Перечислить основные термодинамические свойства воды и пара

Вода и водяной пар являются основным рабочим веществом теплоэнергетических установок

и поэтому следует более подробно рассмотреть их свойства.

Укажем вначале параметры характерных состояний воды

В тройной точке: температура tт =0,01˚С =273,16 К; давление pт =0,6117 кПа; удельный

объем воды vт

'

=0,001000211 м3

/кг.

При составлении уравнений состояния и таблиц термодинамических свойств воды и

водяного пара состояние жидкости в тройной точке принято за начало отсчета значений

внутренней энергии и энтропии. Поэтому uт

'

=0, sт

'

=0 и значение энтальпии жидкости

hт

'

=uт

' +pт vт

'

=0 +0,6117·0,001000211 =6,117·10-4

кДж/кг ≈ 0

В критической точке: температура tк =373.946°С =647,096 К (МТШ –90);

давление pк =22,064 МПа, удельный объем vк =0,003106 м3

/кг.

В области жидкого состояния воде присущи некоторые особенности изменения

термодинамических свойств, отличающие ее от других жидкостей. При атмосферном давлении

при нагревании воды от 0°С происходит не уменьшение, а увеличение ее плотности (уменьшение

объема) вплоть до максимума плотности при температуре 3,98°С. С ростом давления максимум

плотности смещается в область более низких температур (рис. 5.12) и при давлении 32 МПа он

приходится на линию затвердевания воды. Следовательно, при больших давлениях аномалии в

изменении плотности воды при нагревании не наблюдается. Аномалия имеется и в изменении

изобарной теплоемкости. При атмосферном давлении при нагревании вплоть до температуры 34°С

теплоемкость не увеличивается, а уменьшается. Аномалии присутствуют и в изменении других

физических свойств (скорости звука, вязкости, теплопроводности и др.).

Рис. 5.12

и

В твердом состоянии вода имеет 7 кристаллических модификаций, из которых только одна –

ледI –обладает аномальными свойствами как описано в разделе 5.2. У этого льда с ростом давления температура плавления изменяется от 0 до -22°С, где при давлении 210 МПа происходит

его полиморфный переход в нормальный лед III. Таким образом, минимальная температура, при

которой может существовать стабильная жидкая вода, равна -22°С.

Термодинамические свойства воды и водяного пара достаточно хорошо изучены и

аналитически представлены Международным уравнением IAPWS –95 [6], действующем в области

давлений 0 –1000 МПа от температуры плавления до 1000 С. Независимыми переменными в нем

являются температура и удельный объем, что приводит к необходимости большого числа

итерационных вычислении при практических расчетах. Поэтому для инженерных расчетов

применяется Международная система уравнений для промышленных расчетов IF –97 [7,8]. Она

содержит 5 уравнений, в совокупности описывающих свойства воды и водяного пара в области

давлений 0 –100 МПа при температурах от 0 до 800°С (при р <10 МПа до 2000°С), причем

основная область, где работают энергетические установки, представлена в удобных для

практических расчетов переменных. На базе этих уравнений созданы таблицы термодинамических

свойств воды и водяного пара и программный модуль для их вычисления [9].

Как было выяснено в разделе 5.1, в двухфазном состоянии вещество обладает одной

термодинамической степенью свободы. Поэтому в таблицах термодинамических свойств данные о

свойствах воды и водяного пара в состоянии насыщения (т.е. на левой и правой пограничных

кривых) приводятся в зависимости от одного параметра, причем для удобства использования даны

как в зависимости от температуры, так и давления, в двух отдельных таблицах. Однофазные

состояния вещества имеют две термодинамические степени свободы и таблица свойств воды и

перегретого пара построена в зависимости от температуры и давления. Для определения же

свойств влажного насыщенного пара (смеси кипящей воды и сухого насыщенного пара)

приходится прибегать к дополнительным вычислениям.

Для задания состояния влажного пара дополнительно используется показатель содержания

сухого насыщенного пара в смеси –степень сухости x

x =m"/(m" +m'), (5.12)

значения которой могут, очевидно, изменяться от 0 (кипящая жидкость) до 1 (сухой насыщенный

пар).

С помощью ее все свойства влажного пара рассчитываются по правилу аддитивности

vx =(1 –x)v' +xv", (5.13)

hx =(1 –x)h' +xh", (5.14)

sx =(1 –x)s' +xs", (5.15)

причем значения свойств кипящей воды (') и сухого пара (") берутся из таблиц свойств воды и

водяного пара в состоянии насыщения. Заметим, что в практических расчетах степень сухости редко находится по ее определению (5.12), а гораздо чаще вычисляется по одному из свойств

влажного пара

x =(vx -v')/(v" -v') =(hx -h')/(h" –h') =(sx -s')/(s" -s') (5.16)

Величина y =1 –x называется влажностью пара.

При анализе процессов и циклов водяного пара широко применяются энтропийные

диаграммы T,s и h,s. В T,s –диаграмме (рис.5.13) изобары докритического давления в двухфазной

области имеют горизонтальный участок, так как процесс парообразования происходит при

постоянном давлении и неизменной температуре, а критическая изобара имеет точку перегиба в

критической точке. В области жидкости изменение энтропии с давлением, равное согласно (4.19)

(∂s/∂p)T = -(∂v/∂T)p, очень мало, так как термическое расширение воды невелико, и изобары в этой

диаграмме очень близки к левой пограничной кривой. Поэтому диаграмму T,s часто изображают

так, как показано на рис. (5.14), считая, что докритические изобары совпадают с левой

пограничной кривой. В области влажного пара можно нанести линии постоянной степени сухости,

поделив каждую изобару на пропорциональные части (рис.5.14.).

Рис. 5.13

Рис. 5.14Диаграмма h,s часто применяется как расчетная в прикидочных расчетах. На рис. 5.15

представлена область перегретого пара и часть области влажного пара, примыкающая к правой

(верхней) пограничной кривой, так как диаграмма удобна для расчета турбин и другого

оборудования, работающего именно в этих областях. Критическая точка и область малых

значений энтропии на диаграмме отсутствуют. В области влажного пара изобары представляют

собой прямые линии, так как наклон их определяется выражением (∂h/∂s)p =T, а в этой области на

изобаре T =const. С ростом давления температура насыщения возрастает и изобары составляют

пучок расходящихся линий. При переходе в перегретый пар температура плавно изменяется и

изобара имеет вид плавной кривой, пересекающей пограничную кривую без излома. Изотермы, в

области влажного пара совпадающие с изобарами, по выходе в перегретый пар имеют излом и по

мере увеличения энтропии приближаются к горизонтальным линиям, что отражает факт

однозначной зависимости энтальпии от температуры для идеального газа. В области влажного

пара нанесены линии постоянной степени сухости пара, что позволяет при расчетах избежать

необходимости вычисления ее по соотношениям (5.16). Наконец, в диаграмме имеются и изохоры

в виде линий, с изломом пересекающих верхнюю пограничную кривую.

Рис. 5.15Таким образом, с помощью h,s –диаграммы, изданной в достаточно большом масштабе,

можно определить все термодинамические свойства пара в области параметров, в которой расчет

процессов производится наиболее часто. Но область жидкости и очень влажного пара на ней

отсутствует.