Протокол испытаний. Обработка результатов опытов

Обработка результатов опытов.

Расход воздуха V, замеряемый по показаниям ротаметра, приводится к нормальным физическим условиям. При этом

(4)

где р и Т - давление и абсолютная температура воздуха в помещении при

проведении опыта;

р₀ - нормальное атмосферное давление, равное 101300 Па;

Т₀ - нормальная абсолютная температура, равная 273 К.

Искомая средняя объёмная теплоёмкость, отнесённая к интервалу температур, в котором осуществляется нагрев воздуха, определяется по формуле:

Дж/м³град (3)

Переход от объёмной теплоёмкости к массовой производится по соотношению:

Дж/кг·град (5)

где μ – средняя молекулярная масса воздуха, равная 29 кг/Кмоль.

По результатам расчётов строится график зависимости теплоёмкости от температуры C_pm = f(t_ср). При этом t_ср = (t₁+ t₂)/2.

6. Содержание отчёта.

Отчёт должен содержать:

1. Краткие теоретические положения.

2. Схему лабораторной установки.

3. Протокол испытаний.

4. Обработку результатов опытов.

5. График зависимости теплоёмкости от температуры.

Лабораторная работа № 4 Определение изобарной теплоёмкости воздуха.

Группа:

Дата испытаний:

Исполнители:

Исходные данные:

Барометрическое давление р = Па

Температура воздуха в помещении t₁ = °C

Поправка на температуру свободных

концов термопары Е₀ = мВ

Результаты испытаний:

№ опыта	Е мВ	Е¢ мВ	t2 °С	hрот дел.	V м^3/с	U В	I А	Q Вт

Подписи исполнителей

Подпись преподавателя

Лабораторная работа № 5

Определение некоторых свойств воды и водяного пара

1. Цель работы.

Определение параметров воды и влажного пара: r, x, i_x, s_x, вычисляемых на основании экспериментальных наблюдений и таблиц.

2. Основные теоретические положения.

В процессе получения пара наблюдаются три последовательно развивающиеся и переходящие друг в друга стадии парообразования: нагрев→испарение→перегрев, которые характеризуются специфическими закономерностями и различным изменением параметров. В процессе конденсации сохраняются те же стадии, но в обратной последовательности.

Первая стадия получения пара – нагрев жидкости до кипения. В термодинамике тепло, затрачиваемое в этой стадии, получило название энтальпии жидкости, под которой понимают тепло, необходимое для нагрева одного килограмма воды в изобарном процессе от 0°С до температуры кипения (насыщения) t_s, обозначаемое i′. Чем выше температура кипения воды, тем больше её энтальпия, измеряемая в Дж/кг. Вычисляется энтальпия по формуле:

i′ = c_pm · t_s (1)

где c_pm - средняя удельная теплоёмкость, Дж/кг·град;

t_s - температура кипения, зависящая от давления.

Энтропия кипящей жидкости равна:

(2)

Изменение энтропии отсчитывается от 0°С, при котором энтропию принимают условно равной нулю.

Вторая стадия – переход жидкости в парообразное состояние (испарение жидкости) существенно отличается от первой. Процесс характеризуется не только постоянством давления, но и постоянством температуры, т.е. является изобарно-изотермическим процессом, при котором давление и температура испарения, равная температуре кипения, взаимосвязаны. Примером этой связи может служить эмпирическая формула:

(3)

где р - удельное абсолютное давление, МПа.

Испарение начинается с момента закипания жидкости при подводе теплоты и заканчивается полным испарением её. Количество теплоты, необходимое для этой цели, строго определённое для каждого давления, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается r. Теплота парообразования измеряется в Дж/кг. С повышением давления r уменьшается, стремясь к нулю при критическом давлении р_кр ≈ 22,5 МПа.

В процессе испарения количество жидкости непрерывно уменьшается, а содержание пара возрастает. Весовое соотношение между паром и жидкостью называется степенью сухости x или паросодержанием, представляющими долю пара в одном килограмме пароводяной смеси (1- х – степень влажности или влагосодержание). Очевидно, что в момент начала испарения х =0, а при полном испарении х =1. Пар в последнем случае получил название сухого насыщенного пара.

Если же испарение воды не доведено до конца, т.е. 0< x <1, то пар является влажным насыщенным и на его производство затрачивается в процессе испарения меньше тепла, т.е. x·r.

Общее количество тепла, затраченного для получения из 1 кг воды при 0°С сухого насыщенного пара (нагрев и завершённое испарение), иначе говоря энтальпия сухого насыщенного пара i ″, может быть представлена формулой:

i ″ = i′ + r = c_pm· t_s + r (4)

По отношению к влажному пару (незавершённое испарение) формула получает вид:

i _x = i′ + r x (5)

Изменение энтропии в процессе испарения для завершённого испарения равно:

(6)

для незавершённого испарения:

(7)

(8)

Третья стадия получения рабочего пара – перегрев пара осуществляется при продолжающемся подводе тепла к сухому насыщенному пару. В этом случае между давлением пара и его температурой имеет место полная независимость: мы можем нагреть пар выше температуры насыщения t_s до любой заданной температуры t; перегретый пар приобретает свойства реальных газов. Теплота перегрева подсчитывается по формуле:

q_n = c_pm(t – t_s), (9)

где c_pm - средняя удельная теплоёмкость перегретого пара в интервале температуры t_s– t, зависящая не только от температуры, но и от давления (определяется по таблицам).

Энтальпия перегретого пара может быть представлена в виде суммы теплоты трёх последовательных стадий парообразования:

i = i′ + r + c_pm(t – t_s) = i ″ + c_pm(t – t_s) (10)

Таким образом, под энтальпией перегретого пара понимают количество тепла в джоулях, необходимое, чтобы нагреть 1 кг воды от 0°С до начала кипения, последующего испарения и для перегрева до заданной температуры при постоянном давлении.

Энтропия перегретого пара определяется по формуле:

(11)

3. Описание лабораторной установки.

Схема лабораторной установки представлена на рис.1.

Водяной пар, необходимый для производства опыта, вырабатывается в испарителе 1, установленном на электроплитке 2. Вода в испаритель заливается через отверстие в крышке, закрываемое пробкой 3. Полученный пар поступает по резиновому шлангу 4 в змеевик 5, где он конденсируется. Образовавшийся конденсат стекает в сборник 6.

Рис. 1. Схема лабораторной установки.

Змеевик 5 и сборник конденсата 6 погружены в воду, заливаемую в термостат 7 в таком количестве, чтобы она полностью покрывала их. Конденсатосборник с помощью трубки 8 сообщается с атмосферой, что обеспечивает конденсацию пара при атмосферном давлении, определяющим и температуру пара. Выделившаяся при конденсации теплота rx усваивается водой, находящейся в термостате 7. Количество воды в термостате G_в определяется с помощью мерной линейки, температура воды t_в измеряется термометром 9. Во время опыта вода перемешивается мешалкой 10, получающей вращение от электродвигателя 11.

4. Проведение опыта.

Для проведения опыта лабораторная установка должна быть предварительно подготовлена. Сборник конденсата 6 освобождается через отвинчивающуюся крышку от остатков конденсата, после чего он вместе со змеевиком устанавливается в термостат с водой. Количество и температура воды в термостате замеряется с помощью линейки и термометра. В испаритель 1 заливается дистиллированная вода примерно на половину его объёма. После этого испаритель устанавливается на электроплитку 2. Штепсели электроплитки и термостата вставляются в соответствующие розетки на лабораторном столе.

После начала кипения воды и прогрева испарителя в течение 5-10 минут, последний соединяется резиновым шлангом 4 со змеевиком 5. С этого времени начинается конденсация пара и накопление конденсата в сборнике 6. Для более равномерного нагрева воды в термостате 7 включается мешалка 10. Опыт продолжается до тех пор, пока температура воды в термостате не поднимется на 4-5°С.

По окончании опыта испаритель снимается с электроплитки, резиновый шланг отсоединяется от змеевика, выключается электродвигатель мешалки, штепсели электроплитки и термостата отсоединяются от сети. Для определения количества конденсата сборник 6 вынимается из воды, у него отвинчивается крышка и жидкость переливается в мерную ёмкость.

5. Обработка результатов опыта.

В данной лабораторной работе для определения скрытой теплоты парообразования r принят метод конденсации пара, обратный испарению, т.е. равный таковому по величине, но обратный по знаку. Вместе с тем, пар, полученный в испарителе, является влажным, и, таким образом, теплота конденсации, отнесённая к 1 кг пара, равна rx, что необходимо учесть при вычислениях.

В условиях опыта степень сухости пара x определяется из уравнения теплового баланса теплообменного процесса, осуществляемого в установке. В левой части уравнения учитывается теплота G_nxr, выделенная G_n (кг) конденсирующегося пара при температуре t_s, и теплота охлаждения конденсата G_n(t_s -t₂), а в правой – теплота, усвоенная как охлаждающей водой в термостате G_в Δ t, так и металлическими частями установки: змеевиком, сборником, мешалкой, стенками термостата. Теплоёмкость последних равна сумме:

G_змc_зм + G_сбc_сб + G_мc_м +G_стc_ст = Wc_р (12)

где G_зм, G_сб, G_м, G_ст - масса указанных частей, кг;

c_зм, c_сб, c_м, c_ст - удельная теплоёмкость этих частей, кДж/кг·град;

W - водяной параметр установки, выражающийся в массе воды в кг;

c_р - удельная теплоёмкость воды, кДж/кг·град.

Воспринятое водой и металлическими частями тепло равно (G_в+W)(t₂-t₁), где (t₂ - t₁) – нагрев системы от начальной температуры t₁ до конечной температуры t₂. Таким образом, уравнение теплового баланса имеет вид:

G_nxr + G_n(t_s – t₂)c_p = (G_в + W)c_p(t₂ – t₁) (13)

Для нахождения степени сухости пара x необходимо найти скрытую теплоту парообразования r по таблицам сухого насыщенного пара при давлении опыта (по барометру). Расчётная формула для нахождения x имеет вид:

(14)

где W - водяной параметр установки, равный 0,27 кг;

G_в - количество воды в термостате, кг;

r - скрытая теплота парообразования (или теплота конденсации), определяемая по
таблицам сухого насыщенного пара при атмосферном давлении, кДж/кг;

t₂ и t₁ - температура воды, измеряемая термометром в начале и в конце опыта, °С;

G_n - количество сконденсировавшегося пара, измеренное при опорожнении сборника

конденсата, кг.

Все результаты наблюдений и расчётов заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

№ пп	Наименование	Размерность	Значение
1. 2.   3. 4. 5.   6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.	Барометрическое давление В Температура насыщенного пара при барометрическом давлении ts Количество воды в термостате Gв Водяной параметр установки W Теплоёмкость калориметрической установки (Gв + W)cp Начальная температура воды в термостате t1 Конечная температура воды в термостате t2 Вес конденсата Gn Средняя теплоёмкость воды cp Скрытая теплота парообразования r Степень сухости x Энтальпия воды i′ Энтальпия сухого насыщенного пара i ″ Энтропия воды s' Энтропия сухого насыщенного пара s"	Па °C кг кг кДж/град °С °С кг кДж/кг·град кДж/кг - кДж/кг кДж/кг кДж/кг·град кДж/кг·град

6. Содержание отчёта.

Отчёт по лабораторной работе должен содержать:

o краткие теоретические положения;

o схему и описание лабораторной установки;

o протокол испытаний;

o таблицу с обработкой результатов опыта;

o анализ полученных результатов.

Дата добавления: 2017-01-14