Основные процессы изменения состояния водяного пара

Для расчета процессов изменения состояния водяного пара не используются имеющиеся для него уравнения состояния, ввиду их сложности и ограничений применимости в зависимости от области параметров состояния водяного пара (в различных областях используются различные уравнения). Применение таких уравнений оправдано, когда они заложены в современные ЭВМ и машина сама считает параметры по любой известной паре параметров по специальной программе.

Практически расчет процессов изменения состояния воды и водяного пара осуществляется с использованием таблиц их термодинамических свойств и диаграмм. Из диаграмм наибольшее применение нашли h,s- диаграммы.

Наиболее простым и наглядным является метод расчета паровых процессов с использованием h,s- диаграммы. Здесь не нужно выяснять, в какой области протекает процесс, есть ли переход из зоны перегретого пара в зону влажного пара или наоборот. Все это видно по графику процесса. Расчет сводится к чтению диаграммы и при необходимости к подсчету по полученным из диаграммы данным работы, теплоты и изменений параметров и функций состояния. Когда процесс выходит за пределы рабочей h,s- диаграммы, расчет проводится с использованием таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара.

Диаграммы Р,v и T,s служат для иллюстрации особенностей процессов и могут быть применены для графического изображения в виде площадей энергетических величин q, l, Du, характеризующих данный процесс.

В практике теплоэнергетики наиболее часто встречаются: изохорный процесс (растопка котла при повышении давления), изобарный процесс (установившийся режим работы котла, процессы в подогревателях и конденсаторах пара), адиабатный процесс (в паровой турбине и насосе), изотермический процесс (испарение воды в реакторе кипящего типа).

Рассмотрим подробно эти процессы, считая их обратимыми.

Адиабатный процесс

В тепловых машинах, таких как турбина или насос, процесс протекает очень быстро и теплообмен с внешней средой очень незначителен, им можно пренебречь. Поэтому обратимым процессом в таких машинах является идеальная адиабата (изоэнтропа).

На рис. 6.24, 6.25, 6.26 изображен обратимый адиабатный процесс расширения пара 12 в Р,v-, T,s- и h,s- диаграммах.

В Р,v- диаграмме адиабата представляет собой кривую гиперболического характера с переменным показателем адиабаты "к". Необходимо отметить, что показатель адиабаты "к" для воды и пара никакого отношения к коэффициенту Пуассона c_p/c_v не имеет. Он рассчитывается только по параметрам обратимого адиабатного процесса вблизи какой - либо фиксированной точки по формуле

. (6.30)

Показателем адиабаты в расчетах процесса пользуются крайне редко ввиду того, что он – величина переменная. Его численные значения сильно отличаются друг от друга в различных точках адиабатного процесса: чем дальше расположены точки, тем больше разница. При переходе процесса из области перегретого пара в область влажного насыщенного эта разница еще больше увеличивается.

Площадь под процессом 12 в Р,v- диаграмме есть работа расширения, а поскольку ¶q_s = 0, то работа расширения адиабатного процесса равна изменению внутренней энергии с обратным знаком и может быть подсчитана как

l_s = u₁ - u₂ = (h₁ - h₂) - (Р₁v₁ - Р₂v₂). (6.31)

В формуле (6.31) при расчетах следует обратить внимание на соответствие единиц измерения энтальпий и произведений Pv.

В Т,s- и h,s- диаграммах обратимый адиабатный процесс представляет вертикальную прямую (s=const – изоэнтропа). Представление энергетических характеристик (l_s, Du) в Т,s- и h,s- диаграммах возможно с помощью дополнительных построений, но это не имеет практической ценности. В h,s- диаграмме разность энтальпий адиабатного процесса представляет работу изменения давления в потоке l_о = h₁ - h₂ (техническая работа в турбине, насосе и т.п.). С понятием этой работы познакомимся позднее при изучении процессов теплоэнергетических установок.

Изохорный процесс

Изохорный процесс может иметь место в случае теплообмена с внешней средой водяного пара, находящегося в сосуде постоянного объема. На рис. 6.27, 6.28, 6.29 изображен изохорный процесс 12 в Р,v-, T,s-, h,s- диаграммах.

В Р,v- диаграмме изохора 12 – вертикальная прямая (рис.6.27). Работа расширения в изохорном процессе равна нулю (¶l=Рdv, dv=0, l_v=0). Теплота изохорного процесса расходуется только на увеличение внутренней энергии пара:

q_v = u₂ - u₁ = h₂ - h₁ -v(Р₂ - Р₁). (6.32)

В диаграмме Т,s теплота q_v изображается площадью под изохорным процессом 12 (рис. 6.28). Эта же площадь соответствует изменению внутренней энергии изохорного процесса. Поскольку s₂ > s₁, теплота и изменение внутренней энергии процесса 12 положительные.

По диаграмме h,s можно определить все необходимые параметры состояния (рис. 6.29) для расчета теплоты и изменения внутренней энергии изохорного процесса.