Процессы воды и водяного пара

Для анализа работы паровых двигателей, теплообменного оборудования, паровых теплотрансформаторов (холодильных машин, тепловых насосов) существенное значение имеют изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы. Расчет этих процессов можно выполнить либо с помощью таблиц воды и водяного пара, либо с применением h–s- диаграммы. Первый способ более точен, второй – отличается простотой и наглядностью.

Порядок расчета процессов с помощью таблиц воды и водяного пара:

1. Определяется состояние (одно из пяти) воды или водяного пара в начальной точке путем сравнения исходных данных с табличными.

2. Определяются параметры в начальной точке.

3. Определяется состояние в конечной точке.

4. Определяются параметры конечной точки.

5. Рассчитывается теплота и работа процесса.

6. Дается иллюстрация процесса в p- v-, T-s-, h-s- диаграммах.

При определении состояния в начальной и конечной точках сравнивают исходные параметры с табличными (p_s, t_s, v¢, v¢¢, h¢, h¢¢ , s¢, s¢¢).

Для перегретого пара:

при данном p:

при данной t:

Для недогретой воды:

при данном p:

при данной t:

Для мокрого пара:

.

Для кипящей жидкости:

.

Для сухого насыщенного пара:

.

При использовании h-s- диаграммы параметры в начальной и конечной точках определяются из диаграммы, рассчитываются теплота и работа процесса. Затем дается изображение процесса во всех диаграммах.

Формулы для расчета теплоты и работы в процессах изменения состояния воды и водяного пара получены на основании соотношений:

,

и приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Процесс	Работа, w	Работа, l	Теплота, q
Изохорный	w = 0	l = v(p1 – p2)	q = u2 - u1
Изобарный	w = p(v2 -v1)	l = 0	q = h2 - h1
Изотермический	w = q-(u2 - u1)	l = q-(h2 - h1)	q = T(s2 - s1)
Адиабатный	w = u1 – u2	l = h1 – h2	q = 0

Особенности расчета изменения параметров, теплоты и работы процессов водяного пара по сравнению с процессами идеального газа состоят в следующем. Для воды и водяного пара:

- не выполняются связи между параметрами, полученные на основе уравнения состояния идеального газа;

- не применима молекулярно-кинетическая теория теплоемкости;

- для изотермического процесса , т.к.

;

- изменение параметров Dh, Du, Ds не рассчитывается по формулам через теплоемкости, а определяется через параметры начальной и конечной точек

.

Изохорный процесс

Дано: p₁ =20 бар, v = 0,12 м³/кг, p₂ = 3 бар.

Определить: q, w, l.

Расчет процесса с помощью таблиц.

1. При p₁ = 20 бар из табл. II [8] находят v¢¢ = 0,09953 м³/кг. Поскольку
v > v¢¢, то начальное состояние – перегретый пар.

Из табл. III определяют параметры h₁ = 2976,9 кДж/кг, s₁ = 6,6842 кДж/(кг^.К), t₁ = 280 ⁰С. Внутренняя энергия рассчитывается по формуле

u₁ = h₁-p₁^.v = 2976,9-20^.10^2.0,12 = 2736,9 кДж/кг.

2. При p₂ = 3 бар из табл.II находят v¢ = 0,001073 м³/кг и v¢¢ = 0,6059 м³/кг. Поскольку v¢ < v < v¢¢, конечное состояние - мокрый пар. Рассчитывают степень сухости

,

энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию мокрого пара:

.

3. Рассчитывают теплоту и работу изохорного процесса:

, , w = 0.

4. Представляют (строят по исходным данным p₁, v, p₂) изохорный

процесс в диаграммах p - v, T - s, h - s (рис.5.6-5.8).

Изобарный процесс

Дано: p = 5 бар, x₁ = 0, t₂ = 180 ⁰С.

Определить: q, w, l.

Расчет процесса с помощью таблиц.

1. В начальном состоянии рабочее тело – кипящая вода, т.к. x₁ = 0. Из табл. II при p = 5 бар находят: h₁ = h¢ = 640,1 кДж/кг, v₁ = v¢ = 0,001093 м³/кг.

2. В конечном состоянии известны давление p и температура t₂. Сравнивают t₂ с температурой насыщения при давлении p: t_s = 151,8 ⁰С, взятой из табл. II. Поскольку t₂ > t_s, то конечное состояние – перегретый пар. Из табл.III находят h₂ = 2812,1 кДж/кг, v₂ = 0,4046 м³/кг.

3. Рассчитывают теплоту и работу изобарного процесса:

q = h₂ - h₁ = 2172 кДж/кг, w = p(v₂ - v₁) = 201,8 кДж/кг, l = 0.

4. Строят изобарный процесс по исходным данным (p, x₁, t₂) в диаграммах p - v, T - s, h - s (рис. 5.9 - 5.11).

5.5.3. Изотермический процесс

Дано: p₁ = 10 бар, x₁ = 0,9, p₂ = 1 бар. Определить: q, w, l.