Парообразование и конденсация

Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты.

Парообразованием наз. процесс перехода жидкости в пар.

Испарением наз. парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре. Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и температуры.

Кипением наз. парообразование во всей массе жидкости.

Процесс превращения пара в жидкость, осуществляющийся при отнятии от него теплоты и являющийся процессом, обратным парообразованию, наз. конденсацией. Этот процесс, также как и парообразование, происходит при постоянной температуре.

Возгонкой или сублимацией наз. процесс перехода вещества из твердого состояния непосредственно в пар.

Процесс, обратный процессу сублимации, т.е. процесс перехода пара непосредственно в твердое состояние, наз. десублимацией.

Насыщенный пар. При испарении жидкости в ограниченный объем одновременно происходит и обратный процесс, т.е. явление сжижения. По мере испарения и заполнения паром пространства над жидкостью, уменьшается интенсивность испарения и увеличивается интенсивность обратного ему процесса. В некоторый момент, когда скорость конденсации станет равной скорости испарения, в системе наступает динамическое равновесие. При этом состоянии число молекул, вылетающих из жидкости, будет равно числу молекул, возвращающихся в нее обратно. Следовательно, в паровом пространстве при этом равновесном состоянии будет находиться максимальное число молекул. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и наз. насыщенным. Под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется. Насыщенный пар имеет температуру, являющуюся функцией его давления, равного давлению среды, в которой происходит процесс кипения. При увеличении объема насыщенного пара при постоянной температуре происходит переход некоторого количества жидкости в пар, при уменьшении же объема при постоянной температуре – переход пара в жидкость, но как в первом, так и во втором случаях давление пара остается постоянным.

Сухой насыщенный пар получается при испарении всей жидкости. Объем и температура сухого пара являются функциями давления. Вследствие этого состояние сухого пара определяется одним параметром, например, давлением или температурой.

Влажный насыщенный пар, получающийся при неполном испарении жидкости, явл. смесью пара с мельчайшими капельками жидкости, распространенными равномерно по всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии.

Массовая доля сухого пара во влажном паре наз. степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через x. Массовая доля жидкости во влажном паре наз. степенью влажности и обозначается y. Очевидно, что y=1-x. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы или в процентах.

Для сухого пара х=1, а для воды х=0. В процессе парообразования степень сухости пара постепенно увеличивается от нуля до единицы.

При сообщении сухому пару теплоты при постоянном давлении, температура его будет увеличиваться. Пар, получаемый в этом процессе, наз. перегретым.

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (т.к. р=const, tпер>tн), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар явл. ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к идеальным газам.

10.3. р, v – диаграммa водяного пара

Рассмотрим особенности процесса парообразования. Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре 0 С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается давление р. Объем воды, находящейся под поршнем равный удельному объему при 0 С, обозначим через ( =0,001м /кг) Будем считать для упрощения, что вода явл. практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при 0 С, а не при 4 С (точнее 3,98 С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t=t_н, соответствующей р=р₁, вода закипит и начнется парообразование.

Все изменения состояния жидкости и пара будем отмечать в р, v координатах (рис. 10.1).

Процесс образования перегретого пара при р=const состоит из трех последовательно осуществляемых физических процессов:

1. Подогрев жидкости до температуры t_н;

2. Парообразование при t_н=const;

3. Перегрев пара, сопровождающийся повышением температуры.

При р=р₁ этим процессам в р, v – диаграмме соответствуют отрезки а-а , а -а , а -д. В интервале между точками а и а температура будет постоянной и равной tн1 и пар будет влажный, причем ближе к т.а степень сухости его будет меньше (х =0), а в т.а , соответствующей состоянию сухого пара, х=1. Если процесс парообразования будет идти при более высоком давлении (р₂>р₁), то объем воды практически останется прежним. Объем v , соответствующей кипящей воде, несколько увеличится (), т.к. t_н2>t_н1, а объем , поскольку процесс парообразования при более высоком давлении и высокой температуре протекает более интенсивно. Следовательно, при возрастании давления разность объемов (отрезок ) увеличивается, а разность объемов (отрезок ) уменьшается. Аналогичная картина будет и тогда, когда процесс парообразования идет при большем давлении (р₃>p₂; ; , т.к. t_н3>t_н2).

Если на рис.10.1 соединить точки с одним и двумя штрихами, лежащие на изобарах

различных давлений, получим линии ; ,

каждая из которых имеет вполне определенное значение. Например, линия а-b-c выражает зависимость удельного объема воды при 0 С, от давления. Она почти параллельна оси ординат, т.к. вода – практически несжимаемая жидкость. линия дает зависимость удельного объема кипящей воды от давления. Эта линия наз. нижней пограничной кривой. В р, v – диаграмме, эта кривая отделяет область воды от области насыщенных паров. Линия показывает зависимость удельного объема сухого пара от давления и наз. верхней пограничной кривой. Она отделяет область насыщенного пара от области перегретого (ненасыщенного) пара.

Точка встречи пограничных кривых наз. критической точкой К. Эта точка соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, когда отсутствует различие между жидкостью и паром. В этой точке отсутствует участок процесса парообразования. Параметры вещества при этом состоянии наз. критическими. Например, для воды: рк=22,1145 МПа; Тк=647,266 К; Vк=0,003147 м /кг.

Критическая температура явл. максимальной температурой насыщенного пара. При температуре выше критической могут находиться лишь перегретые пары и газы. Впервые понятие о критической температуре было дано в 1860 г. Д.И. Менделеевым. Он определил ее как такую температуру, выше которой газ не может быть переведен в жидкость, какое бы высокое давление к нему не было приложено.

Не всегда, однако, процесс парообразования совершается так, как это показано на рис.10.1. если вода очищена от механических примесей и растворенных в ней газов, парообразование может начаться при температуре выше Т_н (иногда на 15-20 К) из-за отсутствия центров парообразования. Такая вода носит название перегретой. С другой стороны при быстром изобарном охлаждении перегретого пара конденсация его может начаться не при Т_н. а при несколько более низкой температуре. Такой пар наз. переохлажденным или пересыщенным. При решении вопроса, в каком агрегатном состоянии могут быть вещества (пар или вода) при заданных р и Т р и v или Т и V нужно всегда иметь ввиду следующее. При р=const для перегретого пара и Т_д>T_н (см. рис. 10.1); для воды, наоборот и Т<Т_н; при Т=const для перегретого пара и р_е<р_н; для воды и р_n>р_н. Зная эти соотношения и пользуясь таблицами для насыщенного пара, можно всегда определить, в какой из трех областей 1, 2 или 3 (см. рис. 10.2) находится рабочее тело с заданными параметрами, т.е. является ли жидкостью (область 1), насыщенным (область 2) или перегретым (область 3) паром.

Для сверхкритической области за вероятную границу «вода – пар» условно принимают критическую изотерму (штрихпунктирная кривая). При этом слева и справа от этой изотермы вещество находится в однофазном гомогенном состоянии, обладая, например, в т.y свойствами жидкости, а в т.z – свойствами пара.

Дата добавления: 2014-11-29