Техническая термодинамика / Лекции по Технической термодинамике / Лекция 4

3. Водяной пар и его свойства

3.1. Водяной пар. Основные понятия и определения.

Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар. Пар - газообразное тело в состоянии, близкое к кипящей жидкости. Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное. Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости. При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением. Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией. При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения , то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром. В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – х.

х = m_сп / m_вп ,

m_сп - масса сухого пара во влажном; m_вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре нызвается степенью влажности – у.

у = 1 –  .

Для кипящей жидкости при температуре насыщения  = 0, для сухого пара –  = 1.

3.2 Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.

Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).

Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.

Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).

Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения. Между данными процессами существует принципиальное различие. Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. Различают следующие состояния водяного пара:

• влажный пар;

• сухой насыщенный пар;

• перегретый пар.

Атмосферный воздух (влажный воздух) может быть:

• пересыщенный влажный воздух;

• насыщенный влажный воздух;

• ненасыщенный влажный воздух.

Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман. Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара. Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.

Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.

В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.

Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов.

Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.

Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона:

Р=Рв+Рп, (3.1)

Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.

Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева

влажный воздух PV=MRT; (3.2)

сухой воздух P_BV=M_BR_BT; (3.3)

водяной пар Р_ПV=M_ПR_ПТ, (3.4)

где V – объем влажного воздуха, м³; М, М_В, М_П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R_В, R_П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кг К); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.

Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м³ влажного воздуха. Она обозначается через  _П и измеряется в кг/м³ или г/м³. Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе:  _П=Р_П/(R_ПТ). Очевидно, что

 _П=М_П/V, где V – объем влажного воздуха массой М.

Относительной влажностью воздуха  называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха ( Н) при той же температуре.

Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине  :  <100 %, при этом Р_П<Р_Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;  =100 %, при этом Р_П=Р_Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t_Н.

3.3 id – диаграмма влажного воздуха

Впервые id - диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления. В id – диаграмме по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздуха i, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на id - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии i=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на id.-диаграмме наносят изотермы t_С=const, t_M=const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от.  =5% до  =100%). Линии постоянных значений относительной влажности  =const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р_П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р_П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р_П=Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности  =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии  =100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при  =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t^C=t_M, то изотермы t_C=t_M=const пересекаются на линии  =100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по id - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность -  , энтальпию воздуха - i; парциальное давление пара – Р_П, температуру точки росы – t_М.

36