Реальные газы и пары

Об особенностях реальных газов по сравнению с идеальными, об уравнении состояния и сложности его использования для инженерных расчетов упоминалось в гл. 1.

Настоящая глава посвящена водяному пару, который широко применяется во многих технологических процессах и, прежде всего, в теплоэнергетике, где он является основным рабочим телом.

5.1. Фазовая p - v-T- диаграмма воды и водяного пара

Рассматривается процесс получения пара из воды, залитой в цилиндр (рис. 5.1).

S, м²

Обозначения: 1 -линия парообразования; 2 - линия кипящей жидкости (нижняя пограничная кривая); 3 - линия сухого насыщенного пара (верхняя пограничная кривая); А - тройная точка; К - критическая точка;
Ж – жидкость; П - сухой насыщенный пар; ПП - перегретый пар;
T_s - температура насыщения (температура кипения)

Начальное состояние воды в цилиндре характеризуется давлением p₁ = F / S, Н/м², температурой T₁ (точка 1 на диаграммах p - v и p - T). При подводе тепла Q вода сначала нагревается до температуры кипения (T_s) при p₁ = const, затем в процессе кипения при T_s = const и p₁ = const преобразуется в пар, который при дальнейшем подводе тепла нагревается до температуры T > T_s.

Обозначения на диаграммах:

1- состояние воды, недогретой до температуры кипения; b ¢ (B)-кипящая вода (T = T_s, p = p₁);

b’' (B) - сухой насыщенный пар (T = T_s, p = p₁).

Сухой насыщенный пар имеет температуру, равную температуре насыщения (T_s) при данном давлении.

Мокрый пар - точки b (B) на диаграммах - это смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Перегретый пар - точки d (D) на диаграммах - имеет температуру выше, чем температура насыщения при данном давлении (T > T_s).

Процесс парообразования (b ¢ - b¢ ¢ в p - v- диаграмме) - является изобарно-изотермическим процессом (p₁ = const и T_s = const), в котором кипящая вода преобразуется в сухой насыщенный пар (испарение).

Обратный процесс-переход пара в кипящую жидкость называется конденсацией, также является изобарно-изотермическим процессом.

В этих процессах давление и температура взаимосвязаны (T_s = f(p),
p_s = f(T)), данная связь на p – T- диаграмме представлена линией парообразования 1, согласно которой с возрастанием давления (p) температура насыщения (T_s) увеличивается.

Таким образом, состояния недогретой до температуры кипения воды и перегретого пара характеризуются двумя независимыми термическими параметрами, например, p и T; состояния кипящей воды, мокрого пара, сухого насыщенного пара - одним термическим параметром p или T.

Тройная точка (состояние А) - это одновременное существование твердой, жидкой и паровой фаз. Параметры тройной точки для воды:
p_A = 611 Па, t_A = 0, 01 ⁰С, v_A = 0, 001 м³/кг.

Критическая точка (состояние К) - это одновременное существование жидкой и паровой фаз. Для воды параметры критической точки: p_kp = 221, 15 бар, t_kp = 374, 12 ⁰С, v_kp = 0, 003147 м³/кг.

Итак, вода и водяной пар могут находиться в пяти состояниях:

1. Недогретая до температуры кипения вода (область I, рис. 5.2). Параметры обозначаются следующим образом: p, T, v, h, u, s.

2. Кипящая вода (нижняя пограничная кривая 2). Параметры обозначаются так: p, T_s, v¢, h¢, u¢, s¢ или так: T, p_s, v¢, h¢, u¢, s. ¢

3. Мокрый пар (область II). Параметры обозначаются таким образом: p, T_s, v, h, u, s или p_s T, v, h, u, s.

4. Сухой насыщенный пар (верхняя пограничная кривая 3). Параметры обозначаются следующим образом: p, T_s, v¢ ¢, h¢ ¢, u¢ ¢, s¢ ¢ или T, p_s, v¢ ¢, h¢ ¢, u¢ ¢, s¢ ¢.

5. Перегретый пар (область III). Параметры обозначаются так:

p, T, v, h, u, s.

Выше критической точки (К) находится область однофазных состояний, в которой нельзя провести четкой границы между жидкостью и паром.