Пары и парообразование

Процесс парообразования. Основные определения

Процесс парообразования и методика определения основных характеристик процесса парообразования для всех жидкостей практически аналогичны, что дает возможность рассматривать процесс парообразования на примере воды, как одного из наиболее распространенных веществ в природе.

Рассмотрим изобарный процесс парообразования 1 кг воды в координатах р – v

Процесс кипения протекает на участке а'- а" при постоянном давлении р1 и постоянной температуре ts1. В точке (а") вода полностью испаряется. Пар в этом состоянии называется сухим насыщенным. На участке (а'-а") вода находится в двух фазах и состоит из смеси кипящей воды и сухого насыщенного пара. Эта двухфазная равновесная система называется насыщенным (влажным) паром. При дальнейшем изобарном подводе теплоты сухой насыщенный пар превращается в перегретый (а). Перегретый пар имеет температуру выше температуры кипения (насыщения) при данном давлении.

Точки на линии a"-b"-с" характеризуют состояние сухого насыщенного пара, а кривая определяет зависимость удельного объема сухого пара от давления = f(p) и называется верхней пограничной кривой. Пограничные

кривые пересекаются в точке (К), называемой критической.

Параметры и функции состояния кипящей воды на нижней пограничной кривой линии насыщения обозначаются одним штрихом, а сухого насыщенного пара - двумя штрихами. Для однозначного определения состояния кипящей воды и сухого насыщенного пара достаточно знание давления р или температуры насыщения ts, по значению которых в термодинамических таблицах водяного пара можно найти свойства кипящей воды - v', u', h', s' и сухого насыщенного пара - v", u", h", s".

В области между пограничными кривыми находится влажный насыщенный пар. Каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное давление, то есть между этими параметрами существует однозначная зависимость .

Для характеристики влажного насыщенного пара, помимо р или ts, в качестве второй независимой переменной используется массовая концентрация сухого насыщенного пара в смеси, называемая степенью сухости или

паросодержанием ( x)

где G" – масса сухого насыщенного пара; G – масса кипящей

жидкости; G – масса насыщенного пара.

На нижней пограничной кривой x 0 , а на верхней x 1

Отношение массы кипящей жидкости к массе смеси (влажного насыщенного пара) называется влагосодержанием

Количество теплоты, которое необходимо подвести при постоянном давлении к 1 кг кипящей жидкости для превращения ее в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается символом r . Значение скрытой теплоты парообразования (r) можно определить из математического выражения первого начала

термодинамики

q q* q** du pdv dh vdp

Так как процесс парообразования протекает при постоянном давлении ( p idem), скрытая теплота парообразования

может быть определена из следующего соотношения:

С ростом давления или температуры кипения (насыщения) жидкостей величина скрытой теплоты парообразования

уменьшается и в критической точке становятся равными нулю.

Свойства влажного насыщенного и перегретого пара

Влажный насыщенный пар является бинарной смесью. Свойства влажного насыщенного пара зависят от давления, при котором он находится, от концентраций жидкой и парообразной фаз в системе, которые определяются значением паросодержания .

Известно, что объем , внутренняя энергия , энтальпия и энтропия системы зависят от массы вещества (G ). Обозначим любую полную функцию через Z, а ее удельное значение z. Тогда Z=zG .

Для вычисления характеристик системы - влажного

насыщенного пара, воспользуемся правилом аддитивности

Z Z Z

где Z иZ – экстенсивные характеристики кипящей воды и

сухого насыщенного пара.

Выразив полные характеристики через соответствующие

удельные величины получим

Gz G z G z

Разделив на массу влажного насыщенного пара получим выражение для определения удельных значений характеристик влажного насыщенного пара

z ( 1 x ) z xz z ( z z ) x

С помощью данного соотношения можно записать соотношения для определения основных параметров и удельных значений функций состояния влажного насыщенного пара (удельного объема, внутренней энергии, энтальпии и энтропии):

Энтальпия, энтропия и внутренняя энергия перегретого пара определяются из уравнений приращения этих параметров в изобарическом процессе перегрева. В связи с тем, что перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу, для изобарного процесса перегрева сухого насыщенного пара с некоторой долей приближения справедливы следующие соотношения:

где h , s –p удельные значения энтальпии и энтропии сухого насыщенного пара; сpm , cmp – первая и вторая средние

удельные теплоемкости перегретого пара в интервале температур Т-Тs; v – удельный объем перегретого пара;T – степень перегрева.