8 Влажный пар

8.1 Процесс парообразования

Под влажным паром будем понимать равновесную смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. При таком состояния для обеих фаз в двухфазной области выполняется условие и . Кипящей жидкости соответствует положение на линии кипения. Точка, определяющая состояние системы находится на левой граничной кривой, то есть слева от критического состояния. Сухой насыщенный пар – газ, состояние которого находится на правой от критического состояния части граничной кривой (рис. 8.1, 8.2).

На диаграммах изображен процесс парообразования для воды при давлении насыщающих паров . Пусть при – температуре окружающей среды вода в жидком состоянии имеет удельный объем (состояние 1). По мере нагрева с ростом температуры незначительно возрастает удельный объем. При достижения температуры кипения 99,6 С образуются первые паровые пузырьки, число которых по мере дальнейшего нагрева возрастает. Вода кипит, при этом давлении, а температура остается неизменной. Удельный объем влажного пара по мере нагрева возрастает. Пар в этом состоянии влажный и состоит из смеси сухого насыщенного пара, находящегося в динамическом равновесии со своей кипящей жидкостью. В точке испарилась последняя капля жидкости, и вода представляет собой сухой насыщенный пар.

Рис. 8.1 р, -диаграмма процесса

образования пара

Рис. 8.2 Т, s-диаграмма процесса

перехода жидкости в пар

При дальнейшем нагреве в процессе температура пара возрастает, он переходит в состояние перегретого пара. Описанный процесс парообразования будет иметь место лишь при давлениях меньше критического. При давлениях заметной разности между жидким и газообразным состоянием нет, а двухфазной области вещества не существует. Переход из жидкого в парообразное осуществляется в процессе непрерывного накопления жидкостью свойств пара.

Каждому давлению соответствует определенная температура кипения. Каждой температуре соответствует свое давление насыщающих паров. Зависимость давления насыщающих паров от температуры кипения представляет собой уравнения парообразования

(8.1)

8.2 Параметры состояния в области насыщения. Правило «рычага»

В области насыщения удельный объем пара не может быть определен по его давлению и температуре. Состояние влажного пара становится однозначным, если задана степень его сухости х, определяемая как отношение массы сухого пара (насыщенного) к массе влажного пара

, (8.2)

где – масса кипящей жидкости, – масса сухого насыщенного пара, находящегося в термодинамическом равновесии с кипящей жидкостью. Тогда для кипящей жидкости на левой пограничной кривой , так как , а на правой граничной кривой , так как

Экстенсивные параметры состояния влажного пара – его объем V, энтальпия I и энтропия S – определяются аддитивно из соответствующих величин той и другой фазы

или ,

где и – удельные объемы сухого насыщенного пара и кипящей жидкости.

Пусть – масса влажного пара. Тогда

Удельный объем при этом будет равен

(8.3)

Используя степень сухости, которую иногда называют паросодержанием, получим:

. (8.4)

Тогда из (8.4) можно записать выражение для расчета степени сухости х

Граничные объемы и являются функциями давлениями или температуры. При заданном давлении (или температуре) состояние влажного пара определяется, если известно паросодержание х:

. (8.5)

Рис. 8.3. К выводу правила

рычага

Воспользуемся – диаграммой состояния влажного пара и выясним геометрический смысл записанного выражения. Точка, соответствующая состоянию влажного пара делит отрезок изобары, расположенной между граничными кривыми в отношении масс сухого насыщенного пара и кипящей жидкости. Это известный закон рычага для количества фаз, который используется для построения в двухфазной области линии . Все линии сходятся в критической точке. Вычислим удельную энтропию

(8.6)

Паросодержание может быть выражено через удельную энтропию

. (8.7)

Удельная энтальпия

. (8.8)

На T, S – диаграмме по аналогии с – диаграммой можно также нанести линии паросодержания, в соответствии с законом рычага

(8.9)

Разность энтальпии 1 кг сухого насыщенного пара и кипящей жидкости при одинаковых давлении и температуре называют энтальпией парообразования или теплотой парообразования

. (8.10)

Запишем первое начало термодинамики через энтальпию для элементарного процесса

.

При и

(8.11)

Для удельной энтальпии влажного пара при этом получим

. (8.12)

Тогда удельную энтальпию в области насыщения можно определить по формуле

(8.13)

Запишем выражения для изменения внутренней энергии в процессе парообразования.

. (8.14)

Если процесс парообразования внутренне обратим, то

(8.15)

при . (8.16)

Работа изменения объема составляет лишь незначительную часть энтальпии парообразования. Эта энергия затрачивается на разрушение сил оцепления молекул в жидкой фазе.

Энтальпия парообразования , изменение внутренней энергии (называемая внутренним теплом парообразования) являются температурными функциями. Все они при равны нулю.