LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Transkrypt

1 LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ INSTRUKCJA LABORATORYJNA Temat ćwiczenia TE-9 BADANIE PARAMETRÓW KRZYWEJ NASYCENIA DLA WODY

2 1. WPROWADZENIE TEORETYCZNE Każde ciało może występować w postaci stałej, ciekłej i gazowej [1]. Każdą z tych postaci nazywamy stanem skupienia. W stanie gazowym, odległości pomiędzy poszczególnymi drobinami są duże w związku z czym siły wzajemnego oddziaływania są małe i drobiny mogą swobodnie przemieszczać się wypełniając dostępną objętość. Przy dostatecznie wysokim ciśnieniu i niskiej temperaturze, odległości pomiędzy drobinami maleją i zwiększają się siły wzajemnego oddziaływania do tego stopnia, że drobiny tracą zdolność swobodnego poruszania się. Następuje przejście w stan ciekły w którym substancja łatwo zmienia kształt ale przeciwstawia się zmianom objętości. W miarę obniżania się temperatury intensywność cieplnych ruchów drobin zmniejsza się i zwiększa się lepkość cieczy. W dostatecznie niskiej temperaturze drobiny tracą zdolność przemieszczania się ciecz przechodzi w stan stały. Zmiana stanu skupienia substancji jednorodnych przy ustalonym ciśnieniu odbywa się w ściśle określonej i stałej temperaturze. Dla każdego chemicznie jednorodnego ciała można w układzie współrzędnych p-t wyróżnić trzy obszary: obszar stanu stałego, ciekłego i gazowego. Obszary te są ograniczone krzywymi przejścia : krzywą parowania (skraplania), topnienia (krzepnięcia) i sublimacji (resublimacji), rys. 1. Krzywe przejścia określają zależność pomiędzy temperaturą a ciśnieniem w procesach zmiany stanu skupienia. W punktach położonych na krzywych przejścia mogą obok siebie współistnieć w równowadze termodynamicznej dwie sąsiadujące z sobą fazy rozważanej substancji. Krzywa przejścia pomiędzy fazą gazową i ciekłą (krzywa parowania lub skraplania) nasi nazwę krzywej nasycenia i będzie przedmiotem badania w niniejszym ćwiczeniu. Krzywe przejścia spotykają się w punkcie zwanym punktem potrójnym Tr w którym mogą obok siebie istnieć w równowadze termodynamicznej trzy fazy: stała, ciekła i gazowa. Rys. 1. Krzywe przemian fazowych substancji jednorodnych [1] 1->2 przejście od stanu stałego do gazowego poprzez stan ciekły 3->4 przejście od stanu gazowego do ciekłego I->II przejście od stanu stałego bezpośrednio do gazowego (sublimacja), kierunek przeciwny-resublimacja Przy izobarycznym podgrzewaniu ciała stałego pod ciśnieniem wyższym od ciśnienia punktu potrójnego (linia 1-2 rys.1) następuje najpierw topnienia ciała, a następnie po dalszym podgrzewaniu cieczy do dostatecznie wysokiej temperatury rozpoczyna się proces parowania. Moment rozpoczęcia procesu parowania (powstanie pierwszego pęcherzyka pary) nosi nazwę punktu pęcherzyków, a ten sam punkt, ale osiągnięty przy ochładzaniu pary, w którym wykrapla się pierwsza kropla cieczy nosi nazwę punktu rosy. Krzywa parowania (krzywa nasycenia) rozpoczyna się w punkcie potrójnym, a kończy w punkcie krytycznym. Dalsze podgrzewanie pary otrzymanej na linii parowania prowadzi do Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody,

3 przegrzania pary. W efekcie otrzymuje się parę przegrzaną czyli gaz. Gaz można skroplić. Należy w tym celu tak zmienić jego parametry termiczne (ciśnienie, temperaturę) aby wejść w obszar cieczy, rys. 1. Można to osiągnąć przez izobaryczne ochładzanie pod ciśnieniem niższym od ciśnienia krytycznego, a wyższym od ciśnienia w punkcie potrójnym (np. przejście wzdłuż linii 2-1, rys. 1) lub gaz sprężyć izotermicznie przy temperaturze niższej od krytycznej (rys. 1, z punktu 2 w górę w kierunku punktu 4). Przy ciśnieniu wyższym od ciśnienia krytycznego zanika proces parowania (wrzenia). Kotły w nowoczesnych elektrowniach parowych o parametrach nadkrytycznych (ciśnieniu nadkrytycznym), stosowane we współczesnej energetyce w zasadzie nie są już kotłami parowymi, ponieważ nie zachodzi w nich proces parowania, a jedynie podgrzewania. Poniżej podano parametry w charakterystycznych punktach krzywej parowania dla wody. Punkt potrójny Punkt krytyczny Ciśnienie, Pa Temperatura, K/ o C Ciśnienie, MPa Temperatura, K/ o C 611,2 273,16/ 0,01 22, ,27/ 374,12 2. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: a) Zapoznanie się z konstrukcją i budową urządzenia do badania parametrów krzywej nasycenia, b) Wyznaczenie parametrów dla krzywej nasycenia dla wody. 3. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO 3.1. Opis stanowiska Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 2. Głównym elementem jest zaizolowany cieplnie zbiornik 7 w którym umieszczona jest grzałka elektryczna 2. Urządzenie to nosi nazwę kotła Marceta. Zbiornik ma zainstalowane dwa zawory, 1-służący do opróżniania zbiornika z wody i zawór przelewowy 3-służący do kontroli stanu jego napełnienia. Napełnianie zbiornika odbywa się przez otwór 6 zaślepiany na stałe śrubą. Do zbiornika podłączony jest manometr ciśnienia bezwzględnego 8, natomiast w wodzie zanurzona jest tulejka pomiarowa w której znajduje się czujnik Pt-100 do pomiaru temperatury. Wartość temperatury wyświetlana jest na panelu wskaźnika 11. Włącznik 9 służy do załączania i wyłączania stanowiska natomiast włącznik 9 służy do załączania lub wyłączania zasilania grzałek, stosownie do potrzeb. Otwór 6 (zamknięty śrubą) służy do okresowego napełniania zbiornika wodą. Zawory 1 i 3 używane są do obsługi serwisowej stanowiska i nie mogą być używane w czasie ćwiczenia. Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody,

4 Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego 1-zawór spustowy, 2-grzałka elektryczna, 3-zawór przelewowy, 4-czujnik temperatury, 5-zawór bezpieczeństwa, 6-korek do napełniania zbiornika, 7-kocioł wraz z płaszczem izolacyjnym, 8-manometr ciśnienia bezwzględnego, 9-włącznik/wyłącznik główny, 10-włącznik/wyłącznik grzałki, 11-wskaźnik wartości temperatury 3.2. Opis działania stanowiska Woda znajdująca się z zbiorniku jest podgrzewana za pomocą grzałki 2. Jeżeli z przestrzeni nad powierzchnią wody jest usunięte powietrze, a temperatura jest w całej przestrzeni wyrównana, to para wypełniająca przestrzeń jest parą nasyconą. Przy załączeniu grzałki i podgrzewaniu nastąpi wzrost temperatury i równocześnie ciśnienia, ponieważ nastąpi częściowe odparowanie wody. Przy założeniu wyrównania się temperatury w całej objętości wody i pary, odpowiadające sobie wartości temperatury i ciśnienia będą parametrami opisującymi krzywą nasycenia. Temperatura odpowiadająca danemu ciśnieniu nosi nazwę temperatury nasycenia, natomiast ciśnienie odpowiadające danej temperaturze nosi nazwę ciśnienia nasycenia Uwagi dotyczące bezpiecznej eksploatacji stanowiska a) W czasie eksperymentu, gdy woda w zbiorniku jest nagrzana i manometr wskazuje ciśnienie bezwzględne wyższe niż 1,0 MPa, pod żadnym pozorem nie wolno otwierać zaworów 1 lub 3, ponieważ w tym przypadku nastąpi gwałtowny wypływ gorącej wody lub pary przez zawór. Grozi to poparzeniem. b) Gdy stanowisko jest ochłodzone do temperatury otoczenia, a zawór 3 jest zamknięty, manometr powinien wskazywać ciśnienie bezwzględne zbliżone do 0,0. Nie należy wówczas otwierać zaworu żadnego z zaworów, ponieważ nastąpiłoby w tym przypadku zapowietrzenie stanowiska przez zassanie powietrza do wnętrza zbiornika. Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody,

5 3.4. Dane techniczne stanowiska, zalecenia serwisowe Pojemność zbiornika wodnego 1,98 l, Maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze: 1,6 MPa, Ciśnienie otwarcia się zaworu bezpieczeństwa: 2,0 MPa, Zakres roboczy temperatury: o C, Moc grzałki elektrycznej: 2 kw, Rodzaj czujnika temperatury: Pt 100. a) W czasie pomiarów zbiornik stanowiska powinien być odpowietrzony, ponieważ tylko wtedy otrzyma się poprawne wyniki pomiarów. b) Odpowietrzanie zbiornika przeprowadza się przez nagrzanie wody w zbiorniku powyżej 100 o C (manometr powinien wskazywać ciśnienie bezwzględne wyższe od 0,1 MPa) i otwarcie na krótką chwilę zaworu 3, a następnie zamknięcie przed momentem obniżenia się ciśnienia do poziomu ciśnienia atmosferycznego. Czynność tę można powtórzyć. Każde odpowietrzanie związane jest z ubytkami wody w zbiorniku, w związku z tym należy okresowo uzupełniać jej poziom. W miarę możliwości należy ograniczać częstotliwość zabiegów odpowietrzania. c) Zbiornik stanowiska powinien być napełniony całkowicie wodą w czasie eksperymentu. d) Do uzupełniania poziomu wody stosować tylko wodę destylowaną. e) Odkręcając korek 6 celem uzupełnienia poziomu wody należy wcześniej bezwzględnie odprężyć zbiornik otwierając zawór 3. f) Należy kontrolować stan techniczny miedzianej uszczelki znajdującej się pod korkiem 6, w razie uszkodzenia wymienić na nową. g) Na końcówkę wylotową z zaworu bezpieczeństwa powinien być nałożony odcinek węża gumowego, a koniec powinien być zabezpieczony przed swobodnym przemieszczaniem się w razie wylotu gorącej pary. 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA I WIELKOŚCI MIERZONE a) Na początku uczestnicy ćwiczenia zapoznają się z budową i działaniem stanowiska, lokalizacją poszczególnych zaworów i aparatury pomiarowej. b) Włączyć włącznikiem głównym zasilanie stanowiska. Odczytać wartość ciśnienia i temperatury, zanotować odczytane wartości. Jeżeli wartości te odpowiadają wartościom z krzywej nasycenia, to oznacza to, że zbiornik kotła nie jest zapowietrzony. c) Wyspecyfikować wartości ciśnień dla których będzie odczytywana temperatura. d) Włączyć grzałkę kotła i obserwować wzrost ciśnienia i temperatury. Ze względu na bezwładność cieplną tulejki w której znajduje się czujnik temperatury i jej wolniejsze nagrzewanie się, wskazania temperatury będą na ogół nieco zaniżone. Aby poprawić jakość pomiaru należy odczekać aż ciśnienie nieco przekroczy zadaną wartość, a następnie wyłączyć grzałkę. Następnie odczekać, aż ciśnienie obniży się do pożądanej wartości, odczytać i zanotować wartość temperatury i ciśnienia. e) Włączyć grzałkę o powtórzyć opisaną wyżej operację celem osiągnięcia kolejnej zadanej wartości ciśnienia. Wielkościami mierzonymi są parametry termiczne pary mokrej znajdującej się w zbiorniku kotła temperatura i ciśnienie. Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody,

6 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW 5.1. Opracowanie wyników pomiarów Opracowanie wyników pomiarów sprowadza się do porównania wyników pomiarów z danymi tablicowymi. a) Wyniki porównania zestawić w tablicy podając wartość zmierzoną i tablicową temperatury nasycenia oraz odchylenie obu wartości. Skomentować wyniki porównania. b) Wprowadzić dane do arkusza kalkulacyjnego EXCEL i dobrać rodzaj krzywej (wielomian, zależność wykładnicza i inne), wyznaczyć współczynnik korelacji dla każdego rodzaju krzywej (będący miarą dopasowanie krzywej do zbioru punktów), znaleźć równanie które najlepiej dopasowuje się do posiadanego zbioru punktów Sporządzenie sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: a) Krótkie wprowadzenie teoretyczne b) Krótki opis stanowiska pomiarowego c) Opis pomiarów. d) Wyniki pomiarów. e) Porównanie wyników pomiarów z danymi tablicowymi dotyczącymi pary wodnej. f) Wnioski, spostrzeżenia i uwagi końcowe. Literatura cytowana i uzupełniająca [1] Szargut J.: Termodynamika techniczna. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice, Opracował: Dr inż. Tadeusz Kruczek Kruczek T.: TE-9, Badanie parametrów krzywej nasycenia dla wody,