Определение степени сухости влажного насыщенного водяного пара

Цель работы: углубление знаний по разделу «Реальные газы и пары». Получение навыков практического исследования свойств влажного пара.

Общие положения

Влажный насыщенный пар (ВНП) - это равновесная смесь жидкого и газообразного состояний вещества: насыщенной жидкости (НЖ) и сухого насыщенного пара (СНП). Согласно правилу фаз Гиббса, параметры каждой из находящихся в равновесии фаз двухфазной смеси полностью определяются заданием одного независимого параметра, которым служит, как правило, давление или температура. Однако, для определения характеристик смеси в целом, необходимо знать ее состав. Он задается введением дополнительной характеристики - степени сухости, которая представляет собой массовую долю сухого насыщенного пара:

(1)

Она может меняться в пределах от 0, что соответствует чистой насыщенной жидкости, до 1,что соответствует сухому насыщенному пару.

Область существования влажного насыщенного пара можно изобразить на термодинамических диаграммах (исключая диаграмму р-Т, на которой она вырождается в линию насыщения). Наиболее удобной для анализа является диаграмма Т-s (рис.1).

Область существования влажного насыщенного пара на ней ограничена нижней и верхней пограничными кривыми, которые отделяют ее от областей ненасыщенной жидкости и перегретого пара. Из-за крайне слабой зависимости свойств жидкости от давления область ненасыщенной жидкости практически сливается с нижней пограничной кривой, и свойства жидкости определяются только температурой.

Пограничные кривые сходятся в критической точке (точка К), где различие жидкости и пара пропадает. Снизу область влажного пара ограничивается горизонтальной линией - изотермой температуры тройной точки (точка О), равной 273,16 К. Ниже этой изотермы находится область равновесия лед-пар.

На диаграмме показаны линии основных термодинамических процессов: изобары p = const (сплошная линия) и изохоры (пунктирная линия). Также показаны линии х = const, которые веером выходят из критической точки К. Если известна температура или давление влажного насыщенного пара, то, используя таблицы термодинамических свойств воды и пара, можно найти такие величины, как объем, энтальпию и энтропию влажного пара:

v = v″·x + v′·(1–x) , (2)

h = h″·x + h′·(1–x) = h′ + r·x , (3)

s = s″·x + s΄·(1–x) = s′ + r·x/T_S, (4)

где r = h″ – h′, кДж/кг - удельная теплота парообразования.

штрих соответствует параметрам насыщенной жидкости, два штриха - параметрам сухого насыщенного пара.

Удельная теплота парообразования представляет собой теплоту, подводимую к веществу в ходе изобарного (и одновременно изотермического) превращения 1 кг насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар. На Т-s диаграмме (рис.1) теплота графически изображается площадью под линией процесса (площадь под процессом 1-2).

М етодика экспериментального определения степени сухости

Непосредственное определение степени сухости по величинам масс компонентов смеси по формуле 1 затруднительно, так как невозможно практически отделить капельки жидкости самых разных размеров от сухого пара. Способы определения степени сухости базируются на контролируемом переводе смеси в однофазное состояние, параметры которого легко найти.

В лабораторной работе влажный пар охлаждают до полной конденсации и переохлаждения конденсата. Теперь для определения конечных параметров достаточно знать только температуру, так как параметры ненасыщенной жидкости практически не зависят от давления.

Охлаждение осуществляется путем смешения пара с холодной водой. Процесс смешения производится в калориметре для предотвращения утечки тепла в окружающую среду. Так как смешение производится изобарно, подведенное тепло должно выражаться изменением энтальпии системы, а из-за теплоизоляции оно равно нулю. Поэтому тепловой баланс происходящего процесса выражается в том факте, что сумма энтальпий смешиваемых влажного пара и холодной воды должна быть равна энтальпии получающейся горячей воды:

H_ВНП + H_ХОЛ.В = H_ГОР.В. (4)

Слагаемые этого равенства можно записать:

H_ВНП = m_ВНП∙h_ВНП = m_ВНП (h′ + r∙x),

H_ХОЛ.В = m_ХОЛ.В∙h_ХОЛ.В, (5)

H_ГОР.В = m_ГОР.В∙h_ГОР.В = (m_ХОЛ.В + m_ВНП)∙h_ГОР.В .

Отсюда:

, (6)

где параметры h′ и r - определяются по таблицам состояний воды и пара, исходя из величины давления, а энтальпии воды - горячей h_ГОР.В и холодной h_ХОЛ.В - и определяются по температуре воды согласно формулам:

h_ГОР.В = с_р∙t_ГОР.В ; h_ХОЛ.В = с_р∙t_ХОЛ.В , (7)

где с_р = 4,19 - изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К);

t_ГОР.В , t_ХОЛ.В - температуры горячей и холодной воды, ºС.

Массы сконденсировавшегося пара и холодной воды можно найти, проводя взвешивание калориметра – сначала пустого, затем наполненного водой, и наконец, наполненного горячей водой.