2.3. Термодинамика водяного пара

2.3.1. Основные понятия в термодинамике водяного пара

Водяной пар _ широко распространенное в различных областях техни-

ки рабочее тело и наиболее часто используемый теплоноситель.

В металлургии и химической промышленности водяной пар применяют

в системах испарительного охлаждения металлургических печей, в котлах-

утилизаторах, на заводских ТЭЦ. Его широко используют для обогрева

мазутопроводов, для распыления мазута, в различных теплообменниках,

водяной пар является основным рабочим телом, используемым в энергетике

_ на тепловых и атомных электростанциях.

Широкое применение водяного пара объясняется его малой агрессив-

ностью и сравнительно низкой температурой кипения.

Водяной пар используется в промышленности обычно в условиях, близ-

ких к конденсации пара, и его поведение не подчиняется законам, справед-

ливым для идеального газа. Поэтому уравнение состояния идеального газа

(2.1,а) неприменимо для расчетов водяного пара. Лучшие результаты дает

уравнение Ван-дер-Ваальса, однако и оно пригодно лишь для оценочных

расчетов. В связи с этим для практических расчетов состояний воды и

водяного пара используют справочные таблицы, построенные по экспери-

ментальным данным.

В промышленности водяной пар получают в паровых котлах и систе-

мах испарительного охлаждения печей при практически постоянном давле-

нии. Поэтому в дальнейшем изучим изобарные процессы при нагреве воды

до температуры кипения, процесс кипения и перегрев полученного пара.

Рассмотрим эти процессы, пользуясь диаграммой р _ v (рис. 2.8).

Пусть в исходном состоянии (точка

а) имеем воду при температуре 0ｰС и

при некотором давлении р1.

Сообщая воде (1 кг воды или

пара) определенное количество

теплоты, доведем ее до кипения

(точка b). При этом температура

воды равна температуре Тs1, а

удельный объем v1, так как при

повышении температуры происходит

расширение жидкости.

В точке b имеем воду при

температуре кипения. Дальнейший

подвод теплоты в изобарно-изотермических условиях обеспечивает непре-

рывный процесс кипения.

Это приводит к увеличению количества пара и росту удельного объема.

23

Между точками b и с система представляет собой смесь кипящей

воды с насыщенным паром и называется влажным насыщенным паром.

В точке с вся вода превращена в пар с удельным объемом v2, находя-

щимся при температуре насыщения (кипения), который называется сухим

насыщенным паром. Дальнейший подвод теплоты приводит к тому, что

температура пара оказывается выше температуры кипения, и удельный объем

также увеличивается. Такой пар (точка d) называется перегретым.

В качестве характеристики состава влажного пара используется вели-

чина, представляющая массовую долю сухого насыщенного пара в этой

смеси, называемая __________степенью сухости и обозначаемая х.

Таким образом в точке b значение х = 0, а в точке с значение х = 1.

Дальнейшее увеличение давления приведет к сближению точек b и с (см.

точки e и f ), которые в конце концов, при некотором давлении, называемом

критическим, сольются в одну точку К, которая называется критической. В

этой точке свойства воды и насыщенного пара неразличимы.

Для воды критическое давление равно 22,1 МПа, а критическая темпе-

ратура 374,12 ｰС.

Как следует из ранее рассмотренного, при анализе уравнения Ван-дер-

Ваальса, кривая beК является пограничной кривой жидкости, а кривая Кfc

_ пограничной кривой пара.

Область I диаграммы, расположенная слева от пограничной кривой

жидкости, соответствует воде в жидком состоянии, область II между

пограничными кривыми _ влажному насыщенному пару и область III

справа от пограничной кривой пара _ перегретому пару.

На пограничных кривых состояние системы однозначно определяется одним

параметром, например, давлением или температурой. В других областях

диаграммы для однозначного определения состояния системы необходимо

задать два параметра состояния.

Рассмотрим процесс образования пара на диаграмме T _ s (рис. 2.9).

Точка а, соответствующая воде при температуре То = 0 ｰС, расположена на

оси ординат, так как энтропия воды при этой температуре условно принята

равной нулю. При подводе теплоты температура воды возрастает вплоть до

температуры кипения Тs1 в точке b. Дальнейший подвод теплоты определяет

протекание изобарно-изотермического процесса кипения воды, которое

сопровождается возрастанием энтропии вдоль отрезка прямой bc до точки с,

в которой имеем сухой насыщенный пар. Продолжая подвод теплоты, полу-

чим перегретый пар (точка d) с температурой, превышающей Тs1. Площадь,

расположенная между отрезком bc и осью абсцисс, соответствует теплоте,

которая необходима для полного превращения 1 кг воды в сухой насыщен-

ный пар при температуре кипения, равной скрытой теплоте парообразования

r (Дж/кг).

24

С ростом давления температура кипения растет, поэтому увеличится и

энтропия кипящей воды (точка e), так как для нагрева воды до большей

температуры Тs2 необходимо большее количество теплоты. Следовательно,

точка e сдвинется вправо по отношению к точке b. С другой стороны, скры-

тая теплота парообразования при

повышении давления уменьшается,

поскольку уменьшается энергия,

необходимая для разрыва межмо-

лекулярных связей. Следовательно,

точка f переместится влево по

отношению к точке с.

При критических значениях дав-

лении и температуре эти точки

сольются в критическую точку К.

Таким образом, и на диаграмме

Т _ s получим пограничные кри-

вые и те же области, аналогичные

диаграмме р _ v.

В связи с тем, что все рассматриваемые процессы являются изобарны-

ми, количество подведенной к системе теплоты равно изменению энтальпии.

Так как энтальпия и энтропия в исходном состоянии, т. е. в точке а, условно

приняты равными нулю, поэтому искомое количество теплоты, равное изме-

нению энтальпии и изменение энтропии для разных состояний системы, по

сравнению с исходным, будут выражаться их абсолютными значениями.

Энтальпию кипящей воды в точке b, т. е. ее изменение между точками

а и b, равное количеству теплоты, необходимому для нагрева 1 кг воды от