Испарение - процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре

Водяной пар и основные процессы водяного пара

Водяной пар, как рабочее тело, широко используется в паровых турбинах, паровых поршневых машинах, а также для отопления и для различных технологических нужд.

Паром называется реальный газ близкий к состоянию насыщения, т.е. к превращению в жидкость.

Парообразование осуществляется в результате процессов испарения и кипения.

Кипение – процесс образования пара по всей массе жидкости (у стенок, внутри объёма) при температуре кипения, которое зависит от природы жидкости и давления среды.

Различают следующие виды пара:

- Насыщенный (насыщенным паром называют пар находящийся в равновесии с жидкостью, из которой он образуется, и имеющий максимальную плотность и упругость.

Насыщенный пар может быть сухой – насыщенный пар, который получается при полном испарении жидкости, и влажный – насыщенный пар, который получается при неполном испарении жидкости и представляет собой смесь сухого насыщенного пара с капельками жидкости, взвешенными в паре.

- Перегретый пар – получается при повышении температуры выше температуры насыщения того же давления. Чем больше степень перегрева, т.е. разница между действительной температурой пара (Т-Т_s) и температурой насыщения, тем больше по своим термическим свойствам перегретый пар приближается к идеальному газу.

Для характеристики пара используют:

Степень сухости (-х) – доля массы сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара.

Степень влажности (1-х) – масса жидкости в 1 кг влажного пара.

Теплота парообразования(или скрытая теплота) «r» - есть количество теплоты, которое необходимо сообщить при постоянном давлении нагретой до кипения 1 кг жидкости для её превращения в сухой насыщенный пар.

И, наоборот, для превращения 1 кг сухого насыщенного пара в кипящую жидкость то же давления, необходимо отвести от пара теплоту, равную теплоте парообразования.

В случаях приближения пара к состоянию насыщенного связь между параметрами состояния становится очень сложной и расчёт параметров производится по сложным формулам. Если высокая точность не требуется, то расчёты параметров для большинства термодинамических процессов ведутся с применением hs-диаграммы.

В литературе имеются специальные термодинамические таблицы и диаграммы состояния, наглядно отражающие свойства жидкостей и газов. Ниже приведена структурная схема построения pv-, Ts- и hs - диаграмм состояния водяного пара, имеющих наибольшее распространение в теплоэнергетике.

Как правило, эти диаграммы расположены в первом квадранте координатной плоскости, где любая произвольная точка А_i, взятая в рабочем поле, соответствует некоторому термодинамическому состоянию воды и водяного пара.

Проанализируем процесс парообразования, который происходит при постоянном давлении, обозначим это давление p_i = const. Этот процесс на pv-, Ts - и hs - диаграммах изображен линией a_i-b_i-c_i-d_i, проходящей через точку А_i рис. На указанных диаграммах эти изобары условно можно делить на участки, каждому из которых характерно сугубо определенное термодинамическое состояние воды и пара:

- a_i-b_i - зона жидкой фазы, соответствует подогреву воды от 0^оС до температуры кипения (насыщения) t_s при p_i = const;

- b_i-c_i - двухфазная зона, соответствует превращению кипящей воды в сухой насыщенный пар при p_i = const;

- c_i-d_i - зона перегретого пара при p_i = const.

На участке b_i-c_i соотношение фаз (воды и пара) претерпевает изменение по изобаре от точки к точке, для количественной оценки которого используется степень сухости пара х (0 ≤ х ≤ 1), численно равная массовой доле пара в этой двухфазной среде. Степень сухости пара в точке b_i: x = 0, в точке с_i: x = 1.

При анализе процессов образования пара вводятся обозначения:

параметры кипящей воды (') – одним штрихом; сухого насыщенного пара – ('') двумя штрихами; влажного насыщенного пара (Х); параметры перегретого пара – без индексов и штрихов.

Учитывая, что влажный пар содержит смесь сухого насыщенного пара с капельками взвешенный жидкости, то степень сухости насыщенного пара определяется:

где - масса жидкости;

- масса сухого пара.

На pv - диаграмме представлены:

- р, v - давление Па, удельный объем м³/кг;

- v_o - удельный объем воды при t = 0 ^oC;

- - удельный объем воды при t_s и p_i = const;

- - удельный объем сухого насыщенного пара при t_s и p_i = const;

- - удельный объем влажного пара, соответствующего состоянию в точке А_i,

- х_Аi - степень сухости пара, соответствующая состоянию пара в точке А_i;

На Ts- и hs - диаграммах представлены:

- T – температура; h – удельная энтальпия; s - удельная энтропия Дж/(кгּК);

- s_o - удельная энтропия воды при температуре 0^оС и p_i = const;

- - удельная энтропия воды при t_s и p_i = const;

- - удельная энтропия сухого насыщенного пара при t_s и p_i = const;

- - удельная энтропия влажного пара, соответствующего состоянию в точке А_i,

где - теплота парообразования, которая необходима для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при p_i = const.

- К - критическая точка, в которой параметры состояния имеют значения t_k = 374,16 ^oC; p_k = 22,16 МПа; v_k = 0,0032 м³/кг; h_k = 2095,2 кДж/кг.

Линии на pv -, Ts - и hs - диаграммах:

- кривая К - b_i - нижняя пограничная линия (семейство точек, в которых степень сухости пара х = 0) разделяет зону жидкой фазы (слева) от двухфазной (справа) зоны;

- кривая К-с_i - верхняя пограничная линия (во всех ее точках х = 1) разделяет двухфазную зону (слева) от зоны перегретого пара (справа);

- кривая К-х_Аi - линия равной сухости пара, проходящая через точку А_i;

- кривая b_i-с_i - изобарно - изотермная линия парообразования, которая в зоне перегретого пара разветвляется на изобару (с_i-d_i) p_i = const и на изотерму (с_i -е_i) Т_i = const.

На hs - диаграмме через точку А_i проходит пунктирная линия - изохора v_Ai = const (семейство точек, в которых удельный объем пара имеет одинаковое значение).

Преимуществом применения этих диаграмм является возможность с их помощью наглядного представления процессов в жидкости и паре, также непосредственного определения значений функций состояния водяного пара.

Например, при анализе термодинамического состояния водяного пара, соответствующего точке A_i, по pv - диаграмме можно непосредственно определить следующие данные:

р_Ai, v_Ai, T_Ai, x_Ai.

hs - диаграмма позволяет получить более широкую информацию о состоянии водяного пара, соответствующем точке А_i:

р_Ai, v_Ai, T_Ai, s_Ai, h_Ai, x_Ai, u_Ai=h_i -(p_Ai·v_Ai), .

Нахождение параметров состояния по h-s.

а) Если пар влажный насыщенный, то (·) его состояния находится на пересечении изобары Р₁ и промежуточной кривой степени сухости (Х<1).

б) Если пар сухой насыщенный, то (·) его состояния находится на пересечении изобары Р₁ и верхней пограничной кривой (Х=1).

в) Если пар перегретый, то (·) его состояния находится на пересечении изобары Р₁ и изотермы t_r.

г) температура перегретого пара в (·) конечного состояния определяется в (·) пересечения изобары Р₂ и соответствующей изотермы.

д) Если перегретый пар переходит в конечное состояние в зоне влажного пара, то (·) 2 конечного состояния определяется пересечением адиабаты с заданной изобарой Р₂ и степенью сухости Х.