POLITECHNIKA KRAKOWSKA Instytut Inżynierii Cieplnej i Procesowej Zakład Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA KRAKOWSKA Instytut Inżynierii Cieplnej i Proesowej Zakład Termodynamiki i Pomiarów Maszyn Cieplnyh LABORATORIUM TERMODYNAMIKI I POMIARÓW MASZYN CIEPLNYCH Podstawy teoretyzne do ćwizeń laboratoryjnyh PARA NASYCONA MOKRA I PRZEGRZANA opraował: dr inż. Jerzy Żelasko

2 Stany skupienia wprowadzenie definiji Każda substanja może występować w postai stałej, iekłej i gazowej. W gazah siły wzajemnego oddziaływania między ząstezkami są na tyle małe, że umożliwiają samodzielny ruh postępowy ząstezek. Duża odległość między ząstezkami sprawia, że gaz ma zdolność rozprzestrzeniania się w ałej dostępnej dla niego objętośi. Zwiększanie objętośi gazu prowadząe do jego skroplenia i powstawania iezy odbywa się na drodze zwiększania iśnienia lub obniżenia temperatury. Ciez łatwo zmienia swój kształt, ale przeiwstawia się zmianom objętośi. Dalsze zwiększanie iśnienia lub obniżania temperatury prowadzi do powstawania silnyh oddziaływań molekularnyh między ząstezkami. Efektem jest powstanie iała stałego o uporządkowanej strukturze. Dla iał hemiznie jednorodnyh zmiana stanu skupienia (przejśie fazowe) odbywa się przy ustalonym iśnieniu w śiśle określonej i stałej temperaturze. W układzie współrzędnyh p,t można wię wyodrębnić trzy obszary: obszar stanu stałego, iekłego i gazowego. Obszary te są rozgranizone od siebie krzywymi przemian fazowyh. W punktah położonyh na krzywyh mogą obok siebie współistnieć w równowadze termodynamiznej dwie sąsiednie fazy rozważanej substanji. Zwiększająym się wartośiom iśnienia odpowiadają na ogół rosnąe wartośi temperatury na krzywyh przemian fazowyh (krzywa a). Nietypowy przebieg ma krzywa topnienia (krzepnięia) dla wody (krzywa a ), a wynika to ze zwiększania się jej objętośi właśiwej przy krzepnięiu. Krzywe przemian fazowyh spotykają sie w punkie potrójnym Tr, w którym mogą obok siebie istnieć w równowadze termodynamiznej wszystkie trzy fazy. Krzywa parowania (skraplania) końzy się w punkie krytyznym K. Powyżej iśnienia punktu krytyznego nie istnieje rozgranizenie między fazą iekłą i gazową (znika zmiennik rozdzielająy fazy), a zmiana gęstośi przy zmianie temperatury odbywa się w sposób iągły. Rys.. Wykres przemian fazowyh w układzie współrzędnyh p-t: K punkt krytyzny, T r punkt potrójny. Najzęśiej stosowanym nośnikiem w energetye ieplnej jest woda i jej para, stąd na rys. przypomniany jest proes izobaryzny odparowania wody. Dla innyh substanji jednorodnyh hemiznie proes zahodzi w ten sam sposób.

3 3 Rys.. Izobaryzny proes parowania. Pomiędzy stanem I i II woda w stanie iekłym nagrzewa się do temperatury wrzenia dzięki dostarzanemu iepłu. Po osiągnięiu temperatury wrzenia w punkie II (równy temperaturze wrzenia dla danego iśnienia) w iezy pojawiają się pęherzyki pary. Wielkośi właśiwe w punktah pęherzyków oznazone są symbolami v, i, u, s. Pomiędzy stanem II i IV dostarzane iepło idzie w ałośi na iepło przemiany fazowej (iepło parowania), tak wię temperatura wody nie ulega zmianie. W ylindrze znajduje się mieszanka wrząej wody i pary nasyonej o zmienionyh proporjah określana mianem pary mokrej. W punkie IV, w zależnośi od kierunku proesu, znika ostatnia lub pojawia się pierwsza kropla wody. Para w tym stanie nazywana jest parą nasyoną suhą, a wielkośi właśiwe w tym punkie oznaza się symbolami v, i, u, s. Dalsze dostarzanie iepła powoduje wzrost temperatury pary, która z pary nasyonej suhej staje się parą przegrzaną. Dla jednoznaznego określenia parametrów pary nasyonej mokrej używamy dwóh wielkośi, najzęśiej jest to iśnienie p i stopień suhośi pary nasyonej x definiowany jako iloraz masy pary nasyonej suhej m do masy pary nasyonej mokrej: x m m m () W przypadku pary przegrzanej temperatura i iśnienie są parametrami wzajemnie niezależnymi i jest to para parametrów najzęśiej wykorzystywanyh do jednoznaznego określenia jej stanu. Z definiji stopnia suhośi łatwo wywnioskować, że jeden kilogram pary nasyonej mokrej zawiera x kg pary nasyonej suhej o parametrah v, i, s i ( - x) kg iezy o parametrah v, i, s. Stąd objętość właśiwa, entalpia i entropia pary nasyonej mokrej wyrażone są wzorami:

4 4 v v i i x s s x i x v i s v s i xr () gdzie r entalpia parowania. Parametry pary nasyonej mokrej zęsto odzytujemy z tabli, w przypadku pary przegrzanej wygodniejsze jest wyznazenie wartośi w opariu o wykres i-s pary przegrzanej lub za pomoą programów numeryznyh. Pozostałe podstawowe informaje dotyząe pary należy uzupełnić w opariu o wykład lub materiały źródłowe. Pomiar parametrów pary mokrej W przypadku pary nasyonej mokrej, opróz parametrów prostyh do zmierzenia tj. iśnienia i temperatury zęsto niezbędne jest wyznazenie stopnia suhośi pary mokrej x. Stosuje się kilka metod wyznazania stopnia suhośi:. Za pomoą kalorymetru dławiąego. Ten sposób pomiaru wykorzystuje tę właśiwość, że po zdławieniu pary mokrej o pozątkowym stopniu suhośi można otrzymać parę przegrzaną. Kalorymetry dławiąe wymagają dużyh spadków iśnienia i mogą być stosowane dla zynników, dla któryh gradient dla krzywej graniznej x = jest dodatni, gdyż tylko wówzas dla stopnia suhośi x > 0,5 para mokra osusza się. Zdławiona próbka zynnika zęsto ma niskie iśnienie, o utrudnia usunięie jej z kalorymetru. Stopień suhośi pary wyznazony jest z równania dławienia izentalpowego i = i : x x i (3) i i gdzie: - entalpia iezy i pary suhej nasyonej przed zdławieniem, i, i i - entalpia pary po zdławieniu. lub po przekształeniah x i i gdzie r i i r (4) dp di Rys. 3. Kalorymetr dławiąy (Pibody)

5 5 Rys. 4. Grafizne przedstawienie dławienia izentalpowego pary mokrej. Doprowadzenie pary nasyonej mokrej do stanu jednofazowego poprzez przehłodzenie lub przegrzanie w wymienniku iepła: a) Za pomoą hłodniy skraplamy parę i dohładzamy skropliny tak, aby możliwy był pomiar stanu iezy. Na doloie pary mierzymy iśnienie, a na wyloie temperaturę skroplin. Rys. 5. Shemat działania skraplaza (hłodniy): m - strumień masy pary nasyonej mokrej, m - strumień masy iezy hłodząej, i, i - entalpie iezy i pary nasyonej, x stopień suhośi pary, T,T,i, i - temperatura iezy hłodząej na wloie i wyloie, T temperatura skroplin po przehłodzeniu, Q s - straty iepła do otozenia Z pierwszej zasady termodynamiki dla maszyn przepływowyh: E m w E i i m i i Q 0 d m i m i m i m i Q s s (5) gdzie poszukiwane x zawarte jest w wyrażeniu i i xr.

6 6 b) Za pomoą nagrzewniy doprowadzamy parę do stanu przegrzanego na wyjśiu z wymiennika. Najwygodniej realizujemy tę metodę za pomoą grzałki elektryznej (można też wykorzystać wymiennik zasilany parą o wyższyh parametrah). Na doloie pary nasyonej mokrej mierzymy iśnienie, a na wyloie iśnienie i temperaturę pary przegrzanej. Rys. 6. Shemat działania nagrzewniy z grzałką elektryzną: m, i strumień masy i entalpia pary nasyonej, Nel mo elektryzna grzejnika, Równanie bilansu ma postać: m i Nel mi Qs gdzie i i xr Q s - straty iepła do otozenia, i entalpia pary przegrzanej (6) 3. Zastosowanie rozdzielaza faz tak, aby możliwy był pomiar strumienia mas faz rozdzielonyh w stanie nasyenia. Podstawą takiego układu jest osuszaz-rozdzielaz faz separująy iez od pary nasyonej suhej. Do pomiaru strumienia pary nasyonej suhej stosujemy np. zwężkę pomiarową, a do pomiaru strumienia iezy dowolną metodę (rotametr, przepływomierze, itp.) Pomiar parametrów pary przegrzanej Do jednoznaznego wyznazenia parametrów pary przegrzanej najzęśiej stosuje się pomiar pary parametrów: iśnienia p i temperatury T. Pozostałe teoretyznie możliwe parametry pary (v,t) i (v,p) są bardzo rzadko stosowane. Pozostałe wielkośi fizyzne opisująe stan pary przegrzanej (v,i,s,itp.) odzytuje się z wykresu i-s dla tej pary lub w opariu o programy numeryzne (dostępne w pakietah dla gazów tehniznyh, zynników hłodnizyh, itp.). Pomiar ilośi przepływająej pary Pomiar strumienia masy pary przepływająej przez maszynę ieplną (turbinę, odpowiednie stopnie wyparki) można wyznazyć przez:. Wyznazenie różniy iśnień (spiętrzenia) na zwęże pomiarowej (dysze, kryzy) zabudowanej w przewodzie parowym. Do określenia przepływu koniezna jest również znajomość parametrów zynnika przed zwężką.. Określenie ilośi skroplin uzyskanyh w skraplazu. Metoda ta daje dobre wyniki przy ałkowitej szzelnośi skraplaza i uwzględnieniu ilośi pary (turbina) i skroplin (wyparka), które zostały zużyte na uszzelnienie dławni i pomp próżniowyh.

7 7 Proesy ieplne oparte o parę nasyoną mokrą i parę przegrzaną. Wytwarzanie pary i jej transport do odbiorników Para tehnologizna nasyona mokra i przegrzana wytwarzana jest w różnego typu kotłah zasilanyh praktyznie wszelkiego typu paliwem oraz powstaje zasami jako produkt odzysku energii w wymiennikah iepła zasilanyh np. spalinami. Jeśli hodzi o nakłady inwestyyjne wytwarzanie w kotłah pary nasyonej mokrej jest proesem tańszym nieuzyskanie pary przegrzanej. Wiąże się to z polem powierzhni wymiennika w kotle proes wymiany iepła między spalinami a parą przegrzaną zahodzi znaznie wolniej niż między spalinami i wrząą iezą. W przypadku rozbudowanyh proesów tehnologiznyh zęsto stosuje się kotły wytwarzająe parę przegrzaną o maksymalnyh żądanyh przez proes parametrah. Obniżenie parametrów pary w niższyh punktah linii produkyjnej, nie wymagająyh tak wysokih parametrów, odbywa się na zasadzie wstrzyknięia do pary kondensatu po przetransportowaniu jej ruroiągiem do miejsa odbioru. Shemat takiego rozwiązania pokazano na rys. 7. Rys. 7. Shemat transportu pary przegrzanej ze zmianą jej parametrów: odpowiednih punktah, m n, n = 5 strumienie mas pary w m - strumień masy kondensatu, i n, n = 5 entalpie pary przegrzanej w odpowiednih punktah, Q s - strata iepła do otozenia między punktami 4 i 5 Stąd z bilansu energii otrzymujemy: m 3i3 m k ik m 4i4 (7) Z bilansu ilośi substanji: m 4 m m 4 m m 3 m 5 m m 3 (8) a ilość iepła odprowadzanego do otozenia między punktami 4 i 5 (9) Q s m 4 (i 5 i 4 ) Proes wstrzyknięia kondensatu do ruroiągu (przez dysze) wiąże się ze spadkiem temperatury i wzrostem ilośi pary przegrzanej przy praktyznie zahowanym iśnieniu. Spadki iśnienia następują samozynnie przy przepływie przez długie odinki ruroiągu i armaturę, zamierzone realizowane są w zaworah dławiąyh. W przypadku przesyłania pary nasyonej mokrej na ruroiągah należy zainstalować odpowiednią ilość odwadniazy odprowadzająyh wykraplająe w iez, a w elu uniknięia zapowietrzenia instalaji należy wyposażyć ją w odpowietrzniki. Przesył pary realizowany jest najzęśiej dla elów tehnologiznyh (zasilanie turbin, wymienników, mieszalników, pras zgrzewalnizyh, itp.), wykorzystywany też jest w ogrzewnitwie (nagrzewnie parowe, itp.).

8 8. Odparowanie Jednym z podstawowyh proesów w tehnologii hemiznej i spożywzej jest zagęszzenie roztworów. Stosuje się je także przy unieszkodliwianiu śieków przepływowyh i otrzymywaniu wody pitnej z morskiej wody. Zagęszzanie roztworu realizowane jest przez odparowanie zęśi rozpuszzalnika, najintensywniej przebiega w temperaturze wrzenia. W przemyśle spożywzym ze względu na jakość produktu proes prowadzi się zęsto pod iśnieniem niższym niż iśnienie otozenia wówzas wrzenie roztworu odbywa się przy temperaturze niższej niż 00 o C (Tabela ) Tabela. Zależność temperatury wrzenia od iśnienia dla wody Ciśnienie p [MPa] Temperatura wrzenia t [ o C] 0,5 0, 0, 0,05 0,0 5,84 0,3 99,64 8,35 45,84 Do realizaji proesu potrzebna jest spejalna aparatura (np. pompa próżniowa) do usuwania gazów nie skraplająyh się. Roztwory zagęszzanie w przemyśle spożywzym są wieloskładnikowe, zasami wielofazowe i zawierają zarówno składniki lotne, jak i nielotne. Wraz z parą do fazy grupowej wnikają związki aromatyzne, alkohole, itp. umożliwia to odzysk istotnyh dla jakośi wytwarzanego produktu związków lotnyh. Proes odparowania realizowany jest w urządzeniah zwanyh wyparkami składająymi się z trzeh podstawowyh elementów: komory grzejnika, komory oparów (separator) i skraplaza. W skraplazu, poprzez skroplenie oparów, wytwarza się obniżone iśnienie w wypare. Zapewnienie prawidłowego usuwania w sposób iągły gazów nieskraplająyh ( % w stosunku do pary) umożliwi iągłą realizaję proesu odparowania. Proes ten najekonomizniej realizowany jest w nowozesnyh wyparkah wielodziałowyh. Wrząa para mokra dosyłana z komory grzejnej do separatora jest w nim rozdzielana na iez i parę suhą. Para suha zasila kolejny stopień wyparki, w którym do odparowania w proesie wrzenia iezy w elu jej dalszego zagęszzenia. Jest to możliwe pod warunkiem istnienia niezbędnej dla prawidłowej wymiany iepła różniy temperatur. Jak pokazuje Tabela ałkowita użytezna różnia temperatur wynosi dla przemysłu spożywzego kilkadziesiąt stopni, a dla pozostałyh (przemysł hemizny, itp.) nawet powyżej 00 [ C]. Oznaza to możliwość konstruowania wyparek składająyh się z kilku do kilkudziesięiu stopni odparowania zynnika. W tego typu konstrukjah para z kotła (tzw. para świeża) zasila zęsto tylko I stopień urządzenia, każdy kolejne h -ty stopień zasilany jest oparami powstająymi w stopniu n-. Tak skonstruowane urządzenie deyduje o ekonomiznyh parametrah proesu do odparowania m strumienia zynnika potrzeba w przybliżeniu m p pary świeżej gdzie: n m (9) n m p - ilość stopni wyparki a wzór nie uwzględnia ilośi pary pokrywająej straty energii w proesie.

9 9 Rys. 8. Wyparka pięiostopniowa. 3. Instalaje hłodnize Zmiana fazy zynnika z iekłej na parową i z powrotem jest podstawą działania obiegów hłodnizyh. Odparowująa w wyniku gwałtownego spadku iśnienia w parowniku iez, przehodzi w stan pary nasyonej mokrej, a następnie w stan pary nasyonej suhej. Aby uniknąć niebezpiezeństwa tzw. uderzenia hydrauliznego przed sprężarką para jest przegrzewana o kilka stopni i do sprężarki doprowadzona jest już jako para przegrzana. W obiegah hłodnizyh najzęśiej stosowanymi zynnikami są freony, ale spotyka się też urządzenia praująe na propan-butanie, CO, itp. Lista zagadnień do opanowania.. Stany skupienia i przejśia fazowe (przemiany harakterystyzne) jednorodnyh substanji. Wykres p-t dla wody i innyh substanji.. Izobaryzny proes parowania iezy wielkośi harakteryzująe parę wodną, wykresy T-s oraz i-s. 3. Para mokra, nasyona i przegrzana. 4. Stopień suhośi pary mokrej definija i metody wyznazania. 5. Pomiar parametrów pary przegrzanej. Literatura uzupełniająa:. T.R. Fodemski Pomiary ieplne z.i i II. M. Mieszkowski - Pomiary ieplne i energetyzne 3. T. Bohdal i in. Ćwizenia laboratoryjne z termodynamiki 4. D. Foltańska-Werszko - Teoria systemów ieplnyh. Termodynamika - podstawy. (dostępna on-line)