4.3.2. Друга стадія - процес пароутворення

Подача теплоти до киплячої рідини, що знаходиться у випаровувальному контурі котлоагрегату, супроводжується інтенсивним пароутворенням всередині рідини і переходом частини води в пару. Отже, ділянці bc на рис. 4 відповідає рівновага суміші рідини і пари (волога насичена пара), яка характеризується у кожній точці процесу масовою часткою сухої пари (ступенем сухості пари х), яка міститься у суміші.

Кінцевий стан цієї стадії характеризується повним перетворенням рідини у пару, яка має температуру насичення води (t_с = t_н) при заданому тиску р₁= р_н.

Така пара, як вже згадувалось, називається сухою насиченою парою.

Таким чином, процес пароутворення є одночасно ізобарним (p_н = const) і ізотермічним (t_н = const), що є особливістю процесів фазових перетворень.

Теплота, яку отримує вода на ділянці bc, тратиться не на підвищення її температури, а тільки на подолання сил притягання між молекулами і на роботу розширення пари.

Оскільки між температурою насичення t_н і тиском р_н є однозначний зв’язок, то стан сухої насиченої пари визначається лише одним параметром – тиском або температурою.

Стан сухої насиченої пари при різних тисках буде відповідати лінії ВК на рис. 4, яка називається граничною кривою пари. Очевидно, що в кожній точці цієї кривої х = 1. Параметри сухої насиченої пари позначаються відповідними буквами з двома штрихами (v^'', u^'', h^'', s^'', і т. д.) і подані у таблицях в залежності від тиску p_н і температури t_н.

В процесі пароутворення питомий об’єм речовини зростає. Наприклад, для води при p_н = 0.1 МПа питомий об’єм v^' = 0.001043 м³/кг, тоді як v^'' = 1,696 м³/кг, тобто при пароутворенні об’єм збільшився ≈1600 разів. З ростом тиску питомий об’єм води зменшується і в критичній точці К v^'_кр= v^''_кр=0.0032 м³/кг.

Питома кількість теплоти, яка затрачається на пароутворення в процесі bc (кипіння), називається питомою теплотою пароутворення r або питомою теплотою фазового переходу.

Відповідно до формули (6)

, (11)

звідки питома ентальпія сухої насиченої пари

(12)

З рівняння першого закону термодинаміки для ізобарного процесу

(13)

випливає, що питома теплота пароутворення тратиться, по-перше, на зміну питомої внутрішньої енергії робочого тіла при сталій температурі (тобто на подолання сил зчеплення між молекулами або на роботу дисагрегації), по-друге, на питому роботу розширення , тобто

. (14)

Величину φ називають питомою внутрішньою теплотою пароутворення (вона становить більше 80% від r), а величину ψ – питомою зовнішньою теплотою пароутворення. Числове значення r в залежності від тиску p_н або температури t_н подається у таблицях.

З „T-s” діаграми, див. рис. 4б, випливає, що з підвищенням тиску p_н або температури t_н питома теплота пароутворення r зменшується і при критичних параметрах (точка К) рівна нулю, тобто за цих умов втрачається різниця між рідким та газоподібним станами і процес пароутворення відсутній.

Стан вологої насиченої пари, точка е на рис. 4а, може бути визначений, якщо, крім тиску р_н або температури t_н, відомий склад суміші, що складається з киплячої води і сухої пари, який характеризується ступенем сухості х. Оскільки 1 кг вологої пари складається з х кг сухої насиченої пари з питомим об’ємом v^'' та (1 – х) кг киплячої води з питомим об’ємом v^', то питомий об’єм вологої пари

. (15)

Для звичайних умов , тому другим доданком у рівності (15) можна знехтувати. Тоді і ступінь сухості вологої пари

x = vx/v’’ (16)

тобто будь-яка точка е ділить відрізок bc на рис. 4а на частини, пропорційні ступеню сухості (відрізок be) і ступеню вологості (відрізок ec) пари, що використовується для побудови лінії постійного ступеня сухості (x = const) пари.

З врахуванням рівності (15) питомі ентальпію і ентропію вологої пари можна розрахувати за формулами

(17)

. (18)

Вирази (17) та (18) дозволяють отримати необхідну інформацію для розрахунку початкових і кінцевих значень калоричних параметрів процесу.