1.4.17. Термодинамические процессы водяного пара

При расчётах связанных с термодинамическими процессами, совершаемыми парами, ставятся задачи по определению начальных и конечных параметров пара, изменения его внутренней энергии и энтальпии, количества подведённой или отведённой теплоты и работы изменения объёма и изменения давления.

Термодинамические процессы газов рассчитываются аналитическим методом, при котором все искомые величины ― параметры газа, работа и количество теплоты ― определяются по формулам. Такой метод для расчётов с парами неудобен, и вот почему. В термодинамическом процессе пар может переходить из одного состояния в другое, например, из влажного насыщенного в перегретый или из перегретого во влажный насыщенный пар. А так как процессы влажного насыщенного и перегретого паров имеют свои особенности, то, прежде чем рассчитать их, следует выяснить, в каком состоянии находится пар в начале и в конце процесса.

Расчёты с парами производятся либо графически с использованием диаграмм pv, Ts и hs, в особенности hs-диаграммы, либо аналитически по формулам с применением таблиц параметров сухого насыщенного и перегретого паров. Графический метод удобен тем, что по диаграммам легко установить, пересекает ли линия данного процесса пограничную кривую, то есть изменяется ли состояние пара. Однако не всегда возможно и не всегда удобно пользоваться графическим методом, например, при вычислении работы или внутренней энергии. В связи с этим при решении задач на изменение состояния паров применяется графоаналитический метод с использованием как расчётных уравнений, так и диаграмм и таблиц.

В термодинамике паров рассматривают четыре основных процесса: изохорный (при v=const), изобарный (р=const), изотермический (t=const) и адиабатный (dq=0). Каждый из этих процессов может протекать полностью в области влажного или перегретого пара, то есть без изменения агрегатного состояния. Но процесс может протекать и так, что, например, в начальном состоянии пар будет влажный, а в конечном состоянии ― перегретый или наоборот.

При расчёте влажного насыщенного пара должны быть заданы два начальных параметра пара и один конечный или один начальный и два конечных. Такими параметрами обычно бывают давления (начальное и конечное) и степень сухости, а для расчётов с перегретыми парами ― давление (начальное и конечное) и температура пара.

Порядок графоаналитического исследования термодинамических паров может быть следующий:

1. По заданным параметрам состояния находят на h,s-диаграмме точки, характеризующие начальное и конечное состояние пара (например, давлении р, температура t и степень сухости х), по которым устанавливаются остальные искомые параметры пара в начале и в конце процесса (например, удельный объём v, энтальпия h и энтропия s).

2. Удельную теплоту q1,2, подведённую к рабочему телу или отведённую от него находят по формулам:

а) для изобарного процесса ― q_1,2=h₂-h₁,

б) для адиабатного процесса ― q_1,2=0,

в) для изотермического процесса ― q_1,2=Т(s₂-s₁),

г) для изохорного процесса ― q_1,2=u₂-u₁.

3. Удельную внутреннюю энергию u₁ и u₂ независимо от вида процесса вычисляют по формуле: u=h-pv.