Термодинамические свойства и процессы воды и водяного пара

Водяной пар является реальным газом. В зависимости от состояния он может быть сухим насыщенным, влажным и перегретым.

Насыщенный пар находится в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Температура и давление пара в состоянии насыщения называются параметрами насыщения (или кипения).

Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара однозначно определяется одним параметром – давлением или температурой насыщения. Остальные параметры сухого насыщенного пара (удельный объем , энтальпия , энтропия ) находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Влажный пар – это равновесная смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой , а также степенью сухости x. Степень сухости пара x – это массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т. е. . Очевидно, что значение x = 0 соответствует воде в состоянии кипения, а x = 1 – сухому насыщенному пару. Параметры влажного пара вычисляются по формулам

(8.1)

где – параметры кипящей жидкости при давлении влажного пара

Перегретый пар – пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении. Для характеристики перегретого пара необходимо знать два его параметра – давление и температуру, давление и объем и т. д. Остальные параметры и функции находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Внутренняя энергии пара в любом состоянии рассчитывается исходя из определения энтальпии . Откуда

. (8.2)

На рис. 8.1 представлены p–v и T–s диаграммы для водяного пара. Здесь показаны области различных состояний воды и водяного пара. На левой ветви пограничной кривой (нижней пограничной кривой) находятся точки, соответствующие началу кипения воды, на правой ветви (верхней пограничной кривой) – сухому насыщенному пару. Обе пограничные кривые сходятся в критической точке К, здесь исчезают различия в свойствах жидкости и пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара. Для воды параметры критического состояния следующие:

.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянном давлении, называют удельной теплотой парообразования r. Удельная теплота парообразования находится как

. (8.3)

Рис. 8.1. p–v и T–s диаграммы для водяного пара

Для практических расчетов и определения параметров воды и водяного пара используют два вида таблиц термодинамических свойств: «Состояние насыщения» (например, по температурам) (прил. 2, табл. П.2.1), где приводятся свойства кипящей жидкости и сухого насыщенного пара и «Свойства воды и перегретого пара» (прил. 2, табл. П.2.2).

Кроме этого, широко используется h–s диаграмма (рис. 8.2). Изобары в области влажного пара являются расходящимися прямыми линиями, затем, пересекая верхнюю пограничную кривую, изобары без излома отклоняются вверх. Изохоры (показаны штриховыми линиями) имеют такой же вид, как и изобары, но являются более крутыми. Изотермы в области влажного пара совпадают с изобарами, а в области перегретого пара отклоняются с изломом вправо, выходя на горизонталь при удалении от верхней пограничной кривой.

Затененная часть диаграммы редко используется при расчете циклов паросиловых установок, поэтому для удобства пользования ее отбрасывают, что существенно уменьшает размеры диаграммы.

Рис. 8.2. h–s диаграмма для водяного пара

Изображение основных термодинамических процессов в p–v и T–s диаграммах представлено на рис. 8.3 и 8.4, а формулы для расчета теплоты q, работы l, внешней полезной работы , а также изменения внутренней энергии – в табл. 8.1.

Рис. 8.3. Изохорный и изобарный процессы водяного пара

Рис. 8.4. Изотермический и адиабатный процессы водяного пара

Таблица 8.1

Термодинамические процессы водяного пара

Процесс	v = const	p = const	T = const	s = const
q		h 2 – h 1	T (s 2 – s 1)
l		p (v 2 – v 1)	q – Δ u
l'	v (p 1 –p 2)		q – Δ h

Задачи

8.1. Вода, находящаяся при давлении 15 бар, нагрета до 190 ^оС. Началось ли кипение воды?