Процесс парообразования. Основные определения

Пары и парообразование

При анализе режимов работы теплосиловых установок практически всегда приходиться иметь дело с разного рода жидкостями и их парами.

Процесс парообразования и методика определения основных характеристик процесса парообразования для всех жидкостей практически аналогичны, что дает возможность рассматривать процесс парообразования на примере воды, как одного из наиболее распространенных веществ в природе.

Рассмотрим изобарный процесс парообразования 1 кг воды в
координатах р – v (рис. 19).

В исходном состоянии () вода представляет из себя недогретую жидкость, имеет температуру (), значение которой ниже температуры насыщения (), а давление воды в этой точке равно р₁. В результате изобарного подвода теплоты в процессе ( - ) вода нагревается до температуры насыщения t_s1 и в токе () начинается процесс кипения.

Рис. 19. Диаграмма состояний водяного пара в координатах p-v

Процесс кипения протекает на участке а'- а" при постоянном давлении р ₁ и постоянной температуре t_s1. В точке (а") вода полностью испаряется. Пар в этом состоянии называется сухим насыщенным. На участке (а'-а") вода находится в двух фазах и состоит из смеси кипящей воды и сухого насыщенного пара. Эта двухфазная равновесная система называется влажным насыщенным паром. При дальнейшем изобарном подводе теплоты сухой насыщенный пар превращается в перегретый (а). Перегретый пар имеет температуру выше температуры кипения (насыщения) при данном давлении. В состоянии (а) параметры перегретого пара имеют следующие
значения: р₁, t_а > t_s1, v_a.

Аналогичные процессы изобарного подвода теплоты к воде можно провести при других давлениях р₂, р₃, и т. д. Соответствующие процессы изображаются линиями b₀ -b'-b"-b и с₀- с'-с"-с. Точки, характеризующие состояния кипящей воды и сухого насыщенного пара при различных давлениях, соединяются плавными линиями.

Линия a'-b'-с' показывает зависимость удельного объема кипящей воды от давления насыщения = f(p). Эта линия называется нижней пограничной кривой.

Точки на линии a"-b"-с" характеризуют состояние сухого насыщенного пара, а кривая определяет зависимость удельного объема сухого пара от давления = f(p) и называется верхней пограничной кривой. Пограничные кривые пересекаются в точке (К), называемой критической.

Параметры и функции состояния кипящей воды на нижней пограничной кривой линии насыщения обозначаются одним штрихом, а сухого насыщенного пара - двумя штрихами. Для однозначного определения состояния кипящей воды и сухого насыщенного пара достаточно знание давления р или температуры насыщения t_s, по значению которых в термодинамических таблицах водяного пара можно найти свойства кипящей воды - v', u', h', s' и сухого насыщенного пара - v", u", h", s".

В области между пограничными кривыми находится влажный насыщенный пар. Каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное давление, то есть между этими параметрами существует однозначная зависимость .

Для характеристики влажного насыщенного пара, помимо р или t_s, в качестве второй независимой переменной используется массовая концентрация сухого насыщенного пара в смеси, называемая степенью сухости или паросодержанием ()

,(226)

где G" – масса сухого насыщенного пара; – масса кипящей жидкости;
G – масса влажного насыщенного пара.

На нижней пограничной кривой , а на верхней .

Отношение массы кипящей жидкости к массе смеси (влажного насыщенного пара) называется влагосодержанием

. (227)

Количество теплоты, которое необходимо подвести при постоянном давлении к 1 кг кипящей жидкости для превращения ее в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается символом r. Значение скрытой теплоты парообразования (r) можно определить из математического выражения первого начала термодинамики

. (228)

Так как процесс парообразования протекает при постоянном давлении (), скрытая теплота парообразования может быть определена из следующего соотношения:

. (229)

С ростом давления или температуры кипения (насыщения) жидкостей величина скрытой теплоты парообразования уменьшается и в критической точке становятся равными нулю.

Свойства влажного насыщенного и перегретого пара

Влажный насыщенный пар является бинарной смесью. Свойства влажного насыщенного пара зависят от давления, при котором он находится, от концентраций жидкой и парообразной фаз в системе, которые определяются значением паросодержания .

Известно, что объем , внутренняя энергия , энтальпия и энтропия системы являются экстенсивными функциями, значения которых зависят от массы вещества (). Обозначим любую экстенсивную функцию , а ее удельное значение . Тогда .

Для вычисления экстенсивной характеристики системы - влажного насыщенного пара, воспользуемся правилом аддитивности

, (230)

где и – экстенсивные характеристики кипящей воды и сухого насыщенного пара.

Выразим экстенсивные характеристики через соответствующие удельные величины и после их подстановки в уравнение (230) получим

. (231 )

Разделим члены уравнения (231) на массу влажного насыщенного пара и, с учетом соотношений (226), (227), получим выражение для определения удельных значений характеристик влажного насыщенного пара

. (232)

С помощью соотношения (232) можно записать соотношения для определения основных параметров и удельных значений функций состояния влажного насыщенного пара (удельного объема, внутренней энергии, энтальпии и энтропии):

;(233)

; (234)

; (235)

. (236)

Энтальпия, энтропия и внутренняя энергия перегретого пара определяются из уравнений приращения этих параметров в изобарическом процессе перегрева. В связи с тем, что перегретый пар по своим свойствам близок к идеальному газу, для изобарного процесса перегрева сухого насыщенного пара с некоторой долей приближения справедливы следующие соотношения:

; . (237)

После интегрирования соотношений (237) от температуры насыщения Т_s до температуры перегретого пара Т, получаем систему выражений для определения удельных значений функций состояния перегретого пара:

; (238)

; (239)

, (240)

где , – удельные значения энтальпии и энтропии сухого насыщенного пара; с_pm, – первая и вторая средние удельные теплоемкости перегретого пара в интервале температур Т-Т_s; v – удельный объем перегретого пара;
– степень перегрева.

Область перегретого пара заключена между критической изобарой и верхней пограничной кривой () (рис. 20).

Рис. 20. Диаграмма состояния h-s водяного пара

Характеристики перегретых паров различных веществ v, h, s, u, с_p и с_v приводятся в термодинамических таблицах водяного пара в функции от давления и температуры.

При проведении термодинамических расчетов, наряду с аналитическими методами, достаточно часто используются и графические методы расчета, проводимые с использованием энтропийных диаграмм (Т - s и h - s). На этих диаграммах (рис. 20) обычно нанесены линии нижней пограничной кривой (x=0), верхней пограничной кривой (х=1), изобары (p=idem), изохоры (v=idem), изотермы (T=idem) и линии постоянной степени сухости (x=idem).

В области влажного насыщенного пара изобары и изотермы совпадают друг с другом, так как . При переходе в область перегретого пара изобары и изотермы разделяются и каждая представляет собой отдельную кривую. В области влажного насыщенного пара изобары и изотермы изображаются в диаграмме Т- s в виде горизонтальных прямых, а в диаграмме h - s – в виде наклонных прямых.

Наибольший практический интерес из этих диаграмм имеет диаграмма h - s прежде всего в силу того, что удельная работа () в адиабатном процессе, исходя из первого начала термодинамики, по этой диаграмме определяется как величина отрезка между начальными и конечными точками процесса (h₁ – h₂).

В энтропийных диаграммах Т - s и h - s обратимые адиабатные (изоэнтропийные) процессы изображаются вертикальными отрезками.

Диаграмма Т - s, в основном, пользуется для термодинамического анализа различных циклов. Она позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты, подведенного и отведенного к рабочему телу в рассматриваемом цикле и работу цикла. При расчете процессов, в которых имеет место процесс парообразования, а рабочими телами являются различные вещества, преимущественно используется диаграмма h - s.

Дата добавления: 2015-05-09