二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系实验

实验十 二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系实验 一,实验目的

1.了解CO2临界状态的观测方法,增强对临界状态的感性认识.

2.加深对课堂所讲的工质的热力状态,凝结,汽化,饱和状态等基本概念的理解.

3.掌握CO2的p-v-T的关系的测定方法,学会用实验测量气体状态及状态变化规律 的方法和技巧.

4.学会活塞式压力计,恒温器等部分热工仪器的正确使用方法. 二,实验内容

1.测定CO2的p-v-T关系.在p-v坐标图中绘出低于临界温度(t=20℃),临界温度 (t=31.1℃)和高于临界温度(t=50℃)的三条等温曲线,并与标准实验曲线及理论计 算值相比较,分析差异原因.

2.测定CO2在低于临界温度时(t=20℃和t=25℃)饱和温度与饱和压力之间的对应 关系,并与图中绘出的ts - ps曲线比较. 3.观测临界状态 (1)临界乳光.

(2)临界状态附近汽液两相模糊的现象. (3)汽液整体相变现象.

(4)测定CO2的临界参数tc,pc,vc,并将实验所得的vc 值与理想气体状态方程和 范德瓦尔方程的理论值相比较,简述其差异原因. 三,实验设备及原理

1.整个实验装置由压力台,恒温器和实验台本体及其防护罩三大部分组成,如图 10-1所示.

图10-1 CO2实验台系统图

2.实验台本体如图10-2所示,其中1—高压容器;2—玻璃杯;3—压力油;4—水 银;5—密封填料;6—填料压盖;7—恒温水套;8—承压玻璃管;9—CO2空间;10— 温度计.

3.对简单可压缩热力系统,当工质处于平衡状态时,其状态参数p,v,T有: F(p, v, T)=0

或 t=f(p, v) (10-1)

本实验就是根据式(10-1),采用定温方法来测定CO2的p-v关系,从而找出CO2的 p-v-T关系.

4.实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部,迫使水银进入预

先装了CO2气体的承压玻璃管.CO2被压缩,其压力和容积通过压台上的活塞杆的进, 退来调节,温度由恒温器供给的水套里的水温来调节.

5.实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出(如果提高精度可由加 在活塞转盘上的平衡砝码读出,并考虑水银柱高度的修正).温度由插在恒温水套中的 温度计读出.比体积首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来度量,然后再根据承压玻 璃管内径均匀,截面积不变等条件换算得出. 四,实验步骤

1.按图装好实验设备,并开启实验台本体上的日光灯. 2.使用恒温器调定温度

(1)将蒸镏水注入恒温器内,注至离盖3-5cm为止,检查并接通电路,开动电动 泵,使水循环对流.

(2)旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标,使凸标上端面与所要确定

的温度一致,要将帽形磁铁用横向螺钉锁紧,以防转动.

(3)视水温情况,开关加热器,当水温未达到要调定的温度时,恒温器指标灯是 亮的,当指标灯时亮时暗闪动时,说明温度已达到所需恒温.

(4)观察玻璃水套上两支温度计,若其读数相同且与恒温器上的温度计及电接点

温度计标定的温度一致时(或基本一致)则可(近似)认为承压玻璃管内CO2的温度处 于所标定的温度.

(5)当需要改变试验温度时,重复(2)-(4)即可. 3. 加压前的准备:

因为压力台的油缸容量比主容器容量小,需要多次从油杯里抽油,再向主容器充油, 才能在压力表上显示压力读数.压力台抽油,充油的操作过程非常重要,若操作失误, 不但加不上压力还会损坏实验设备,所以务必认真掌握其步骤如下:

(1)关闭压力表及进入本体油路的两个阀门,开启压力台上油杯的进油阀. 图10-2 实验台本体

(2)摇退压力台上的活塞螺杆,直至螺杆全部退出,这时压力台油缸中抽满了油. (3)先关闭油杯前期门,然后开启压力表和进入本体油路的两阀门.

(4)摇进活塞螺杆,经本体充油,如此交复,直至压力表上有压力读数为止.

(5)再次检查油杯阀门是否关好,压力表及本体油路阀门是否开启,即可进行实 验.

4.做实验的原始记录及注意事项 (1)设备数据记录:

仪器:仪表的名称,型号,规格,量程,精度.

(2)常规数据记录:室温,大气压,实验环境情况等. (3)测定承压玻璃管内CO2的质面比常数K值.

由于充进承压管内的CO2质量不便测量,而玻璃管内径或截面积A又不易测准,因

而实验中是采用间接办法来确定CO2的比体积,认为CO2比体积v与其高度是一种线性关 系,具体如下:

a)已知CO2溶液在20℃,10MPa时的比体积v(20℃,10MPa)=0.0017m3/kg b)如前操作,实测本CO2在20℃,10MPa时的CO2液柱高度 h(m)(注意玻璃 水套上刻度的标记方法). c)由a)可知:

∵v(20℃, 10 MPa) m hA

= = kgm/00117.03 ∴)/( 00117.0 3mkgK h A m = =

故任意温度,压力下CO2的比体积为 )/( / 3kgm K h Am h v = =

式中: 0hhh =

h —任意温度,压力下的水银柱高度 h0 —承压玻璃管内径顶端刻度 (4)实验中应注意以下几点:

a)做各条定温线时,实验压力p≤10MPa实验温度t≤50 (℃).

b)一般,取h时压力间隔可取0.2-0.5MPa,但在接近饱的状态时和临界状态时, 压力间隔应取为0.05 MPa.

c)在实验中读取水银柱液面高度的读数时要注意使视线与水银柱半圆型液面的 中部相齐.

5.测定低于临界温度t=20℃时的定温线 (1)将恒温器调到t=20℃并保持恒温.

(2)压力记录从4.5MPa开始,当玻璃管内水银升起来后,应缓慢地摇进活塞螺杆, 保证定温条件,否则来不及平衡,读数不准.

(3)按照适当的压力间隔取h值直至压力p=10MPa.

(4)注意加压后,CO2的变化,特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系,液化, 汽化等现象,要将测得的实验数据观察到的现象一并填入表1. (5)测定t=25℃,t=27℃下饱和温度与饱和压力的对应关系. 6.测定临界等温线和临界参数,临界现象观察

(1)仿照5的方法测出临界等温线,并在该曲线的零点处找出临界压力pc和临界比 体积vc,将数据填入表1. (2)临界现象观察 a)临界乳光现象

保持临界温度不变,摇进活塞杆使压力升至7.8MPa附近处,然后突然摇退活 塞杆(注意勿使实验台本体晃动)降压,在此瞬间玻璃管内将出现圆锥状的乳白色 的闪光现象,这就是临界乳光现象,这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不 均和光的散射所造成的,可以反复几次,来观察这一现象. b)整体相变现象

由于在临界点时,汽化潜热为零,饱的汽线和饱和液线合于一点,所以此时汽

液的相互转变不是象临界温度以下时那样表现为一个渐变的过程,而是当压力稍有 变化,汽,液即以突变的形式相互转化. c)汽,液两相模糊不清现象

处于临界点时CO2是气态还是液态的 如果说它是气体,那么这个气体是接近 于液态的气态;如果说它是液体,那么这个液体又是接近气态的液体.下面就用实

验来证明这个结论.因为这时是处于临界温度下,如果按等温线过程进行来使CO2压 缩或膨胀,那么管内是什么也看不到的.现在我们按绝热过程来进行.首先在压力 等于7.8MPa附近,突然降压,CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区,管内CO2出 现了明显的液面,这就说明,如果这时管内的CO2是气体的话,那么这种气体离液 区很接近,可以说是接近液态的气体;当我们在膨胀之后,突然压缩CO2时,这个 液面又立即消失了,这就告诉我们这时CO2液体离气区也是非常近的,可以说是接 近气态的液体,即此时的CO2既接近气态又接近液态,处于临界点附近.可以这样 说:临界状态下饱和汽,液分不清.这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象. 7.测定高于临界温度t=50℃时的等温线,要将数据填入表1. 表1 CO2等温实验原始记录 t=20℃ t=31.1℃(临界) t=50℃ p(MPa) h K h v

=现象 p(MPa) h K h v

=现象p(MPa) h K h v

=现象 4.5 5 … 10

做出各条等温线所需时间 分钟 分钟 分钟

五,绘制等温曲线并比较

1.按表1的数据,仿照图10-3在p-v图上绘出三条等温线.

2.将实验测得的等温线与图10-3所示的标准等温线比较;并分析之间的差异及原因. 3.将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图10-4绘出的ts-ps曲线相比较. 4.将实验测定的临界比体积vc与理论计算值一并填入表2并分析其间的差异及原因. 图10-3

表2 临界比体积vc[m3/kg] 标准值 实验值

c c cp RT v= c c cp RT v 8 3 =

0.00216

图10-4 CO2饱和温度与饱和压力关系曲线 六,实验报告

1.简述实验原理及过程. 2.各种数据的原始记录. 3.实验结果整理后的图表.

4.分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及原因,分析比较临界比体积的实 验值与标准值及理论计算之间的差异及原因. 5.实验收获及改进意见.

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