Основні термодинамічні процеси водяної пари

На практиці можуть зустрітися парові процеси, які протікають у області або вологої насиченої пари, або у області перегрітої пари, або так, що одна частина процесу протікає у області вологої насиченої, а інша – у області перегрітої пари.

Для аналізу роботи паросилових установок велике значення мають ізохорний, ізобарний, ізотермічний і адіабатний процеси. Відрізки 1 – 1'' і 1'' – 2 на малюнках відносяться до випадків протікання процесів без зміни агрегатного стану пари: на відрізку 1 – 1'' пара залишається вологою насиченою, а на відрізку 1'' – 2 – перегрітою. Відрізок 1 – 2 відповідає випадку протікання процесу, в якому пара переходить з насиченого стану в перегрітий.

Ізохорний процес.

Ізохори на p, v –, T, S – і h, S – діаграмах представлені на мал. 12.1.

Ізохорний процес на р-v діаграмі (мал. 12.1.а) зображається відрізком вертикальної прямої 1-2, а на Т, S діаграмі (мал. 12.1б) – кривою лінією, яка у області вологої пари направлена опуклістю вгору, а у області перегрітої пари – опуклістю вниз. У h, S діаграмі (мал.12.1в) ізохора у області вологої пари є кривою, вельми близькою до прямої похилої, а у області перегрітої пари, направлену опуклістю вниз. Причому на цих діаграмах ізохори нахилені декілька крутіше за ізобари.

На Т, S – діаграмі, ізохори, які перетинають прикордонну криву пари, не можуть перетинати прикордонну криву рідини, оскільки завжди питомий об'єм рідини (х = 0) менше питомого об'єму сухої насиченої пари (х = 1).

З мал. 12.1а видно, що для всіх ізохорних процесів у області вологої пари можливі 2 випадки: 1) v < v_кр. (де v_кр – питомий об'єм в критичній точці); 2) v > v_кр.

При підведенні теплоти до вологої пари в першому випадку (процес а-б) відбувається зменшення ступеня сухості вологої пари і в точці бперетини ізохори з прикордонною кривою рідини волога пара повністю перетворюється на воду.

При цьому температура і тиск підвищуються. Температура в точці бдорівнює температурі кипіння води при тиску рб. Підведення теплоти вологої пари в другому випадку v > v_кр (процес 1 – 2) приводить до підвищення ступеня сухості вологої пари. У точці 1'' пар стає сухим насиченим. Подальше підведення теплоти викликає його перегрів.

Таким чином, в ізохорному процесі кількість теплоти q, що підводиться до пари, витрачається на зміну його внутрішній енергії, тобто.: , (12.1)

або: , (12.2)

На T, S–діаграммі кількість теплоти q зображається заштрихованою площею.

При графічному методі розрахунку, величини, які входять у формулу 12.2, знаходять по h, S –діаграмі. При розрахунковому методі величини для 12.2 обчис-

Мал.12.1 люють за відповідними формулами. Ентальпію вологої пари визначають:

Величини h' і r беруть з таблиць вологої пари для тиску р₁. Ступінь сухості пари x =v_x /v'' знаходять так: v'' беруть з таблиць вологої пари за тиском р₁, а vx заданоза умовою завдання положенням точки 1. Значення ентальпії h₂ (мал. 12.1.в) береться з таблиць перегрітої пари.

Ізобарний процес.

На мал. 12.2. приведений ізобарний процес в p, v –, T, S – і h, S – діаграмах.

Як видно, на p, v – діаграмі (рис.12.2.а), ізобара зображається горизонтальною прямою 1-2. У області вологої насиченої пари ізобара є одночасно і ізотермою. При підведенні теплоти до вологої насиченої пари, ступінь сухості її збільшується і волога пара при t=const переходить в суху насичену пару, а потім в перегріту.

На Т, S – діаграмі (мал. 12.2б) у області вологої насиченої пари ізобара також представляється прямою горизонтальною лінією, а у області перегрітої пари – кривою 1''-2, яка піднімається вгору і направлена опуклістю вниз.

На h, S – діаграмі (мал. 12.2.в) ізобара у області вологої насиченої пари представляє пряму похилу, що перетинає прикордонні криві рідини і пари. У області перегрітої пари вона переходить в криву, обернену опуклістю вниз.

Кількість теплоти, що підводиться до пари в ізобарному процесі, розраховується за рівнянням: q = h₂ – h₁ , (12.3)

На T, S – діаграмі ця кількість дорівнює заштрихованій площі 1-2-S₂-S₁, а на h, S – діагра-мі – різниці ординат точок 2 і 1.

Робота процесу: l_1-2 = q_1-2 – (u₂-u₁) = p (v₂ – v₁) , (12.4)

У p, v – діаграмі робота розширення дорівнює площі під ізобарою,тобто, заштрихованій площі прямокутника 1-2-v₂- v₁.

Зміна внутрішньої енергії пари:

, (12.5)

Для процесу, що протікає у області вологої пари при p=const, за рівнянням 11.30. маємо:

, .

Звідси знаходимо: , (12.6)

Нехтуючи питомим об'ємом рідини V’ у зв'язку з тим, що V₁>>V’ і V₂>>V’, одержуємо:

, (12.7)

v' і v'' визначаються за таблицями насиченої пари при заданому p=const.

Величини h₂, h₁, v₂, v₁ для (12.5) визначають або по h, S – діаграмі, або за відповідними формулами, паровими таблиця- ми.Наприклад, значення ен- тальпії вологої пари h₁ визна-

чається по формулі:

де х = v_х /v'', а значення h', r, v'' беруть з таблиць вологої пари; h₂, v₂ для (12.5) – з таблиць перегрітої пари.

Мал. 12.2