4.2 Водяна пара та її характеристики

Водяна пара застосовується у багатьох галузях техніки як робоче тіло. Вона має хороші термодинамічні властивості (зокрема, великі теплоємність і теплоту пароутворення) і не шкідлива для живих організмів. Поведінка пари різних речовин подібна. Тому, вивчивши основні закономірності отримання і поведінки водяної пари, ми можемо зрозуміти процеси з парою інших речовин.

Отримують пару з рідини двома шляхами: випаровуванням і кипінням.

Випаровуванням називається утворення пари, яке відбувається тільки з вільної поверхні рідини і при будь-якій температурі;

кипіння – це інтенсивне пароутворення у всій масі рідини, яке протікає при певній температурі і передачі рідині певної кількості теплоти.

Процес кипіння починається при досягненні рідиною певної температури, яка називається температурою кипіння (насичення) t_н і протягом усього процесу залишається сталою, оскільки вся підведена теплота витрачається лише на випаровування рідини. Величина t_н залежить від природи речовини і тиску, причому при підвищенні тиску t_н збільшується. Тиск, який відповідає температурі t_н, називається тиском насичення р_н.

Співвідношення між тиском і температурою насиченої пари (в стані фазової рівноваги) дається рівнянням Клапейрона – Клаузіуса

.

r – теплота фазового переходу (кипіння); Т – температура кипіння (насичення); v'′, v′ – питомі об’єми насиченої пари та киплячої води.

Зворотний процес переходу пари у рідину, який супроводжується відведенням теплоти, називається конденсацією.

Насиченою називається пара, яка утворилася в процесі кипіння і знаходиться у термічній і динамічній рівновагах з рідиною. Насичена пара буває сухою насиченою і вологою насиченою.

Суха насичена пара не містить рідини і має температуру насичення t = t_н при даному тиску.

Двофазна система, що складається з сухої насиченої пари і рідини, називається вологою насиченою парою.

Відношення маси сухої насиченої пари m_сп до маси вологої пари m_вп = m_сп + m_р, де m_р – маса рідини, називається ступенем сухості х вологої пари,

. (4)

Очевидно, що для киплячої рідини (m_{с п} = 0) х = 0, для сухої насиченої пари (m_р = 0) х = 1.

Якщо до сухої насиченої пари продовжувати підводити теплоту, то її температура збільшиться.

Пара, температура якої при даному тиску більша, ніж температура насичення (t > t_н), називається перегрітою парою.

Для технічних потреб водяну пару отримують у парових котлах (котлоагрегатах), де підтримується постійний тиск. Найпростіша схема котлоагрегату показана на рис. 3. Працює котел так.

Вода з живильного резервуара насосом 1 подається у підігрівач (водяний економайзер) 2, де димовими газами (показані штриховою лінією) підігрівається до температури насичення t_н. З економайзера вода подається через барабан 5 і опускні труби 4 у систему випарних трубок 3, які розміщені у топці котла. У випарних трубках завдяки передачі теплоти від продуктів згорання частина води перетворюється у пару. П ароводяна суміш піднімається у барабан 5, де суха насичена пара відділяється від води, яка знову повертається у випарний контур. Суха насичена пара з верхньої частини барабана надходить у пароперегрівач 6. Тут вона, отримуючи теплоту димових газів, перегрівається до потрібної температури t.

Отже, процес отримання перегрітої пари складається з трьох послідовних стадій: підігріву води до температури насичення, пароутворення і перегріву пари до потрібної температури.

Всі ці стадії протікають при постійному тиску і на термодинамічних діаграмах відображені ізобарою.

На „p-v” діаграмі (див. рис.4) ділянка двофазного стану представлена горизонтальним відрізком, обмеженим кривими х = 0 і х = 1, точки b і c. Згадані три стадії відповідають відрізкам: ab – підігрів рідини до температури кипіння; bc – пароутворення; cd – перегрів пари.