Приложение 3

ВОДЯНОЙ ПАР

Основные понятия и определения.

Водяной пар применяется в качестве рабочего тела в паровых турбинах, которые являются в настоящее вре­мя основными тепловыми двигателями на тепловых элек­трических станциях.

Как теплоноситель водяной пар широко используется в технологических процессах многих отраслей народного хозяйства: энергетики, химической технологии, машино­строении и т. д.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние — конденсируется. В этих условиях нельзя пренебрегать силами взаимо­действия между молекулами и объемом самих молекул и, следовательно, к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и уравнение Менделеева — Клапейрона.

При различных расчетах и изучении процессов, про­текающих в водяном паре, используются таблицы водя­ного пара, которые составлены на основании большого экспериментального материала и теоретических исследований. Табличный метод расчетов тепловых процессов достаточно сложен, поэтому на практике широко применяется графический метод с ис­пользованием i- s-диаграммы. В нашей стране наиболее широкое практическое применение имеют таблицы, со­ставленные под руководством М. П. Вукаловича.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость. Такие га­зообразные вещества имеют относительно высокие кри­тические температуры. Всякий реальный газ, который в обычных условиях его применения не переходит в жид­кое состояние, сохраняет название газа; такие газооб­разные вещества имеют низкие критические темпера­туры.

Процесс перехода жидкости в пар называется паро­образованием, этот процесс может происходить пу­тем испарения и кипения. При испарении образова­ние пара происходит только со свободной поверхности жидкости; этот процесс протекает при любых темпера­турах жидкости и может сопровождаться понижением ее температуры. Интенсивность испарения зависит от физических свойств жидкости и возрастает с повыше­нием ее температуры. Бурный процесс парообразования, сопровождающий­ся возникновением пузырьков пара по всему объему жидкости, называется кипением. Кипение жидкости происходит при постоянном давлении и при соответст­вующей ему постоянной температуре, которая называ­ется температурой кипения или насыщения и обозначается t_s. Для всех жидкостей температура ки­пения повышается с увеличением давления, зависи­мость между ними находится из опыта и в общем слу­чае выражается уравнением t_s=f(p). Для различных жидкостей и воды имеется большое количество эмпири­ческих уравнений, позволяющих приближенно устано­вить зависимость t_s=f(p). В качестве примера для во­ды можно привести уравнение Руша:

где: Р- абсолютное давление, кгс/см².

Для давлений ниже 50 кгс/см² значение t_н, найден­ное по формуле Руша, отличается от действительных значений не более чем на 1%, с повышением давлений расхождение увеличивается. При точном определении температуры кипения необходимо пользоваться табли­цами. Все параметры кипящей жидкости принято обо­значать соответствующей буквой со штрихом, например: удельный объем v', энтальпия i’, энтропия s’ и т. д.

Насыщенным паром называется пар, находящий­ся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, по­ступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жид­кость. Такое подвижное равновесие обусловливается хаотичностью движения молекул и силами взаимодейст­вия между молекулами пара и жидкостью вблизи ее по­верхности.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испаре­ния всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщен­ный пар при температуре кипения t_н- Сухой насыщен­ный пар является неустойчивым состоянием и получается в парогенераторах как мгновенное состояние при перехо­де в перегретый пар. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или темпе­ратурой насыщения t_s. Все параметры сухого насыщен­ного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например: удельный объем v", эн­тальпия i", энтропия s" и т. д.

При кипении жидкости вместе с пузырьками пара выносятся мельчайшие частицы влаги. Получающаяся смесь пара и жидкости называется влажным насы­щенным паром, причем частицы жидкости равно­мерно распределены по всему объему пара.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения t_K и степенью сухости х. Степенью сухо­сти х называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре:

где: m_cyx и т_ж — соответственно масса сухого пара и жидкости, находящихся в 1 кг смеси; т_вл — масса 1 кг влажного пара.

Для сухого пара х =1, для кипящей жидкости х=0. Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозна­чается y=1— х. Все параметры влажного пара (кроме дав­ления и температуры) обозначаются с индексом х, на­пример: удельный объем v_x, энтальпия i_x, энтропия s_x и т. д.

Перегретым паром называется пар, который при одинаковом давлении с насыщенным, имеет более высо­кую температуру, чем температура кипения i_n. Состоя­ние перегретого пара определяется любыми двумя па­раметрами, наиболее часто — давлением и температурой. Процесс перехода насыщенного пара в жидкость назы­вается конденсацией. Этот процесс является обрат­ным процессу парообразования и также происходит при постоянном давлении и соответствующей ему постоян­ной температуре, равной температуре кипения t_n при том же давлении.

Основные процессы водяного пара

Основными процессами являются: изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный. Каждый из этих процессов может протекать целиком в области влажно­го или перегретого пара, т. е. без изменения агрегатного состояния. Но процесс может протекать и таким обра­зом, что, например, в начальном состоянии пар будет влажный, а в конечном состоянии — перегретый (или наоборот). Этот, более общий случай и будет рассматри­ваться ниже.

Так как водяной пар не подчиняется законам идеальных газов, полученные соотношения меж­ду параметрами и уравнения для подсчета теплоты, из­менения внутренней энергии и работы применительно к идеальным газам, для пара непри­менимы.

При решении задач с использованием таблиц необхо­димо сначала установить состояния рабочего тела в на­чале и в конце процесса. Для определения состояния рабочего тела при заданном давлении сравнивают лю­бой известный параметр (р, i, s, t) с соответствующим параметром сухого насыщенного пара.