Водяной пар широко используется в различных отраслях промышленности главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и в качестве рабочего тела в паросиловых установках. Это объясняется широким распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.
Она также применяется для распыла мазута с помощью форсунок при его сжигании, в паровых сушилах для различных теплоизоляционных материалов (торфяные плиты и т.д.).
При высоком давлении и относительно низкой температуре пара, которую используют в названных агрегатах, близка к состоянию жидкости, поэтому пренебречь силами сцепления между ее молекулами и их объему, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, уравнение состояния идеальных газов не подходит для получения параметров состояния водяного пара. На практике для этой цели широко используют полученные экспериментально таблицы водяного пара и ентальпийно-энтропийной диаграммы водяного пара.
Сначала, перед тем, как мы перейдем к рассмотрению этих таблиц и диаграмм, необходимо определить некоторые понятия.
Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразования. Парообразования, что происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела называют испарением. Сущность процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы, которые имеют большие скорости, преодолевают притяжения соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры.
Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, которая зависит от физических свойств рабочего тела и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и в ее середине.
Переход вещества из газообразного состояния в жидкое, т.е. процесс, оборотный парообразования, называется конденсацией. Процесс конденсации, так же как и процесс парообразования, протекает при постоянной температуре, если при этом давление не изменяется. Если поместить воду в закрытую сосуд, то молекулы испаряются со свободной поверхности, будут заполнять пространство над жидкостью. Одновременно часть молекул будет снова возвращаться к жидкости. В некоторый момент количество молекул, вылетающих из жидкости, будет равняться количеству молекул, возвращаются. В этот момент в пространстве над жидкостью будет находиться максимально возможное количество молекул. Пара в этом состоянии имеет максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным водяным паром, т.е. парой сталкивается с жидкостью и находится с ней в термической равновесии. С изменением температуры жидкости равновесие нарушается, вызывая соответствующее изменение плотности и давления насыщенных паров. Основное свойство насыщенного водяного пара заключается в том, что ее температура является функцией ее давления, который одинаков с давлением среды, в которой происходит процесс кипения. Поэтому температура кипения называется также температурой насыщения и обозначается tH (Тн). Давление, отвечающий tH, называется давлением насыщения (обозначается Рн или Р).
При кипении пар образуется до тех пор, пока не выпарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать насыщенный водяной пар, в которой отсутствуют высокодисперсные частицы жидкой фазы во взвешенном состоянии, и которая называется сухой насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара можно определить только одним параметром - или давлением, или удельным объект объемом, или температурой.
Водяной пар, полученной при неполном испарении воды, и в который содержите высокодисперсные частицы жидкой фазы во взвешенном состоянии, равномерно распределены по всей массе пары, называется влажной насыщенным паром.
Для характеристики влажной насыщенного пара используют понятие степени сухости X, равный отношению массы сухого насыщенного пара к суммарной массы влажной насыщенного пара. Следует отметить, что
- Для кипящей жидкости - X = 0;
- Для сухого насыщенного пара - X = 1;
- Для влажной насыщенного пара - 0 <X <1.
Массовая доля кипящей жидкости во влажной паре, равной ф = 1-х, называется степенью влажности пара. Степень сухости и степень влажности выражаются в долях единицы или в процентах. Например, степень сухости х = 0,85 показывает, что смесь содержит 85% сухого пара и 15% кипящей жидкости.
тан влажного пара определяется двумя параметрами: температурой (или давлением) и степенью сухости пара.
Если сухой насыщенном паре предоставить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура ее будет расти. То есть если температура пара больше температуры сухого насыщенного пара при том же давлении, то такую пару называют перегретым. Разницу между температурой перегретого пара и температурой сухого насыщенного пара при том же давлении называют степенью перегрева.
Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема сухого насыщенного пара (так как P = const, tnep> tH), то плотность перегретого пара будет меньше плотности сухого насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным. По своим свойствам перегретый пар приближается к газов и тем более, чем больше степень ее перегрева.
В паровых котлах пар из воды образуется при постоянном давлении, поэтому рассмотрим процесс парообразования при P = const.
Пусть цилиндр содержит 1 кг воды при температуре 0 оС, на поверхность которой с помощью поршня действует постоянное давление P1. Объем воды, находящейся под поршнем, равна удельному объему v0 при 0 оС. Будим считать для упрощения, что вода является практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 оС, а не при 4 оС. На рисунке 1.17 это состояние изображен точкой S1. При нагревании цилиндра и передачи теплоты к воде температура ее будет повышаться, объем расти. При достижении t = tH жидкость закипит и начнется процесс парообразования (точка F1). Удельный объем воды в точке F1 обозначим как v '. Соответствует кипящей воде и достигает при данном давлении максимального значения.
При дальнейшем нагревании за счет парообразования количество воды уменьшается, а количество пара растет. В момент окончания парообразования в точке В1 в цилиндре находится только пара, которая является сухой насыщенной. Удельный объем этой пары обозначается как v''. Так как процесс парообразования протекает при P = const, то температура воды и пара не меняются и процесс
F1-B1 является одновременно изобарного и изотермическим.
Если в дальнейшем к сухого насыщенного пара подводить теплоту, то ее температура и объем будут расти, а пара из сухого насыщенного перейдет в перегретый (точка D1).
Для обозначения величин, относящихся к разным сословиям воды и пара, установлено следующее индексацию:
- Величина с индексом «о» - относится к начальному состояния воды;
- Величина с индексом «'» - относится к воде, нагретой до температуры кипения
- Величина с индексом «''» - относится к сухого насыщенного пара;
- Величина с индексом «х» - относится к влажной насыщенного пара.
Проведем процесс парообразования при любом другом давления Р2.
В результате мы получаем соответствующие точки на диаграмме S2, F2 и B2 (рис. 1.17). Для любого давления Рп мы получаем соответствующий набор точек Sn, Fn и Bn. После соединения всех этих точек плавной кривой мы получаем кривую ЕАКВ, изображенную на рисунке 1.17.
Кривая ЕА выражает зависимость удельного объема воды от давления при температуре 00С. Кривая ЕА практически параллельна оси ординат, потому что вода - вещество практически несжимаема.
Кривая АК показывает зависимость удельного объект объема кипящей воды от давления, ее называют предельной кривой жидкости (нижняя граничная кривая).
Характеристикой кривой АК является степень сухости х = 0.
Кривая КВ выражает зависимость удельного объема сухого насыщенного пара от давления, она называется предельной кривой пара (верхняя граничная кривая). Характеристикой кривой КО является степень сухости х = 1.
Точку А (вода находится одновременно в жидком, твердом и газообразном состояниях) называют тройной точкой воды, ее параметры: Р0 = 0,00611 бар, Т0 = 273,16 К, v0 = 0,001 м3/кг. Изобары АВ соответствует состояниям равновесия всех трех фаз, она практически сливается с осью абсцисс (Р0 = 0,00611 бар).
Точка встречи предельных кривых К называется критической точкой. Критическая точка является конечной точкой фазового перехода "вода - пар", который начинается в тройной точке воды А. Выше точки К существования воды в двухфазном состоянии невозможно. Параметры критической точки для воды: TK = 647,266 К; vK = 0,003147 м3/кг; Рк = 22,1145 МПа. Критическая температура является максимальной температурой насыщенной пары. При более высокой температуре могут находиться только перегретые пары и газы.
Рассмотрены кривые распределяют координатную плоскость на отдельные зоны:
- Между осью ординат и кривой ЕА - "лед";
- Между кривой ЕА и нижней предельной кривой АК - "вода";
- Между нижней и верхней предельными кривыми АК и КВ - "вода + пара";
- Вправо и вверх от КВ - "перегретый пар".
Теперь рассмотрим Ts-диаграмму процесса парообразования при заданном давлении Р1 (рис 1.18). Ценность этой диаграммы заключается в том, что площадь под кривой процесса соответствует количеству теплоты, которое подведено или отведены от рабочего тела. В Pv-и Ts-диаграммах каждая точка изображает соответствующее состояние тела, поэтому каждой точке одной диаграмме соответствует точка второй. Перенесем по точкам процесс парообразования с Pv-диаграммы при P = const в TS-диаграмме. Поскольку энтропия жидкости при 0 оС принимается условно равной нулю, то точка S1 в Ts-диаграмме будет находиться на оси ординат на 213,15 К выше абсолютного нуля. Нагрев воды от 0 ° С до температуры насыщения TH протекает по закону логарифмической кривой S1F1. Процесс парообразования при TH = const изображается горизонтальной прямой FjBj. Перегрев пара характеризуется логарифмической кривой B \ Di. При этом изобары перегрева пара более крутой чем изобары нагрева жидкости.