水汽化潛熱測(cè)定裝置*

?

水汽化潛熱測(cè)定裝置*

陳玉精顧進(jìn)鋒閔德 / 上海易爾思節(jié)能系統(tǒng)有限公司

摘要介紹了水汽化潛熱測(cè)定裝置的構(gòu)成、工作過(guò)程及數(shù)據(jù)分析。對(duì)經(jīng)過(guò)水汽相變節(jié)能裝置處理前后的水汽化潛熱的測(cè)試表明，水汽相變節(jié)能裝置處理后水的性質(zhì)發(fā)生了變化，從而確定了水汽化潛熱測(cè)定方法的有效性。

關(guān)鍵詞水汽化潛熱；測(cè)定；數(shù)據(jù)分析

0　引言

水汽相變節(jié)能裝置是對(duì)鍋爐給水進(jìn)行處理，從而達(dá)到提高鍋爐效率的一種物理法裝置。經(jīng)處理后的水減少了汽化時(shí)所需要的熱量。因此，測(cè)量并知曉不同壓力下（工業(yè)鍋爐常用的壓力區(qū)段0.1～2.5 MPa）處理后的水的實(shí)際汽化潛熱值，對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)、使用具有重要作用。為此研發(fā)了水汽化潛熱測(cè)定裝置來(lái)測(cè)定水的熱值。

對(duì)液體的汽化潛熱進(jìn)行測(cè)定有多種方法，但歸納起來(lái)可分為三個(gè)大類(lèi)：

一是量熱器法，它是通過(guò)測(cè)定蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量來(lái)間接得到它的汽化潛熱。

二是實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)量溫度和體積測(cè)定水的蒸汽壓，再應(yīng)用克勞修斯-克拉珀龍方程式計(jì)算得到水的汽化熱[1]。該方法比較繁復(fù)，同時(shí)不太適用于測(cè)定各種不同壓力下的汽化熱。

三是直接測(cè)量法，它直接測(cè)量在一定壓力下，液體汽化時(shí)所吸收的實(shí)際熱量，換算成汽化潛熱。該方法對(duì)測(cè)量裝置（絕熱條件、測(cè)量?jī)x表、時(shí)間掌控等）的要求較高。

本裝置采用了用電加熱方法測(cè)量液氮的汽化潛熱方法[2]，并根據(jù)自身的要求進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，吸取了上述三種方法的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了繁復(fù)的計(jì)算處理，是對(duì)測(cè)量水汽化潛熱方法的一個(gè)探索。

1　水汽化潛熱測(cè)定裝置的原理

液體汽化時(shí)，從液體表面上有分子逸出，導(dǎo)致液體質(zhì)量減少，其單位時(shí)間內(nèi)減少的質(zhì)量為M。同時(shí)逸出的分子要克服液體表面分子對(duì)它的吸引力，因而需要做功，則需吸收熱量。這部分單位時(shí)間內(nèi)所需熱量定義為Q。

單位質(zhì)量液體在一定溫度下汽化所吸收的熱量稱(chēng)為汽化潛熱，其計(jì)算式為

r = Q/M

式中：r — 被測(cè)液體的汽化潛熱；

M — 汽化水的質(zhì)量

在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，由電加熱器為液體汽化提供熱量。可以認(rèn)為，電加熱器在絕熱條件下釋放的熱量QI即為液體汽化所需吸收的熱量Q，故有：

Q = QI

電加熱器釋放的熱量

QI= PΔ t

則，r =（PΔ t）/M

式中：P — 實(shí)測(cè)電功率；

Δ t — 加熱時(shí)間

根據(jù)上述計(jì)算公式很容易求出被測(cè)水樣的汽化潛熱r。

2　水汽化潛熱測(cè)定裝置的構(gòu)成

本裝置由絕熱式汽化系統(tǒng)、校核用外掛蒸汽冷卻系統(tǒng)、包含數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算程序及顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成，壓力范圍：0.1～2.5 MPa。

圖1　水汽化潛熱測(cè)定裝置的構(gòu)成

3　工作過(guò)程

3.1工作過(guò)程

1）打開(kāi)針型調(diào)節(jié)閥、電磁閥，使系統(tǒng)與大氣聯(lián)通，將5.5 kg試樣水通過(guò)注水孔注入水汽化室；

2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，進(jìn)入采樣程序；自動(dòng)開(kāi)啟1 000 W電加熱器，根據(jù)加熱需要（所需壓力等）自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，以控制加熱功率；

3）開(kāi)啟冷卻器冷水給排水系統(tǒng)，并保持正常運(yùn)行。在凝結(jié)水出口置放凝結(jié)水容器；

4）觀(guān)察精密壓力表指示，至所需壓力值時(shí)緩慢打開(kāi)針形調(diào)節(jié)閥，并停止在壓力能保持穩(wěn)定的位置；

5）壓力穩(wěn)定且汽化室溫度不再變化后，在凝結(jié)水出水口置放正式接水容器（必須按電腦采樣時(shí)間同步計(jì)時(shí)）；

6）當(dāng)凝結(jié)水計(jì)量達(dá)到2 kg時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉蒸汽出口閥、關(guān)閉切斷加熱電源，計(jì)算機(jī)采樣系統(tǒng)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)停止時(shí)間并保存數(shù)據(jù)。

3.2保證測(cè)定的可靠性

在本系統(tǒng)中，絕熱式汽化系統(tǒng)是主體部件。為避免蒸汽帶水給測(cè)定帶來(lái)無(wú)法控制的誤差，采取以下措施：

1）水汽化室在蒸汽空間設(shè)置了正反兩個(gè)葉柵來(lái)分離蒸汽中的液滴，并以擴(kuò)散室降低蒸汽的流速來(lái)避免蒸汽帶水。

2）通過(guò)調(diào)節(jié)針形調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度保證蒸汽管道的流速小于9.6 m/s。飽和蒸汽在管徑小于100 mm時(shí)的推薦流速為15～30 m/s，本裝置的實(shí)際蒸汽流速遠(yuǎn)低于推薦流速。由此推斷，蒸汽帶水率可以控制在0.3%以下。

蒸汽流速公式：

式中：d — 管道內(nèi)徑，m；

ms— 蒸汽流量，kg/h；

υ — 蒸汽流速，m/s；

V — 比容，m3/kg

實(shí)際裝置管徑DN8 mm；實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)蒸汽流量1.04 kg/h；查飽和蒸汽參數(shù)表得到，在0.1 MPa時(shí)，比容 1.67 m3/kg。計(jì)算結(jié)果9.6 m/s。

汽化室外敷設(shè)80 mm的硅酸鋁保溫棉+不銹鋼外殼，在正常工作期間外殼溫升小于2 K。

為防止測(cè)量水樣汽化質(zhì)量的質(zhì)量傳感器漂移而造成的誤差，系統(tǒng)外掛了一套蒸汽凝結(jié)水稱(chēng)量裝置來(lái)校核汽化量。

4　研制遇到的主要問(wèn)題

1）裝置制作初期，由于保溫材料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致裝置外殼溫升過(guò)快，實(shí)驗(yàn)失敗。重新制作后，實(shí)測(cè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫升小于2 K。

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)，時(shí)有波動(dòng)。后經(jīng)反復(fù)檢查，發(fā)現(xiàn)是蒸汽出口閥（電磁閥）不能完全關(guān)斷。后重新更換，解決之。

5　數(shù)據(jù)處理方法

汽化室內(nèi)的待測(cè)定水吸收電加熱器釋放的熱量，溫度升至飽和溫度后進(jìn)行汽化。在加熱功率恒定的條件下，質(zhì)量傳感器輸出的電壓隨時(shí)間增加而減少（水汽化后的質(zhì)量減少）。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集了時(shí)間參數(shù)t；壓力參數(shù)p；待測(cè)定水樣進(jìn)汽化室溫度θ1；飽和溫度θ2；單位時(shí)間內(nèi)待測(cè)定水樣的減少量M（重力感應(yīng)器）；電加熱器的加熱量Q（電流I、電壓U及導(dǎo)出電功率P）。

與此同時(shí)，通過(guò)外掛的冷卻系統(tǒng)，獲得了凝結(jié)水的質(zhì)量，作為一個(gè)原始的、直觀(guān)的校核手段來(lái)保證測(cè)定的可靠性。同時(shí)通過(guò)輸出接口導(dǎo)入計(jì)算機(jī)與重力感應(yīng)器比對(duì)，兩者誤差大于2%則測(cè)定數(shù)據(jù)無(wú)效。

為排除水未到飽和溫度前的蒸發(fā)帶來(lái)的影響，所取的測(cè)定有效數(shù)據(jù)區(qū)間定義為：從測(cè)定開(kāi)始采集的數(shù)據(jù)中，截取飽和溫度恒定1 min后至試驗(yàn)結(jié)束期間的數(shù)值。

數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)定為 5 s 刷新一次，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)定結(jié)束后可按表1整理，并獲得測(cè)定水樣的汽化潛熱，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

6　結(jié)語(yǔ)

測(cè)定水汽相變節(jié)能裝置處理前后水汽化潛熱的實(shí)驗(yàn)表明，處理后的水性質(zhì)發(fā)生了變化，從而驗(yàn)證了水汽化潛熱測(cè)定原理及其理論分析，也從側(cè)面反映了所研制設(shè)計(jì)的水汽化潛熱裝置測(cè)定水汽化潛熱的有效性。綜上所述，通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)水汽相變節(jié)能裝置處理的水和未經(jīng)過(guò)水汽相變節(jié)能裝置的水的汽化潛熱測(cè)定，兩者比較的結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)水汽相變節(jié)能裝置處理過(guò)的水的性質(zhì)發(fā)生了變化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 雄，冉光德，王黎智，等.水的汽化熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理, 1998, 17:32-34.

[2] 汪六九，何春娟，王云用，等.電加熱方法測(cè)量液氮的汽化潛熱[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2010，01：37-39.

A testing device for latent heat of water vaporization

Chen Yujing, Gu Jinfeng, Min De

（Shanghai Yiersi energy systems Ltd.）

Abstract:The composition, working process and data analysis of a testing device for latent heat of water vaporization were introduced. The testing results before and after treatment by the water vapor phase chang energy saving device showed that the latent heat of water vaporization changed after treatment, and determined the validity of the measuring method of the latent heat of water vaporization

Key word: latent heat of water vaporization; determination; data analysis

*基金項(xiàng)目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目（13dz1201702）