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)
x = |
G¢¢ |
= G¢¢ |
|
G¢ + G¢¢ |
|||
|
G |
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
y = 1 - x = |
G¢ |
= G¢ |
|
G¢ + G¢¢ |
|||
|
G |
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
dq = dq* + dq** = du + pdv = dh - vdp
Так как процесс парообразования протекает при постоянном давлении ( p = idem), скрытая теплота парообразования
может быть определена из следующего соотношения:
x =1 |
x =1 |
|
|
¢¢ |
¢ |
r = òdqp = òdh = h |
- h |
|
x =0 |
x =0 |
|
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
Спомощью данного соотношения можно записать соотношения для определения основных параметров и удельных значений функций состояния влажного насыщенного пара (удельного объема, внутренней энергии, энтальпии и энтропии):
h = h¢ + ( h¢¢ - h¢ ) × x = h¢ + rx;
s = s¢ + ( s¢¢ - s¢ ) × x = s¢ + r × x; Ts
u= u¢ + ( u¢¢ - u¢ ) × x;
v = v¢ + ( v¢¢ - v¢ ) × x
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:
ds @ c |
|
dT |
|
; |
s = s¢¢ + cmp ×ln |
T |
|
|
|
|
|
||||||
|
T |
|
||||||
|
p |
|
Ts |
|
||||
dh @ c dT ; |
|
|
¢¢ |
¢¢ |
+ cpm ×DT |
|||
h = h |
+ cpm ×( T -Ts ) = h |
|||||||
где h¢¢ , s¢¢–pудельные значения энтальпии и энтропии сухого |
||||||||
насыщенного пара; с |
, cmp – первая и вторая средние |
|||||||
pm
удельные теплоемкости перегретого пара в интервале температур Т-Тs; v – удельный объем перегретого пара; DT – степень перегрева.
