8. Водяной пар

8.1. Основные понятия и определения

Водяной пар имеет чрезвычайно широкое распространение в различных отраслях промышленности. Он используется как рабочее тело в паросиловых установках тепловых и атомных станций, как теплоноситель в различных теплообменных аппаратах и технологических процессах и т.д. Напомним, что принципиального различия между паром и реальным газом нет.

Процесс превращения жидкости в пар называется парообразованием. Парообразование имеет место при испарении и кипении жидкостей.

Испарением называется парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры. При испарении температура жидкости понижается, т.к. из нее уходят наиболее быстрые молекулы и средняя кинетическая энергия остающихся молекул уменьшается.

Кипение. При сообщении жидкости теплоты увеличивается ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре (температуре насыщения или кипения t_s), зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, наступает парообразование во всей ее массе. Пузырьки пара начинают образовываться у стенок сосуда, а затем и внутри жидкости. Это явление называют кипением жидкости. В качестве центров зарождения паровых пузырьков могут служить включения нерастворенных в жидкости газов, мелкие частицы твердого тела, впадины и царапины на стенках сосуда. Зародившийся паровой пузырек увеличивается в объеме за счет испаряющейся в нем жидкости. Вследствие этого растет его подъемная сила и при достижении определенного диаметра он отрывается от стенки и проходит через объем жидкости в паровое пространство. В месте его образования остается паровой зародыш, в котором вновь происходит испарение жидкости, и весь процесс повторяется. Кипение жидкости при p = const происходит при T = const. При повышении давления повышается и температура кипения. Давление и температуру кипения называют давлением насыщения р и температурой насыщения t_s.

Конденсация. Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии у него тепла и являющийся процессом, обратным парообразованию, называется конденсацией. Этот процесс так же, как и кипение, происходит при T = const, если p = const. Температура процесса конденсации (равная температуре насыщения) называется температурой конденсации. Таким образом, для данной жидкости при одинаковом давлении кипение и конденсация протекают при одинаковой температуре - температуре насыщения. Жидкость, образующаяся при конденсации, называется конденсатом.

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченное пространство одновременно происходит и обратное явление, т.е. процесс конденсации, вызывааемый тем, что некоторые молекулы пара возвращаются обратно в жидкость. По мере заполнения паром пространства над жидкостью уменьшается интенсивность парообразования и увеличивается интенсивность возврата молекул из парового пространства в жидкость. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости парообразования, в системе наступит динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся в нее. Пар при этом состоянии как бы “насыщает” имеющийся паровой объем, имеет максимальную плотность и называется насыщенным.

Следовательно, под насыщенным понимается пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру насыщения, являющуюся функцией его давления, равного давлению жидкости, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при p = const и T = const происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении объема при тех же условиях - переход пара в жидкость.

Если вся жидкость при кипении перейдет в пар при сохранении постоянной температуры и давления, то такой пар называют сухим насыщенным паром. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Поэтому состояние сухого пара определяется одним параметром - давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар, получающийся при неполном испарении жидкости, является смесью сухого пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости и обозначается через x.

,

где М˝ - масса сухого насыщенного пара во влажном паре;

М - масса насыщенной жидкости во влажном паре.

Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через y = М / (М˝ +М). Очевидно у = 1 - х. Для сухого пара х = 1, для воды (жидкости) х = 0. В процессе парообразования х постепенно увеличивается от 0 до 1.

Состояние влажного насыщенного пара определяется двумя величинами - давлением (или температурой) и степенью сухости.

Перегретый пар. Если сухой пар нагревать при p = const, то температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, называется перегретым. Таким образом, под перегретым понимается пар, температура которого выше температуры насыщенного пара. Температура насыщенного пара является функцией лишь одного давления, перегретый пар имеет температуру, зависящую от давления и объема. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара того же давления, то в единице объема перегретого пара содержится меньшее число молекул, чем в единице объема насыщенного пара. Вследствие этого перегретый пар является не насыщенным и обладает меньшей плотностью, чем соответствующий насыщенный пар.