Водяной пар

В качестве рабочего тела в технике очень широко используются пары различных жидкостей. С качественной точки зрения поведение паров различных жидкостей одинаково. Рассмотрим свойства водяного пара, используемого во многих технологических процессах. Между газообразным и парообразным состоянием вещества нет резко выраженной границы

Газ можно рассматривать как высоко перегретый пар, а пар – как газ, находящийся вблизи области насыщения.

Процесс парообразования по способу получения пара можно разделись на испарение и кипение.

Испарение – это процесс получения пара со свободной поверхности жидкости. Интенсивность этого процесса зависит от природы жидкости, ее температуры, скорости движения газовой среды у поверхности жидкости и др. факторов.

В технике этот процесс играет второстепенную роль и в дальнейшем рассматриваться не будет.

Кипение – это процесс получения, пара из жидкости, наступающий при определенной температуре, зависящий от давления при подводе к жидкости теплоты.

Получение шара, для технических нужд осуществляется в паровых котлах в процессе, протекающем при постоянном давлении (изобарном) Рассмотрим процесс получения пара.

Диаграмма p,V водяного пара

Поместим в цилиндр с поршнем, нагруженным произвольной силой 1 кг воды при температуре 0 С и будем подводить к нему теплоту (рис. 25).

Рис. 25

Пусть в состоянии I вода находился под давлением p, температура t = 0 С, удельный объем V₀.

При нагревании воды объем ее увеличивается при том же давлении до величины V', а температура достигнет температуры кипения (насыщения) t_s состояние 2.

При дальнейшем подводе теплоты часть кипящей воды превратился в пар. Таким образом, в цилиндре находится смесь пара и кипящей жидкости. Пар в смеси с кипящей жидкостью называется влажным насыщенным, т.е. это пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Характеризуется такое состояние параметрами p, V_x, t_s – состояние 3.

Дальнейший подвод теплоты, приводит к полному испарению. Наступает момент, когда вся жидкость переходит в пар. Такое состояние называет сухим насыщенным паром и характеризуют параметрами p, V'', t_s – состояние 4.

При дальнейшем подводе к насыщенному пару теплоты, температура его повышается и он становится перегретым – с параметрами p, V_пл, t_пл – состояние 5.

Перегретым паром будем называть пар, у которого температура при заданном давлении выше температуры насыщения.

Таким образом, процесс получения пара из жидкости можно разделить на 3 стадии: I – нагрев води до температуры кипения, II – получение пара (процесс кипения) и III – процесс перегрева пара. Эти стадии протекают при постоянном давлении и изображаются изобарой. Построим изобару в системе p, V – координат нанесем на нее характерные состояния: жидкости при t₀ = 0 С (точка a), начала кипения (точка b), влажного насыщенного пара (точка c), сухого насыщенного пара (точка d) перегретого пара (точка e).

Рис. 26

Положение точки c на изобаре зависит от соотношения между количеством пара и кипящей жидкости, а точка e от величин перегрева пара.

Если рассмотреть процесс парообразования при других, но постоянных давлениях (p₃ > p₂ > p₁ > p), можно заметить, что точки b, b', b'' определяющее состояние начала кипения с повышением давления смещаются вправо. Это обстоятельство объясняется увеличением – удельного объема V' вследствие повышения температуры насыщения . Точки d смещаются влево, что объясняется уменьшением удельного объема V'' вследствие повышения давления.

Соединим характерные точки b, b' ... и d, d' ... кривыми и назовем их пограничными кривыми. Объем жидкости V₀ при температуре t₀ = 0 с повышением давления изменяется незначительно, соединив точки a, a' кривой получим так называемую нулевую изотерму, которую можно считать практически вертикальной. Разность объемов сухого насыщенного пара и кипящей жидкости (V'' – V') уменьшается с увеличением давления и при некотором давлении становится равной кулю. В этой точке, различие между паром и жидкостью исчезают, такое состояние вещества называют критическим.

Критическая температура – это предельная температура, при которой возможно это существование жидкости и пара. При температуре выше критической возможно существование вещества только в виде газообразного состояния. Для воды р_кр = 22,129 МПа, t_кр = 374,15 с, V_кр = 0,00326 м³/кг.

Кривая ВК – объединяет состояния начала кипения жидкости при различных давлениях и называется левой или нижней пограничной кривой. Кривая КД объединяет состояния сухого насыщенного пара при различных давлениях и называется правой или верхней пограничной кривой. Между кривыми ВК и КД находится область влажного насыщенного пара; левее кривой ВК – область недогретой до кипения жидкости; правее кривой КД – область перегретого пара. Состояние в области влажного пара определяется температурой (или давлением и степенью сухости) V пара, под которой будем понимать массовое отношение сухого насыщенного пара к массе смеси кипящей жидкости и сухого насыщенного пара состояние вещества соответствует началу кипения (левая пограничная кривая.), степень сухости Х = 0. Если вещество находится в состоянии сухого насыщенного пара (правая пограничная кривая) Х = 1. Следовательно, степень сухости изменяется в пределах 0  Х  0.