§ 53. Получение пара

В современной технике широко применяются в качестве рабочих тел пары различных веществ. Так, например, рабочим телом в паровых турбинах служит, как правило, водяной пар.

Кипение (получение пара) используется также в первичных кон­турах атомных электростанций, в холодильной и криогенной технике", испарительное охлаждение применяется в доменных печах и т. д.

Пар может быть получен не только в результате кипения, но и пу­тем непосредственного перехода вещества из твердого в газообразное состояние (сублимация). Если в объеме, занимаемом жидкостью, быст­ро сбросить давление ниже некоторого значения (осуществить деком­прессию), то парообразование начнется в объеме жидкости, причем при определенных условиях этот процесс имеет взрывообразный характер. Однако наиболее часто в технике используется процесс кипения — получения пара из жидкости при постоянном давлении.

Если подводить теплоту к жидкости начиная с состояния в ючке о (см. рас. 32, б) при некотором постоянном давлении, то температура ее будет расти, а объем — несколько увеличиваться. По достижении со­стояния, характеризуемого точкой/г, свойства жидкости при продолже­ний подвода тепЛоты меняются иначе. При постоянном давлении тем­пература, соответствующая точке Һ, остается постоянной, а объем уве­личивается, но не за счет равномерного, увеличения всего объема жид­кости (как на участке ch), а за счет перехода части жидкости в пар. Температура T_h в точке Һ называется температурой насы­щения, а соответствующее ей давление — давлением на­сыщения. Точка һ й соответствует началу Процесса кипения. Ки­пение характеризуется пардобразовадием в объеме жидкости в отли­чие от испарения, которое происходит Лишь со свободной поверхности жидкости при условии, что Парциальное давление пара над жидкостью меньше давления насыщения. По мере подвода теплоты все большее количество жидкости будет переходить в пар и парообразование за­кончится в точке g.

Таким образом, процесс h-g в координатах v, р изображается изо­барой (р — const), одновременно являющейся изотермой (Т = const). Но температура возникающей фазы постоянна — это значит, что при кипении жидкость перегрета, т. е. температура жидкости выше темпе­ратуры насыщения, а при конденсации пар переохлажден, так как температура пара должна быть ниже температуры насыщения.

Опыт показывает, что при более высоком давлении (выше p_h) про­цесс кипения начинается при большем, чем v_h, объеме, а заканчи­вается при меньшем, чем v_g. Разница между объемами, соответствую­щими началу и концу процесса кипения, определяется индивидуаль­ными свойствами вещества.

По мере приближения к критическому значению температуры Т_кр пограничные кривые, На которых располагаются точки Һ и g, посте­пенно сближаются и при Т = Т_кр сливаются в критической точке К.

Нижняя пограничная кривая является предельной для существо­вания пара. Правее верхней пограничной кривой все вещество, участ­вующее в процессе, Находился в парообразном состоянии. Необходи­мо при этом иметь в виду, что газ — это всегда пар, но пар — это газ, состояние которого характеризуется близостью к верхней погранич­ной кривой. . •

В дальнейшем параметры состояния, относящиеся к нижней погра« ничной криЕой, снабжаются одним штрихом (например,р',v' и т. д.), за относящиеся к верхней пограничной кривой — двумя штрихами (р", v" и т. д.).. Линия, проведенная по точкам с, называется лини­ей затвердевания. Правее этой линии твердая фаза сущест­вовать не может.

Линия парообразования h-g в координатах Т, р представляется точками (см. рис.. 34, б), геометрическое место которых называется кривой упругости и описывается дифференци­альным уравнением К лааейрона—Клаузиуса- Одновременное су­

ществование жидкой, твердой и газообразной фаз в Тр-диаграмме оп­ределяется состоянием вещества в тройной точке а.

Температура в Кельвинах (К), соответствующая тройной точке для некоторых веществ:

Азот 63,15 Дейтерий ....... 18,73

Вода 273,16 Қислород 54,36

Водород 13,95 Неон 24,57

Гелий является единственным веществом, не имеющим тройной точ­ки (рис. 37).

Форма и протяженность кривой упругости отражают физические особенности вещества (рис. 33). Если параметры состояния превыша­ют критические, то поверхность раздела фаз прекращает свое сущест­вование.

Процесс парообразования весьма существенно отличается от обыч­ного процесса изменения состояния. Если при обычном изменении состояния свойства вещества меняются постепенно, то при фазовом пре­вращении малое количество подведенной (или отведенной) теплоты (к? меняет свойства только малой части dm имеющегося вещества, причем эти свойства меняются не монотонно, а скачком. Так, Ао = v" — v' — скачок удельного объема, As = s" — s' — скачок удельной энтропии и т. д. Скачок удельного объема хорошо виден в ур-диаграмме (см. рис. 32, б), скачок удельной энтропии —в вГ-диаграмме (рис. 39, а, б).

Процесс парообразования в этих координатах также представля­ется горизонтальной линией hg (одновременно постоянны Т и р). Об­ласть двухфазного состояния (влажного пара) расположена ниже Т = — Т_кр. Точка а пересечения нижней пограничной кривой с осью ординат соответствует параметрам тройной точки. Принято считать, что в этой точке s = 0 и i = 0. В жидкой фазе нижняя пограничная кривая идет круче, чем изобара, так как термическая расширяемость жидкости невелика, изобары в жидкости при малых и умеренных дав­лениях почти совпадают с нижней пограничной кривой.

Площадь под изотермой hg (рис. 39, а) представляет собой удель­ную теплоту парообразования

^r — T_h (s" — s'), (350) .

входящую в уравнение (172). Здесь и далее Т_һ = Т_н (Т_н — температу­ра насыщения). Подкасательная к изобаре определяет удельную теп­лоемкость при постоянном давлении с_р.

Действительно, из прямоугольного треугольника на рис. 39, а

Т/с_р = d77ds,

откуда

q = _CpdT = Tds.

По вГ-диаграмме в виде площади могут быть определены изменения внутренней удельной энергии и удельной энтальпии.