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水汽化潛熱測定裝置*

陳玉精顧進鋒閔德 / 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定裝置的構(gòu)成、工作過程及數(shù)據(jù)分析。對經(jīng)過水汽相變節(jié)能裝置處理前后的水汽化潛熱的測試表明，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定方法的有效性。

關(guān)鍵詞水汽化潛熱；測定；數(shù)據(jù)分析

0　引言

水汽相變節(jié)能裝置是對鍋爐給水進行處理，從而達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所需要的熱量。因此，測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）處理后的水的實際汽化潛熱值，對鍋爐設(shè)計、使用具有重要作用。為此研發(fā)了水汽化潛熱測定裝置來測定水的熱值。

對液體的汽化潛熱進行測定有多種方法，但歸納起來可分為三個大類：

一是量熱器法，它是通過測定蒸汽凝結(jié)時放出的熱量來間接得到它的汽化潛熱。

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

三是直接測量法，它直接測量在一定壓力下，液體汽化時所吸收的實際熱量，換算成汽化潛熱。該方法對測量裝置（絕熱條件、測量儀表、時間掌控等）的要求較高。

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

1　水汽化潛熱測定裝置的原理

液體汽化時，從液體表面上有分子逸出，導(dǎo)致液體質(zhì)量減少，其單位時間內(nèi)減少的質(zhì)量為M。同時逸出的分子要克服液體表面分子對它的吸引力，因而需要做功，則需吸收熱量。這部分單位時間內(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為汽化潛熱，其計算式為

r = Q/M

式中：r — 被測液體的汽化潛熱；

M — 汽化水的質(zhì)量

在這個系統(tǒng)內(nèi)，由電加熱器為液體汽化提供熱量?？梢哉J(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 — 實測電功率；

Δ t — 加熱時間

根據(jù)上述計算公式很容易求出被測水樣的汽化潛熱r。

2　水汽化潛熱測定裝置的構(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)采集與運算程序及顯示存儲數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)三個部分構(gòu)成，壓力范圍：0.1～2.5 MPa。

圖1　水汽化潛熱測定裝置的構(gòu)成

3　工作過程

3.1工作過程

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

2）啟動計算機，進入采樣程序；自動開啟1 000 W電加熱器，根據(jù)加熱需要（所需壓力等）自動調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，以控制加熱功率；

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

4）觀察精密壓力表指示，至所需壓力值時緩慢打開針形調(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（必須按電腦采樣時間同步計時）；

6）當(dāng)凝結(jié)水計量達到2 kg時，自動關(guān)閉蒸汽出口閥、關(guān)閉切斷加熱電源，計算機采樣系統(tǒng)自動記錄實驗停止時間并保存數(shù)據(jù)。

3.2保證測定的可靠性

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定帶來無法控制的誤差，采取以下措施：

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

2）通過調(diào)節(jié)針形調(diào)節(jié)閥的開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時的推薦流速為15～30 m/s，本裝置的實際蒸汽流速遠低于推薦流速。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

實際裝置管徑DN8 mm；實際實驗數(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，比容 1.67 m3/kg。計算結(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)水稱量裝置來校核汽化量。

4　研制遇到的主要問題

1）裝置制作初期，由于保溫材料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致裝置外殼溫升過快，實驗失敗。重新制作后，實測整個實驗過程中溫升小于2 K。

2）實驗過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)，時有波動。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)的待測定水吸收電加熱器釋放的熱量，溫度升至飽和溫度后進行汽化。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)采集了時間參數(shù)t；壓力參數(shù)p；待測定水樣進汽化室溫度θ1；飽和溫度θ2；單位時間內(nèi)待測定水樣的減少量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，通過外掛的冷卻系統(tǒng)，獲得了凝結(jié)水的質(zhì)量，作為一個原始的、直觀的校核手段來保證測定的可靠性。同時通過輸出接口導(dǎo)入計算機與重力感應(yīng)器比對，兩者誤差大于2%則測定數(shù)據(jù)無效。

為排除水未到飽和溫度前的蒸發(fā)帶來的影響，所取的測定有效數(shù)據(jù)區(qū)間定義為：從測定開始采集的數(shù)據(jù)中，截取飽和溫度恒定1 min后至試驗結(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，并存儲于計算機數(shù)據(jù)庫。測定結(jié)束后可按表1整理，并獲得測定水樣的汽化潛熱，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1　實測數(shù)據(jù)

6　結(jié)語

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

參考文獻：

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

[2] 汪六九，何春娟，王云用，等.電加熱方法測量液氮的汽化潛熱[J]. 物理實驗，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

*基金項目：上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目（13dz1201702）