1.8. Основные характеристики водяного пара и расчет параметров его состояния

Паром называется реальный газ, находящийся в состоя­нии, близком к конденсации. Водяной пар получается при ис­парении воды.

Испарение жидкости может происходить с открытой по­верхности при любой температуре. С повышением температу­ры процесс испарения ускоряется, но сущность его остается той же и только при достижении определенных условий про­исходит качественное изменение всего процесса парообразова­ния, жидкость начинает кипеть.

Кипение жидкости может происходить и при отсутствии открытой поверхности. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном объеме самой жидко­сти за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. И когда дав­ление пара в пузырьках становится равным давлению окру­жающей среды, наступает кипение жидкости. Температура, при которой давление насыщения становится равным внешнему давлению на жидкость, называется температурой кипения. Температура кипения зависит от внешнего давления, и с уве­личением давления температура кипения возрастает.

Пар какого-либо вещества, находящийся в динамическом равновесии с одноименной жидкостью, называется насыщен­ным паром.

Температура насыщенного пара равна температуре кипе­ния. Насыщенный пар, содержащий в себе одноименную жид­кость, называется влажным паром. Доля массы сухого насы­щенного пара во влажном паре называется степенью сухости пара и обозначается X.

Доля влаги во влажном паре называется влагосодержанием пара (I-Х). Пар, не содержащий в себе одноименной жидкости и имеющий температуру кипения при данном дав­лении, называют сухим насыщенным паром.

Состояние сухого насыщенного пара неустойчивое, и при подводе теплоты температура его становится выше темпера­туры кипения, давление его повышается, пар становится пере­гретым. С повышением степени нагрева пар по своим свойст­вам приближается к идеальному газу.

Процесс получения водяного пара может быть рассмотрен и Pv-, TS-, iS- координатах.

На изобаре Р₁ = const нанесены точки: 0 — состояние во­ды при t = 0°С; a₁ — состояние кипящей воды; m₁ - состоя­ние влажного пара со степенью сухости X_m=const; b₁ — со­стояние сухого насыщенного пара и d — состояние перегрето­го пара.

Обозначение точек с индексами (штрих) - соответствуют давлению Р₂ = const.

При давлении Рн = 10 кПа температура кипения tн = 99,64°С, удельный объем кипящей воды υ' = 0,0010432 м³/кг и удельный объем сухого насыщенного пара υ" = 1,694 м³/кг.

С возрастанием давления температура кипения повышает­ся, объем кипящей воды увеличивается, а объем сухого насы­щенного пара уменьшается. При параметрах критического со­стояния, соответствующего точке К на диаграммах (см. рис. 1.4, 1.5, 1.6), объем кипящей воды равен объему сухого насы­щенного пара. Параметры критического состояния воды Р_кр = 22,129 МПа; t_кр = 374,15°С; υ_кр = 0,00326 м³/кг. При темпера­туре выше критической рабочее тело независимо от величины давления не может находиться в жидком состоянии. Переход от состояния кипящей жидкости к сухому насыщенному пару требует затраты теплоты, называемой теплотой парообразования — r. С повышением давления теплота парообразования уменьшается и при критическом состоянии равна нулю, так как кипящая жидкость и сухой насыщенный пар имеют оди­наковые физические параметры.

Линия АК — нижняя пограничная кривая состояния кипя­щей жидкости. ВК — верхняя пограничная кривая состояния сухого насыщенного пара. Линии m/k, соединяющие точки, имеющие одинаковую степень сухости влажного пара, на­зываются линиями постоянной степени сухости пара (Х = = const).

Изотермы на диаграмме (см. рис. 1.4) в области нагревае­мой воды изображены почти вертикальными линиями, а в об­ласти влажного пара они совпадают с изобарами. В области перегретого пара изотермы представляют собой гиперболиче­ские кривые.

Критическая изотерма T_кр — представляет, собой гипербо­лу с точкой перегиба в критическом состоянии.

Процесс парообразования в паровых котлах и системах теплофикации происходит при постоянном давлении Р_н.

Теплота кипящей жидкости

(1.49)

Где − средняя теплоемкость воды в процессе нагревания ее от нуля градусов до температуры кипения; tн— температу­ра кипения (насыщения).

Энтальпия кипящей жидкости

(1.50)

где Pv₀ — работа проталкивания 1 кг холодной воды (t = 0°C) в котел мала по сравнению с q', поэтому не принимается во внимание при составлении таблиц водяного пара.

Энтропия кипящей воды

(1.51)

Для сухого насыщенного пара

теплота q" = q' + r, (1.52)

где r — теплота парообразования;

энтальпия i" = q" + Pv₀ = i' + r; (1.53)

энтропия

(1.54)

Для влажного пара со степенью сухости X

удельный объем υ_х= (1 -X)v' + X·v"; v_x = v"·X, (l.55)

где v' — удельный объем кипящей жидкости; v" — удельный объем сухого насыщенного пара;

теплота q_x = q' + r·X; (1.56)

энтальпия i_x = q_x +Pυ₀= i' + r·X; (1.57)

энтропия

(1.58)

Для перегретого пара

Теплота

(1.59)

где q_n — теплота перегрева;

— средняя теплоемкость перегретого пара в интервале температур Тн…Т;

энтальпия

(1.60)

Энтропия

(1.61)

Из приведенных соотношений следует, что вся теплота, подводимая к кипящей жидкости для получения пара любого состояния, идет на увеличение энтальпии пара.

Энтропия перегретого пара может рассматриваться как сумма энтропии кипящей жидкости, процессов парообразова­ния и перегрева пара.

При высоком перегреве пара водяной пар приближается по своим свойствам к идеальному газу. Удельный объем пере­гретого пара можно считать приблизительно по уравнению Клайперона:

v = RT/P,

где R = 8314,3/μ= 8314,3/18,016 = 426.Дж/(кг К); μ — молеку­лярная масса пара.

Теплота парообразования зависит от давления и темпера­туры процесса парообразования. Чем выше давление, тем меньше теплота парообразования. При критическом состоя­нии вещества теплота парообразования равна нулю, так как теплота кипящей жидкости равна теплоте сухого насыщенно­го пара.

Теплоемкость перегретого пара как реального газа зави­сит не только от температуры, но и от давления. При одной и той же температуре более высокому давлению соответствует более высокая теплоемкость перегретого пара.