Процесс водяного парообразования

 

Фазовая p-v диаграмма (рис. 4.1) системы, состоящей из жидкости и пара, представляя собой график зависимости удельных объёмов воды и пара от давления, делится нижней пограничной кривой BK и верхней пограничной кривой KC на три области. Влево от кривой BK до нулевой изотермы воды (линия AE) располагается область жидкости. Вправо от кривой KC и вверх от точки K располагается область перегретого пара. В области, ограниченной нижней и верхней пограничными кривыми, располагается двухфазная система, состоящий из смеси воды и пара (влажный пар). Обе кривые сливаются в одной точке K, которая называется критической точкой.

В критической точке исчезает различие между жидкостью и паром. Выше критической точки двухфазное состояние системы невозможно.

Линия AE представляет собой точки, в которых вода имеет температуру 0 С при различных давления. Область графика, заключённая между изотермой воды при температуре 0 С (линия AE) и осью p, представляет собой среду равновесного существования жидкой и твёрдой фаз воды.

Линия BK – это место точек, характеризующих воду в состоянии кипения при разных давлениях.

Линия KC показывает зависимость удельного объёма сухого насыщенного пара от давления.

В технике (в паровых котлах) пар из воды образуется при постоянном давлении, поэтому термодинамическую сторону процесса парообразования можно рассмотреть так же при постоянном давлении: p = const.

Если рассмотреть процесс образования перегретого пара при давлении p (см. рис. 4.1), то можно выделить три последовательно осуществляемых физических процесса:

1. Подогрев жидкости от температуры 0 С до температуры кипения

(температуры насыщения) T – отрезок a b .

2. Парообразование при постоянной температуре T – отрезок b с .

3. Перегрев пара (нагревание пара от температуры T до T ) – отрезок с d .

Количество теплоты, необходимое для превращения в сухой насыщенный пар (точка с ) 1 кг воды, нагретой до температуры насыщения при заданном давлении p (точка b ), называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой r. Вся энергия, подводимая в виде теплоты к пару в этом процессе, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами (работу дисгрегации) и расширение пара, поэтому при постоянном давлении температура влажного пара остаётся также постоянной.

 

p

T T T T

E

 

 

p K

 

p d

a b c

 

p a b c c

d

2 T

A B C T

x = const

0 v

v

v

v

v

v

Рис. 4.1. Диаграмма состояния водяного пара

Из p-v диаграммы видно, что каждому давлению соответствует своя температура насыщения (линия KC). Характер зависимости между давлением насыщенного пара p и температурой насыщения T (кривая насыщения) представлен на рис. 4.2.

 

p

p 2

p

p 1

 

t t t

t

Рис. 4.2. Кривая насыщения

 

Каждому веществу соответствует своя кривая насыщения. Поскольку для насыщенного пара его давление и температура однозначно определяют друг друга, любой процесс, протекающий в двухфазной области, изображается

на p-v диаграмме линией, совпадающей с кривой насыщения.

Связь между термическими и калорическими величинами в процессе парообразования устанавливает уравнение Клапейрона – Клаузиуса:

= , (4.1)

где p – давление насыщенных паров, Па;

T – абсолютная температура насыщения, К;

– производная, взятая на кривой фазового перехода;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

v – удельный объём кипящей жидкости, м /кг;

v – удельный объём сухого насыщенного пара, м /кг.

Степень отклонения свойств насыщенного пара от идеально-газового состояния определяется отличием от единицы коэффициента сжимаемости водяного пара, определяемого по формуле:

= , (4.2)

где R – газовая постоянная для водяного пара (R = 462 Дж/кг град).

Таким образом, если на основе опытных данных построить зависимость

p = f (T ), то можно графически определить производную от давления по температуре (), и, используя формулу (4.1), рассчитать скрытую теплоту парообразования:

r = T (v - v ) = T (v - v ) , Дж/кг (4.3)

Используя опытные значения p и T , по формуле (4.2) определяют степень отличие пара от идеального газа. При этом численные значения объёмов v и v определяются по термодинамическим таблицам для водяного пара (см. табл. 4.1).

Уравнение состояния для водяного пара, как для реального газа, весьма сложно и в расчётной практике не применяется. Вследствие этого для практических целей при определении параметров пара и воды на линии насыщения используются справочные таблицы и диаграммы, составленные на основе экспериментальных и теоретических исследований. В этих справочных данных приведены температуры насыщения (t ), давления (p ), удельные объёмы (v и v ), скрытая теплота парообразования (r) и другие параметры (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1. Параметры насыщенного пара и воды на линии насыщения

Давление насыщения (абсолютное),   p , кг/см	Температура насыщения,     t , С	Удельный объём	Скрытая теплота, r
кипящей жидкости, v , м /кг	сухого пара (насыщенного), v , м /кг	ккал/кг	кДж/кг
0, 2	59, 67	0, 001017	7, 789	563, 4
0, 4	75, 42	0, 001026	4, 066	554, 1
0, 6	85, 45	0, 001033	2, 782	548, 0
0, 8	92, 99	0, 001038	2, 125	543, 3
1, 0	99, 09	0, 001043	1, 725	539, 6
1, 2	104, 25	0, 001046	1, 455	536, 3
1, 4	108, 74	0, 001050	1, 259	533, 4
1, 6	112, 73	0, 001054	1, 111	530, 8
1, 8	116, 33	0, 001057	0, 9954	528, 5
2, 0	119, 62	0, 001060	0, 9018	526, 4
2, 2	122, 65	0, 001063	0, 8248	524, 3
2, 4	125, 46	0, 001065	0, 7603	522, 4
2, 6	128, 08	0, 001068	0, 7055	520, 7
2, 8	130, 55	0, 001070	0, 6581	518, 9
3, 0	132, 88	0, 001072	0, 6169	517, 3

В настоящей работе процесс парообразования осуществляется в области влажного пара при постоянном объёме (изохорный процесс): v – const. Этот процесс на p-v диаграмме (рис. 4.1) представлен линией 1-2.