1.2 Термодинамические процессы водяного пара. Понятия о водяном паре

Распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках и теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар.

Пар - газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости. Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное. Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. 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, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением.

Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром.

Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – х;

х = m_сп / m_вп,

где m_сп - масса сухого пара во влажном; m_вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности – у; у = 1 –  . Для кипящей жидкости при температуре насыщения  = 0, для сухого пара –  = 1.

Рис. 1.13. Параметры парообразования.

Процесс парообразова­ния в координатах р—V.

Рассмотрим процесс парообразования при постоянном давлении в координатах р—v (рис. 1.13). Поместим 1 кг воды при температуре 0 °С в цилиндр с поршнем. Для некоторого значения p = const это начальное состояние воды изобразится на диаграмме точкой а. При этом его удельный объем v=0,001 м³/кг.

Если подогревать воду при постоянном давлении, то объем ее увеличивается и при температуре, которая соответствует состоянию кипения воды, достигает величины, отмеченной на диаграмме точкой b. Удельный объем кипящей воды принято обозначать v' При дальнейшем подводе теплоты к кипящей воде последняя начнет пре­вращаться в пар, причем давление и температура смеси воды с паром остаются неизменными.

Когда в процессе парообразования последняя части­ца воды превратится в пар, весь объем окажется запол­ненным паром. Такой пар как бы «насыщает» объем, в котором он находится, и потому называется насыщен­ным паром, а его температура, равная температуре ки­пения, называется температурой насыщения. Она обозна­чается t_н и зависит от давления: при p_абс=0,1 Мпа, t_n =99,09 °С, при р_абс=0,2МПа

t_n =119,62 °С, а при p_абc = 10 МПа, t_n =309,53 °С.

На участке b—с пар называется влажным насыщен­ным паром (или просто влажным), так как он состоит из смеси воды и пара. После полного испарения воды (точка с) пар называют сухим насыщенным (или просто сухим).

Влажный пар характеризуется степенью сухости х. Степенью сухости называют массовую долю сухого на­сыщенного пара, находящегося в 1 кг влажного пара. На­пример, в 1 кг пара содержится 0,85 кг сухого насыщен­ного пара и 0,15 кг кипящей воды. Следовательно, сте­пень сухости пара х = 0,85. Величина 1—х называется степенью влажности. Она показывает массовую долю кипящей воды, находящейся в 1 кг влажного пара. Для сухого насыщенного пара х =1.

Рассмотрим процесс парообразования при бо­лее высоком давлении (см. рис. 1.13). Удельный объем воды при 0 °С с повышением давления практически не изменяется (а'). Удельный объем кипящей воды несколь­ко увеличится, так как с увеличением давления возрас­тает температура кипения (точка b'). Точка с', соответ­ствующая сухому насыщенному пару, будет находиться левее точки с, так как давление возрастает более интен­сивно, чем температура сухого насыщенного пара, и удельный объем его уменьшается.

Если точки, обозначающие в р— v -диаграмме процес­сы при постоянном давлении, соединить, то получатся линии I, II, III. Линия I характеризует состояние воды при 0 °С и является прямой, почти параллельной оси ор­динат. Линия II — кривая, соединяющая точки b1, b, b', ..., соответствует состоянию кипящей воды. Линия III — кривая, соединяющая точки с_1, с, с', ....? соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Линии II и III пересекаются в точке k, которая называется критической точкой. В этой точке исчезает различие в свойствах жид­кости и пара. Параметры, отвечающие точке k, называ­ются критическими. Для воды они имеют следующие значения: P_кр=22,5МПа, t_кр = 374,15⁰С (T=647,ЗК); v=0,00307 м³/кг. Линия II называется нижней погра­ничной, а линия III — верхней пограничной кривой.

Парообразование графически изображается линией b—с (см. рис. 1.13). Количество теплоты, затрачиваемой на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования (фазового превращения) и обозначается буквой r. С увеличением давления теплота парообразования уменьшается. Напри­мер, при p_абс==0,1 МПа r=2263кДж/кг, а при р_абс = 10МПа r=1330 кДж/кг. В критическом состоянии r=0.

В котельном агрегате сухой насыщенный пар обычно продолжает нагреваться при р — const. Этот процесс в р—р-диаграмме изображается линией с—d. При со­стоянии, отвечающем точке d, пар уже не насыщает про­странство и имеет температуру более высокую, чем тем­пература насыщения при данном давлении. Такой пар называется перегретым паром.

Для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара, установлена следующая индек­сация: величины с индексом 0 относятся к начальному со­стоянию воды; с индексом ' — к воде, нагретой до темпе­ратуры кипения; с индексом " — к сухому насыщенному пару; с индексом х — к влажному насыщенному пару; с индексом п — к перегретому пару. На практике необходимые для технических расчетов параметры состояния водяного пара удобно определить с помощью специальных таблиц, приведенных в справоч­ной литературе. В таблицах приводятся параметры со­стояния кипящей воды (v'_, i', s') и сухого насыщенного пара (v", i", s"), а также величины теплоты парообразо­вания г. Для определения параметров состояния влажного на­сыщенного пара дополнительно должна быть известна степень сухости пара. Удельный объем v_x, м³/кг, влаж­ного насыщенного пара

v_x = x v" + (I — х) v' (1.123)

Если абсолютное давление p_абс<3МПа, а степень сухости х>0,8, то второй член соотношения (1.123 ) составляет доли процента первого и им можно пренебречь:

v_x=xv". (1.124)

Соотношение (1.123) пишется и в таком виде:

v_х = v' + х(v" — v'). (1.125)

Аналогичные соотношения можно написать для вели­чин энтальпии i_x, Дж/кг, и энтропии s_x, Дж/(кг>К):

i_x = i' + х (i" — i') = i' + xr; (1/126)

s_x = s' + х (s" — s') = s' + x r/T_H; (1/127)

Энтальпия перегретого пара i_п, Дж/кг, получается как сумма энтальпии сухого насыщенного пара i" и теп­лоты, затраченной на перегрев пара q_п при p=const, т.е.

i_п = i" + q_п (1-128).