Глава 2.

Свойства и термодинамические процессы паров.

1.1. Процесс парообразования.

Водяной пар используется в качестве рабочего тела в паросиловых установках и в качестве теплоносителя.

Пар не подчиняется законам для идеальных газов, это реальный газ.

Вещество может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазе. Промежуточное состояние вещества между жидкостью и газом называется паром.

Процесс превращения воды в водяной пар называется парообразованием.

Этот процесс осуществляется при испарении или кипении воды.

Под испарением понимают парообразование, происходящее на свободной поверхности воды при температуре ниже точки кипения при данном давлении.

Кипение – процесс интенсивного испарения не только свободной поверхности воды, но и внутри образующихся пузырьков пара.

Рассмотрим процесс парообразования при кипении воды.

V'

V_пс

Рис. 2.1. Процесс парообразования в PV – диаграмме.

0 – тройная точка, в которой вещество существует в трех агрегатных состояниях.

Для воды тройной точке соответствует температура 273К и давление 611 Па (менее 0,01 атм.)

Тв. – твердое состояние воды.

Точка а – состояние воды при Т=273К, давлении р=р₀ (атмосферное), удельный объем V.

В изобарном процессе при подводе тепловой энергии температура воды повышается – линия a – b.

Точка b – температура воды Т_в=Т_н – вода закипает; Р_в=Р_н

Т_н – температура насыщения, при которой вода закипает.

Р_н – давление насыщения.

V' – удельный объем.

Параметры кипящей воды при обозначении отмечаются одним верхним штрихом.

Кипение воды сопровождается парообразованием по всему объему. Жидкость и пар находятся в динамическом равновесии: одна часть молекул непрерывно переходит из жидкости в пар, а другая – из пара в жидкость. Температура смеси воды и пара постоянна .

Точка с – соответствует полному выкипанию жидкости, пар сухой насыщенный, объемом V''.

Пар, находящийся при термодинамическом равновесии с водой, называется насыщенным. Пар, не содержащий капелек воды называется сухим насыщенным.

Процесс выкипания – изобарно-изотермический

Точка е – соответствует смеси кипящей воды и пара, называемой влажным насыщенным паром, объемом V_х

или (2.1)

(2.2)

Здесь х – степень сухости пара.

(2.3)

(2.4)

где m'', m' – масса, соответственно, сухого насыщенного пара и жидкости.

- степень влажности пара

К ипящая жидкость 0 ≤ x ≤ 1 сухой насыщенный пар

После т. c температура пара будет возрастать, а удельный объем увеличиваться, изобара и изотерма расходятся.

Точка d – пар перегретый

При большем давлении процесс преобразования представлен линией a' b'c'd' .

Соединив bb' и c'c и т.д., получим:

1. Область II, соответствующую кипящей воде и степени сухости х=0 – 1.

2. Область III, соответствующую жидкости.

3. Область I, соответствующую параметрам сухого насыщенного пара и степени сухости х=1.

Как видно из процесса парообразования если снизить давление в сосуде, то

кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в вакуумных деаэраторах в системе подпитки теплосети: достаточно в деаэраторе создать давление 50 кПа (0,5 кгс/см²) и она закипит при температуре 81⁰С. Наоборот, если повысить давление в сосуде, то вода закипит и начнет испаряться при более высокой температуре.

В барабане барабанных котлов давление 140 кгс/см = 13,7 МПа и поэтому в нем генерируется насыщенный пар с температурой 335⁰С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа и поэтому температура образующего насыщенного пара 276⁰С.

100

Рис.2.2. Связь между температурой и давлением кипения (конденсации, испарения) воды с указанием областей работы:

1 – конденсаторы паровых турбин; 2 – сетевые подогреватели; 3 – парогенераторы АЭС; 4 – барабаны современных котлов.

Температура насыщения определяется давлением над ее поверхностью. Плотность сухого насыщенного пара меньше, чем плотность воды и, также как температура насыщения, определяется давлением. Чем выше давление, тем выше плотность. При давлении р_к = 22,1 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения t_Н=t_к=374⁰С, а теплота парообразования r=0. В критическом состоянии они по существу неразличимы.

Точка К – критическая точка.

Критические параметры воды:

, (2.5)

(647,1 К)

В критической точке разница в свойствах воды и пара исчезает.

Опыт по испарению и образованию сухого насыщенного пара можно провести в обратном порядке.

Рис.2.3. Принцип работы теплообменников тепловых электростанций, использующих теплоту конденсации пара.

В сосуде установлен змеевик, по которому пропускается холодная вода. Пар конденсируется на холодной поверхности змеевика, отдавая теплоту конденсации, равную теплоте парообразования. В результате конденсации пара на дне сосуда образуется конденсат, а над зеркалом конденсата – насыщенный водяной пар. Чем сильнее будет охлажден пар, тем больше образуется конденсата на дне сосуда и тем более глубокий вакуум будет получен. Для удаления конденсата используется насос.

В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенных на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыщения. Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определенной точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным, смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины, за последними вращающимися лопатками для ее надежной работы не должно превышать 10-13%. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, имеющую температуру насыщения.