Основные термодинамические процессы водяного пара

В основные задачи анализа термодинамических процессов водяного пара входят нахождение начальных и конечных параметров и функций состояния, определение величин, входящих в уравнение первого закона термодинамики, построение графического изображения процессов в диаграммах.

Изохорный процесс (u = const) 1-2, протекающий целиком в области насыщения, и 3-4, заканчивающийся в зоне перегрева, представлены на рис. 1.8.

а	б	в
Рис. 1.8. Изохорные процессы для водяного пара: а – р-u-диаграмма, б – Т–s-диаграмма; в – h–s-диаграмма

Процессы 1-2 и 3-4 протекают в одинаковом интервале давлений р₁ и р₂. Конфигурация изохор в Т-s- и h-s-диаграммах определяется значениями степени сухости в зависимости от давления в области насыщения и значениями давления в зависимости от температуры в области перегрева.

Изохорные процессы наблюдаются в барабанах паровых котлов и теплообменниках при нагревании или охлаждении заполняющего их теплоносителя, если оборудование отключено от внешних коммуникаций.

Для термодинамических процессов, протекающих в области насыщенного пара, значение энтальпий пара могут быть найдены на h-s-диаграмме или по формуле

h_X = h' + rx, (1.2)

где h' – энтальпия воды; r – скрытая теплота парообразования; х – степень сухости пара.

В процессах, осуществляемых перегретым паром, его энтальпия находится по h-s-диаграмме или по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара.

Изобарный процесс (р = const) для водяного пара является одним из основных процессов, протекающих в котлах электростанций, а также в различных теплообменных аппаратах.

Примеры изобарных процессов, протекающих полностью в области насыщения либо заканчивающихся в зоне перегретого пара, изображены в диаграммах на рис. 1.9 линиями 1-2 и 3-4.

а	б	в
Рис. 1.9. Изобарные процессы для водяного пара: а – р-u-диаграмма, б – Т–s-диаграмма; в – h–s-диаграмма

Теплота, участвующая в изобарных процессах 1–2 и 3–4, может быть определена по Т–s-диаграмме как площадь под кривой процесса или по формулам:

q_1-2 = h₂ – h₁; q_3-4 = h₄ – h₃.

Энтальпии пара в зависимости от его состояния находятся по h–s-диаграмме, таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или формуле (1.2).

Удельные объемы влажного пара находятся по h–s-диаграмме или формуле

u_Х = (1 – x)u' + xu",

где значения удельных объемов пара на пограничных кривых u', u" принимаются по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара.

Удельные объемы перегретого пара определяются по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара или h-s-диаграмме.

Изотермический процесс (Т = const), происходящий полностью в области насыщенного пара, совпадает с изобарным процессом в зоне насыщения. Изотермический процесс, начинающийся в области насыщения и заканчивающийся в зоне перегрева, изображен в диаграммах на рис. 1.10 линией 1-2.

Количество теплоты, участвующее в изотермическом процессе 1-2, может быть найдено графически, как площадь под кривой в Т-s-диаграмме или по выражению

q_1-2 = T(s₂ – s₁).

а	б	в
Рис. 1.10. Изотермические процессы для водяного пара: а – р-u-диаграмма, б – Т–s-диаграмма; в – h–s-диаграмма

Энтропия влажного пара определяется по h-s-диаграмме или формуле

s_X = s' + rx/T_S,

где s' – энтропия кипящей воды; Т_S – температура насыщенного пара при данном давлении.

Энтропия перегретого пара находится по h-s-диаграмме или по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара.

Адиабатный процесс (dq = 0). Примеры изображения адиабатных процессов водяного пара в диаграммах приведены на рис. 1.11.

Адиабата 1-2 полностью расположена в области влажного пара, а адиабата 3-4 начинается в области перегретого пара и заканчивается в зоне насыщения.

Уравнение адиабаты водяного пара описывается зависимостью

рu^К = const,

где к – показатель адиабаты ( к = 1,135 - влажный насыщенный пар, к = 1,3 – перегретый пар).

а	б	в
Рис. 1.11. Адиабатные процессы для водяного пара: а – р-u-диаграмма, б – Т–s-диаграмма; в – h–s-диаграмма

Работа адиабатного процесса равна

l_1-2 = h₁ – h₂; l_3-4 = h₃ – h₄.

Контрольные вопросы

1. Покажите, как изображается в Т-s-диаграмме энтальпия кипящей воды, сухого насыщенного пара и перегретого пара.

2. Как при помощи таблиц водяного пара можно определить, в каком состоянии находится вода, если известны ее параметры»?

3. Как могут быть вычислены параметры в области влажного пара?

4 . Приведите определения следующих процессов и понятий: парообразование, конденсация, испарение, кипение, влажный и сухой насыщенный пар, перегретый пар.

5. За счет чего происходит изменение в изотермическом процессе водяного пара и как его подсчитать при заданных начальных и конечных параметрах р, u, h.

6. Как могут быть графически построены линии постоянной сухости в р-u-, Т-s- и h-s-диаграммах?

7. Покажите с помощью Т-s-диаграммы, как будет меняться влажность пара в адиабатных процессах сжатия, если в первом случае процесс протекает при значении энтропии меньше критического, а во втором – больше критического.

8. Изобразите на диаграммах р-u, Т-s и h-s изохорный и изотермический процессы превращения влажного насыщенного водяного пара в перегретый. Дайте краткие пояснения.

9. Изобразите р-u-диаграмму для воды и перегретого пара и покажите, как в этой диаграмме изображаются характерные линии. Поясните, на какие области можно разделить р-u-диаграмму. Какие состояния откладываются на нижней и верхней пограничных кривых? Что такое степень сухости и влажность пара?