Обработка опытных данных и составление отчета

Величину коэффициента теплопередачи К рассчитывают по формуле (6.7), где термическое сопротивление стенки   равно:

,

где l — коэффициент теплопроводности латуни, .

Коэффициент теплоотдачи со стороны пара к наружной стенке   определяется по формуле (6.13). Расход пара   из теплового баланса для пара:

,                                                              (6.24)

где Q — расход тепла, Вт; r —удельная теплота конденсации пара, ; х —степень сухости пара, принимается равной 0,95 (95 %).

Расход тепла (тепловая нагрузка аппарата) Q рассчитывается по формуле (6.12).

Так как температура стенки  заранее неизвестна, то в качестве первого приближения при вычислении  принимается . После этого во втором приближении определяется значение   для теплового потока от пара к стенке из выражения:

,                                                  (6.25)

где F ₁ — теплоотдающая поверхность со стороны наружных поверхностей трубок, м²;  — приближенное значение коэффициента теплоотдачи, определяемого по формуле (6.13) при , .

После этого вычисляется значение   при полученной температуре стенки   и, наконец, вычисляется более точное значение  по уравнению (6.13).

Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки к воде  определяется из уравнений (6.15)—(6.17). Здесь также заранее неизвестна температура стенки ,и приходится прибегать к методу последовательного приближения. Предварительно полагается  и рассчитывается первое приближение значения . Далее определяется температура поверхности трубок со стороны воды   из выражения для потока тепла от стенки к жидкости:

,                                                (6.26)

где F ₂—теплоотдающая поверхность со стороны внутренних поверхностей трубок, м²;   —приближенное значение коэффициента теплоотдачи, определенного из уравнений (6.15)—(6.17) при , .

После этого уточняют значение коэффициента теплоотдачи .

Для выявления зависимости потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений в аппарате от скорости воды строят график зависимости критерия Эйлера от критерия Рейнольдса .

Критерий Эйлера отражает влияние перепада гидростатического давления на движение жидкости и может быть приведен к виду:

,                                        (6.27)

где V — объемный расход воды, .      

Для проверки экспериментально измеренных потерь давления на преодоление гидравлических сопротивлений в теплообменном аппарате, производится их расчет по формулам. Рассчитывают потери давления на преодоление водой сопротивления трубного пучка  по формуле (6.19) с учетом зависимостей (6.22) и (6.23).  

Рассчитывают потери давления на преодоление местных сопротивлений теплообменного аппарата ,по формуле (6.20) и (6.21). Для этого предварительно выявляют места и виды местных сопротивлений по ходу движения воды в аппарате (показывают их на схеме аппарата в отчете) и определяют соответ­ствующие значения коэффициентов местных сопротивлений  по таблице 6.1.

Далее определяют полные потери давления на преодоление гидравлических сопротивлений в теплообменном аппарате по формуле (6.18) и наносят на график зависимости ,построенный по экспериментальным данным. Результаты всех расчетов записывают в таблицы 6.3 и 6.4.

Теплофизические параметры воды на линии насыщения приведены в таблице 6.5.

 

 

Таблица 6.2

ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ

№ опыта	Перепад давления в аппарате, , мм рт. ст.	Расход воды, ,	Давление греющего пара, p,	Удельная теплота конденсации пара, ,	Температура,
					греющего пара,	конденсата,	поступающей холодной воды,	выходящей нагретой воды,	средняя воды,
1. 2. 3.

 

Таблица 6.3

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ

№	Тепловая нагрузка аппарата, , Вт	Расход греющего пара, ,	Коэффициент теплоотдачи от греющего пара к наружной поверхности стенки,		Температура стенки трубок со стороны пара, ,	Значение критерия Прандтля при ,	Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к воде,		Температура стенки трубок со стороны воды, ,	Значение критерия Прандтля при ,
1. 2. 3.

 

 

Таблица 6.4

РАСЧЕТНЫЕ ДАННЫЕ

№

Скорость воды, ,

Плотность воды, r,

Критерий Рейнольдca,

Коэффициент гидравлического трения,

Расход воды, V,

Гидравлические сопротивления, Па

Критерий Эйлера,

1. 2. 3.

 

Таблица 6.5

Теплофизические свойства воды на линии насыщения

Температура, ,	Плотность, ,	Теплоемкость, ,	Теплопроводность, ,	Коэффициент температуропроводности, ,	Коэффициент динамической вязкости, ,	Коэффициент кинематической вязкости, ,
0	999,9	4,212	55,1	13,1	1788	1,789
10	999,7	4,191	57,4	13,7	1306	1,306
20	998,2	4,183	59,9	14,3	1004	1,006
30	995,7	4,174	61,8	14,9	801,5	0,805
40	992,2	4,174	63,5	15,3	653,3	0,659
50	988,1	4,174	64,8	15,7	549,4	0,556
60	983,2	4,179	65,9	16,0	469,9	0,478
70	977,8	4,187	66,8	16,3	406,1	0,415
80	971,8	4,195	67,4	16,6	355,1	0,365
90	965,3	4,208	68,0	16,8	314,9	0,326
100	958,4	4,220	68,3	16,9	282,5	0,295
110	951,0	4,233	68,5	17,0	259,0	0,272
120	943,1	4,250	68,6	17,1	237,4	0,252
130	934,8	4,266	68,6	17,2	217,8	0,233
140	926,1	4,287	68,5	17,2	201,1	0,217
150	917,0	4,313	68,4	17,3	186,4	0,203

 

Лабораторная работа № 7
Определение теплоты перехода воды в пар
при постоянной температуре кипения

Часа

Цели работы:

1. Ознакомление с фазовыми переходами первого рода.

2. Определение удельной теплоты парообразования воды.

Задачи работы: при различных значениях мощности, подаваемой на нагреватель с одним и тем же временем измерения t₁ = t₂ = t₃…. = t. По результатам нескольких экспериментов вычислить r и его среднее значение.

Обеспечивающие средства: лабораторный стенд в аудитории 308-2.

Задание: провести пять опытов, переключая режимы нагрева с помощью регулятора мощности. Довести воду в дистилляторе до кипения (100 °С). Определить объем собранного конденсата и время отбора. Определить удельную теплоту фазового перехода r и тепловые потери q из графика. Сравнить полученное значение теплоты парообразования со справочными данными. Определить абсолютные и относительные погрешности измерений r, q, σ. Рассчитать внешнюю удельную теплоту перехода воды в пар при температуре кипения, измеренной в эксперименте. Определить внутреннюю теплоту перехода воды в пар. Вычислить работу, совершаемую против сил молекулярного протяжения при переходе одного грамма воды из жидкой фазы в парообразную фазу.

Требования к отчету: итоги лабораторной работы должны быть представлены на листах формата А4, графики — на миллиметровой бумаге, выполненные в карандаше. Работа выполняется побригадно (4 чел.), бригада составляет один отчет. В отчете указывается название института, кафедры, лабораторной работы, фамилии и инициалы студентов, название направления бакалавриата и группы, вида обучения, факультета, а также цель работы, схема установки, основные формулы расчетов с расшифровкой символов, подробные расчеты значений одного из режимов, таблицы «Результаты измерений и вычислений».

Технология работы. Залейте дистиллятор чистой водой до верхнего уровня измерительной трубки. Подключите конденсатор к водопроводной сети через предлагающиеся шланги. Откройте подачу воды и проверьте герметичность соединений. Плотно закройте верхнюю часть дистиллятора. Запустите программу «Парообразование». Включить питание стенда в сеть с помощью автомата на лицевой панели стенда. Выведите ручкой «регулятор мощности» нагреватель на режим, чтобы напряжение было равно 210В. Установите трубку слива конденсата в сливную сеть. Дождитесь кипения воды в дистилляторе и установления температуры кипения 100 °С. Опустите шланг конденсата в мерную емкость и одновременно засеките время в программе измерений. Наберите 200—240 мл конденсата и остановите отсчет времени, полученные данные занесите в табл. 7.1. Временно перекинув слив в сливную сеть. Переключайте режимы нагрева с помощью регулятора мощности, так чтобы напряжения ориентировочно соответствовали значениям табл. 7.1 и повторите эксперимент.

Контрольные вопросы

1. Что называется фазовым переходом?

2. Что называется удельной теплотой перехода жидкости в пар?

3. Как изменяется теплота фазового перехода с изменением температуры?

4. Как определяется удельная теплота перехода жидкости в пар?

Библиографический список приводится в конце сборника описаний лабораторных работ.

 

 

Основные сведения

Химические системы могут быть гомогенными, т. е. физически однофазными. Например, это вода и водяной пар. Но если водяной пар находится под поверхностью воды, то система (пар + вода) называется гетерогенной. По определению, фаза — это гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела. Пар над поверхностью воды является паровой фазой Н₂О, а вода — жидкой фазой Н₂О. Фазовым переходом называется изменение фазового или агрегатного состояния вещества без изменения химического состава. Фазовые переходы первого рода характеризуются тем, что при их осуществлении поглощается или выделяется теплота. Это процессы плавления и кристаллизации, испарения и конденсации и т. д. В данной работе изучаются процессы парообразования и конденсации. Для того чтобы испарение жидкости происходило при постоянной температуре к жидкости необходимо подводить определенное количество теплоты. Величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо подвести к единице массы жидкости для превращения ее в пар при постоянной температуре называется удельной теплотой перехода жидкости в пар. Она измеряется в Дж/кг и обычно обозначается — r. Теплота, подводимая к жидкости при изотермическом испарении, идет на работу по преодолению сил молекулярного притяжения (внутренняя теплота перехода жидкости в пар) и на работу против внешнего давления (внешняя теплота перехода). Работа А ₁, совершаемая против сил молекулярного притяжения при испарении единицы массы жидкости, численно равна разности удельных внутренних энергий гетерогенных фаз — пара и жидкости. Следовательно,

                                          ,                                                    (7.1)

где U _п и U _ж — соответственно удельная внутренняя энергия пара и жидкости.

Работа, совершаемая против внешнего давления при испарении единицы массы жидкости, определяется соотношением

,                                                (7.2)

где р — внешнее давление, Па; υ _п — удельный объем пара, м³/кг; υ _ж — удельный объем жидкости, м³/кг. При этом удельная теплота перехода жидкости в пар равна сумме внутренней и внешней теплоты фазового перехода

 или                              (7.3)

Если при переходе из жидкости в пар одной молекулы против сил молекулярного сцепления совершается работа, равная А _1е, то при испарении единицы массы из жидкости в пар перейдет молекул (N _A/ M), то

.                                      (7.4)

где N _A — число Авогадро; M — молекулярная масса жидкости, кг/кмоль.

С увеличением температуры удельная теплота перехода жидкости в пар убывает, с уменьшением — возрастает. В критическом состоянии различие между жидкостью и ее насыщенным паром исчезает, и удельная теплота перехода обращается в нуль.

Отдаваемая нагревателем теплота идет на превращение воды в пар при температуре кипения и на нагревание окружающей среды вследствие теплообмена между ней и колбой. В стационарном режима тепловые потери за единицу времени постоянны, а, следовательно, постоянно и количество теплоты, расходуемое за единицу времени на превращении воды в пар. При этом

,                                                   (7.5)

где Q _п—количество теплоты, идущее на образование пара в течение времени t; q — тепловые потери за то же время; U — напряжение подаваемое на нагреватель; R — его электрическое сопротивление при температуре кипения воды.

Тщательные измерения показали, что сопротивление нагревателя слабо зависит от температуры и при t = 100 °С составляет величину R = 167,5 ± 0,5 Ом, при 20 °С R = 166,5 Ом.