1.3.3. Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара

Количественные соотношения между различными параметрами и функциями состояния воды, сухого насыщенного и перегретого пара устанавливаются по формулам или по специальным таблицам, составленным на основании теоретических и экспериментальных исследований.

Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара содержат три таблицы [6]: термодинамические свойства воды и водяного пара (ТСВВП) в состоянии насыщения по температурам и по давлениям и термодинамические свойства воды и перегретого пара.

В приложении приведены таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

В табл. П.1 и П.2 приводятся значения удельного объема, энтальпии и энтропии воды, нагретой до состояния кипения, и сухого насыщенного пара, температуры кипения, давления, при котором происходит парообразование, теплоты парообразования, параметры критического состояния.

В табл. П.3 приведены удельный объем, энтальпия и энтропия воды и перегретого пара при различных давлениях и температурах.

Таблицы дают лишь дискретные значения искомых величин. Для изображения непрерывных изменений параметров (процессов) на практике часто используется плоская система координат (диаграмма водяного пара).

Диаграмма р,  водяного пара приведена на рис. 1.5. На диаграмме нанесены три линии:

А_ОА' – линия холодной воды. На диаграмме она изображается в виде прямой линии, параллельной оси ординат, так как вода практически несжимаема. Эта линия будет и изотермой 0 ^ОС;

А'К – линия кипящей воды (левая пограничная кривая);

КА" – линия сухого насыщенного пара (правая пограничная кривая).

Графическим изображением процесса нагрева воды, парообразования и перегрева пара при постоянном давлении будет линия а_Оа'а"а (рис. 1.5) с четырьмя точками: а_О – холодная вода при 0 ^ОС; точка а' – кипящая вода (начало процесса парообразования); точка а" – сухой насыщенный пар (окончание процесса парообразования); точка а – перегретый пар.

Отрезок а_Оа' на прямой а_Оа'а"а изображает в р-диаграмме процесс нагрева воды до кипения, отрезок а'а" – парообразование; отрезок а"а – перегрев пара.

Рис. 1.5. Диаграмма р,  водяного пара

По мере увеличения давления расстояние между пограничными кривыми уменьшается и, наконец, кривые сходятся в критической точке К. В этом состоянии исчезает различие в свойствах пара и воды. Для воды параметры критического состояния: р_КР = 22,115 МПа; t_КР = 374,12 ^ОС; _КР = 0,003147 м³/кг; удельная энтальпия h_КР = 2095,2 кДж/кг; удельная энтропия s_КР = = 4,4237 кДж/(кгК). При температурах выше критической t_КР возможно сосуществование только перегретого пара.

Точка А' пересечения линии кипящей жидкости и линии холодной воды соответствует состоянию кипящей жидкости в тройной точке. В этой точке могут находиться в равновесии все три фазы воды: лед, вода и пар. Параметры тройной точки для воды: р_О = 0,61 кПа; t_О = 0,01 ^ОС; _О = 0,001 м³/кг.

Линии холодной и кипящей воды и сухого насыщенного пара разбивают поле диаграммы на три области:

 область I, расположенная между линиями А_ОА' и А'К, характеризует состояние подогретой воды;

 область II, ограниченная линиями А'К и КА",  равновесное состояние воды и влажного насыщенного пара с различными степенями сухости (двухфазное состояние);

 область III, находится правее кривой КА",  перегретый пар.

Количество теплоты, которое нужно сообщить воде, чтобы нагреть ее от t₀ = 0 ^ОС до температуры кипения в процессе р = const, называется теплотой жидкости, и определяется по формуле

где  средняя теплоемкость воды в интервале температур от 0 ^ОС до t_Н ^ОС.

При низких по сравнению с Т_КР температурах можно считать = = 4,1865 кДж/(кг·К).

Параметры влажного насыщенного пара при заданной величине сухости могут быть определены из следующих соотношений.

Удельный объем влажного насыщенного пара

Так как объем воды (1  х)' мал по сравнению с объемом пара, то при невысоких давлениях

Энтальпию влажного насыщенного пара с учетом того, что на превращение в пар х кг жидкости необходимо затратить xr кДж/кг теплоты, можно определить по формулам:

Скрытая теплота парообразования, кДж/кг,

r = h" – h'.

Удельная энтропия влажного насыщенного пара, кДж/(кгК),

s = s" x + s' (1 – x).

Перегретый пар характеризуется тем, что его температура выше температуры парообразования Т_Н при том же давлении и удельный объем его больше, чем сухого насыщенного пара при том же давлении.

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг сухого насыщенного пара при р = const в перегретый с температурой t, называют теплотой перегрева q_П и определяют по формуле

Если с_Рm – средняя массовая теплоемкость перегретого пара при постоянном давлении, то

Энтальпия перегретого пара

называется полной теплотой перегретого пара.

Диаграмма Т, s водяного пара. Для графического изображения процессов, происходящих в паре, удобно пользоваться Тs-диаграммой (рис. 1.6). Площадь под кривой обратимого процесса определяет количество теплоты, сообщаемое рабочему веществу или отнимаемое от него.

Рис. 1.6. Тs-диаграмма водяного пара

Область, лежащая между линией кипящей жидкости (аК) и линией сухого насыщенного пара (сК), это область влажного насыщенного пара. Область, лежащая правее линии сК,  область перегретого пара.

Так как процесс парообразования идет при Т_Н = const и р = const, изотерма b-c является одновременно и изобарой. Дальнейший подвод теплоты снова сопровождается увеличением температуры и энтропии  процесс перегрева пара (кривая сe).

Теплота, подведенная к жидкости в процессе нагрева до состояния кипения, пропорциональна площади abАО. Площадь bcВА пропорциональна теплоте, подводимой к воде в процессе парообразования; площадь сеСВ – теплоте, затраченной на перегрев пара.

Диаграмма h, s водяного пара. Для изучения и расчетов различных термодинамических процессов, в котором рабочим веществом является насыщенный и перегретый пар, удобно пользоваться hs-диаграммой (рис. 1.7). На диаграмме линии кипящей жидкости и сухого насыщенного пара сливаются в критической точке К. В этой диаграмме теплота жидкостей, парообразования и перегрева изображается линейными отрезками, а не площадями. Теплота парообразования по данной изобаре

r = h" – h'

равна разности ординат точек пересечения изобары с пограничными кривыми.

Рис. 1.7. hs-диаграмма водяного пара

В области влажного пара изобары, являясь одновременно и изотермами, представляют собой прямые линии. Изобары пересекают пограничные кривые без излома.

Изобары в области перегретого пара слабо вогнутые логарифмические кривые, изотермы – выпуклые кривые, поднимающиеся слева вверх направо. Чем больше температура, тем выше располагается изотерма. Чем дальше от пограничной кривой (х = 1) проходит изотерма, тем больше она приближается к горизонтали h = const, так как в области идеального газа энтальпия однозначно определяется температурой.

На рис. 1.7 точки А, В, С изображают соответственно состояние влажного, сухого и перегретого пара.