Характеристики водяного пара

Водяной пар используют в качестве рабочего тела в различных процессах, например, для вращения паровой турбины.

Обычно пар получают в процессе кипения жидкости. Если подводить теплоту к жидкости при постоянном давлении, температура жидкости растет до некоторого значения Т_кип. При дальнейшем нагреве температура остается постоянной – происходит образование пара в процессе кипения жидкости.

Кипение– это процесс парообразования в объеме жидкости, тогда как испарение происходит лишь со свободной поверхности жидкости при условии, что парциальное давление пара над жидкостью меньше давления насыщенного пара.

Процесс кипения в p – V диаграмме изображается изобарой, которая одновременно является и изотермой.

Удельная теплота парообразования ( r, Дж/кг ) -это количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости в пар.

В соответствии с первым законом термодинамики:

q = r = (u^//- u^/) + p(v^//- v^/), (69)

где u^//, v^// - удельная внутренняя энергия и удельный объем сухого насыщенного пара; u^/, v^/ – то же для воды.

(u^//- u^/) – изменение внутренней энергии, связанное с преодолением сил притяжения между молекулами при переходе жидкости в пар. p(v^//- v^/) – работа расширения пара.

Пар может быть влажным, сухим, насыщенным и перегретым.

Влажный пар– это смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. Отношение массы пара к массе смеси называется степенью сухости пара -х.

(70)

Используется и другая величина (1-х), называемая степенью влажности пара:

(71)

Для анализа процесса парообразования и определения параметров водяного пара используются i – S диаграммы водяного пара.

Основной кривой на i – S диаграмме являетсякривая насыщенияс указанной на ней критической точкой К, которая делит кривую на две линии. Слева от точки К линия кипения воды. На этой линии х = 0, то есть пар отсутствует. Справа от критической точки располагается линия конденсации, для которой х = 1, что соответствует отсутствию воды. Кривая насыщения совместно с критической точкой на ней делит всю диаграмму на три области. Под кривой насыщения находится область влажного пара со степенью сухости 0 < x < 1. Над кривой насыщения слева от точки К имеет место состояние воды. Справа от критической точки над кривой насыщения расположена область сухого пара. Кроме кривой насыщения на i – S диаграмме проводятся изобары (p = const), изотермы (t = const) и линии постоянной степени сухости пара (x = const). Под кривой насыщения изотермы и изобары совпадают.

Рассмотрим процесс нагрева воды при постоянном давлении, двигаясь по изобаре 1-2-3-4 (рис. 12). На участке 1-2 происходит нагрев воды до температуры кипения. Количество тепла, которое нужно для этого подвести, определяется разностью энтальпий i₂ и i₁:

q_воды= i₂ – i₁

На участке 2-3 происходит кипение воды при постоянной температуре. Разность энтальпий здесь определяет удельную теплоту парообразования:

r = i₃ – i₂

На участке 3-4 происходит перегрев сухого пара. Температура на этом участке возрастает. Увеличение энтальпии определяет затраты тепла на перегрев пара:

q_{перегрева}= i₄ – i₃

i – S диаграмма позволяет определить общие затраты тепла, необходимого для получения перегретого пара:

q = q_воды+ r + q_{перегрева}= ∆i_воды+ ∆i_{парообр.}+ ∆i_{перегрева}