Водяной пар

Водяной пар и вода – это энергоносители, которые широко используются в энергетике, промышленности, отоплении и технологических процессах.

Водяной пар – это реальный газ.

Уравнение состояния водяного пара очень сложное, поэтому используются таблицы состояний, а также диаграммы, с помощью которых рассчитывают термодинамическиепроцессы водяного пара.

Рассмотрим процесс образования водяного пара:

В общем случае, если в пространство над водой вылетает больше молекул, чем возвращается, то процесс называется испарением. Испарение может происходить при любой температуре.

Насыщенным паром называется такой пар, который находится в динамическом равновесии с жидкостью.

Давление насыщенного пара зависит от температуры жидкости.

Кипением называется образование пара внутри жидкости в виде пузырьков.

Кипение возможно, если давление пара внутри пузырька больше давления внешнего. Температура кипения зависит от давления. При увеличении давления увеличивается температура кипения и наоборот.

Рассмотрим процесс получения пара в цилиндре с подвижным поршнем. Изобразим процесс в координатах . Пусть мы имеем 1 кг воды под поршнем при внешнем давлении р₁ и при температуре t = 0°С, чему в координатах соответствует точка 1 (рис. 1.23). При подводе теплоты q при постоянном давлении р₁ вода несколько увеличится в объеме – поршень сместиться вправо – в точке 2 начнется кипение.

Рисунок 1.23 – Пример иллюстрации получения пара при р=const

в координатах .

Дальнейший подвод теплоты приведет к тому, что при той же температуре Т=const и при постоянном давлении р₁ количество пара будет увеличиваться, а воды – уменьшаться. Под поршнем имеем насыщенный пар. В точке 3 – где вся вода превратилась в пар, и имеем сухой пар.

Насыщенный пар (в процессе 2-3) характеризуется степенью сухости Х. Степень сухости или паросодержание – это отношение массы сухого пара М_с.п к массе влажного насыщенного пара М_в.н.п , которая состоит из массы сухого пара М_с.п и массы воды М_в

.

Тогда

.

В момент начала кипения, в точке 2, степень сухости Х=0, а в точке 3, когда испарится последняя капля жидкости, степень сухости Х=1.

Если и дальше подводить теплоту при постоянном давлении р₁ то водяной пар будет перегреваться, правее точки 3 будем иметь состояние перегретого пара. В этой области при подводе теплоты удельный объем пара, и температура пара будут возрастать.

Аналогично можно построить процесс парообразования при более высоком давлении р₂ (рис. 1.24).

Рисунок 1.24 Диаграмма воды и водяного пара в координатах для различных состояний системы

Поскольку вода практически не сжимается, то точка 1' будет расположена на вертикальной линии =const. При увеличенном давлении кипение начнется при более высокой температуре и точка 2' сместится вправо относительно точки 2. С увеличением давления удельный объем газа (сухого насыщенного пара) уменьшается, следовательно, точка 3' будет смещаться влево относительно точки 3.

Точки 2 и 3 будут сближаться и при некотором давлении они сольются. Такое давление называетсякритическим давлением. Этому давлению на диаграмме соответствует точка К. В критической точке К происходит мгновенный переход воды в перегретый пар.

При температуре, превышающей значение в критической точке К, пар не может быть переведен в состояние жидкости (возможно только парообразное состояние Н₂О).

Для воды и водяного пара параметры критической точки К следующие:

р_кр = 22,12 МПа;

t_кр = 374,15 °С;

_кр = 0,00317 м³/кг.

Соединив точки 1, 2 и 3 получим три линии:

линия 1-1' – состояние воды при 0°С;

линия 2-2'-К – нижняя пограничная кривая -состояние воды притемпературе насыщения, соответствует началу кипения;

линия 3-3'-К – верхняя пограничная кривая - состояние сухого насыщенного пара.

Эти линии делят плоскость диаграммы на три области:

левее нижней пограничной кривой – жидкость;

между нижней и верхней пограничной кривой – влажный пар;

правее верхней пограничной кривой – перегретый пар.

В области влажного пара из критической точки К нисходят кривые постоянной степени сухости Х = const.