Основные термодинамические процессы водяного пара

Для анализа работы паросиловых уста­новок существенное значение имеют изохорный, изобарный, изотермиче­ский и адиабатный процессы. Рас­чет этих процессов можно выпол­нить либо с помощью таблиц воды и водяного пара, либо с помощью h, s -диаграммы. Первый способ бо­лее точен, но второй более прост                  и нагляден.

Общий метод расчета по h, s - диаграмме состоит в следующем. По известным параметрам наносит­ся начальное состояние рабочего те­ла, затем проводится линия процес­са и определяются его параметры в конечном состоянии. Далее вы­числяется изменение внутренней энергии, определяются количества теплоты и работы в заданном про­цессе.

Изохорный процесс (рис. 4.9). При нагревании пара при постоянном объеме влажный пар можно переве­сти в сухой насыщенный и перегре­тый. Охлаждением его можно скон­денсировать, но не до конца, так как при каком угодно низком давле­нии над жидкостью всегда находится некоторое количество насыщен­ного пара. Это означает, что изохора не пересекает нижнюю погра­ничную кривую.

Рис. 4.9. Изохорный процесс водяного пара

 

Изменение внутренней энергии водяного пара при

.

Данная формула справедлива и для всех без исключения остальных тер­модинамических процессов.

В изохорном процессе внешняя работа l=0, поэтому подведенная теплота расходуется (в соответст­вии с первым законом термодинами­ки) на увеличение внутренней энер­гии пара:

.

Изобарный процесс (рис. 4.10). При подводе теплоты к влажному насыщенному пару его степень су­хости увеличивается и он (при по­стоянной температуре) переходит в сухой, а при дальнейшем подводе теплоты – в перегретый пар (темпе­ратура пара при этом растет). При отводе теплоты влажный пар кон­денсируется при T_s=соnst.

Рис. 4.10. Изобарный процесс водяного пара

Участвующая в процессе теплота равна разности энтальпий:

q=h₂–h₁.

Работа процесса подсчитывается по формуле

l=p(v₂–v₁).

Изотермический процесс (рис. 4.11). Внутренняя энергия во­дяного пара в процессе T=соnst не остается постоянной (как у идеаль­ного газа), так как изменяется ее потенциальная составляющая.

Рис. 4.11. Изотермический процесс водяного пара

 

Вели­чина Du находится по формуле

.

Количество участвующей в изо­термическом процессе теплоты равно:

q=T(s₂–s₁).

Внешняя работа   определяется из первого закона термодинамики:

l=q–Du.

Адиабатный процесс (рис. 4.12). При адиабатном расширении давле­ние и температура пара уменьшаются, и перегретый пар становится сначала сухим, а затем влажным.

Рис. 4.12. Адиабатный процесс водяного пара

Работа адиабатного процесса опре­деляется выражением

.

 

Влажный воздух

Влажный воздух представляет собой смесь су­хого воздуха и водяного пара.

Смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара называется насыщен-ным влажным воздухом.

Смесь сухого воздуха и перегретого водяного па­ра называется ненасыщенным влаж­ным воздухом.

Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщен­ный влажный воздух, чтобы, содержащийся в нем перегретый пар стал насыщен­ным, называется температурой точки росы. При дальнейшем охлажде­нии влажного воздуха (ниже температуры точки росы) происходит конденсация водя­ного пара.

Влагосодержание, абсолютная и отно­сительная влажность.

Масса пара в 1 м³ влажного воздуха, численно равная плот­ности пара r_п при парциальном давлении р_п, называется абсолютной влажностью.

Отношение действительной абсолютной влажности воздуха r_п к максимально воз­можной абсолютной влажности  r_s при той же температуре называют относитель­ной влажностью и обозначают че­рез j:

,

где р_п – парциальное давление водяного пара во влажном воздухе;

р_s – максималь­но возможное парциальное давление водя­ного пара при данной температуре.

Для сухого воздуха j=0, для насыщенного воздуха j=100%.

Величина относительной влажности са­ма по себе полностью не характеризует со­держание пара во влажном воздухе, для этого еще нужно знать температуру влаж­ного воздуха, однозначно определяющую величину р_s.

Отношение массы водяного пара М_п, содержащегося во влажном воздухе, к мас­се сухого воздуха М_в называется влагосодержанием воздуха и измеряет­ся в килограммах на килограмм:

.

Определяя массы сухого воздуха и водяно­го пара из уравнения состояния идеально­го газа, и учитывая что р_п=jр_s, m_п=18,06 кг/моль и m_в=28,95 кг/кмоль, то

,

где р – внешнее давление.