Процесс парообразования и изображение его в диаграмме р—v

Молекулы воды находятся в постоянном движении. При нагревании скорость их беспорядочного движения увеличивается, и те из них, которые приобретают наибольшую энергию, в результате нагрева вырываются и образуют над поверхностью воды пар.

Процесс перехода воды в пар называется парообразованием, а обратный процесс — конденсацией. При парообразовании в закрытом сосуде протекают одновременно оба процесса.

Парообразование с поверхности жидкости называется испарением. Оно происходит при любой температуре. Для протекания процесса испарения необходима поверхность раздела между жидкостью и паром, которая может быть и внутри жидкости; при этом в жидкости образуются пузырьки пара и испарение будет происходить внутрь пузырьков. Это явление называется кипением. Температура, при которой вода начинает кипеть и которая остаётся неизменной до того момента, пока вся вода не испариться, называется температурой кипения.

Если при парообразовании в закрытом сосуде число молекул, вылетающих из воды, равно числу молекул, возвращающихся в воду из парового пространства, то такой пар называется насыщенным.

Влажным насыщенным называется пар, содержащий взвешенные частицы жидкости. Такой пар фактически получается в закрытом сосуде с подвижным поршнем (p=const) при наличии в нем уровня воды. При дальнейшем нагревании закрытого сосуда с водой количество пара в нем будет увеличиваться, а количество воды уменьшаться до тех пор, пока последняя капля воды не превратится в пар. В этот момент пар становится сухим насыщенным.

Доля содержания сухого насыщенного пара во влажном называется степенью сухости пара и обозначается буквой х. Таким образом,

Если говорят, что степень сухости влажного пара х=0,96, это значит, что 1 кг пара содержит 0,04 кг воды и 0,96 кг сухого насыщенного пара. Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту при постоянном давлении, то он становится перегретым, температура пара при этом повышается, а объем увеличивается; теплосодержание перегретого пара становится большим.

Перегретый пар используют в энергетических установках (турбинах, машинах), насыщенный — в технологических установках (рыбообрабатывающих).

Получение пара в паровых котлах происходит при постоянном давлении и включает следующие стадии: нагрев воды до температуры кипения; образование пара из кипящей воды; образование перегретого пара из сухого насыщенного.

Процесс получения пара в паровых котлах можно изобразить на диаграмме р — v (рисунок 4.1). Предположим, что в действующий котел подали 1 кг холодной воды под давлением Р_i при 0°С. Удельный объем ее υ_в очень мал. На диаграмме это состояние представлено точкой 1. Затем тем­пература, а следовательно, и удельный объем поданной массы воды быстро начнут повышаться при том же давлении Р_i. Одно из состояний процесса нагревания воды показано на диаграмме точкой 2, при нем удельный объем подогретой воды равен υ _{п в}

В точке 3 вода уже перейдет в кипящее состояние при температуре кипения, соответствующей давлению Р₁ и удельному объему υ_к. Отрезок 1-3 на диаграмме представляет собой процесс подогрева воды от 0°С до температуры кипения.

Рисунок 4. 1 – Процесс парообразования в диаграмме p-v

При дальнейшем подогреве начинается процесс образования пара из кипящей воды при постоянных давлении и температуре кипения; этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся вода. На диаграмме процесс парообразования показан отрезком 3—5, причем за точкой 3 кипящая вода постепенно начинает переходить в насыщенный пар и в точке 5 полностью превращается в сухой насыщенный пар. Поэтому промежуточные точки (например, точка 4) отрезка 3—5 изображают влажный пар с различными значениями сухости. В точке 3 (состояние кипящей воды) сухость пара х=0, в точке 5 (состояние сухого насыщенного пара) х=1, т.е. сухость пара составляет 100%. Удельный объем сухого насыщенного пара соответствует отрезку Uн.п.

Если продолжать процесс нагревания сухого насыщенного пара (в паро­перегревателе), то получаемая при этом характеристика пара графически изобразится горизонтальной прямой, являющейся продолжением линии 1—5. В точке 6 удельный объем теперь уже перегретого пара будет Vп.п. С удалением точки 6 от точки 5 как температура нагрева, так и удельный объем пара будут повышаться.

Если теперь рассмотреть работу котла при большем давлении (рг), равном примерно 10 МПа (100 кгс/см ), то весь процесс образования насыщенного пара из воды при температуре 0 °С и перегретого пара из сухого насыщенного изобразится линией 1^/-6^/ . В точке 1^/ удельный объем воды при 0°С такой же, как при Pt, так как удельный объем воды почти не зависит от давления, он изменяется только с изменением температуры жидкости. Однако при давлениях свыше 10 МПа удельный объем воды начинает заметно уменьшаться; это уменьшение для наглядности показано на диаграмме линией 1—С. Процесс парообразования, осуществляемый при еще больших давлениях P₃, будет характеризоваться точками 1", 3", 4", 5".

Если через одноименные точки провести плавные линии, то получим пограничные кривые: АС — которой соответствует вода при 0°С,. ЕК— вода при температуре кипения, КМ — сухой насыщенный пар. Линии, ЕК и КМ делят диаграмму на области: область воды, лежащую левее линии ЕК, область влажного пара, расположенную между линиями ЕК и КМ и область перегретого пара, находящуюся правее линии КМ. Линия 4—4'—4"—К есть кривая постоянной сухости. Это значит, что при различных давлениях сухость пара в указанных точках будет одинаковой.

Д. И. Менделеев в 1860 г. пришел к выводу, что существует такая температура жидкости, при которой ее поверхностное натяжение как результат действия сил сцепления между молекулами будет равно нулю. Выше этой, температуры жидкость и пар обладают одинаковыми свойствами; различие между ними исчезает. Для воды такой температурой является 374,15 °С. Она называется критической. Нагреть воду до такой температуры можно лишь при давлении не ниже 22,1 МПа. Такое давление называется критическим.

При критических давлении и температуре (точка К на диаграмме) между кипящей водой и сухим насыщенным паром не будет никакого различия. Так как вода и пар будут иметь одинаковую плотность, исчезнет граница, разделяющая эти две фазы вещества.

Схема паросиловой установки. Упрощенная принципиальная схема паросиловой установки изображена на рисунке 4.2. В паровом котле 8 вода нагревается до температуры кипения, а затем начинается парообразование. Из парового котла влажный насыщенный пар направляется в пароперегреватель 9, где вначале подсушивается до степени сухости х=1, а затем перегревается. Полученный перегретый пар по соединительному паропроводу 1 поступает в паровой двигатель (паровую машину или турбину) 2, где происходит его расширение и превращение теплоты в механическую работу, идущую на гребной винт.

Отработавший в машине или турбине пар поступает в специальное устройство— конденсатор 3, где конденсируется (сжижается) путем отнятия от него тепла при соприкосновении с охлаждающей водой, подаваемой циркуляционным насосом 5. В результате конденсации пара получается конденсат (вода), который специальным конденсатным насосом 4 подается в питательный бак 6, а оттуда питательным насосом 7 - в котел.

Цикл Ренкина. Этот цикл является основным для паросиловых установок. На рисунке 4.3 он изображен в диаграмме р—v. Основными процессами цикла являются следующие:

4—5 нагрев воды в паровом котле; 5—1 — парообразование и перегрев пара при давлении Р_i: 1—2—адиабатное расширение пара в паровом двигателе до давления в холодильнике (конденсаторе) Р₂ и объема υ_х; 2—3 — конденсация пара; 3—4 — нагнетание конденсата в котел насосом, объем цилиндра которого υ '.

Рисунок 4.2 - Схема паросиловой Рисунок 4.3. Цикл Ренкина в диаграмме p-v

установки

Термический КПД цикла Ренкина оценивает экономичность паросиловой установки; он показывает, какое количество теплоты в паросиловой установке может быть превращено в механическую работу, и составляет примерно 0,4. Это значит, что только 40% теплоты может быть превращено в механическую работу. В действительности при работе паросиловой установки возникает ряд дополнительных тепловых потерь, в результате чего его КПД ещё меньше, чем КПД цикла Ренкина (0,15—0,30).