2.2.1. Водяной пар и основные процессы водяного пара

Водяной пар, как рабочее тело, широко используется в паровых турбинах, паровых поршневых машинах, а также и для различных технологических нужд.

Паром называется реальный газ, близкий к состоянию насыщения, т.е. к превращению в жидкость.

Парообразование осуществляется в результате процессов испарения и кипения.

Испарение - процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

Кипение – процесс образования пара по всей массе жидкости (у стенок, внутри объёма) при температуре кипения, которое зависит от природы жидкости и давления среды.

Различают следующие виды пара:

- Насыщенный (насыщенным паром называют пар, находящийся в равновесии с жидкостью, из которой он образуется, и имеющий максимальную плотность и упругость).

Насыщенный пар может быть сухой – насыщенный пар, который получается при полном испарении жидкости, и влажный – насыщенный пар, который получается при неполном испарении жидкости и представляет собой смесь сухого насыщенного пара с капельками жидкости, взвешенными в паре.

• Перегретый пар – получается при повышении температуры выше температуры насыщения того же давления. Чем больше степень перегрева, т.е. разница между действительной температурой пара и температурой насыщения T_s, тем больше по своим термическим свойствам перегретый пар приближается к идеальному газу.

Для характеристики пара используют:

Степень сухости (х) – доля массы сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара.

Степень влажности (1-х) – для массы жидкости в 1 кг влажного пара.

Теплота парообразования( или скрытая теплота) «r» - есть количество теплоты, которое необходимо сообщить при постоянном давлении нагретой до кипения 1 кг жидкости для её превращения в сухой насыщенный пар.

И, наоборот, для превращения 1 кг сухого насыщенного пара в кипящую жидкость того же давления, необходимо отвести от пара теплоту, равную теплоте парообразования.

В случаях приближения пара к насыщенному состоянию связь между параметрами состояния становится очень сложной и расчёт параметров производится по сложным формулам. Если высокая точность не требуется, то расчёты параметров для большинства термодинамических процессов ведутся с применением hs-диаграммы.

В литературе имеются специальные термодинамические таблицы и диаграммы состояния, наглядно отражающие свойства жидкостей и газов. Ниже приведена структурная схема построения pv-, Ts- и hs - диаграмм состояния водяного пара, имеющих наибольшее распространение в теплоэнергетике.

Как правило, эти диаграммы расположены в первом квадранте координатной плоскости, где любая произвольная точка А_i, взятая в рабочем поле, соответствует некоторому термодинамическому состоянию воды и водяного пара. Процесс парообразования изобарно – изотермический, происходит при постоянных давлении и температуре.

Проанализируем процесс парообразования, который происходит при давлении, обозначим это давление p_i = const. Этот процесс на pv-, Ts - и hs - диаграммах изображен линией a_i-b_i-c_i-d_i, проходящей через точку А_i (рис. 2.3). На указанных диаграммах эти изобары условно можно делить на участки, каждому из которых характерно сугубо определенное термодинамическое состояние воды и пара:

- a_i-b_i - зона жидкой фазы, соответствует подогреву воды от 0^оС до температуры кипения (насыщения) t_s при p_i = const;

- b_i-c_i - двухфазная зона, соответствует превращению кипящей воды в сухой насыщенный пар при p_i = const;

- c_i-d_i - зона перегретого пара при p_i = const.

На участке b_i-c_i соотношение фаз (воды и пара) претерпевает изменение по изобаре от точки к точке, для количественной оценки которого используется степень сухости пара х (0 ≤ х ≤ 1), численно равная массовой доле пара в этой двухфазной среде. Степень сухости пара в точке b_i: x = 0, в точке с_i: x = 1.

При анализе процессов образования пара вводятся обозначения:

а)

б)

Рис. 2.3

Учитывая, что влажный пар содержит смесь сухого насыщенного пара с капельками взвешенный жидкости, то степень сухости влажного пара определяется:

(2.10)

где - масса жидкости; - масса сухого пара в 1 кг влажного пара.

На pv - диаграмме представлены (рис. 2.3, а):

- р, v - давление Па, удельный объем м³/кг;

- v_o - удельный объем воды при t = 0 ^oC;

- - удельный объем воды при t_s и p_i = const;

- - удельный объем сухого насыщенного пара при t_s и p_i = const;

- - удельный объем влажного пара, соответствующего состоянию в точке А_i,

- х_Аi - степень сухости пара, соответствующая состоянию пара в точке А_i;

На Ts- и hs - диаграммах представлены (Рис. 2.3, б и 2.3, в):

- T – температура К; h – удельная энтальпия, Дж/кг; s - удельная энтропия Дж/(кгּК);

- h^’_i – удельная энтальпия воды при t_s и при давлении p_i;

- h^’’_i – удельная энтальпия сухого насыщенного пара при t_s и при давлении p_i;

- s_o - удельная энтропия воды при температуре 0^оС и при давлении p_i t;

- - удельная энтропия воды при t_s и при давлении p_it;

- - удельная энтропия сухого насыщенного пара при t_s и при давлении p;

- s_{A =} - удельная энтальпия влажного пара, соответствующая состоянию в точке A_i,

- - удельная энтропия влажного пара, соответствующего состоянию в точке А_i.

- - удельная энтропия влажного пара, соответствующая состоянию в точке А_i.

где - теплота парообразования, которая необходима для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при давлении p_i .

- К - критическая точка, в которой параметры состояния имеют значения t_k = 374,16 ^oC; p_k = 22,16 МПа; v_k = 0,0032 м³/кг; h_k = 2095,2 кДж/кг.

Линии на pv -, Ts - и hs – диаграммах (см. рис. 2.3):

- кривая К - b_i - нижняя пограничная линия (семейство точек, в которых степень сухости пара х = 0) разделяет зону жидкой фазы (слева) от двухфазной (справа) зоны;

- кривая К-с_i - верхняя пограничная линия (во всех ее точках х = 1) разделяет двухфазную зону (слева) от зоны перегретого пара (справа);

- кривая К-х_Аi - линия равной сухости пара, проходящая через точку А_i;

- кривая b_i-с_i - изобарно - изотермная линия парообразования, которая в зоне перегретого пара разветвляется на изобару (с_i-d_i) p_i = const и на изотерму (с_i -е_i) t_i = const.

На hs - диаграмме через точку А_i проходит пунктирная линия - изохора v_Ai = const (семейство точек, в которых удельный объем пара имеет одинаковое значение).

Преимуществом применения этих диаграмм является возможность с их помощью наглядного представления процессов в жидкости и паре, также непосредственного определения значений функций состояния водяного пара.

Нахождение параметров состояния по h-s

а) Если пар влажный насыщенный, то точка его термодинамического состояния находится на пересечении изобары р₁ и промежуточной кривой степени сухости (х<1).

б) Если пар сухой насыщенный, то соответствующая точка его состояния находится на пересечении изобары р₁ и верхней пограничной кривой (х=1).

в) Если пар перегретый, то его состояние определяется точкой пересечения изобары р₁ и изотермы t.