Д. Термодинамічні процеси зміни стану водяної пари

Водяна пара – робоче тіло в парових турбінах і машинах, теплоносій в різних теплообмінниках і т.д. Водяна пара не може розглядатися як ідеальний газ і до неї не застосовні залежності, отримані для ідеальних газів, в тих випадках, коли вони є робочим тілом парових установок.

Графічне зображення термодинамічних процесів з водяною парою

Ізохорний процес (V=const ). На P-V – діаграмі ізохору зображують відрізком прямої, паралельної осі ординат; на T-S – діаграмі - в області вологої насиченої пари - кривою лінією з опуклістю вгору, а в області перегрітої пари - опуклістю вниз.

Ізобарний процес (P=const). На P-V–діаграмі ізобару зображують горизонтальною прямою лінією; на T-S–діаграмі - в області вологої пари ізобара є одночасно і ізотермою, і її зображають горизонтальною прямою; в області перегрітої пари - кривою з опуклістю вниз; на I-S - діаграмі в області вологої пари – це похила пряма, а в області перегрітої пари - крива з опуклістю вниз.

Ізотермічний процес (T=const). На P-V-діаграмі ізотерму зображають в області вологої пари горизонтальною прямою, в області перегрітої пари - кривою з опуклістю вниз; на T-S - діаграмі - це горизонтальна пряма. В I-S-діаграмі в області вологої пари ізотерма співпадає з ізобарою, а в області перегрітої пари її зображають кривою з опуклістю вгору.

Адіабатний процес. На P-V-діаграмі адіабату зображають кривою з опуклістю вниз, що йде в області вологої пари більш полого, ніж в області перегрітої пари; на T-S і I-S-діаграмах – це вертикальні прямі.

Основні розрахункові формули для процесів, в яких водяна пара є робочим тілом, зведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2

Основні розрахункові формули

Значення параметрів для сухої насиченої пари, води і перегрітої пари беруть з таблиць водяної пари.

Значення параметрів вологої насиченої пари визначають по таких формулах:

v_x = v'(1-x) + v"x; i_x = i'(1-x) + i"x; S_x = S'(1-x) + S"x;

де x - ступінь сухості; v', i', S' і v'', i'', S'' – питомий об'єм, ентальпія і ентропія відповідно киплячої рідині і сухої насиченої пари (беруть з таблиць водяної пари).

Необхідні значення параметрів для будь-якої пари також можуть бути визначені по I-S - діаграмі, але з меншою точністю.

Приклад 10. Визначте кількість теплоти, що підводиться до 2 кг вологої насиченої пари в процесі v=const при P=5,5 бар і ступені сухості x=0,9 для отримання сухої насиченої пари.

Рішення. Теплота, що підводиться Q_v= ΔU = U₂ - U₁; U₁ = M (i₁ - P₁ v₁);

U₂=M (i₂-P₂ v₂).

ПоI-S- діаграмі водяної пари знаходимо:

i₁=608 кДж/кг; i₂=660 кДж/кг;

v₁=0,3 м³/кг; v₂=0,3 м³/кг; P₂=6,4 бара.

Тоді

Q_υ = U₂ - U₁ = 5115 – 4750 = 365кДж.

Приклад 11. Визначте кількість теплоти, що витрачається на перегрів 5 кг вологої насиченої пари із ступенем сухості x=0,98приР=const=30 бар дотемператури t= 450 °С.

Рішення. По I-S - діаграмі водяної пари знаходимо:

i₁ = 660 ккал/кг;

i₂ = 798 ккал/кг.

Тоді Q_p=M(i₂-i₁) = 5·4,19(798-660) = 2880 кДж.

Приклад 12. 1кг вологої насиченої пари при P₁=15 баріx₁= 0,8 изотермічнорозширюється доP₂= 8 бар. Визначте кількість теплоти, зміну внутрішньої енергії і роботу розширення.

Рішення. По I-S - діаграмі знаходимо:

v₁ = 0,105 м³/кг; v₂ = 0,25 м³/кг;