.2. Схема экспериментальной установки;
5.3. Таблицы измерений и результатов расчета теплоты парообразования водяного пара;
5.4. Выводы по результатам выполненной работы.
6. Контрольные вопросы
6.1. Как устроена лабораторная установка? Какие, как и с какой целью измеряются параметры в лабораторной работе?
6.2. На что тратится теплота, подводимая к воде калориметра?
6.3. Что такое водяной эквивалент калориметра? Зависит ли он от количества воды, залитой в калориметр?
6.4. Какие величины входят в формулу для расчета теплоты парообразования воды с помощью лабораторной установки?
6.5. Дайте определение понятию «теплота парообразования». Размерность теплоты парообразования?
6.6. Как зависит теплота парообразования от температуры и давления? Изобразите эти зависимости в координатах r-T и r-p.
6.7. Когда и каким прибором измеряется максимальная температура воды в калориметре? Запишите аналитическое соотношение, из которого можно точно рассчитать эту температуру.
6.8. От чего зависит температура конденсата, образующегося в змеевике-конденсаторе? Как она определяется в опыте?
6.9. От чего зависит и как определяется табличное значение теплоты парообразования (rm)? Запишите соотношения для расчета теплоты парообразования через энтальпию и энтропию.
6.10. Покажите на T-s диаграмме теплоту, подводимую к воде калориметра за счет охлаждения конденсата после отключения паропровода и конденсации остатков пара. Из какого уравнения можно рассчитать эту теплоту?
6.11. Покажите на T-s диаграмме теплоту парообразования. Запишите соотношения для ее расчета через табличные величины.
6.12. Почему температура воды в калориметре продолжает повышаться после прекращения подачи пара в змеевик-конденсатор?
6.13. Можно ли при помощи настоящей лабораторной установки определить теплоту парообразования фреона R-22 и аммиака NH3?
6.14. Как изменится опытное и табличное значения теплоты парообразования, если атмосферное давления повысится на 10 мм рт. ст.? Почему?
6.15. Равны ли значения теплоты парообразования у воды и аммиака при
нормальном давлении, чем это объясняется?
6.16. Как влияет значение теплоты парообразования вещества на эффтив-
ность его использования в теплосиловых и холодильных циклах? Изобразите в энтропийных диаграммах процессы, происходящие в колбе с момента включения электроплитки до выхода на режим и в конденсаторе-змеевике после отключения паропровода и до окончания опыта.
Лабораторная работа № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ
1. Цель работы
а) закрепление знаний по теории тепломассообмена и получение навыков проведения теплофизических измерений;
б) определение значения среднего коэффициента теплоотдачи трубы при свободной конвективной теплоотдаче.
2. Пояснение к работе
Свободным называется движение теплоносителя, обусловленное разностью плотностей нагретых и холодных слоев. Соответственно свободной конвективной теплоотдачей называется теплоотдача, имеющая место при свободном движении теплоносителя относительно теплоотдающей (тепловоспринимающей) стенки. Количества теплоты отводимой от стенки, зависит от скорости движения теплоносителя относительно стенки. При свободной конвективной теплоотдаче эта скорость прямо пропорциональна разности температур стенки и теплоносителя. Интенсивность теплоотдачи зависит также от теплофизических свойств теплоносителя, формы теплоотдающей поверхности, ее пространственного положения и от ряда других факторов.
Количество теплоты, отдаваемое поверхностью, рассчитывается из уравнения Ньютона-Рихмана:
Qk = a F Dt,
где: a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2×К;
F – площадь поверхности стенки, м2;
Dt = (tc – tв) – разность температур теплоотдающей (тепловоспринимающей) стенки и теплоносителя, оС.
В настоящей лабораторной работе исследуется процесс теплоотдачи от стенки трубы к воздуху помещения лаборатории при свободной теплоотдаче. В частности исследуется зависимость коэффициента теплоотдачи трубы при различных пространственных положениях трубы.
3. Описание экспериментальной установки
В установку, схема которой приведена на рис. 5, входят:
труба – 1, нагреваемая вмонтированным во внутрь электрическим нагревателем (электроспиралью) – 2. Потребляемая при этом мощность регулируется при помощи лабораторного автотрансформатора (ЛАТР – 1) – 3 и рассчитывается по показаниям вольтметра – 4 и амперметра – 5. Для измерения температуры стенки трубы на ней закреплено пять термопар – 6, соединенных при помощи переключателя ПМТ-7 с зеркальным гальванометром – 8. Гальванометр отградуирован в мВольтах, поэтому для определения температуры на лабораторном столе имеется график перевода мВольт в 0С. Температура воздуха в лаборатории измеряется при помощи обычного ртутного термометра. Размеры трубы лабораторной установки: диаметр – d = 35 мм, а длина – l = 1 м.
4. Методика проведения опыта
4.1. Определяется значение коэффициента теплоотдачи от трубы в зависимости от её пространственного положения Для этого труба последовательно устанавливается горизонтально, вертикально и под углом 45 о и в каждом положении трубы проводится комплекс измерений в соответствии с пунктом 4.3.
4.2. Включается электронагреватель и устанавливается автотрансформатором желаемое напряжение - U£ 100 Вольт. При этом автоматически устанавливается сила тока I.
4.3. После достижения в трубе стационарного температурного поля, приближение к которому определяется малым изменением температуры стенки трубы (не более 0,5 оС в минуту по термопаре № 3 – примерно через 3 мин после фиксации трубы в соответствующем положении), проводятся измерения ЭДС всех пяти термопар. Усредненные значения термоЭДС переводятся в оС при помощи графика, имеющегося на лабораторном столе. При определении истинной температуры стенки трубы необходимо учесть, что термопары показывают температуру относительно холодного спая. В данном случае «холодный спай» находится при температуре помещения. Показания приборов записываются в таблицу наблюдений.
Таблица измерений
| Положение трубы | Температура стенки трубы, tс, оС | Показания электроприборов | Температура воздуха, оС | |||||
| №№ термопар | напряжение, U, В | сила тока, I, А | ||||||
| горизонтал. | ||||||||
| 45 о | ||||||||
| вертикальн |
Рис.5 Схема установки для исследования теплоотдачи трубы при свободной конвекции
5. Обработка результатов опыта
Количество теплоты, отдаваемое стенкой трубы путем конвекции, определяется из соотношения
Qk = Q – Qл,
где: Q = U×I, Вт – полное количество теплоты, получаемое трубой от электроподогревателя (от спирали);
, Вт
- теплота, отдаваемая трубой путем излучения;
где: 
Спр – приведенный коэффициент излучения трубы;
e = 0,6 – степень черноты окисленной латуни;
С0 = 5,67 Вт/(м2×К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;
Тст = (tcт + 273,15), К – абсолютная температура наружной поверхности трубы;
– средняя температура наружной поверхности трубы;
Т в = (t в + 273,15), К – абсолютная температура воздуха,
F = p dl, м2 – наружная поверхность трубы.
Окончательно
После выполнения измерений и расчетов оформляется протокол лабораторной работы по образцу предыдущих работ.
6. Контрольные вопросы
6.1. Как будет изменяться коэффициент теплоотдачи трубы, если её поместить в паток воздуха, движущегося поперек трубы? Ответ обосновать соответствующими расчетами.
6.2. Как меняется коэффициент теплоотдачи от трубы, в зависимости от угла атаки потока теплоносителя? Ответ обосновать соответствующими расчетами.
6.3. Как изменится конвективный коэффициент теплоотдачи, если трубу окрасить в белый цвет? Измениться ли при этом эффективный коэффициент теплоотдачи? Ответ обосновать соответствующими расчетами.
6.4. Как изменится конвективный коэффициент теплоотдачи, если трубу окрасить в черный цвет? Измениться ли при этом эффективный коэффициент теплоотдачи? Ответ обосновать соответствующими расчетами.
6.5. Как изменится коэффициент теплоотдачи трубы, если её поместить в воду той же температуры, что и температура воздуха в помещении? Ответ обосновать соответствующими расчетами.
6.6. В каком случае и с какой целью делается внешнее оребрение трубы?
6.7. В каком случае и с какой целью делается внутреннее оребрение труб?
6.8. Какие методы интенсификации процесса теплоотдачи используются на практике?
6.9. Что делается для уменьшения теплоотдачи от труб? В каком случае это однозначно достигается, а в каком наблюдается противоположный эффект?
6.10. Как устроена экспериментальная установка? Какие величины, с какой целью и как измеряются в опыте?
6.11. Какие факторы влияют на интенсивность теплоотдачи при свободном движении воздуха относительно трубы? Запишите общий вид соответствующего критериального уравнения.
6.12. Как в лабораторной работе определяется количество теплоты, отдаваемое от трубы конвекцией?
6.13. От чего зависит и как рассчитывается значение приведенного коэффициента излучения? Почему в лабораторной работе eпр = e1?
6.14. Как определяется количество теплоты, отдаваемое излучением? Какое допущение при этом принято?
6.15. Какие числа подобия входят в критериальные уравнения, для опре
деления коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и свободной конвекции? Запишите общий вид соответствующих критериальных уравнений.
6.16. Дайте определение понятиям теплоотдача и теплопередача. Какими коэффициентами характеризуются эти процессы? Какой из этих процессов является составляющим другого?
Таблица. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении на линии насыщения
| єt,oC | p, бар | r, кг/м3 | i, кДж/кг | cp, кДж/ (кг.K | l, Вт/ (м.K) | m.106, Н.с/м2 | u.106, м2/с | b*104, 1/К | Pr | |||
| 1,013 | 999,9 | 4,212 | 0,560 | 1,789 | –0,63 | 13,5 | ||||||
| 1,013 | 999,7 | 42,04 | 4,191 | 0,580 | 1,306 | +0,70 | 9,45 | |||||
| 1,013 | 998,2 | 83,91 | 4,183 | 0,597 | 1,006 | 1,82 | 7,03 | |||||
| 1,013 | 995,7 | 125,7 | 4,174 | 0,612 | 801,5 | 0,805 | 3,21 | 5,45 | ||||
| 1,013 | 992,2 | 167,5 | 4,174 | 0,627 | 653,3 | 0,659 | 3,87 | 4,36 | ||||
| 1,013 | 988,1 | 209,3 | 4,174 | 0,640 | 549,4 | 0,556 | 4,49 | 3,59 | ||||
| 1,013 | 983,1 | 251,1 | 4,179 | 0,650 | 469,9 | 0,478 | 5,11 | 3,03 | ||||
| 1,013 | 977,8 | 293,0 | 4,187 | 0,662 | 406,1 | 0,415 | 5,70 | 2,58 | ||||
| 1,013 | 971,8 | 335,0 | 4,195 | 0,669 | 355,1 | 0,365 | 6,32 | 2,23 | ||||
| 1,013 | 965,3 | 377,0 | 4,208 | 0,676 | 314,9 | 0,326 | 6,95 | 1,97 | ||||
| 1,013 | 958,4 | 419,1 | 4,220 | 0,684 | 282,5 | 0,295 | 7,52 | 1,75 | ||||
| 1,43 | 951,0 | 461,4 | 4,233 | 0,685 | 259,0 | 0,272 | 8,08 | 1,60 | ||||
| 1,98 | 943,1 | 503,7 | 4,250 | 0,686 | 237,4 | 0,252 | 8,64 | 1,47 | ||||
| 2,70 | 934,8 | 546,4 | 4,266 | 0,686 | 217,8 | 0,233 | 9,19 | 1,35 | ||||
| 3,61 | 926,1 | 589,1 | 4,287 | 0,685 | 201,1 | 0,217 | 9,72 | 1,26 | ||||
| 4,76 | 917,0 | 632,2 | 4,313 | 0,684 | 186,4 | 0,203 | 10,3 | 1,17 | ||||
| 6,18 | 907,4 | 675,4 | 4,346 | 0,681 | 173,6 | 0,191 | 10,7 | 1,10 | ||||
| 7,92 | 897,3 | 719,3 | 4,380 | 0,676 | 162,8 | 0,181 | 11,3 | 1,05 | ||||
| 10,03 | 886,9 | 763,3 | 4,417 | 0,672 | 153,0 | 0,173 | 11,9 | 1,03 | ||||
| 12,55 | 876,0 | 807,8 | 4,459 | 0,664 | 144,2 | 0,165 | 12,6 | 0,965 | ||||
| 15,55 | 863,0 | 852,5 | 4,505 | 0,658 | 136,4 | 0,158 | 13,3 | 0,932 | ||||
| 19,08 | 852,8 | 897,7 | 4,555 | 0,649 | 130,5 | 0,153 | 14,1 | 0,915 | ||||
| 23,20 | 840,3 | 943,7 | 4,614 | 0,640 | 124,6 | 0,148 | 14,8 | 0,898 | ||||
| 27,98 | 827,3 | 990,2 | 4,681 | 0,629 | 119,7 | 0,145 | 15,9 | 0,888 | ||||
| 33,48 | 813,6 | 1037,5 | 4,76 | 0,617 | 114,8 | 0,141 | 16,8 | 0,883 | ||||
| 39,78 | 799,0 | 1085,7 | 4,87 | 0,605 | 109,0 | 0,137 | 18,1 | 0,884 | ||||
| 46,94 | 784,0 | 1135,7 | 4,98 | 0,593 | 105,9 | 0,135 | 19,7 | 0,892 | ||||
| 55,05 | 767,9 | 1185,3 | 5,12 | 0,578 | 102,0 | 0,133 | 21,6 | 0,905 | ||||
| 64,19 | 750,7 | 1236,8 | 5,30 | 0,565 | 98,1 | 0,131 | 23,7 | 0,917 | ||||
| 74,45 | 732,3 | 1290,0 | 5,50 | 0,548 | 94,2 | 0,129 | 26,2 | 0,944 | ||||
| 85,92 | 712,5 | 1344,9 | 5,76 | 0,532 | 91,2 | 0,128 | 29,2 | 0,986 | ||||
| 98,70 | 691,1 | 1402,2 | 6,11 | 0,514 | 88,3 | 0,128 | 32,9 | 1,05 | ||||
| 112,90 | 667,1 | 1462,1 | 6,57 | 0,494 | 85,3 | 0,128 | 38,2 | 1,14 | ||||
| 128,65 | 640,2 | 1526,2 | 7,25 | 0,471 | 81,4 | 0,127 | 43,3 | 1,25 | ||||
| 146,08 | 610,1 | 1594,8 | 8,20 | 0,446 | 77,5 | 0,127 | 53,4 | 1,42 | ||||
| 165,37 | 574,4 | 1671,4 | 10,10 | 0,431 | 72,6 | 0,126 | 66,8 | 1,70 | ||||
| 186,74 | 528,0 | 1761,5 | 14,65 | 0,367 | 66,7 | 0,126 | 2,66 | |||||
| 210,53 | 450,5 | 1892,5 | 40,32 | 0,338 | 56,9 | 0,126 | 6,80 | |||||
