Описание экспериментальной установки. Лабораторная установка (рисунок 1,2) состоит из вакуумного насоса с коллектором, через который с помощью вакуумного насоса откачивается воздух из рабочих

Лабораторная установка (рисунок 1,2) состоит из вакуумного насоса с коллектором, через который с помощью вакуумного насоса откачивается воздух из рабочих емкостей. Через крышку емкостей в вакуумируемые объемы вводятся два датчика температуры и электрические датчики абсолютного давления. Вторая емкость содержит колбу с нагревателем.

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки «Фазовые переходы»

1 – вакуумный насос, 2 – испытуемый материал, 3 – термопара, 4 – первая рабочая емкость, 5 и 13 – датчики давления, 6 – крышка первой рабочей емкости, 7 – цифровой измеритель ТРМ 200, 8 – кран сброса вакуума, 9 и 10 – краны, 11 – регулятор ТРМ 202, 12 – крышка второй рабочей емкости, 14 – термопара, 15 – вторая рабочая емкость, 16 – нагреватель, 17 – колба.

Рисунок 2 – Фотография установки

При вакуумировании рабочих емкостей давление паровой фазы в них уменьшается, температура насылающих паров падает и в какой-то момент становится равной температуре жидкой фазы испытываемого образца. При этом можно наблюдать кипение воды при температурах существенно меньших 100°С или интенсивное испарение влажного материала и резкое снижение его температуры.

Порядок проведения работы:

1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, заготовить таблицу 1 для записи результатов измерений и вычислений.

2. Наполнить пробирку (17) водой (до 50 мл) и установить её в рабочую емкость (15).

3. Подсоединить вакуумную камеру (15) к вакуумному насосу (1) и герметично закрыть крышку (12).

4. Открыть кран (10) соединяющий рабочую емкость с вакуумным насосом (1). Кран (8) сброса вакуума и кран (9) соединяющий первую емкость с вакуумным насосом оставить закрытым.

5. Включить лабораторную установку с помощью автоматического выключателя 220В.

6. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной работы «Вакуумное охлаждение» (рис. 5).

7. С помощью программы проведения лабораторной работы «Вакуумное охлаждение» кнопкой установка зафиксировать значения температуры 55 °С.

8. Включить в сеть вакуумный насос кнопкой «ВК1».

9. Продолжать вакуумирование до появления пузырьков в пробирке с водой. Автоматическая система измерения при этом фиксирует текущую величину давления в эксикаторе и температуру.

10. Записать значение давления, когда началось кипение при заданной температуре в таблицу 1.

11. Повторить пункты с 7 до 10 для температур 60, 65, 70, 75 °С.

12. Построить график зависимости давления пара от температуры пара P = f (T), которая соответствует фазовому переходу между жидкостью и паром.

13. Вычислить значения 1/Т и ln P и построить график зависимости: ln P = f (1/T). Определить угловой коэффициент K_α графика.

Рисунок 5 – Лицевая панель программы.

14. Используя найденный угловой коэффициент K_α, определить молярную теплоту парообразования воды μ q по формуле μq = K_α R.

15. Вычислить удельную теплоту парообразования воды q, учитывая, что молярная масса воды μ=18·10^–3 кг/моль.

16. Сравнить полученные данные удельной теплоты парообразования воды с табличными данными справочной литературы.

17. Записать выводы. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1. Экспериментальные данные

T, °С	P, Па	1/T, К-1	ln P, Па	Kα	μq, Дж/моль	q, Дж/К2

Контрольные вопросы

1. Что называется кипением, испарением и парообразованием?

2. Какой пар является влажным насыщенным, сухим насыщенным и перегретым?

3. Как рассчитывается степень сухости и степень влажности пара?

4. Каковы параметры критической точки водяного пера?

5. Почему в критической точке теплота парообразования равна нулю?

6. Как называется процесс парообразования, осуществляемый при постоянном давлении?

Литература

1. Зорин В. М., Клименко А. В., Зорина В. М., Клименко А.В Теплоэнергетика и теплотехника: М. – Издательство МЭИ, 2001 г. ISBN: 5-7046-0512-5, 5-7046-0515-X

2. Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств.- Орел.: Издательство ОрелГТУ, 2001.- 687с.

Приложение 1

Процесс парообразования при постоянном давлении удобнее всего рассматривать на P –V диаграмме. При нагревании жидкости до температуры насыщения, соответствующей давлению Р (процесс а-в), ее начальный объем за счет температурного расширения увеличивается до V¢. При дальнейшем подводе тепла начинается изобаро-изотермический процесс в-с кипения жидкости и образования пара. При этом точка в соответствует состоянию абсолютно влажного пара (Х=0), а точка с – сухому насыщенному пару, когда вся вода полностью превращается в пар с удельным объемом V¢¢ññ V¢. При дальнейшем подводе тепла происходит перегрев пара до нужной температуры ТññТ_н.

Количество теплоты, затраченное изобаро - изотермическом процессе на парообразование 1 кг воды до состояния сухого насыщенного пара, называется теплотой парообразования при данном давлении, обозначается r и измеряется в кДж\кг.

Линия I на P –V диаграмме представляет собой изотермический процесс уменьшения удельного объема воды при увеличении давления при Т=0°С. Кривая II – называется нижней пограничной кривой и соответствует нулевой сухости пара и представляет изменение удельного объема жидкой фазы в зависимости от давления и связанной с ним температуры насыщенных паров. Увеличению удельного объема сухого насыщенного пара при уменьшении давления соответствует линия III, которая называется верхней пограничной кривой и соответствует Х=1. Точка К является критической точкой водяного пара. Ее параметры Т_кр = 374 °С, Р_кр = 22,15 МПа, V_кр = 0,003147 м³/кг. При достижении Т_кр жидкость без подвода дополнительного тепла (r = 0) переходит в пар. Критическая температура является наивысшей температурой жидкости и сухого насыщенного пара. Более высокую температуру может иметь только перегретый пар. P – V диаграмму на рисунке 1 называют фазовой диаграммой. Область равновесного двухфазного состояния жидкость-пар ограничена в ней кривыми I и II.

Таким образом, каждому давлению Р_н соответствует определенная температура насыщенных паров и наоборот. Т.е. между давлением и температурой насыщенных паров существует взаимно однозначная зависимость Р_н = f(Т_н). Кривая насыщения для каждого вещества имеет индивидуальный характер. Обычно она близка к показательной функции, причем для всех жидкостей температура насыщенных паров растет с повышением давления. Вправо от кривой находится область перегретого пара, влево область воды. Вся область двухфазного состояния – пара с различной степенью влажности – отобразится кривой насыщения.

С точки зрения обеспечения безопасности учебного эксперимента определение зависимости температуры насыщения от давления для водяного пара целесообразно проводить только для области пониженных давлений (табл. 1), тем более что эта область позволяет продемонстрировать возможности использования фазовых переходов для быстрого охлаждения и сушки влажных материалов в вакууме.

Таблица 1.Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

Т,°С	0,01
Р, кПа	0,6	1,2	2,3	4,2	7,4	12,3	19,9	31,1	47,4	70,1	101,3
V, м3/кг	0,0010	0,0010	0,0010	0,0010	0,00101	0,00101	0,00101	0,00102	0,00103	0,00104	0,00104
V’, м3/кг	206,2	106,4	57,8	32,9	19,5	12,0	7,7	5,0	3,4	2,3	1,674
R, Дж/г	2501,0	2477,4	2453,8	2430,2	2406,5	2382,5	2358,4	2333,8	2308,9	2283,4	2257,2