Определение параметров пара и воды

ТЕМА 14(ЕМ), 16(ХК). ПАР И ЕГО СВОЙСТВА

Пары различных веществ широко используются в технике в качестве рабочих тел.

Рассмотрим более подробно процесс парообразования.

Вопрос 1.

Процесс парообразования. Основные понятия и определения

Парообразование – процесс перехода вещества из жидкой фазы в газовую.

Этот процесс может осуществляться испарением и кипением. Испарение – парообразование, происходящее только со свободной поверхности жидкости при любой температуре ее существования. Обратным испарению является процесс конденсации. Кипение – бурное парообразование по всему объему перегретой жидкости за счет подвода к ней через стенку энергии в форме теплоты или за счет сброса давления в объеме перегретой жидкости.

Рассмотрим процесс парообразования на примере воды.

Пусть точка а₀ на диаграмме соответствует состоянию 1 кг воды при Т=273 К(0 ⁰С). Если в изобарном процессе а₀а¢ подводить теплоту, то температура воды повышается до температуры кипения Т¢, а удельный объем увеличивается до v¢. Температура кипения Т¢ называется также температурой насыщения Т_н (Т_s).

При дальнейшем подводе теплоты начинается кипение воды с сильным увеличением объема и парообразованием по всему объему воды. Часть жидкости при этом испаряется, но температура оставшейся жидкости и образовавшегося пара остаются равными температуре кипения Т¢. Таким образом, изобара и изотерма процесса кипения реального вещества совпадают, т.е. процесс парообразования является изобарно-изотермическим.

Полное выкипание воды при T¢=Т_н=const произойдет в точке а¢¢, при удельном объеме v¢¢. Двухфазная смесь воды и пара при кипении в интервале объемов v¢¢-v¢ называется влажным насыщенным паром. Т. е. влажный насыщенный пар - это двухфазная смесь, представляющая собой пар со взвешенными в нем капельками жидкости. Вода и пар находятся в равновесии таким образом, что непрерывно одна часть молекул переходит из жидкости в пар в процессе испарения, а другая – из пара в жидкость в процессе конденсации.

В точке а¢¢ все количество жидкости перешло в пар. Пар в точке а¢¢, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара можно задать одним термодинамическим параметром (давлением насыщения или температурой насыщения).

Массовая доля сухого насыщенного пара во влажном насыщенном паре называется степенью сухости (массовым паросодержанием) влажного насыщенного пара

,

где - масса сухого насыщенного пара,

- масса кипящей жидкости;

- масса влажного насыщенного пара.

Очевидно, что в точке а¢ =0 и x=0, а в точке а¢¢ =0 и x=1.

Массовая доля кипящей жидкости во влажном насыщенном паре называется степенью влажности

.

Объемной концетрацией пара или объемным паросодержанием называется отношение удельного объема сухого насыщенного пара к удельному объему влажного насыщенного пара

.

Состояние влажного насыщенного пара характеризуется двумя параметрами: (давлением или температурой насыщения Р_н или Т_н) и степенью сухости x.

Если к сухому насыщенному пару продолжить подводить теплоту при том же давлении, то его температура возрастает до Т_а> Т_н, а удельный объем увеличится до v_а>v¢¢. Пар в точке а, температура которого больше температуры насыщенного пара при том же давлении, называется перегретым паром. Состояние перегретого пара определяется двумя термодинамическими параметрами (например р и Т, или р и v, или Т и v). Чем выше температура перегретого пара, тем ближе его свойства к свойствам идеального газа из-за уменьшения влияния сил межмолекулярного притяжения и уменьшения влияния объема молекул по сравнению с объемом, занимаемым перегретым паром. Все идеальные газа являются сильно перегретыми парами.

При большем давлении процесс парообразования может быть представлен аналогичной зависимостью а₀а¢а¢¢а, но проходящей выше. Построив такие зависимости процессов парообразования для нескольких значений давления и соединив между собой соответствующие точки а¢ и а¢¢, можно получить две кривые 1 и 2:

1 - нижняя пограничная кривая КО¢ - между жидкостью и влажным насыщенным паром, соответствующая нулевой степени сухости x=0 (кривая насыщенной жидкости);

2 - верхняя пограничная кривая КО¢¢ - между влажным насыщенным и перегретым паром, соответствующая параметрам сухого насыщенного пара x=1 (кривая сухого насыщенного пара).

Прямая 3 называется нулевой изотермой, так как каждая точка на ней соответствует состоянию 1 кг воды при 0 ⁰С и определенном давлении р.

При некотором давлении пограничные кривые 1 и 2 сливаются в точке К. Эта точка называется критической точкой, а параметры в этой точке критическими параметрами. Например, для воды р_кр =22,129 МПа; v_кр=0,00326 м³/кг; Т_кр=647,3 К(374,15 ⁰С). В этой точке свойства жидкости и газа одинаковы. Таким образом, критические давление и температура – это максимально возможные давление и температура сосуществования жидкости и насыщенного пара. При Т>Т_кр, р>р_кр возможно существование только перегретого пара.

Точка, в которой одновременно находятся в равновесии пар, вода и лед, называется тройной точкой(это точка О¢). Параметры тройной точки для воды:

р₀=611 Па; t₀ = 0.01 ⁰С (273,16 K); v₀ = 0.001 м³/кг.

Вопрос 2

Определение параметров пара и воды

Термодинамические параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара берутся из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения. В этих таблицах величины с одним штрихом относятся к кипящей воде, а величины с двумя штрихами – к сухому насыщенному пару.

Для изобарного процесса парообразования а¢а¢¢ (p=const, dp=0) можно записать 1-й закон термодинамики в виде

.

Величина r называется теплотой парообразования и определяет количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянных давлении и температуре.

Увеличение энтропии в процессе парообразования

.

Тогда .

За нулевое состояние, от которого отсчитываются величины s¢, s¢¢, i¢, i² часто принимают состояние воды в тройной точке, т.е. в тройной точке s₀=0, i₀=0.

Удельные объем v_х, энтропия s_х, энтальпия і_х и внутренняя энергия u_х влажного насыщенного пара находятся из уравнений

Из этих уравнений можно рассчитывать также степень сухости, если известны соответствующие параметры влажного насыщенного пара

Вопрос 3