Основные теоретические положения

Известно, что все вещества в зависимости от физических условий находятся в твердом, газообразном или жидком состоянии. Переход из одного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовое превращение из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, из газового в жидкое – конденсацией. Процесс образования пара по всей массе жидкости называется кипением. Процесс кипения может происходить только при подводе тепла, а конденсации – при отводе тепла. Фазовый переход происходит при постоянной температуре, которая называется температурой насыщения. То есть температура может быть названа в одном случае температурой кипения, в другом – температурой конденсации.

Температура насыщения зависит от давления. С повышением давления температура насыщения повышается, и наоборот – с понижением давления температура насыщения понижается. При одном и том же давлении температура насыщения для разных тел различна.

Жидкость, имеющая температуру насыщения, называется насыщенной жидкостью; соответственно пар, имеющий температуру насыщения, называется насыщенным паром. Смесь жидкости и пара при температуре насыщения называется влажным насыщенным паром. Этот пар (влажный) характеризуется степенью сухости (паросодержанием) - х или степенью влажности (влагосодержания) – y=1-x. Степень сухости изменяется в диапазоне 0х1. При х=0 вещество находится в состоянии насыщенной жидкости, при х=1 - в состоянии сухого насыщенного пара; при 0х1 имеет место двухфазная система - влажный насыщенный пар - смесь насыщенной жидкости и сухого насыщенного пара. Пар, имеющий температуру выше температуры насыщения, называется перегретым паром, а жидкость, имеющая температуру ниже температуры насыщения называется холодной или ненасыщенной жидкостью.

Для реальных газов (паров) не пригодно уравнение состояния идеальных газов, т.е. pRT. Уравнение состояния для паров весьма сложно и в расчетной практике не применяется. Вследствие этого используют таблицы и диаграммы, составленные на основании опытных и теоретических данных.

Фазовая I-s диаграмма водяного пара

Для практических расчетов процессов водяного пара широкое применение получила фазовая i-s диаграмма (рис. 1).

По оси абсцисс указывается удельная энтропия s , по оси ординат – удельная энтальпия i . Все диаграммы составляются для 1кг вещества. Линии с постоянным значением энтальпии (i-const) - горизонтальные линии (перпендикулярны оси ординат). Линии с постоянным значением энтропии (s-const) - вертикальные линии (перпендикулярны оси абсцисс). Все поле диаграммы делится пограничными кривыми – нижней x=0 и верхней x=1 на три области: жидкого состояния рабочего тела, состояние влажного пара и состояние перегретого пара. Нижняя пограничная кривая х=0 – это линия насыщенной жидкости. Верхняя пограничная кривая х=1 – это линия сухого насыщенного пара. Между этими кривыми двухфазное состояние рабочего тела – влажный пар. Все линии с постоянным значением степени сухости (паросодержания) – х-const, в том числе и х=0 и х=1, сходятся в одной точке К - критической точке. Параметры, соответствующие этой точке, называются критическими. Для воды критические параметры имеют следующие значения: ; ; . Выше критической точки переход из жидкого состояния в газообразное происходит, непосредственно минуя стадию двухфазного состояния, и четкую границу между жидкостью и паром установить невозможно.

Итак, линии х-const находятся только в области влажного пара, все они выходят из критической точки. Значение этого параметра изменяется от 0 до 1 и указываются на некоторых изолиниях.

Изобары р-const и изотермы t-const в области влажного пара совпадают (каждому значению p соответствует свое значение температуры насыщения ). Эти линии р-const и t-const представляют собой прямые линии с постоянным угловым коэффициентом. В области перегретого пара (начиная с пограничной кривой x=1) изобары и изотермы расходятся, причем изобары поднимаются кверху в виде логарифмических кривых, а изотермы стремятся к горизонтали. Это объясняется тем, что с понижением давления перегретый пар по свойствам приближается к идеальному газу, энтальпия которого зависит только от температуры, т.е. линии t-const одновременно являются линиями i-const.

Значения изобар указываются в области влажного пара (на линии x=0,9) и в области перегретого пара (в самом верху диаграммы по линии t=800^oC) от 0,001 до 100 МПа.

Значения изотерм указываются только в области перегретого пара (в области влажного пара изотермы являются одновременно и изобарами) от 50 до 800^оС.

Изохоры -const идут несколько круче изобар (пунктирные линии). Значения изохор указываются в области влажного пара, на линии сухого насыщенного пара и в области перегретого пара от 0,005 до 50 м³/кг.

Рисунок 1 – Фазовая диаграмма водяного пара