1.4.20. Основные параметры воды и водяного пара

Сначала рассмотрим параметры для воды. Удельный объём воды при 0⁰С и любом давлении равен =0,001 м³/кг, следовательно, плотность воды в этих состояниях будет равен кг/м³. Для всех остальных параметров состояние воды при 0⁰С и при не очень высоких давлениях внутренняя энергия, энтропия и энтальпия равны нулю, то есть .

Буквы, обозначающие параметры жидкости, имеют индекс штрих (^/), а нижний индекс указывает, что температура воды 0⁰С. Значения параметров воды при других температурах определяют по таблицам Ривкина. В таблицах термодинамических свойств воды у Ривкина имеются три таблицы: таблицы I и II относятся к насыщенному пару. Разница между этими двумя таблицами состоит в том, они построены по разным независимым переменным: таблица I построена по параметру температура, а таблица II ― по параметру давление.

Во втором вертикальном столбце таблицы I стоят значения давления насыщения, то есть того давления, при котором вода при данной температуре начинает превращаться в пар.

Например, для воды при 60⁰С процесс парообразования начнётся, если давление воды будет 0,02 МПа. Для воды при температуре 125⁰С процесс парообразования начнётся, если давление будет 0,232 МПа.

Во втором столбце таблицы II указаны значения температуры кипения (насыщения), то есть температуры при которой начинается кипение, если вода находится при соответствующем ей давлении, значение которого находится в первом столбце.

Температура сухого насыщенного пара однозначно определяется его давлением и наоборот. Значения параметров такого пара обозначаются двумя штрихами. Буквой r обозначается скрытая теплота парообразования, или теплота фазового перехода, то есть количество тепла, необходимое для превращения воды, нагретой до температуры насыщения при данном давлении, в сухой насыщенный пар.

Когда к жидкости, находящейся в состоянии кипения, подводится при постоянном давлении количество тепла, равное скрытой теплоте парообразования, это не вызывает увеличения температуры. Подведённое количество тепла в этом случае идёт на преодоление сил сцепления между молекулами и на работу расширения.

Обозначим r=d+w, где d называется внутренней теплотой парообразования. Это то количество тепла, которое идёт на преодоление сил сцепления между молекулами жидкости; w ― это работа, производимая при увеличении объёма во время перехода из состояния жидкости в состояние сухого насыщенного пара, и называется внешней теплотой парообразования.

Значение внутренней энергии сухого насыщенного пара можно получить из уравнения u+pv=h. Тогда u^//=h^//-pv^//. Здесь все величины, стоящие в правой части уравнения известны и могут быть взяты из таблиц Ривкина.

Мы уже знаем, что влажный насыщенный пар представляет собой смесь кипящей воды и сухого насыщенного пара. Объём v 1 кг влажного пара состоит из объёма х кг сухого пара и (1-х) кг воды, где х – массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре; (1-х) ― массовая доля воды во влажном паре. Так как удельный объём сухого пара v^//, а удельный объём кипящей воды v^/, то удельный объём влажного пара составит: v=v^//x+v^/(1-x). Величина v^/(1-x) часто оказывается очень малой по сравнению с v^//x, поэтому для влажного пара приближённо, но достаточно точно для большинства технически важных расчётов можно принять: v=v^//x.

Из сказанного видно, что удельный объём влажного пара меньше удельного объёма сухого пара. Внутренняя энергия влажного пара находится по уравнению:

u=h-pv, где все величины относятся к тому состоянию влажного пара, для которого определяется внутренняя энергия u.

Перегретый пар по своим свойствам соответствует идеальному газу в том смысле, что его состояние определяется, если заданы два параметра: давление и температура и сильно отличается от свойств насыщенного пара. Чем выше температура перегретого пара и чем ниже его давление, тем меньше отклоняется перегретый пар от свойств идеального газа. При высоких давлениях и при температурах, близких к состоянию насыщения, перегретый пар будет значительно отклоняться от свойств идеального газа.

Однако удельный объём перегретого пара при заданных давлении и температуры не может быть найден по уравнению идеального газа. Для водяного пара было предложено большое число характеристических уравнений (то есть уравнений состояния). При этом чем точнее какое-либо из них описывает определённые экспериментально свойства водяного пара, тем оно более сложно и менее удобно для расчётов. Поэтому для вычисления удельного объёма и других параметров перегретого пара удобнее всего пользоваться таблицами, составленными по экспериментальным данным с использованием уравнения состояния, например, таблицами по Ривкину.

Количество теплоты, которое подводится к 1 кг сухого насыщенного пара при превращении его в перегретый, называется теплотой перегрева и обозначается q_пе. Эту теплоту можно найти их уравнения: q_пе=с_pm(t-t_н), где:

t ― температура перегретого пара;

с_pm ― средняя массовая изобарная теплоёмкость перегретого пара.

Теплоёмкость перегретого пара с_pm зависит от давления и температуры.

1.4.21. h,s-диаграмма водяного пара

Кроме табличного метода расчётов тепловых процессов, на практике широко применяется графический метод с использованием h,s-диаграммы.

Эта диаграмма впервые была предложена в 1904 году немецким физиком Молье. В настоящее время в системе СИ пользуются диаграммой Вукаловича и Ривкина. Строится диаграмма по данным таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Практически h,s-диаграмма вся не изображается. Часть её, соответствующую очень влажному пару, опускают, что даёт возможность выполнить рабочую часть диаграммы в более крупном масштабе. А это повышает точность определения параметров пара и, следовательно, расчёта всех процессов при помощи этой диаграммы.

Повторю основные положения пройденного материала.

Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость.

Скрытая теплота парообразования, или теплота фазового перехода ― это количество тепла, необходимое для превращения воды, нагретой до температуры насыщения при данном давлении, в сухой насыщенный пар.

Теплотой перегрева называется количество теплоты, которое подводится к 1 кг сухого насыщенного пара при превращении его в перегретый.