Тема 1.7 Реальні гази. Водяна пара

Лекція 6

Водяна пара. Основні поняття і визначення. Процес пароутворення в - діаграмі. Таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари. Визначення термодинамічних параметрів води і водяної пари.

План

1 Водяна пара, області застосування.

2 Водяна пара, основні поняття і визначення.

3 Процес пароутворення при постійному тиску. - діаграма водяної пари.

4 Таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари.

5 Визначення термодинамічних параметрів води і водяної пари.

1 Водяна пара як робоче тіло і теплоносій отримала широке застосування. Це поясню-ється тим, що вода є дуже поширеною речовиною в природі і, по-друге, вода і водяна пара мають добрі термодинамічні властивості і не впливають шкідливо на метал, жи-вий організм. Як теплоносій водяна пара широко застосовується в технологічних про-цесах багатьох галузей господарства: енергетики, хімічної технології, машинобудуван-ня тощо. Наприклад,

· в системах опалення, вентиляції житлових і виробничих будинків;

· в системах забезпечення мікроклімату приміщень і споруд захищеного грунту, овоче- і фруктосховищ;

· в процесах кормоприготування, пастеризації, пропарювання грунту тощо.

Водяна пара застосовується в різних станах у дуже широкому діапазоні тисків і температур, часто переходить в рідкий стан – конденсується. В цих умовах не можна знехтувати силами взаємодії, отже, до водяної пари не можна застосовувати закони ідеальних газів і рівняння Менделеєва – Клапейрона.

2 Розділення речовини на газ і пару умовне, бо між ними не існує будь - якої межі.

Парою називається всякий реальний газ, який в умовах його застосування здатний пе-реходити в рідину. Всякий реальний газ, який в умовах його застосування не переходить в рідкий стан, зберігає назву газу.

Процес переходу рідини в пару називається пароутворенням. Процес може про-ходити шляхом випаровування і кипіння. При випаровуванні утворення пари відбува-ється тільки з вільної поверхні рідини. Процес протікає при будь - яких температурах рідини і може супроводжуватися зниженням її температури.

Бурхливий процес пароутворення, який супроводжується виникненням бульбо-чок пари по всьому об’єму рідини, називається кипінням. Відбувається при постій-ному тиску і при відповідній йому постійній температурі, яка називається темпера-турою кипіння чи насичення і позначається . Для всіх рідин температура кипіння підвищується зі збільшенням тиску, залежність між ними виражається рівнянням . Для різних рідин і води є велика кількість емпіричних рівнянь, які дозволя-ють приблизно встановити залежність . В якості прикладу можна навести рів-няння Руша, яке має вигляд

, (1.74)

де Р – абсолютний тиск, .

Для точного визначення температури кипіння необхідно користуватися табли-цями. Всі параметри киплячої рідини позначаються відповідною буквою зі штрихом, наприклад: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо.

Насиченою називається пара, яка знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною. Це означає, що в закритій посудині кількість молекул пари, які надходять в простір над киплячою рідиною, дорівнює кількості молекул, котрі повертаються знову в рідину. Така рухома рівновага обмовлена хаотичністю руху молекул і силами взає-модії пари і рідиною поблизу її поверхні.

Якщо при до киплячої рідини підвести необхідну кількість теплоти для випаровування всієї рідини, то в момент зникнення останніх крапель води отримують суху насичену пару при температурі кипіння . Ця пара є нестійким станом й отриму-ється в парогенераторах як миттєвий стан при переході в перегріту пару. Стан сухої насиченої пари визначається одним параметром: тиском або температурою насичення . Всі параметри сухої насиченої пари позначаються відповідними буквами з двома штрихами: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо.

При кипінні рідини разом із бульбочками пари виносяться дрібні частки вологи. Отримана суміш пари і рідини називається вологою насиченою парою, причому част-ки рідини рівномірно поширені по всьому об’єму пари.

Стан вологої насиченої пари визначається тиском і степеню сухості або тем-пературою кипіння і степеню сухості . Степеню сухості називається масова частка сухої пари, яка міститься в вологій парі

, (1.75)

де і - відповідно маси сухої пари і рідини, котрі знаходяться в 1 кг суміші;

- маса вологої пари.

Вологість насиченої пари в парових котлах повинна бути в межах 1-3 %, тобто її степінь сухості %.

Для сухої пари , для киплячої рідини . Масова частка рідини, котра міс-титься в вологій парі, називається степеню вологості і позначається . Всі пара-метри вологої пари (крім тиску і температури) позначаються відповідною буквою з індексом , наприклад: питомий об’єм , ентальпія , ентропія тощо.

Перегрітою називається пара, яка при однаковому тиску з насиченою має більш високу температуру, чим температура кипіння . Стан перегрітої пари визначається будь – якими двома параметрами, найбільш часто – тиском і температурою. Процес переходу насиченої пари в рідину називається конденсацією. Цей процес є зворотним процесу пароутворення, також відбувається при і відповідній йому постійній температурі, рівній температурі кипіння при тому ж тиску.

3 На рисунку 1.15 зображена - діаграма водяної пари. Отримання пари в парогене-раторах відбувається при . Цей процес протікає наступним чином. Нехай при даному тиску 1 кг води з температурою займає об’єм . Стан на діаграмі зобра-жено точкою . При підведенні теплоти вода нагрівається, її температура підвищу-ється до тих пір, поки вона не досягне температури кипіння , котра відповідає тиску . При нагріванні об’єм води збільшується від до . Стан киплячої рідини позначено на діаграмі точкою . Відрізок характеризує процес перетворення 1 кг холодної води в киплячу.

При подальшому підведенні теплоти кипляча вода поступово переходить в пару. В той момент, коли випариться вся рідина, буде отримана суха насичена пара, об’єм її буде в багато разів більше (при низьких тисках) об’єму киплячої води .Стан

сухої насиченої пари на діаграмі зображено

точкою . Процес пароутворення відбува-

ється не тільки при , але й при ,

тому цей процес ізобарно - ізотермічний. Якщо

до сухої насиченої пари стану підводити теп-

лоту при тому ж тиску , то вона перетворить-

ся в перегріту. Стан на діаграмі зображено точ-

кою . Між точками і знаходиться волога

насичена пара, довільний стан її на діаграмі

зображено точкою .

Рисунок 1.15 - - діаграма водяної пари

При більш високому тиску процес отримання пари відбувається аналогічно. Але через те що , то питомий об’єм води незначно зменшується і стан її зобра-

жується точкою , яка розташована лівіше точки . Навпаки, питомий об’єм киплячої води буде збільшуватися, бо з підвищенням тиску підвищується температура кипін-ня . Цей стан зображується точкою , розташованою правіше точки . При тиску об’єм сухої пари зменшується і зображується точкою , котра буде лівіше точки .

Якщо з’єднати точки , які визначають характерні стани води і пари при різ-них тисках, то на - діаграмі отримують три основні лінії: І, ІІ і ІІІ.

Лінія І визначає стан води при температурі і різних тисках. Лінія ІІ визначає стан киплячої рідини () і показує, що об’єм з підвищенням тиску підвищується. Ця лінія називається нижньою пограничною кривою, зліва від неї знаходиться не-кипляча рідина, справа – область вологої насиченої пари. Лінія ІІІ характеризує стан сухої насиченої пари () при різних тисках і називається верхньою пограничною кривою, зліва від неї знаходиться область вологої пари, а справа – область перегрітої пари. Об’єм пари буде тим менше, чим більше його тиск.

З підвищенням тиску різниця () зменшується, лінії ІІ і ІІІ зближуються і при деякому тиску вони перетинаються в точці К, яка називається критичною. Точка К визначає критичний стан води і водяної пари. Критичний стан будь – якої речовини характеризується тим, що різниця між рідиною і парою щезає.

При зменшенні тиску лінії І і ІІ зближуються і при деякому тиску перетинають-ся в точці М, котра називається потрійною точкою. Кожна речовина в цій точці зна-ходиться в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. В потрійній точці кожна речовина має певні параметри, наприклад для води: , .

В області вологої пари наносяться лінії постійної сухості , котрі на діаграмі зображені пунктирними кривими, що виходять з критичної точки К.

4 Всі розрахунки процесів із водою і водяною парою проводяться за допомогою спеціальних таблиць термодинамічних властивостей води і водяної пари (автори С.Л. Рівкін або М.П. Вукалович). При їх складанні були враховані найновіші експери-ментальні і теоретичні дослідження термодинамічних властивостей води і водяної пари в інтервалі тисків до 100 МПа і температур до 800 . Параметри киплячої рідини і сухої насиченої пари виділені в окремі таблиці, де ці параметри приведені в залежності або від тисків, або від температур. Користуючись таблицями, можна легко знайти по заданих температурі або тиску насичення необхідні для розрахунку величини.

Для знаходження величин при проміжних значеннях тисків або температур (яких немає в таблицях) користуються методом лінійної інтерполяції. Параметри вологої пари при відомій степені сухості розраховуються по наведених раніше рівняннях. При цьому величини, які входять в формули, приймаються по таблицях сухої насиченої пари і киплячої рідини.

Таблиці параметрів для некиплячої рідини і перегрітої пари також виділені особливо. Дані для води розташовані вище жирної лінії, а для перегрітої пари – нижче цієї лінії. В області тисків вище критичних, де немає видимої різниці між водою і дуже щільною перегрітою парою, лінія розділу відсутня.

5 При термодинамічних дослідженнях прийнято вважати, що при і будь – якому тиску ентальпія, ентропія і внутрішня енергія рідини дорівнюють нулю, тобто

, , .

В ізобарному процесі (рисунок 1.15) на підігрівання 1 кг рідини від до витрачається теплота , яку називають теплотою рідини. Вона дорівнює

, (1.76)

де - масова теплоємність рідини.

По І закону ТД теплота рідини витрачається на зміну внутрішньої енергії і на роботу розширення, тому

. (1.77)

Оскільки об’єм рідини змінюється незначно, то в цьому процесі переважна частина теплоти рідини витрачається на зміну внутрішньої енергії.

Основні параметри киплячої рідини (точка ) , , знаходять з таблиць по заданому тиску або по температурі насичення. Внутрішня енергія киплячої рідини ви-значається по формулі

, (1.78)

з рівняння (1.77) ()

, (1.79)

отже, для одного і того ж стану можна написати

. (1.80)

Звідки

. (1.81)

В ізобарному процесі (рисунок 1.15) кипляча рідина при постійній темпе-ратурі переходить в пару. Кількість теплоти, яка підводиться до 1 кг киплячої рідини при для перетворення в суху насичену пару, називається теплотою пароутворення і позначається буквою . При будь – яких тисках нижче критичного більша частина теплоти пароутворення витрачається на зміну внутрішньої потенційної енергії і менша – на роботу розширення. Тоді рівняння І закону ТД можна виразити в наступному вигляді

. (1.82)

Ентальпія сухої насиченої пари визначається по формулі

. (1.83)

Внутрішня енергія сухої насиченої пари розраховується по відомому рівнянню

. (1.84)

Волога насичена пара є сумішшю киплячої води і сухої насиченої пари. Її тем-пература дорівнює температурі кипіння рідини при даному тиску. Питомий об’єм вологої пари дорівнює сумі питомих об’ємів кг сухої пари і () кг води

. (1.85)

Звідси можна отримати рівняння

, (1.86)

яке застосовують для точного визначення . Ентальпія та ентропія вологої пари ви-значаються за формулами

, (1.87)

. (1.88)

Внутрішня енергія вологої пари знаходиться з рівняння

. (1.89)

Внутрішня енергія перегрітої пари визначається по відомому рівнянню

. (1.90)

В ізобарному процесі (рисунок 1.15) відбувається перегрівання пари, при цьому температура пари становиться більше температури кипіння .

Кількість теплоти, яка підводиться до 1 кг сухої насиченої пари при перетворен-ні її в перегріту, називається теплотою перегрівання і позначається . Ця теплота підраховується по рівнянню

, (1.91)

де і - відповідно ентальпія і температура перегрітої пари; - середня

масова ізобарна теплоємність перегрітої пари.