Процес пароутворення в pv-координатах

Тема 6.ВОДЯНА ПАР

Основні поняття та визначення

Відомо, що будь-яка речовина в залежності від зовнішніх умов (тиску та температури) може перебувати в газоподібному, рідкому та твердому агрегатних станах, або фазах, а також одночасно перебувати у двох або трьох станах.

Перехід речовини з одного агрегатного стану в інший називаєтьсяфазовим переходом, абофазовим перетворенням. Речовина у різних агрегатних станах має різні властивості, зокрема густину. Ця відмінність пояснюється характером міжмолекулярної взаємодії.

Перехід речовини з твердого стану в рідкий називаєтьсяплавленням, з рідкого в газоподібний -випарюванням, з твердого в газоподібний -сублімацією. Зворотні процеси відповідно називаютьсязатвердінням, абокристалізацією,конденсацієютаде-сублімацією.

Процес отримання пари з рідини може здійснюватися випаром і кипінням.Випареннямназивається пароутворення, що відбувається тільки з вільної поверхні рідини і за будь-якої температури.

Кипенемназивається бурхливе пароутворення по всій масі рідини, яке відбувається при повідомленні рідини через стінку судини певної кількості теплоти. При цьому бульбашки пари, що утворилися біля стінок судини і всередині рідини, збільшуючись в обсязі, піднімаються на поверхню рідини.

Процес пароутворення починається при досягненні рідиною температури кипіння, яка називаєтьсятемпературою насичення tні протягом всього процесу залишається незмінною. Температура кипіння, або температура насичення, залежить від природи речовини і тиску, причому з підвищенням тиску збільшується. Тиск,відповіднеtнназиваєтьсятиском насичення рн.

Насиченою пароюназивають пару, яка утворилася в процесі кипіння і знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною. Насичена пара за своїм станом буває сухою насиченою і вологою насиченою.

Сухий насиченийпар являє собою пар, що не містить крапель рідини і має температуру насичення (t=tн) при даному тиску.

Волога насичена пара- це рівноважна суміш, що складається з крапель рідини, що знаходиться при температурі кипіння, і сухої насиченої пари.

Відношення маси сухої насиченої париmс.п.до маси вологої насиченої париmв.п.називаєтьсяступенем сухості хвологої пари, тобто

Очевидно, що для рідиних=0, для насиченої сухої парих=1.

Якщо до сухої насиченої пари продовжувати підводити теплоту, його температура збільшиться. Пара, температура якого при даному тиску більша, ніж температура насичення (t>tн), називаєтьсяперегрітим. Тобтоперегріта пара- це пара, що знаходиться при температурі, що перевищує температуру кипіння рідини при тиску, рівному тиску перегрітої пари. Величина перевищення температури пари температури кипіння рідини називається ступенем перегріву пари.

Водяна пара є реальним робочим тілом і може перебувати в трьох станах: вологого насичення, сухого насичення та в перегрітому стані. Для технічних потреб водяну пару отримують у парових котлах (парогенераторах), де спеціально підтримується постійний тиск.

Схема парогенератора

Котельна установка (парогенератор) служить для отримання пари в широкому діапазоні параметрів іскладається з котельного агрегату та допоміжного обладнання, пов'язаних єдиною технологічною схемою. До допоміжного обладнання належать пристрої палива подачі, димососи, золоуловлювачі, паропроводи, водопроводи та ін.

Схема котельного агрегату представлена ​​на рис. 6.1.

Котельний агрегат П-подібного компонування складається з підйомного 1 і опускного газоходів. Підйомний газохід 2 являє собою топку для спалювання палива, на стінках якої встановлені випарні поверхні нагрівання 3 у вигляді плоских панелей трубчастих, званих екранами.

У горизонтальній частині газоходу розташований пароперегрівач 7, що забезпечує нагрівання пари до заданої температури.

процес
Мал. 6.1. Схема котельного агрегату

Випарні поверхні 3 повідомляються з барабаном котла 8 і разом з опускними трубами 9, що з'єднують барабан з нижніми колекторами екранів 10, складають циркуляційні контури. Парова суміш у барабані поділяється на насичену пару і воду, пара прямує в пароперегрівач, вода - знову в циркуляційні контури. Циркуляція води та пароводяної суміші в контурах відбувається за рахунок різниці густин стовпа води в опускних трубах та пароводяної суміші в підйомних трубах - екранах (природна циркуляція).

Процес пароутворення в pv-координатах

За початкову температуру води за будь-якого тиску, приймають температуруt=0°С. Отже, лінія I на рис. 6.2 відповідає станам так званої холодної рідини при різних тисках, що має температуру0°С(ізотерма холодної рідини). Питома кількість води приt=0°Сприймається рівним 0,001 м3/кг. Внаслідок незначної стисливості води лінія I виявляється майже вертикальною прямою. Лівішецієї прямої знаходиться область рівноважного співіснування води та льоду.

процес
Мал. 6.2.Графік процесу пароутворення вpv-координатах

За початок відлікуu, iтаsдля води прийнято вважати потрійну точкуTT(p0=611 Па, t0=0,01 0 C, v0 = 0,00100 м 3 / кг).

Нехтуючи впливом тиску зміну об'єму води, вважають всім станів лініїIv0=0,00100 м 3 /кг,u0=0,i0=0 таs0=0.

Кінцевий стан води на стадії підігріву (точкаb) визначається досягненням при заданому тиску температури кипіння, яка залежить від тиску. Зрv-діаграми випливає, що зі збільшенням тиску температура кипіння збільшується. Ця залежність встановлюється досвідченим шляхом.

Стану окропу для різних тисків будуть відповідати лініїII, яка називається нижньою прикордонною кривою. Вона зображує залежність питомих обсягів окропу від тиску. На нижній прикордонній кривій рівень сухостіх= 0.

Параметри окропу наводяться в таблицях залежно їх від тиску або температури. Кількість теплоти, необхідне для доведення води до кипіння, дорівнює:

Подальше підведення теплоти до киплячої води, що здійснюється у випарному контурі парогенератора, супроводжується бурхливим пароутворенням усередині рідини та переходом частини води в пару. Таким чином, ділянціb—свідповідатиме рівноважний стан суміші рідини та пари (волога насичена пара). У кожній точці цього процесу вода характеризуватиметься масовою часткою сухої насиченої пари, що міститься в ній (ступенем сухостіх).

Кінцевий стан у цій стадіїхарактеризується повним перетворенням рідини на пару, який матиме температуру, рівну температурі насичення (tc=tн) при заданому тиску. Така пара, як уже згадувалося, носить назву сухої насиченої пари.

Процес пароутворенняb-сє одночасно ізобарним (p=p1=const) та ізотермічним (T=T1=const). При цьому витрачається теплота витрачається не так на підвищення температури, лише на подолання сил тяжіння між молекулами і роботу розширення пари.

Враховуючи, що між температурою насиченняtні тискомріснує однозначний зв'язок, стан насиченої сухої пари буде визначатися тільки одним параметром - тиском або температурою.

Стан сухої насиченої пари при різних тисках відповідатиме лініїIII, яка називається верхньою прикордонною кривою. Очевидно, що у верхній прикордонної кривою у кожному точці ступінь сухостіх=1.

Слід звернути увагу, що в процесі пароутворення питомий об'єм води різко збільшується. Так, для води прир= 0,1 МПа питомий об'єм окропуv=0,001043 м 3 /кг, тоді як питомий об'єм сухої насиченої пари дорівнює 1,696 м 3 /кг . Зі збільшенням тиску ця різниця зменшується і в критичній точціКпитомі об'єми води та пари дорівнюють 0,00326 м 3 /кг. У цьомуtкр=374,150 З, аpкр=221,29 бар. При тисках та температурах великих критичних процес пароутворення відсутній. Спостерігається перехід води до пари при перетині ізобариTкр.

Таблиці водяної пари

Для ідеальних газів залежність між параметрамир, vіTвстановлюється рівнянням стануp·v=R·T.

Причому два з цих параметріводнозначно визначають третю. Перегріта і насичена пара за своїми властивостями істотно відрізняються від ідеальних газів. Тому співвідношення між параметрамир, vіТперегрітих і насичених пар значно складніше, ніж рівняння стану ідеального газу.

Для насичених пар тиск є функцією температури (р=f(Т)). Таким чином, для насиченої пари дві змінніріТне визначають стану. Причому питомий обсягvxвизначається ступенем сухості парих. Питомий обсягvxє функцією параметрівртахабоTтах. Об'ємиvbтаvcє функціями температури або тиску (рис. 6.2). Отже, щоб визначити стан насиченої пари, необхідно встановити залежності виду p=f(T), vb=j(р), vc=f(р) .

В даний час відомі численні рівняння стану перегрітої водяної пари. Ці рівняння пов'язують між собою основні параметрир, vтаТ.

Одним із найбільш точних рівнянь стану водяної пари є рівняння Вукаловича-Новікова. Однак такі рівняння, в тому числі й рівняння М.П.Вукаловича та І.І.Новікова, мають дуже складний вигляд та розрахунки за ними є надзвичайно трудомісткими. Тому при практичних розрахунках параметрів парів використовуються спеціальні таблиці та діаграми, складені на підставі експериментальних та теоретичних даних. Вони наводяться відповідні одне одному значенняр, T, vb, vc, ib, ic, r, sbіsc.

В даний час складено докладні таблиці для перегрітих і насичених водяних пар до температур 1000 ° С та тиску 98 МПа. Таблиці складені з високим ступенем точності. Відомі три види таблиць:

1) термодинамічні властивості води та водяногопара у стані насичення (за температурою);

2) термодинамічні властивості води та водяної пари в стані насичення (по тиску);

3) термодинамічні властивості води та перегрітої пари.

У першій таблиці вказують температури сухої насиченої пари та киплячої води (за Цельсієм та Кельвіном) та відповідні їм тиск, ентальпії, ентропії, теплоту пароутворення та питомі об'єми.

У другій таблиці вказують тиск сухої насиченої пари та киплячої води та відповідні їм температуру, ентальпії, ентропії, теплоту пароутворення та питомі об'єми.

У третій таблиці для різних поєднань температур і тисків наводяться відповідні їм ентальпія, ентропія та питомий об'єм води або перегрітої пари.