П роцесс парообразования в Ts-координатах

ЛЕКЦИЯ по теме «Водяной пар»

Физическое состояние вещества. Процесс парообразования в pv и Ts координатах. расчет термодинамических процессов водяного пара с помощью таблиц и Is- диаграммы. Принципиальная схема паросиловой установки. Цикл Ренкина. Влияние начальных и конечных параметров на термический КПД цикла Ренкина. Изображение цикла pv, Ts, Is- диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок.

Физическое состояние вещества

Из повседневного опыта мы знаем, что одно и то же вещество в зависимости от внешних условий (давление и температура) может находиться в различных агрегатных состояниях. Например, при атмосферном давлении вода существует в трех фазах:

· лед – температура воды ниже нуля градусов (t < 0 °С);

· вода – температура воды ниже ста градусов (t < 100 °С), но выше нуля
(t > 0 °С);

· пар – температура воды не ниже ста градусов (t ≥ 100 °С).

известно также, что при изменении давления изменяются также температуры затвердевания и кипения вещества.

Фазовым переходом называют переход вещества из одной фазы в другую, существующую одновременно с первой. При этом обычно имеют в виду агрегатные состояния вещества и поэтому говорят о газовой, жидкой и твердой фазах. Следовательно, под фазовым переходом подразумевают переход вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Линию фазового перехода можно изобразить на диаграмме в рТ-координатах (рисунок 1.36), если нанести состояния, соответствующие давлениям и температурам фазового перехода.

Слева от линии АОВ расположена область твердого вещества, справа от линии КОВ – область газообразного веществ, а между линиями Оа и ОК – область жидкого состояния.

Рисунок 1.36 – Кривые фазовых переходов вещества в рТ-координатах

Из этой диаграммы следует, что линия ОВ представляет собой кривую линию сублимации вещества (фазового перехода из твердого агрегатного состояния в газообразное). Линия ОА представляет собой кривую линию плавления (затвердевания), а линия ОК – кривую линию кипения (конденсации). Кривая кипения обычно называется линией насыщения. Точка О представляет собой тройную точку, в которой вещество сосуществует в трех агрегатных состояниях. Поскольку свойства разных веществ отличаются друг от друга, то диаграммы в рТ-координатах будут различными для различных веществ.

Из диаграммы (рисунок 1.36) видно, как изменяется состояние вещества в процессе нагрева при постоянном давлении. Двигаясь по линии изобары
(р = const) из области твердого состояния вещества, видно, что изобара пересекает линию плавления в точке С, где вещество переходит в жидкое состояние, а при дальнейшем нагреве линия изобары пересечет линию насыщения ОК в точке Д и вещество превратится в пар.

Для воды тройная точка соответствует температуре 0,01°С и давлению 610, 8 Па.

Процесс парообразования в рv-координатах

Водяной пар, будучи почти единственным рабочим телом паровых двигателей, представляет особый практический интерес, поэтому знание его тепловых свойств имеет большое значение.

Образование пара в котлах и его перегрев происходит при одном и том же (рабочем) давлении котельного агрегата. При постоянном же давлении происходит и конденсация отработавшего пара турбины (паровой машины). Поэтому процесс парообразования при постоянном давлении для паросиловых установок имеет практическое значение.

Наибольшей наглядностью данного процесса обладают диаграммы в
рv-координатах (рисунок 1.37).

Постоянному при всех давлениях удельному объему воды с температурой 0°С на диаграмме в рv-координатах соответствует линия 1-I, параллельная оси давлений. На этой линии точкой I отмечено состояние воды, имеющей температуру 0°С и давление р.

Если одному килограмму воды, находящейся в таком состоянии, подвести тепло, сохраняя давление постоянным (р = const), то при возрастании температуры воды будет увеличиваться и ее объем.

Рисунок 1.37 – Процесс парообразования в рv-координатах

Этот процесс подвода тепла изобразится горизонтальной линией I-II. В точке II вода закипает, и начинаетcя процесс парообразования (температура кипения t_к, удельный объем v'). Количество тепла, сообщаемое одному килограмму воды для ее нагрева от 0 °С до температуры кипения, называют удельной теплотой жидкости, q, кДж/кг. Объем смеси, получающейся из воды и пара, значительно возрастает и изобразится линией II-III. Эта линия является изобарой. поскольку в процессе парообразования температура пароводяной смеси остается постоянной, зависящей только от давления t_к = f (р), то линия II-III является также и изотермой.

В тот момент, когда последняя частица воды испарится, полученный чистый пар будет иметь температуру t_к и удельный объем v². Этот пар называют сухим насыщенным паром. Состоянию этого пара соответствует точка III. Имевшуюся до этого смесь пара и воды называют влажным насыщенным паром. Это такая смесь, в которой мельчайшие частицы воды находятся во взвешенном состоянии в среде пара.

Влажный насыщенный пар обладает следующими свойствами:

· если от него отводится тепло при неизменном давлении, то температура его не изменяется, в отличие от идеальных газов, но начинает уменьшаться объем с одновременным превращением части его в воду;

· если к влажному насыщенному пару подводиться тепло при постоянном давлении, то температура его также не изменится, но объем пара увеличится с одновременным превращением части воды в пар. то есть в любом случае рассматриваемый пар насыщает собой занимаемый им объем. Поэтому его и называют насыщенным паром. Следовательно, насыщенным паром называют пар, находящийся в соприкосновении с водой, из которой он образовался, и имеющий с ней одну и ту же температуру.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь сухого пара и воды (отрезок II-III), в точке III – пар сухой насыщенный (без жидкой фазы). Насыщенный пар характеризуется степенью сухости пара – х (паросодержанием), то есть отношением массы сухого пара к массе влажного насыщенного пара. очевидно, что в точке II паросодержание равно нулю (х = 0), а в точке III равно единице (х = 1).

Количество тепла, которое сообщается 1 кг воды, нагретой до температуры кипения для превращения ее в сухой насыщенней пар, называется теплотой парообразования (r, Дж/кг). Тогда все количество тепла, сообщенного воде с температурой t = 0 °С для превращения ее в сухой насыщенный пар, называют полной теплотой сухого насыщения пара (l, кДж/кг)

l = q + r. (1.157)

При подводе тепла (при р = const) к сухому насыщенному пару его температура будет возрастать, а удельный объем – увеличиваться. Пар, температура которого выше температуры кипения, соответствующей его давлению, называют перегретым паром (линия III-IV).

Из диаграммы в pv-координатах (рисунок 1.37) следует, что отрезок II-III характеризует влажный пар, отрезок III-IV – перегретый пар, а состояние сухого насыщенного пара характеризуется точкой III. Это указывает на неустойчивость состояния сухого насыщенного пара: незначительный отвод тепла вызывает конденсацию, нагрев – перегрев пара.

При более высоком давлении р¢ и температуре равной нулю (t = 0°С) удельный объем будет равен v_о¢, как и при давлении р, так как вода – практически несжимаемая жидкость. Состоянию воды при температуре 0 °С и давлению р¢ на диаграмме (рисунок 1.37) соответствует точка I'. Известно, что большему давлению соответствует и более высокая температура кипения, следовательно, удельный объем воды, нагретой до температуры кипения при давлении р', равный v', получается бóльшим, чем при давлении равным р, и точка II' оказывается лежащей на диаграмме правее точки II.

Дальнейший подвод тепла вызовет парообразование (линия II¢ - III¢). бóльшему давлению р¢ соответствует меньший удельный объем v² сухого насыщенного пара, поэтому точка III¢ получается лежащей левее точки III, а линия II¢-III¢короче, чем аналогичная ей линия II - III.

Если рассмотреть процесс парообразования при еще более высоком давлении р², то окажется что точка II², соответствующая состоянию кипящей воды при давлении р², расположится на диаграмме еще правее точки II¢, а точка III² – еще левее точки III¢, а отрезок линии, лежащий между точками II² и III² оказывается еще короче, чем отрезок, лежащей между точками II¢ - III¢.

Опытом установлено, что при определенном давлении, а следовательно, и температуре объем воды v¢ оказывается равным объему пара v², то есть разность между этими объемами (соответствующая отрезку линии II и III) равна нулю (точка К). эта точка соответствует особому процессу перехода воды в пар, при котором отсутствует состояние влажного пара. Состояние воды и пара, соответствующее этому процессу, называется критическим. Эта точка характеризуется следующими параметрами:

· критическое давление р_{к р} = 225,65 ат;

· критическая температура кипения t_{к р}= 374,15 °С;

· критический удельный объем v¢_{к р}= v²_{к р} = 0,00331 м³/кг.

Особенность процесса парообразования при критическом состоянии
(р_{к р}= 225,65 ат), заключается в том, что как только вода достигнет температуры 374,15 °С, она сразу и без остатка превращается в сухой насыщенный пар. При критическом состоянии теплота парообразования равна нулю(r = 0) и полная теплота сухого насыщения равна теплоте жидкости, λ = q.

Линия, соединяющая точки 2-II-II¢-II²-К, делит диаграмму на две части:

· левая часть – область жидкости;

· правая часть – область влажного насыщенного пара.

линию, для которой степень сухости пара х = 0, называют кривой жидкости или нижней пограничной кривой.

Линия 3 – III - III¢ - III² - К отделяет область влажного насыщенного пара от области перегретого пара. Для этой линии степень сухости пара х = 1, поэтому ее называют кривой сухого насыщенного пара или верхней пограничной кривой.

На основании экспериментальных данных путем использования термодинамического метода получены выражения для определения количества теплоты, внутренней энергии и энтропии жидкости и пара (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Расчетные формулы

Процесс	Количество теплоты, Дж/кг	Внутренняя энергия, Дж/кг	Энтальпия, Дж/кг	Энтропия, Дж/(кг·К)
Подогрев воды при р = const
Парообразование
Перегрев пара

*) ρ – внутренняя теплота парообразования (при р ≈ 0,1 мПа); ρ = 0,9r;
i – энтальпия перегретого пара; s – энтропия перегретого пара.

Однако полученные формулы для практических расчетов применять сложно, их используют для расчета таблиц перегретого пара.

п роцесс парообразования в Ts-координатах

для наглядной иллюстрации протекания процессов, в которых рабочим телом является водяной пар, используют диаграмму парообразования в Ts-координатах (рисунок 1.38). Точка I соответствует начальному состоянию воды, имеющей температуру 0°С и любое давление. Она лежит на оси температур, так как в этом состоянии энтропию воды в термодинамике принято считать равной нулю (s_о= 0). Линия I - К представляет собой нижнюю пограничную кривую, построенную по значениям температуры кипения и энтропии для ряда давлений. Левее линии I - К располагается область жидкости, правее – область влажного насыщенного пара.

Рисунок 1.38 – Парообразование в Ts-координатах

Линия 5-К представляет собой верхнюю пограничную кривую, изображающую в Тs-координатах состояния сухого насыщенного пара при разных температурах, а следовательно, и давлениях. Эта линия строится тем же способом, что и линия I-К. Нижняя и верхняя пограничные кривые встречаются в общей точке К. между линиями I-К и 5-К лежит область влажного насыщенного пара. правее линии 5-К и выше прямой горизонтальной линии, соответствующей значению Т = Т_кр, находится область перегретого пара. Линия I-К соответствует значению сухости пара х = 0, а линия 5-К – значению х = 1.

Подвод к воде тепла при постоянном давлении от Т₀= 0°С сопровождается повышением ее температуры и энтропии. Изменение этих двух параметров выражается зависимостью

, (1.158)

где s¢ – энтропия, кДж/(кг·К); с_рm – средняя удельная массовая теплоемкость воды при постоянном давлении.

Формула (1.161) представляет собой уравнение изобары нагрева жидкости от 0°С до температуры кипения. Обычно для водяного пара в
Тs-координатах считают, что нижняя пограничная кривая служит одновременно изобарой нагрева воды для всех давлений.

Таким образом, нагрев воды от 0°С (точка I) до температуры кипения (точка II) в Ts-координатах изображается изобарой I-II. Процесс превращения воды в пар происходит при неизменной температуре кипения Т_к, поэтому он изображается в Ts-координатах прямой линией II-III, которая, будучи, изобарой, является в то же время и изотермой. Точка III характеризует состояние сухого насыщенного пара с давлением р и температурой Т_к. Дальнейший перегрев этого пара при том же постоянном давлении р ведет к росту температуры и энтропии (линия III-IV). Эта линия является также изобарой. Ее уравнение имеет следующий вид:

(1.159)

площадь I-II-2-1-I измеряет количество тепла, подведенного к 1 кг воды для нагрева ее от температуры 0°С до температуры кипения, то есть теплоту жидкости или энтальпию воды: i¢ = площади I-II-2-1-I.

Аналогично этому теплота парообразования r = площади II-III-3-2-II, и тогда с_рm(t_пе – t_к) = площади III-IV-4-3-III.

Вся площадь под изобарой I-II-III-IV, то есть площадь I-II-III-IV-4-1-I, соответствует энтальпии перегретого пара i_пе, а энтальпия сухого насыщенного пара i¢¢= площади I-II-III- 3-1-I.

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 1114; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!