Процесс парообразования
Водяной пар является реальным рабочим телом и может находиться в трёх состояниях: влажного насыщения, сухого насыщения и в перегретом состоянии.
Для технических нужд водяной пар получают в паровых котлах (парогенераторах), где специально поддерживается постоянное давление.
Рассмотрим процесс парообразования на координатах рV
Процесс парообразования начинается при достижении жидкостью температуры кипения, которая называется температурой насыщения tн и на протяжении всего процесса остается неизменной. Температура кипения, или температура насыщения, tн зависит от природы вещества и давления, причем с повышением давления tн увеличивается. Давление, соответствующее tн называется давлением насыщения рн.
1. Процесс парообразования в pv-координатах.
За начальную температуру воды при любом давлении, принимают температуру t=0°С.
Таким образом, линия аа/ на рис. соответствует состояниям так называемой холодной жидкости при разных давлениях, имеющей температуру 0°С (изотерма холодной жидкости).
Удельный объем воды при t=0°С принимается равным 0,001 м3/кг. Вследствие незначительной сжимаемости воды, линия аа/ оказывается почти вертикальной прямой. Левее этой прямой находится область равновесного сосуществования воды и льда.
За начало отсчета u, i и s для воды принято считать тройную точку TT (p0=611 Па, t0=0,01 0C, v0=0,00100 м3/кг).
Пренебрегая влиянием давления на изменение объема воды, считают для всех состояний на линии аа/ : v0=0,00100 м3/кг, u0=0, i0=0 и s0=0.
Конечное состояние воды в стадии подогрева (точка b) определяется достижением при заданном давлении температуры кипения, которая зависит от давления.
Из рv—диаграммы следует, что с увеличением давления температура кипения увеличивается. Эта зависимость устанавливается опытным путем.
Состояния кипящей воды для различных давлений будут соответствовать линии II, которая называется нижней пограничной кривой (b/bk). Она изображает зависимость удельных объемов кипящей воды от давления. На нижней пограничной кривой степень сухости х = 0.
Параметры кипящей воды приводятся в таблицах в зависимости их от давления или температуры. Количество теплоты, необходимое для доведения воды до кипения равно:
Дальнейший подвод теплоты к кипящей воде, который осуществляется в испарительном контуре парогенератора, сопровождается бурным парообразованием внутри жидкости и переходом части воды в пар.
Таким образом, участку b—с будет соответствовать равновесное состояние смеси жидкости и пара (влажный насыщенный пар). В каждой точке этого процесса вода будет характеризоваться массовой долей содержащегося в ней сухого насыщенного пара (степенью сухости х).
Конечное состояние в этой стадии характеризуется полным превращением жидкости в пар, который будет иметь температуру, равную температуре насыщения (tc=tн) при заданном давлении. Такой пар, как уже упоминалось, носит название сухого насыщенного пара.
Процесс парообразования b—с является одновременно изобарным (p=p1=const) и изотермическим (T=T1=const). При этом затрачиваемая теплота расходуется не на повышение температуры, а только на преодоление сил притяжения между молекулами и на работу расширения пара.
Учитывая, что между температурой насыщения tн и давлением р существует однозначная связь, состояние сухого насыщенного пара будет определяться только одним параметром — давлением или температурой.
Состояния сухого насыщенного пара при разных давлениях будут соответствовать линии dd/k, которая называется верхней пограничной кривой. Совершенно очевидно, что на верхней пограничной кривой в каждой точке степень сухости х=1.
Следует обратить внимание на то, что в процессе парообразования удельный объем воды резко увеличивается. Так, для воды при р = 0,1 МПа удельный объем кипящей воды v=0,001043 м3/кг, тогда как удельный объем сухого насыщенного пара равен 1,696 м3/кг.
С увеличением давления эта разница уменьшается и в критической точке К удельные объёмы воды и пара равны 0,00326 м3/кг.
При этом tкр=374,15 0С, а pкр=221,29 бар. При давлениях и температурах больших критических процесс парообразования отсутствует. Наблюдается переход воды в пар при пересечении изобары Tкр.
2. Ts и is-диаграммы для водяного пара.
Повторение:
1) Графики термодинамических процессов в рV координатах
2) Понятие энтальпия водяного пара
Энтальпия (работоспособность) – параметр состояния, характеризующий работоспособность системы и выражаемый в виде суммы внутренней энергии и работы перемещения газа объемом V из вакуума в пространство с давлением p.
H = U + pV
Первое начало термодинамики: Q = Δh + A
Энтальпия пара (теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для получения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 00 С, если нагрев происходит при постоянном давлении.
χ – коэффициент сухости пара.
Показатель качества насыщенного пара. Чем ниже «χ», тем больше воды в паре и меньше энтальпия (количество тепловой энергии).
3) Графическое представление энтропии
4) Ts и is-диаграммы для водяного пара.
Определять параметры и функции состояния по формулам зачастую бывает затруднительно вследствие сложной зависимости теплоемкости водяного пара и теплоты парообразования от температуры и давления.
Поэтому для водяного пара, на основании экспериментальных исследований составлены таблицы, отражающие зависимости важнейших параметров водяного пара. Пользуясь ими, к примеру, по известному давлению сухого насыщенного пара можно определить все остальные параметры.
Так как состояние сухого насыщенного пара однозначно определяется его давлением р или температурой насыщения Тн, то таблицы составляются по давлению или температуре. По одному из этих параметров из таблиц можно определить другие величины, характеризующие состояние сухого насыщенного пара.
В таблицах перегретого пара приводятся его параметры и функции состояния в зависимости от температуры и давления пара.
Расчет процессов изменения состояния пара упрощается при переходе к графическому методу, основанному на использовании диаграмм состояния. В этом случае не требуется проводить большой объем вычислений и расчет сводится к определению параметров с помощью диаграмм. Графическим методом легко определить не только начальные и конечные параметры пара в процессе, но и все промежуточные параметры состояния, что существенно упрощает инженерные расчеты.
Преимуществом графического метода является возможность сравнительно просто проследить связь между различными величинами, это делает его незаменимым при теоретическом анализе различных процессов в тепловых двигателях. С помощью диаграммы, как и по таблицам, можно определить параметры и функции состояния водяного пара, в том числе и влажного насыщенного пара.
Наибольшее распространение получили Ts- и is (или hs) -диаграммы состояния водяного пара.
Так как с помощью Ts-диаграммы легко определить количество теплоты в процессе, то она и применяется в основном для теоретического анализа экономичности тепловых двигателей.
При расчетах различных процессов изменения состояния используется главным образом hs- диаграмма водяного пара.
Диаграмма h – S(энтальпия – энтропия) находит широкое применение при расчетах паровых процессов и циклов теплоэнергетических установок.
Для практических целей диаграмма h – s выполняется не для всех фазовых областей воды, а только для ограниченной области водяного пара.
На рабочей диаграмме h – s наносится густая сетка изобар, изохор, изотерм и линий постоянной степени сухости х. Как уже отмечалось, в области влажного насыщенного пара изотерма совпадает с изобарой, причем геометрически это прямые линии. Чем выше давление, тем изобара круче и ближе к оси ординат.
На практике расчету подлежат четыре основных термодинамических процесса изменения состояния воды и водяного пара:
изобарный (p = const),
изохорный (v = const),
изотермический (Т = const),
адиабатный (dq = 0).
Состояние влажного насыщенного пара определяется в технике давлением р и степенью сухости х. Точка, изображающая этот состояние, находится на пересечении изобары и линии х = const. Состояние перегретого пара определяется давлением р и температурой t. Точка, изображающая состояние перегретого пара лежит на пересечении соответствующей изобары и изотермы.
На рис. 1 в координатах Ts изображен процесс парообразования при р = const (процесс abcd).
Кривая аКс является пограничной кривой, а точка К — критической точкой.
Начало отсчета энтропии соответствует ее значению при 273 К.
Площадь под кривой процесса на is-диаграмме соответствует количеству теплоты.
Следовательно, площадь под изобарой ab эквивалентна энтальпии воды i' при температуре парообразования Tн.
На изобарном участке bс, совпадающем с изотермой, происходит процесс парообразования, и площадь под прямой bс соответствует теплоте парообразования г.
В изобарном процессе перегрева cd температура пара повышается до значения Т, и к пару подводится количество теплоты Q=срm (Т—Тн).
Линии постоянной степени сухости х=const, как и на всех диаграммах, сходятся в критической точке К.
На рис. 2 показаны различные процессы изменения состояния водяного пара на is-диаграмме. Область диаграммы, расположенная левее пограничной кривой еК, соответствует состоянию жидкости.
Пограничная кривая пара Kf делит диаграмму на две области. Выше этой кривой расположена область перегретого пара, а ниже — область влажного пара.
На пограничной кривой Kf пар является сухим насыщенным (х=1).
Изобарный процесс изображен линией abc,
изотермический — abd (в области влажного пара изотерма и изобара совпадают),
изохорный — υ=const и адиабатный — gh.
Кроме того, на этом рисунке показаны линии постоянной степени сухости х = const.
В таблицах и на диаграммах не приводятся значения внутренней энергии газа, которую можно определить из соотношения u = i—pV.
На рис. 3 приведена is-диаграмма водяного пара.
При графическом расчете процессов по любым двум известным величинам (р, V, Т; х, i, s) находят на диаграмме точку, соответствующую начальному состоянию пара, и все неизвестные параметры.
Конечное состояние пара можно определить также по двум известным параметрам состояния. Если задан только один конечный параметр состояния, то необходимо знать еще характер процесса. В этом случае точку, характеризующую конечное состояние, находят на пересечении заданной кривой процесса и соответствующей изопараметрической кривой, например изобары.
Примеры решения задач:
Решение задач
Задача 1. Определить количество теплоты, сообщаемой 1 кг пара в пароперегревателе котельного агрегата. Начальные параметры пара p1 = 5 МПа и x1=0,95.
Известно также, что после адиабатного расширения пара в турбине х2 = 0,87, а конечное давление пара р2=0,01 МПа.
Дано:
p1 = 5 МПа
x1=0,95
р2=0,01 МПа.
х2 = 0,87
Q-?
Решение.
1) Так как в пароперегревателе к пару подводится теплота при постоянном давлении, то количество ее равно разности начальной энтальпии h1 и энтальпии h2 пара после пароперегревателя:
Q=h2—h1.
По начальным параметрам пара p1 и x1 на is-диаграмме находим точку А (рис), которой соответствует значение энтальпии h1=2720 кДж/кг.
2) Точку В, соответствующую состоянию пара на выходе из пароперегревателя, находим на пересечении изобары p1=5 МПа и адиабаты ВС, которая проходит через точку С.
3) Положение точки С определяется параметрами пара р2 и x2.
Энтальпия пара в точке В h2 = 3600 кДж/кг.
4) Количество подведенной к 1 кг пара теплоты равно Q = 3600—2720=880 кДж/кг.
Рассмотренный пример показывает, что is-диаграмма значительно упрощает расчеты процессов для водяного пара.
Задача 2. Температура воздуха 230С, относительная влажность 45%. Найти абсолютную влажность воздуха и точку росы.
Дано
φ=45%
t=230C
Найти Р?
Решение
Относительная
влажность воздуха:
Задачи для самостоятельного решения
1. Влажный воздух объёмом 1 м3 при относительной влажности φ = 60 %, температуре Т = 293 К и нормальном относительном давлении имеет массу m = 1, 2004 кг. Определите давление насыщающего водяного пара при температуре Т. Решить задачу с учетов, что влажный воздух содержит сухой воздух и пар.
2. Температура воздуха в доме, где расположена баня при относительной влажности 60% равна 25ºС (t/φ = 25/60). Определить – какая будет относительная влажность этого воздуха в парилке при температуре 45ºС?
3. Сухой термометр показывает 21 градус, а влажный -16 градусов. Какая относительная влажность воздуха и сколько водяного пара содержится в 1м3 воздуха.
4. Найдите массу 1 м3 влажного воздуха при температуре 36oС, если относительная влажность его 80%, а давление насыщенного пара при этой температуре 5,945 кПа.
5.Определите давление водяных паров при относительной влажности воздуха 40 % и температуре 100 С. (492 Па)
6. Относительная влажность воздуха при температуре 200 С равна 80 %. Какой будет относительная влажность воздуха при температуре 300 С, если давление водяных паров в нём не изменится? (54 %)
Домашнее задание:
Контрольные вопросы:
1. Дайте характеристику процесса парообразования
2. Дайте характеристику линии, называемой холодной жидкостью
3. Дайте характеристику линии, называемой нижней пограничной кривой
4. Дайте характеристику линии, называемой верхней пограничной кривой
5. Какая кривая характеризует состояние сухого насыщенного пара
6. Какой участок диаграммы соответствует перегретому пару
7. Какой участок диаграммы соответствует влажному насыщенному пару