Лекція №7. Водяна пара. Процеси водяної пари

Якщо в рівнянні стану реального газу задатись постійною температурою Т = const, то можна в координатах Р – υ побудувати сімейство ізотерм стискування, показаних на рис.4.

Ізотерми при температурах менше ніж Т_к і більше за Т_к мають різні графіки, а ізотерма Т_к має характерну точку перегинання. У цій точці по дотичній до ізотерм Т_к проходить ізобара Р_к. При Т < Т_к ізотерми мають декілька характерних точок перетину з ізобарами Р < Р_к. Цим точкам відповідають різні значення питомого об‘єму по координаті υ (υ _кр, υ _н).

При Т > Т_к ізотерма перетинає ізобару Р > Р_к тільки в одній точці. Це означає, що РТ може існувати тільки в одному стані - перегрітої пари. Вказаній точці перетину відповідає тільки одне значення питомого об’єму.

Рис.3. Р – υ діаграма реального газу

Таким чином, стискування газу при постійній температурі Т < Т_к до певного тиску Р < Р_к повинно привести до зміни агрегатного стану РТ, що супроводжується зміною об’єму робочого тіла υ (наприклад, процес 1-2 на рис.3).

Реальні робочі тіла можуть знаходитися у таких фазових станах:

– рідина – при температурі і тиску нижче ніж у стані насичення Т < Т_н, Р < Р_н (точки Р, Р₁, 2 на рис. 3);

– двофазний стан рівноваги „ рідина – пара” (стан насичення), коли кількість пари, що утворюється в процесі кипіння, дорівнює кількості конденсуючої пари. Суха пара при цьому відсутня, х = 0. Тиск, при якому кипляча рідина знаходиться у стані рівноваги з парою, називається пружністю (тиском) насиченої пари – Р_н. Відповідна цьому стану температура називається температурою насичення (кипіння) Т_н. У процесі кипіння відбувається активне пароутворення. Такому стану відповідають точки КР та 2^’ на рис.3.

Процес, зворотний процесу пароутворення, називається конденсацією. У техніці ці процеси проходять, як правило, при Р = const, Т = const.

Температура насичення Т_Н залежить від тиску і виду робочого тіла. При збільшенні тиску величина Т_Н зростає. Якщо з‘єднати точки, що відповідають Р_Н при різних Т_Н, то одержимо криву зміни тиску насичення Р_Н від температури, яку називають кривою кипіння – КА;

– двофазний стан вологої насиченої пари, що являє собою суміш сухої пари з крапельками рідини, які знаходяться у парі у завислому стані. Масова частка сухої пари М_СП у суміші називається показником сухості х = М_сп/М, част.од., х < 1 (точка ВП на рис.3);

Температура вологої пари, киплячої рідини і сухої пари збігається з температурою насичення (Т_КР = Т_ВП = Т_Н).

При випаровуванні останньої краплі завислої у парі рідини пара стає сухою (насиченою) – точка Н на рис.3;

– сухий однофазний стан пари характеризується величиною показника сухості х = 1, 0. Якщо з‘єднати точки, що характеризують стан сухої пари при різних Т_Н і Р_Н, то одержимо лінію, яку називають кривою сухої пари – АВ.

Отримати суху пару за наявності рідини неможливо. Кривизна АВ залежить від теплоємності робочого тіла;

– стан перегрітої пари одержують, якщо її температура Т > Т_н більша за температуру насичення при сталому тиску. Отримати перегріту пару можна при підведенні до сухої насиченої пари теплоти або при зменшенні тиску пари в ізотермічних умовах (точки П і П₁ на рис.3).

Перегріта пара робочого тіла є ненасиченою і за своїми властивостями до газів тим ближча, чим більша температура перегріву.

Таким чином, параметри РТ у різних фазових станах можна представити графіком у різних координатах. Як правило, для цього використовують осі P – υ, T – S, i – S. Такі діаграми застосовуються у практичних розрахунках для визначення основних характеристик процесів зміни стану робочих тіл і їх параметрів. Наявність на діаграмі ентальпії “і” та ентропії “S” дає можливість виконувати за допомогою діаграм теплові розрахунки (див. рис.4).

Нижня гранична крива КА (лінія кипіння), х = 0, розділяє стан рідини і вологої пари. Верхня гранична крива КВ, х = 1, є границею між вологою й перегрітою парою. Процес пароутворення зображується у вигляді ізобари з певним тиском, що починається в області рідини т.Р, проходить стан киплячої рідини т.КР (насичення), область вологої пари по Р = const, Т = const до лінії сухої насиченої пари при х = 1 (т. Н) і далі, по Р = const переходить в область перегрітої пари, де закінчується в точці П перетином з ізотермою перегрітої пари. Процес ізобарного охолодження перегрітої пари і конденсації насиченої пари ілюструється цією ж лінією, але у зворотному напрямку.

Процес пароутворення і конденсації може бути здійснений і ізотермічно. Так, якщо перегріту насичену пару, стан якої відповідає т. П1 на діаграмі P – V або T – S, стискувати при Т = const, то при деякому тиску Р_н в точці Н пара стає насиченою сухою (х = 1). Відповідний цьому стану тиск називається пружністю насиченої пари, Р_н. При подальшому ізотермічному стискуванні пара починає переходити в стан вологої пари, а потім в рідку фазу точка Р₁. Показник її сухості зменшується, а тиск у стані вологої пари при цьому не змінюється, Р = const. Це пояснюється переходом пари у рідкий стан і зменшенням об‘єму. Зі збільшенням температури робочого тіла величина пружності насиченої пари зростає. Для однофазних газів Р_н = f (t). Кожній величині тиску відповідає певна температура кипіння рідкої фази РТ.

Для суміші компонентів характерним є збільшення пружності насичення компонентів пари при Т = const із підвищенням загального тиску газу. В точці КР уся пара перетворюється в рідину, х = 0. При подальшому стискуванні

рідини її об‘єм дуже мало змінюється.

На рис. 4 показані основні ізолінії, що нанесені на діаграмах T – S та i – S. Вони дають можливість виконати побудови й зробити розрахунки основних термодинамічних процесів, що лежать в основі реальних технічних процесів зміни стану РТ.

Рис. 4. T – S та i – S - діаграма робочих тіл

Кількість теплоти, що витрачається на ізобарне перетворення 1 кг рідкої фази робочого тіла при температурі кипіння (насичення) в суху насичену пару, називається прихованою теплотою пароутворення і позначається літерою “r”. Теплота пароутворення залежить від температури й тиску РТ і визначається згідно з діаграмами T – S та i– S як різниця ентальпії сухої насиченої пари – і_н та киплячої рідини - і_кр

r = i_н – i_кр, кДж/кг.

При здійсненні зворотного процесу (конденсації) така ж кількість теплоти виділяється і називається теплотою конденсації пари.

Кількість теплоти, необхідна для перегрівання 1 кг сухої насиченої пари в ізобарному процесі до температури t_п, визначається залежністю

q_п = C_pm× (t_п - t_н), кДж/кг,

де C_pm – середня теплоємність перегрітої пари робочого тіла, кДж/кг гр;

t_н – температура пари в стані насичення, ⁰С.