T-s диаграмма водяного пара

Рассмотрим процесс парообразования в диаграмме T-s (рисунок 2). За начало отсчета принимаем состояние воды при давлении p₁ и температуре T=273 K. Энтропию при T=273 K принимаем равной нулю, отсюда начальное состояние изобразится на диаграмме точкой а₁. Пи подводе тепла к рабочему телу при постоянном давлении его температура будет возрастать и в определенный момент станет равной температуре насыщения. На диаграмме это состояние воды изобразится точкой b₁. Таким образом, процесс a₁-b₁ – это изобарный нагрев воды до температуры кипения (температуры насыщения). При дальнейшем подводе тепла начнется процесс парообразования, при этом давление и температура будут оставаться постоянными. Конец процесса парообразования характеризуется точкой с₁. Дальнейший подвод тепла при постоянном давлении сопровождается повышением температуры и перегревом пара, конец процесса характеризуется точкой d₁. Если построить процесс парообразования для другого давления p₂, более высокого, чем p₁, то начальное состояние изобразится той же точкой а₁, но начало парообразования произойдет при более высокой температуре и поэтому конец процесса нагрева жидкости (точка b₂) будет лежать выше точки b₁.Процесс парообразования изобразится прямой и закончится в точке c₂. Перегрев пара изобразится линией c₂d₂. Необходимо отметить что точки, характеризующие начало и конец процесса парообразования, по мере увеличения давления сближаются. Беря все более высокие давления, мы получим сетку изобар. На этой диаграмме нижняя пограничная кривая сливается с изобарами жидкости. Для получения верхней пограничной кривой необходимо соединить точку К с точками с₁, с₂, с₃.

По смыслу диаграммы T-s площади в ней измеряют количество тепла в процессах (с учетом масштаба диаграммы).

Найдем количество тепла, затраченное на нагрев, парообразование и перегрев пара при давлении p₁.

Рассмотрим процесс а₁-b₁ (нагрев воды до температуры кипения). Тогда количество тепла, пошедшее на нагрев воды, q_н будет равно площади: q_н=пл 0-а₁-b₁-1-0. Так как количество тепла в изобарном процессе равно разности энтальпий, то можно записать, что

(27)

Полагая, что при температуре, равной нулю, энтальпия равна нулю, т.е. имеем

, (28)

где - энтальпия воды при ее температуре кипения.

Рассмотрим процесс b₁-c₁ (процесс парообразования). Количество тепла, пошедшее на этот процесс, численно равно площади: , где r – теплота парообразования.

Объединяя эти два процесса, можем найти теплоту, пошедшую на нагрев воды до температуры кипения и на процесс парообразования. Эта суммарная теплота будет равна

,

где - энтальпия сухого насыщенного пара.

Рассматривая процесс c₁-d₁ (перегрев пара), можно выразить затраченное тепло площадью . Это тепло в изобарном процессе будет равно

(29)

где С_р – теплоемкость рабочего тела в процессе с постоянным давлением;

- температура перегретого пара;

t_s – температура насыщения при данном давлении процесса.

В технике диаграмма T-s широко используется при исследовании термодинамических процессов, так как позволяет видеть изменение температуры рабочего тела и находить количество тепла, участвующее в процессе. Недостатком диаграммы является то, что при определении количества теплоты необходимо измерять соответствующие площади, что усложняет определение необходимых величин. Этот недостаток полностью исключается при использовании диаграммы i-s водяного пара.

Вопросы для самопроверки

1 Почему точки а₁, а₂, а₃, характеризующие начальное состояние рабочего тела, располагаются на оси температур на отметке 273 К?

2 Как в T-s диаграмме располагается нижняя пограничная кривая?

3 Какой площади численно равна теплота, затраченная на процесс нагрева жидкости до температуры насыщения? Как она обозначается?

4 Как с помощью диаграммы T-s определить теплоту парообразования?

5 Как с помощью диаграммы T-s определить энтальпию сухого насыщенного пара?