Ćwiczenie nr 3. Wyznaczanie współczynnika Joule a-thomsona wybranych gazów rzeczywistych.

Transkrypt

1 Termodynamika II ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczanie wsółczynnika Joule a-tomsona wybranyc gazów rzeczywistyc. Miejsce ćwiczeń: Laboratorium Tecnologii Gazowyc Politecniki Poznańskiej -Hala 9/7 Osoby rowadzące: Dr inŝ. Zofia Figas, Mgr inŝ. Jan Cmielewski

2 . Cel ćwiczenia W niniejszym ćwiczeniu zajmujemy się omiarem części właściwości termodynamicznyc gazów rzeczywistyc. Jedną z tyc właściwości i jednocześnie celem ćwiczenia jest wyznaczenie wsółczynnika Joule a-tomsona dla oszczególnyc badanyc gazów. 2. Ois zagadnienia Wsółczynnik Joule a-tomsona wyznaczymy na odstawie obserwacji efektu Joule a-tomsona, który olega na obniŝaniu temeratury rzeczywistego rzy izentalowym dławieniu. Wsółczynnik ten oisuje oniŝszy wzór: T v T T T µ = = = lim dla P 0 () P C P określający zmianę temeratury (dt) rzy zmianie ciśnienia (dp) w rzemianie izentalowej. Dla doskonałego wsółczynnik µ i jest równy zeru. Natomiast dla rzeczywistego moŝe on rzyjmować nastęujące wartości: a) µ > 0, gdy T > v (2) T b) µ < 0, gdy T < v (3) T c) µ = 0, gdy T = v (4) T W rzyadku trzecim unkt w którym zacodzi wartość µ i =0 nazywamy unktem inwersji. Punkt krytyczny K jest zdefiniowany: ( / V) T=T c = 0 ( 2 / V 2 ) T=T c = 0 (5) czyli w unkcie krytycznym nie ma róŝnicy między ciśnieniem, objętością i temeraturą fazy gazowej i ciekłej; oznacza to Ŝe nie ma róŝnicy faz. Dlatego moŝemy naisać: T = Tc P = Pc Vm = Vm,c Z = V m /(MR)T= + B M (T) ρ m +C(T) ρ m (6) Powyzsze równanie jest równaniem wirialnym na wsółczynnik ścisliwości Z gdzie: (MR) = 8,34 J/mol/K B, C,... stałe, oznaczają drugi, trzeci it. wsółczynniki wirialne Z - wsółczynnik ściśliwości Dla większości zastosowań tecnicznyc moŝna stosować równanie tylko z drugim wsółczynnikiem, czyli B:

3 stąd równanie [6] rzyjmie ostać: B = b (0) +b () T+b (2) T 2 [m 3 /kmol] Z = + (b (0) +b () T+b (2) T 2 ) ρ m (7) b (0) b () b (2) CH4-0,29867,33425 x 0-3 -,5976 x 0-6 CO2-0, ,0375 x ,657 x Ois stanowiska Do realizacji ćwiczenia osłuŝy nam secjalnie zarojektowane stanowisko, którego rysunek jest rzedstawiony oniŝej. Interesujący nas efekt Joule a-tomsona uzyskujemy dzięki załoŝonej omiędzy kołnierze zwęŝce o średnicy otworu 2 mm. Przeływający rzez rurkę o średnicy 3/4 badany gaz, ulega rozręŝeniu o rzejściu rzez zwęŝkę. Efekt ten obserwujemy na odstawie odczytu róŝnicy wartości ciśnienia i temeratury rzed i za zwęŝką omiarową. Rurka na badanym odcinku jest umieszczona w zaizolowanej termicznie obudowie. Do izolacji termicznej stanowiska uŝyto ziarenka erlitu eksandowanego, którego wsółczynnik rzewodzenia cieła λ waa się w granicac 0,045-0,059 W/mK. Źródłem badanyc gazów są butle tecniczne zawierające metan (CH 4 ) oraz dwutlenek węgla (CO 2 ). Do omiaru ciśnienia uŝyto manometry o zakresie od do +9 bar i klasie omiaru 0,6. Temeraturę odczytuje się za omocą czujnika temeratury PT 00. PT 00 Manometr Manometr 2 PT 00 Reduktory Zawór Licznik Wylot Obudowa z izolacją Kołnierz ZwęŜka CH 4 CO 2 Rys. Scemat stanowiska do omiaru wsółczynnika Joule a-tomsona

4 4. Przebieg ćwiczenia W ćwiczeniu naleŝy dokonać omiaru sadku temeratury w funkcji ciśnienia dla odanyc gazów rzeczywistyc. Nastęnie z otrzymanyc omiarów naleŝy obliczyć wsółczynnik Joule a-tomsona, cieło otrzebne do ogrzania stacji redukcyjnej oraz wsółczynnik ściśliwości. 5. Zagadnienia obowiązujące Własności termodynamiczne i równania gazów rzeczywistyc: Punkt krytyczny, wsółczynnik ściśliwości, wykresy PV. RozręŜanie gazów. 6. Literatura: I. Tuliszka Edmund Termodynamika tecniczna, PWN 978 II. Szargut Jan Termodynamika tecniczna, WPS 2000 II. Przebieg ćwiczenia Wsółczynnik Joule a-tomsona carakteryzuje stoień obniŝenia temeratury gazów na skutek sadku ciśnienia na zwęŝce/reduktorze i wywołanym nim obniŝeniem temeratury t.. Wsółczynnik ten moŝemy obliczyć ze wzoru: T = µ = f ( ) T, 2. Gęstości badanyc gazów ρ R (rzed reduktorem) oraz, ρ Z (rzed zwęŝką) dla warunków (P max,t) obliczamy korzystając ze wzoru: P [Pa] ρ m = [kmol/m 3 P [Pa] M ] ; ρ = [kg/m 3 ] R T [K] R T [K] gdzie: R = 834 [J/kmolK] uniwersalna stała gazowa Do wyznaczenia wsółczynnika ściśliwości korzystamy ze wzoru: oraz: Z P = ρ R T Z = + B m ρ m +C m ρ 2 m gdzie: B m = b (0) +b () T +b (2) T 2 [m 3 /kmol] C m = c (0) +c () T +c (2) T 2 [m 6 /kmol 2 ] b (0) b () b (2) c (0) c () c (2) CH 4-0,29867,33425 x 0-3 -,5976 x 0-6 9,2726 x0-3 -3,763x 0-5 4,93 x 0-8 CO 2-0, ,0375 x ,657 x 0-6 2,05 x0-3 3,488x ,37 x 0-8

5 3. Ilość cieła otrzebnego do ogrzewania rzed na rzykład stacją redukcyjną obliczamy według: Q = m& CP ( T) [W] c - cieło właściwe od stałym ciśnieniem odowiednio dla metanu i dwutlenku węgla m strumień masy [kg/s] MoŜemy rzyjąć odowiednio: CH 4 CO 2 Cieło właściwe C [kj/kgk] 2,235,292 Masę znajdującego się w butli obliczymy: V B ojemność butli [m 3 ] m = ρ R V B

6 Politecnika Poznańska Katedra Tecniki Cielnej Laboratorium z termodynamiki II, ćwiczenie nr 3 Temat ćwiczenia: Wyznaczanie wsółczynnika Joule a-tomsona wybranyc gazów rzeczywistyc Imię i nazwisko Grua Semestr/rok akademicki Prowadzący Data wykonania ćwiczenia/godz. Ocena Zadania do wykonania:. Wyznaczyć wsółczynnik Joule a-tomsona dla metanu oraz dwutlenku węgla. 2. Obliczyć własności badanyc gazów. Tabela omiarowa dla CH 4 Na zwęŝce L T [ C] T 2 [ C] T P [bar] P 2 [bar] P µ v [m 3 /] Na reduktorze T [ C] T 2 [ C] T P [bar] P 2 [bar] P µ v [m 3 /] Obliczone własności Przed zwęŝką Przed reduktorem Gęstość ρ Z = [kg/m 3 ] ρ R = [kg/m 3 ] Wsółczynnik ściśliwości Z Z = Z R = Ilość cieła Q Z = [W] Q R = [W] Pojemność butli V = [m 3 ] Masa w butli m = [kg] Tabela omiarowa dla CO 2 Na zwęŝce L T [ C] T 2 [ C] T P [bar] P 2 [bar] P µ v [m 3 /] Na reduktorze T [ C] T 2 [ C] T P [bar] P 2 [bar] P µ v [m 3 /] Obliczone własności Przed zwęŝką Przed reduktorem Gęstość ρ Z = [kg/m 3 ] ρ R = [kg/m 3 ] Wsółczynnik ściśliwości Z Z = Z R = Ilość cieła Q Z = [W] Q R = [W] Pojemność butli V = [m 3 ] Masa w butli m = [kg] Ciśnienie atmosferyczne P A =