Опис лабораторної установки
Лабораторна робота на тему: «Дослідження кривої пружності
водяної пари при малих тисках»
Мета даного лабораторного дослідження:
1) експериментально встановити залежність абсолютного тиску насиченої водяної пари рН від її температури ТН при різних тисках;
2) ознайомитися з методом визначення теплоти пароутворення водяної пари r на підставі експериментально одержаної кривої пружності.
Завдання роботи
1.1. Прочитати теоретичні відомості, що стосуються роботи, доповнюючи їх теоретичними положеннями з конспекту лекцій та матеріалами даних методичних вказівок і підручників.
1.2. Ознайомитися з описом експериментальної установки, з'ясувати призначення лабораторного обладнання та приладів; накреслити принципову схему установки і подати короткий опис її вузлів та приладів.
1.3. Підготувати таблицю для внесення результатів вимірів.
1.4. Дослідити на лабораторному стенді процес пароутворення для водяної пари при тисках, менших та таких, що дорівнюють атмосферному. Результати спостережень записати у таблицю вимірів.
1.5. Обробити дослідні дані та одержані числові значення абсолютного тиску pH і температури насичення ТН. Побудувати криву пружності насиченої водяної пари pH = f (ТН).
1.6. Обчислити на підставі експериментально одержаної кривої пружності теплоту пароутворення для водяної пари r з урахуванням співвідношень між термічними та калоричними величинами при фазових перетвореннях хімічно однорідних речовин. Побудувати графічну залежність r = f (ТН).
1.7. Порівняти розрахункові значення теплоти пароутворення і температури насичення з табличними (за таблицями теплофізичних властивостей води та водяної пари). Оцінити відхилення експериментальних даних від табличних.
1.8. Скласти звіт про виконану роботу.
Теоретичні відомості
Водяна пара є найбільш поширеним реальним робочим тілом, яке застосовується у різних галузях науки й техніки. Для успішного вирішення інженерних завдань, пов'язаних з процесами випарювання, конденсації та теплообміну, а також з роботою парових турбін теплових і атомних електростанцій, необхідно знати основні параметри води та водяної пари в будь-яких станах.
Водяна пара отримується в процесі пароутворення, тобто фазового переходу речовини з рідкої фази у газоподібну.
Перехід речовин із заданим тиском pн з рідкої фази у газоподібну відбувається, як відомо, за певної температури Тн, що називається температурою насичення, та здійснюється за рахунок підведення теплоти пароутворення r. Очевидно, що кожний рівноважний стан фаз “рідина - пара” відобразиться точкою фазової р-Т -діаграми, а крива, що з'єднує такі точки, являє собою залежність pн=f(Тн) і називається кривою фазової рівноваги.
Рис. 5 Фазова діаграма водяної пари
Фазова діаграма водяної пари зображена на риc.5; на ній показано відповідну криву фазової рівноваги - так звану криву пружності.
Точки, що лежать на кривій фазової рівноваги, відповідають двофазній системі “рідина - пара”. Точки, що лежать на р-T діаграмі по обидва боки від кривої пружності, відповідають однорідним фазам речовини.
Крива фазової рівноваги починається у “потрійній точці”, де досягається рівноважний стан трьох фаз – рідина, тверде тіло, пара, і закінчується у критичній точці К, для якої густини рідкої та газоподібної фаз однакові.
Параметри критичної точки визначаються значеннями критичного тиску: рК – найбільшого тиску, за якого можливе існування двофазної системи “рідина - пара”, та критичної температури Ткр – найвищої температури, за якої можливе існування рідкої фази. При тисках, до перевищують ркр, перехід із рідкої фази у газоподібну відсутній, оскільки за таких тисків немає принципової різниці між рідиною та газом.
У технічній термодинаміці до будь-яких змін агрегатного стану хімічних однорідних речовин (сублімація, плавлення, конденсація) можна застосувати рівняння Клапейрона-Клаузіуса, яке для процесу пароутворення має вигляд:
, (1)
де r - теплота пароутворення, кДж/кг; Тн- температура фазового переходу (для процесу пароутворення - температура насичення), К; v/, v//- питомі об’єми фаз, що знаходяться у рівновазі (для процесу пароутворення - питомі об'єми сухої насиченої пари та киплячої води), м3/кг; рн - абсолютний тиск насиченої водяної пари, кПа; 
- похідна від тиску за температурою, що взята на кривій фазового переходу або кривій пружності, кПа/К.
Абсолютні тиск рн і температура Тн обчислюються за формулами:
рн=рбар-рвак (2)
, (3)
де рбар, рвак – тиск, відповідно барометричний і вакуумметричний, кПа;
tн - температура насичення, °С.
Аналізуючи вирази (1-3), дійдемо висновку:
1) щоб знайти теплоту пароутворення, треба вміти користуватися таблицями теплофізичних властивостей води та водяної пари і знати фазові діаграми р-v, T-s, h-s;
2) в рівняння (2) і (3) входять величини рбар, рвак, tн, які необхідно вимірювати при проведенні експериментів.
Опис лабораторної установки
Схема установки для дослідження процесу утворення водяної пари при тисках, менших або таких, що дорівнюють атмосферному (барометричному), зображена на рис. 6. Основні елементи установки: посудина з водою (1), до днища якої закріплено електронагрівач (2); регулюючий вентиль ротаметра (11), зв'язаний з атмосферою; водоструминний інжектор (10); лабораторний трансформатор (8), що слугує для зміни напруги електричного струму, який подається на спіраль електронагрівача; значення напруги на електронагрівачі фіксується вольтметром (9).
Рис. 6 Схема лабораторної установки
Барометричний тиск рбар вимірюється барометром типу БР-52. Розрідження в посудині рвак фіксується пружинним вакуумметром (4) типу ОБВІ-100 (клас точності 2,5). Температура насиченої пари вимірюється мідним термометром опору ТСМ-50 третього класу точності (3). Дія термометра опору основана на властивості міді змінювати свій електричний опір зі зміною температури. Як вторинний пристрій, що працює з термометром опору, використовується мілівольтметр А-566, що показує (7).
Працює експериментальна установка таким чином. За допомогою вимикача (5) усі елементи установки вмикаються до електричної мережі, при цьому вмикається сигнальна лампочка лабораторного стенда (6).
Вода, що знаходиться у посудині (1), нагрівається до температури кипіння за допомогою електронагрівача (2), потужність якого регулюється трансформатором (8). Пароповітряна суміш відсмоктується з посудини водоструминним інжектором (10), що працює при подаванні води із водопровідної мережі. Розрідження, що створюється у посудині, вимірюється вакуумметром (4). Температура насичення у градусах Цельсія висвічується на передній панелі приладу А-566. Регулюючий вентиль ротаметра (11) дозволяє частково або повністю з’єднати порожнину посудини (1) з атмосферою і тим самим змінювати у посудині тиск, який відповідає тиску насиченої пари.