Понятия о водяном паре

Распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках и теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар.

Пар - газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости.
Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.
Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром.
Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением.

Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром.

Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – х;

х = m_сп / m_вп,

где m_сп - масса сухого пара во влажном; m_вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности – у; у = 1 – n . Для кипящей жидкости при температуре насыщения n = 0, для сухого пара – n = 1.

Рис. 1.13. Параметры парообразования.

Процесс парообразования в координатах р—v.

Рассмотрим процесс парообразования при постоянном давлении в координатах р—v (рис. 1.13). Поместим 1 кг воды при температуре 0 °С в цилиндр с поршнем. Для некоторого значения p = const это начальное состояние воды изобразится на диаграмме точкой а. При этом его удельный объем v=0,001 м³/кг.

Если подогревать воду при постоянном давлении, то объем ее увеличивается и при температуре, которая соответствует состоянию кипения воды, достигает величины, отмеченной на диаграмме точкой b. Удельный объем кипящей воды принято обозначать v' При дальнейшем подводе теплоты к кипящей воде последняя начнет превращаться в пар, причем давление и температура смеси воды с паром остаются неизменными.

Когда в процессе парообразования последняя частица воды превратится в пар, весь объем окажется заполненным паром. Такой пар как бы «насыщает» объем, в котором он находится, и потому называется насыщенным паром, а его температура, равная температуре кипения, называется температурой насыщения. Она обозначается t_н и зависит от давления: при p_абс=0,1 Мпа, t_n =99,09 °С, при р_абс=0,2МПа

t_n =119,62 °С, а при p_аб_c = 10 МПа, t_n =309,53 °С.

На участке b—с пар называется влажным насыщенным паром (или просто влажным), так как он состоит из смеси воды и пара. После полного испарения воды (точка с) пар называют сухим насыщенным (или просто сухим).

Влажный пар характеризуется степенью сухости х. Степенью сухости называют массовую долю сухого насыщенного пара, находящегося в 1 кг влажного пара. Например, в 1 кг пара содержится 0,85 кг сухого насыщенного пара и 0,15 кг кипящей воды. Следовательно, степень сухости пара х = 0,85. Величина 1—х называется степенью влажности. Она показывает массовую долю кипящей воды, находящейся в 1 кг влажного пара. Для сухого насыщенного пара х =1.

Рассмотрим процесс парообразования при более высоком давлении (см. рис. 1.13). Удельный объем воды при 0 °С с повышением давления практически не изменяется (а'). Удельный объем кипящей воды несколько увеличится, так как с увеличением давления возрастает температура кипения (точка b'). Точка с', соответствующая сухому насыщенному пару, будет находиться левее точки с, так как давление возрастает более интенсивно, чем температура сухого насыщенного пара, и удельный объем его уменьшается.

Если точки, обозначающие в р— v -диаграмме процессы при постоянном давлении, соединить, то получатся линии I, II, III. Линия I характеризует состояние воды при 0 °С и является прямой, почти параллельной оси ординат. Линия II — кривая, соединяющая точки b1, b, b', ..., соответствует состоянию кипящей воды. Линия III — кривая, соединяющая точки с_1, с, с', ....? соответствует состоянию сухого насыщенного пара. Линии II и III пересекаются в точке k, которая называется критической точкой. В этой точке исчезает различие в свойствах жидкости и пара. Параметры, отвечающие точке k, называются критическими. Для воды они имеют следующие значения: P_кр=22,5МПа, t_кр = 374,15⁰С (T=647,ЗК); v=0,00307 м³/кг. Линия II называется нижней пограничной, а линия III — верхней пограничной кривой.

Парообразование графически изображается линией b—с (см. рис. 1.13). Количество теплоты, затрачиваемой на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразования (фазового превращения) и обозначается буквой r. С увеличением давления теплота парообразования уменьшается. Например, при p_абс==0,1 МПа r=2263кДж/кг, а при р_абс = 10МПа r=1330 кДж/кг. В критическом состоянии r=0.

В котельном агрегате сухой насыщенный пар обычно продолжает нагреваться при р — const. Этот процесс в р—р-диаграмме изображается линией с—d. При состоянии, отвечающем точке d, пар уже не насыщает пространство и имеет температуру более высокую, чем температура насыщения при данном давлении. Такой пар называется перегретым паром.

Для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара, установлена следующая индексация: величины с индексом 0 относятся к начальному состоянию воды; с индексом ' — к воде, нагретой до температуры кипения; с индексом " — к сухому насыщенному пару; с индексом х — к влажному насыщенному пару; с индексом п — к перегретому пару. На практике необходимые для технических расчетов параметры состояния водяного пара удобно определить с помощью специальных таблиц, приведенных в справочной литературе. В таблицах приводятся параметры состояния кипящей воды (v'_, i', s') и сухого насыщенного пара (v", i", s"), а также величины теплоты парообразования г. Для определения параметров состояния влажного насыщенного пара дополнительно должна быть известна степень сухости пара. Удельный объем v_x, м³/кг, влажного насыщенного пара

v_x = x v" + (I — х) v' (1.123)

Если абсолютное давление p_абс<3МПа, а степень сухости х>0,8, то второй член соотношения (1.123 ) составляет доли процента первого и им можно пренебречь:

v_x=xv". (1.124)

Соотношение (1.123) пишется и в таком виде:

v_х = v' + х(v" — v'). (1.125)

Аналогичные соотношения можно написать для величин энтальпии i_x, Дж/кг, и энтропии s_x, Дж/(кг>К):

i_x = i' + х (i" — i') = i' + xr; (1/126)

s_x = s' + х (s" — s') = s' + x r/T_H; (1/127)

Энтальпия перегретого пара i_п, Дж/кг, получается как сумма энтальпии сухого насыщенного пара i" и теплоты, затраченной на перегрев пара q_п при p=const, т.е.

i_п = i" + q_п (1-128).