Парообразование жидкостей

3.1.1. Особенности фазовых переходов

Во многих технических системах нашли широкое распространение рабочие тела в виде пара различных веществ: воды, аммиака, углекислоты, фреона. Кроме того, часто используются как газообразные, так и сжиженные кислород, азот и др. газы. Как получение пара из жидкости, так и получение жидкого вещества из газа осуществляется в результате фазовых переходов. Известны четыре агрегатных состояний вещества: твердая, жидкая, газообразная фазы и плазма. Каждая фаза представляет собой однородную систему с одинаковыми физическими свойствами во всех ее частях. Характерной особенностью агрегатного состояния вещетва является наличие гранниц, отделяющих данную фазу от соприкасающихся с нею других фаз. При определенных условиях вещество может переходить из одной фазы в другую.

Процесс перехода вещества из твердой фазы в жидкую носит название п л а в л е н и я. Обратный переход именуют к р и с т а л- л и з а ц и е й.

В некоторых условиях твердое вещество может переходить сразу в газообразную фазу, минуя жидкое состояние.

Процесс перехода твердой фазы в газообразную называют с у б л и - м а ц ие й, а обратный процесс – д е с у б л и м а ц и е й.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное именуют п а р о о б р а з о в а н и е м, из газообразного в жидкое –

к о н д е н с а ц и е й.

Различают фазовые переходы 1-го и 2-го родов.

К фазовым переходам 1-го рода относят превращения, сопровождающиеся поглощением или выделением теплоты r и скачкообразным изменением удельного объема v , т.е. dq 0 ; r и dv . К фазовым переходам 2-го рода относят превращения при dq=0 и dv=0. В этом случае происходит скачкообразное изменение теплоемкости.

В теплоэнергетических установках чаще используются вещества, которым присущи фазовые переходы 1-го рода.

Граница между двумя фазами при любых фазовых переходах представляет собой поверхность равновесия фаз, на которой градиенты давлений и температур равны нулю. Пересечение поверхности равновесия плоскостью, соответствующей фиксированному значению одного из параметров состояния, дает кривую равновесия, изображенную в координатах других параметров. Так, например, кривые равновесия воды можно представить в координатах pT в виде уравнения:

(3.1)

где и – удельные объемы вещества в начале и конце фазового перехода соответственно;

r- теплота фазового перехода.

Начало координат задается таким, что на поле pT - диаграммы можно разместить состояния твердой, жидкой и газообразной фаз какого-либо вещества.

Равновесное состояние этого вещества, а также равновесные состояния фазовых переходов изображаются точками.

Точка, в которой находятся в равновесном состоянии три фазы однородного вещества, называется т р о й н о й т о ч к о й.

Тройная точка является началом кривых функций p=f(T) для фазовых переходов: твердое вещество – жидкость, жидкость – пар, твердое вещество - пар. Характер этих кривых определяется выражением (3.1).

На рис.3.1 представлена качественная pT – диаграмма воды. Тройная точка воды A имеет давление p = 0,0061 бар (610 Па) и температуру t = 0,01^о С. При переходе воды из жидкого состояния в газообразное удельный объем ее возрастает ( > ), а теплота фазового перехода имеет положительное значение ( r > 0); тогда из уравнения (3.1) следует, что с увеличением давления температура фазового перехода будет расти (кривая AC) Неравенство > справедливо и при сублимации льда в пар, поэтому с

уменьшением давления температура сублимации падает (кривая AD). При переходе из твердого состояния в жидкое для большинства веществ > , следовательно, dp/dT>0. Это значит, что давление плавления с увеличени- ем температуры растет. Однако удельный объем воды при плавлении льда имеет меньшее значение ( < ), и поэтому dp/dT<0, т.е. с увеличением давления температура плавления уменьшается (линия AB ). Если вещество в

твердом состоянии (на рис.3.1 точка 1) Рис. 3.1

нагревать при постоянном давлении p₁, то будем иметь следующие процессы:

1-b – нагрев до температуры плавления и переход в жидкую фазу;

b-c – нагрев жидкости до температуры кипения и переход в пар;

c-2 – перегрев пара до температуры T₂ .

Если взять состояние 3 с давлением p₃ , то при нагреве твердого вещества получим процессы:

3-d – нагрев твердого вещества до температуры сублимации;

d-4 – сублимация и перегрев пара до температуры T₄ .

Кривая парообразования AC заканчивается критической точкой K_p .

При температуре, равной критической, взаимные превращения пара и жидкости происходят без поглощения или отвода тепла и без скачкообразного изменения плотности.

3.1.2. Пар и его характеристики

Под паром понимают газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой (твердой) фазой того же вещества.

Для получения пара используется процесс парообразования, хотя пар может быть получен и в процессе сублимации.

Парообразование является следствием испарения и кипения.

Испарение происходит только со свободной поверхности жидкости. Оно протекает при любой температуре и осуществляется за счет покидания жидкости молекулами, обладающими кинетической энергией, достаточной для преодоления поверхностного натяжения и перехода в пространство над жидкостью. Интенсивность испарения зависит от температуры жидкости и от ее природы.

Процесс кипения заключается в том, что при определенной температуре внутри жидкости образуются пузырьки пара. При испарении жидкости внутрь пузырька его размеры растут. Пузырьки, всплывая, выносят пар в окружающую жидкость среду. При интенсивном кипении суммарная поверхность пузырьков может существенно превосходить свободную поверхность жидкости. В этом случае парообразование будет идти в основном за счет кипения.

При парообразовании жидкости в закрытом пространстве одновременно протекает процесс конденсации. При определенных условиях наступит равновесие между жидкостью и паром. Это значит, что при отсутствии внешнего воздействия количественные соотношения между жидкой и газообразной фазами сохраняются неограниченное время.

Газообразную фазу, находящуюся в равновесии с жидкой фазой, называют сухим н а с ы щ е н н ы м п а р о м.

Из условий равновесия давление сухого насыщенного пара (обозначим его p_н ) равно давлению фазового перехода: p_н = p_s.

Характерной особенностью процесса кипения является то, что при заданном давлении жидкость закипает при достижении вполне определенной температуры, и эта температура остается неизменной до полного выкипания жидкости. С другой стороны, экспериментально было установлено, что такая связь справедлива только до определенных значений давления и температуры. Так, с увеличением давления при достижении вполне определенной температуры жидкость во всем объеме превращается в пар, и никаким повышением давления нельзя остановить этот процесс.

Для примера в табл.3.1 даны приближенные значения температур кипения воды при различных давлениях, а в Приложении табл. 8 приведены физические характеристики воды на линии насыщения.

Т а б л и ц а 3.1

Значения температуры и давления, при которых вещество может существовать в двух фазах - жидком и газообразном, называют к р и т и ч е с- к и м и и обозначают t_кр и p_кр . Для некоторых жидкостей критические параметры приведены в табл. 3.2.

Т а б л и ц а 3.2

В сухом насыщенном паре при определенных условиях над поверхностью испарения могут образовываться мельчайшие капельки сконденсированной жидкости.

Механическая смесь сухого насыщенного пара и мельчайших капелек жидкости называется в л а ж н ы м паром.

Массовая доля сухого пара во влажном называется с т е п е н ь

с у х о с т и .

Обозначают степень сухости через x и вычисляют как, x = m_c /m,

где m_c – масса сухого пара;

m – масса влажного пара.

Пар, температура которого выше температуры сухого насыщенного пара при том же давлении, называется п е р е г р е т ы м.

Процессы нагрева и парообразования многих жидкостей в теплотехнической справочной литературе представлены в виде диаграмм в различных системах координат ( pv, Ts, is, pi).

На рис.3.2 представлены качественные диаграммы процессов нагрева

и парообразования воды в pv (а) и Ts (б) – координатах. На этих диаграммах стрелками показан изобарный процесс парообразования: ab – нагрев жидкости до температуры кипения; bc –испарение жидкости; cd – перегрев пара. Точка e позволят описать состояние влажного пара, а точка d – перегретого пара. Точка К определяет критические температуру и давление. В Ts –координатах заштрихованные площади эквивалентны теплоте, потребного для нагрева жидкости до температуры кипения q_ж; фазового перехода r,перегрева пара q_п.

Рис. 3.2