水汽化潜热测定装置*



水汽化潜热测定装置*

陈玉精顾进锋闵德 / 上海易尔思节能系统有限公司

摘要介绍了水汽化潜热测定装置的构成、工作过程及数据分析。对经过水汽相变节能装置处理前后的水汽化潜热的测试表明，水汽相变节能装置处理后水的性质发生了变化，从而确定了水汽化潜热测定方法的有效性。

关键词水汽化潜热；测定；数据分析

0　引言

水汽相变节能装置是对锅炉给水进行处理，从而达到提高锅炉效率的一种物理法装置。经处理后的水减少了汽化时所需要的热量。因此，测量并知晓不同压力下（工业锅炉常用的压力区段0.1～2.5 MPa）处理后的水的实际汽化潜热值，对锅炉设计、使用具有重要作用。为此研发了水汽化潜热测定装置来测定水的热值。

对液体的汽化潜热进行测定有多种方法，但归纳起来可分为三个大类：

一是量热器法，它是通过测定蒸汽凝结时放出的热量来间接得到它的汽化潜热。

二是实验方法，通过测量温度和体积测定水的蒸汽压，再应用克劳修斯-克拉珀龙方程式计算得到水的汽化热[1]。该方法比较繁复，同时不太适用于测定各种不同压力下的汽化热。

三是直接测量法，它直接测量在一定压力下，液体汽化时所吸收的实际热量，换算成汽化潜热。该方法对测量装置（绝热条件、测量仪表、时间掌控等）的要求较高。

本装置采用了用电加热方法测量液氮的汽化潜热方法[2]，并根据自身的要求进行了开发设计，吸取了上述三种方法的优点，摒弃了繁复的计算处理，是对测量水汽化潜热方法的一个探索。

1　水汽化潜热测定装置的原理

液体汽化时，从液体表面上有分子逸出，导致液体质量减少，其单位时间内减少的质量为M。同时逸出的分子要克服液体表面分子对它的吸引力，因而需要做功，则需吸收热量。这部分单位时间内所需热量定义为Q。

单位质量液体在一定温度下汽化所吸收的热量称为汽化潜热，其计算式为

r = Q/M

式中：r — 被测液体的汽化潜热；

M — 汽化水的质量

在这个系统内，由电加热器为液体汽化提供热量。可以认为，电加热器在绝热条件下释放的热量QI即为液体汽化所需吸收的热量Q，故有：

Q = QI

电加热器释放的热量

QI= PΔ t

则，r =（PΔ t）/M

式中：P — 实测电功率；

Δ t — 加热时间

根据上述计算公式很容易求出被测水样的汽化潜热r。

2　水汽化潜热测定装置的构成

本装置由绝热式汽化系统、校核用外挂蒸汽冷却系统、包含数据采集与运算程序及显示存储数据的计算机系统三个部分构成，压力范围：0.1～2.5 MPa。

图1　水汽化潜热测定装置的构成

3　工作过程

3.1工作过程

1）打开针型调节阀、电磁阀，使系统与大气联通，将5.5 kg试样水通过注水孔注入水汽化室；

2）启动计算机，进入采样程序；自动开启1 000 W电加热器，根据加热需要（所需压力等）自动调节调压器的输出电压，以控制加热功率；

3）开启冷却器冷水给排水系统，并保持正常运行。在凝结水出口置放凝结水容器；

4）观察精密压力表指示，至所需压力值时缓慢打开针形调节阀，并停止在压力能保持稳定的位置；

5）压力稳定且汽化室温度不再变化后，在凝结水出水口置放正式接水容器（必须按电脑采样时间同步计时）；

6）当凝结水计量达到2 kg时，自动关闭蒸汽出口阀、关闭切断加热电源，计算机采样系统自动记录实验停止时间并保存数据。

3.2保证测定的可靠性

在本系统中，绝热式汽化系统是主体部件。为避免蒸汽带水给测定带来无法控制的误差，采取以下措施：

1）水汽化室在蒸汽空间设置了正反两个叶栅来分离蒸汽中的液滴，并以扩散室降低蒸汽的流速来避免蒸汽带水。

2）通过调节针形调节阀的开度保证蒸汽管道的流速小于9.6 m/s。饱和蒸汽在管径小于100 mm时的推荐流速为15～30 m/s，本装置的实际蒸汽流速远低于推荐流速。由此推断，蒸汽带水率可以控制在0.3%以下。

蒸汽流速公式：

式中：d — 管道内径，m；

ms— 蒸汽流量，kg/h；

υ — 蒸汽流速，m/s；

V — 比容，m3/kg

实际装置管径DN8 mm；实际实验数据蒸汽流量1.04 kg/h；查饱和蒸汽参数表得到，在0.1 MPa时，比容 1.67 m3/kg。计算结果9.6 m/s。

汽化室外敷设80 mm的硅酸铝保温棉+不锈钢外壳，在正常工作期间外壳温升小于2 K。

为防止测量水样汽化质量的质量传感器漂移而造成的误差，系统外挂了一套蒸汽凝结水称量装置来校核汽化量。

4　研制遇到的主要问题

1）装置制作初期，由于保温材料选择不当，导致装置外壳温升过快，实验失败。重新制作后，实测整个实验过程中温升小于2 K。

2）实验过程中发现数据不稳，时有波动。后经反复检查，发现是蒸汽出口阀（电磁阀）不能完全关断。后重新更换，解决之。

5　数据处理方法

汽化室内的待测定水吸收电加热器释放的热量，温度升至饱和温度后进行汽化。在加热功率恒定的条件下，质量传感器输出的电压随时间增加而减少（水汽化后的质量减少）。因此，数据采集系统采集了时间参数t；压力参数p；待测定水样进汽化室温度θ1；饱和温度θ2；单位时间内待测定水样的减少量M（重力感应器）；电加热器的加热量Q（电流I、电压U及导出电功率P）。

与此同时，通过外挂的冷却系统，获得了凝结水的质量，作为一个原始的、直观的校核手段来保证测定的可靠性。同时通过输出接口导入计算机与重力感应器比对，两者误差大于2%则测定数据无效。

为排除水未到饱和温度前的蒸发带来的影响，所取的测定有效数据区间定义为：从测定开始采集的数据中，截取饱和温度恒定1 min后至试验结束期间的数值。

数据采样周期设定为 5 s 刷新一次，并存储于计算机数据库。测定结束后可按表1整理，并获得测定水样的汽化潜热，测试数据见表1。

表1　实测数据

6　结语

测定水汽相变节能装置处理前后水汽化潜热的实验表明，处理后的水性质发生了变化，从而验证了水汽化潜热测定原理及其理论分析，也从侧面反映了所研制设计的水汽化潜热装置测定水汽化潜热的有效性。综上所述，通过对经过水汽相变节能装置处理的水和未经过水汽相变节能装置的水的汽化潜热测定，两者比较的结果表明，经过水汽相变节能装置处理过的水的性质发生了变化。

参考文献：

[1] 张 雄，冉光德，王黎智，等.水的汽化热测定实验研究[J].大学物理, 1998, 17:32-34.

[2] 汪六九，何春娟，王云用，等.电加热方法测量液氮的汽化潜热[J]. 物理实验，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

*基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（13dz1201702）