Физические свойства воды и водяного пара

Вода и водяной пар являются рабочим телом парогенераторов, паровых турбин, ядерных реакторов, конденсаторов, регенеративных и сетевых подогревателей и многих других теплоэнергетических элементов ТЭС, АЭС и ПГУ. Их свойства в значительной степени определяют конструкции этих элементов. Вода практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах её плотность изменяется очень мало.

Если воду нагреть в открытом сосуде (рис. 1.1), то при определённой температуре начинается её кипение и образование над её поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны в процессе полного выкипания жидкости. Если описанный выше опыт поставить при атмосферном давлении (760 мм рт. ст.), то кипение и испарение будут происходить при 100 °С.

Рисунок 2.1. Нагревание воды в открытом сосуде

Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают t_н. Последнее название связано с тем, что при спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар - пар, в котором отсутствуют капельки воды. Если температуру сухого насыщенного пара снизить (а это можно сделать только путём одновременного снижения давления), то часть пара сконденсируется, и в нём появятся капельки воды. Такой пар называется влажным. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым по отношению к состоянию насыщения.

Если снизить давление в сосуде, то кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в так называемых вакуумных деаэраторах, установленных в системах подпитки теплосети: достаточно в сосуде (деаэраторе) создать давление в 0,5 кгс/см² » 50 кПа, и она закипит всего при температуре 81 °С.

Наоборот, если повысить давление в сосуде, то она закипает и начинает испаряться при более высокой температуре. Это свойство широко используют в для стерилизации мединструментов при повышенной температуре в автоклавах, для быстрого приготовления пищи и т.д. Оно очень широко используется в различном оборудовании ТЭС. Например, в стандартном деаэраторе поддерживается давление 6 кгс/см² » 0,6 МПа, и вода в нем закипает при нагреве до 159 °С.

В барабане барабанных котлов поддерживается давление 140 кгс/см² = 13,7 МПа, и поэтому в нём генерируется насыщенный пар с температурой примерно 335 °С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа, и поэтому температура образующегося насыщенного пара составляет 275,6 °С.

Необходимо отметить, что температура насыщения однозначно определяется давлением над её поверхностью. Эта связь показана на рис. 1.2.

Рисунок 2.2. Зависимость температуры насыщения пара от давления

Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на её испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают большей энергией на величину удельной теплоты парообразования r, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина r в кДж/кг или ккал/кг.

Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность. При давлении p_кр = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения t_н = t_кр = 374,12 °С, а теплота парообразования r = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами - критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они по существу неразличимы.

История развития энергетики это история повышения параметров пара. С начала 60 годов 20 века в СССР (впервые в мировой энергетике) начался быстрый переход от докритических параметров (130 ат, 540^О С) к сверхкритическим (СКД 240 ат, 540^О С). В настоящее время мировая энергетика начала использовать супер - сверхкритические (ССКД) параметры пара: 300 ат, 600^О С; затем 350 ат, 650^О С; и уже имеются блоки, использующие пар с температурой до 700^О С. Повышение параметров пара это один из наиболее эффективных способов повышения КПД ТЭС.

В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенные на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыщения (при этом же давлении) на значение Dt_п.

Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определённой точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным - смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины (точнее - за её последними вращающимися лопатками) для её надёжной работы не должно превышать 10 - 13 %. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, имеющую температуру насыщения.