Процес на изпаряване в pv-координати
Тема 6. ВОДНА ПАРА
Основни понятия и определения
Известно е, че всяко вещество, в зависимост от външните условия (налягане и температура), може да бъде в газообразно, течно и твърдо състояние на агрегация или фази, както и едновременно в две или три състояния.
Преходът на вещество от едно състояние на агрегиране в друго се наричафазов преходилифазова трансформация. Едно вещество в различни агрегатни състояния има различни свойства, по-специално плътност. Тази разлика се обяснява с характера на междумолекулното взаимодействие.
Преминаването на веществото от твърдо в течно състояние се наричатопене, от течно в газообразно -изпарение, от твърдо в газообразно -сублимация. Обратните процеси се наричат съответновтвърдяванеиликристализация,кондензацияидесублимация.
Процесът на получаване на пара от течност може да се извърши чрез изпаряване и кипене.Изпарениесе нарича изпаряване, което се случва само от свободната повърхност на течността и при всяка температура.
Кипенетосе нарича бързо изпаряване в цялата маса на течността, което се случва, когато течността предаде определено количество топлина през стената на съда. В този случай парните мехурчета, образувани по стените на съда и вътре в течността, увеличавайки обема си, се издигат до повърхността на течността.
Процесът на изпаряване започва, когато течността достигне точката на кипене, която се наричатемпература на насищане tни остава непроменена през целия процес. Точката на кипене, или температурата на насищане,tнзависи от природата на веществото и налягането, като с увеличаване на наляганетоtннараства. налягане,съответнотоtнсе наричаналягане на насищане рр.
Наситената парасе отнася до пара, която се образува по време на процеса на кипене и е в динамично равновесие с течността. Наситената пара в своето състояние е суха наситена и мокра наситена.
Сухата наситенапара е пара, която не съдържа течни капчици и има температура на насищане (t=tn) при дадено налягане.
Мокра наситена парае равновесна смес, състояща се от течни капчици при точката на кипене и суха наситена пара.
Съотношението на масата на сухата наситена параmw.p.към масата на мократа наситена параmw.p.се наричастепен на сухота xна мократа пара, т.е.
Очевидно за течностх=0, за суха наситена парах=1.
Ако продължи да се подава топлина към сухата наситена пара, нейната температура ще се повиши. Пара, чиято температура при дадено налягане е по-висока от температурата на насищане (t>tн), се наричапрегрята. С други думи,прегрята парае пара, която е при температура, надвишаваща точката на кипене на течността при налягане, равно на налягането на прегрятата пара. Размерът на превишението на температурата на парата над точката на кипене на течността се нарича степен на прегряване на парата.
Водната пара е реална работна течност и може да бъде в три състояния: мокро насищане, сухо насищане и прегрято състояние. За технически нужди водната пара се получава в парни котли (парогенератори), където специално се поддържа постоянно налягане.
Диаграма на парогенератора
Котелната инсталация (парогенератор) се използва за производство на пара в широк диапазон от параметри исе състои от котелен агрегат и спомагателно оборудване, свързани по единна технологична схема. Спомагателното оборудване включва устройства за подаване на гориво, димоотводи, пепелни колектори, паропроводи, водопроводи и др.
Схемата на котелния агрегат е показана на фиг. 6.1.
U-образният котелен агрегат се състои от повдигащи 1 и спускащи газопроводи. Повдигащият димоотвод 2 е пещ за изгаряне на гориво, по стените на която са монтирани изпарителни нагревателни повърхности 3 под формата на плоски тръбни панели, наречени екрани.
В хоризонталната част на димоотвода е разположен прегревател 7, който загрява парата до предварително определена температура.
 |
| Ориз. 6.1. Схема на котелното устройство |
Изпарителните повърхности 3 комуникират с барабана на котела 8 и заедно с изходящите тръби 9, свързващи барабана с долните колектори 10 на екраните, образуват циркулационни кръгове. Паровата смес в барабана се разделя на наситена пара и вода, парата се изпраща към прегревателя и водата се връща в циркулационните кръгове. Циркулацията на водата и сместа пара-вода във веригите се дължи на разликата в плътностите на водния стълб в изходящите тръби и сместа пара-вода в повдигащите тръби - екрани (естествена циркулация).
Процесът на изпаряване в pv-координати
За начална температура на водата при всяко налягане се приема температуратаt=0°С. Така линия I на фиг. 6.2 съответства на състоянията на така наречената студена течност при различни налягания, имаща температура0°С(изотерма на студена течност). Специфичният обем вода приt=0°Cсе приема за 0,001 m3/kg. Поради леката свиваемост на водата, линия I се оказва почти вертикална права линия. налявотази права линия е зоната на равновесно съвместно съществуване на вода и лед.
 |
| Ориз. 6.2 Графика на процеса на изпаряване вpv-координати |
Референтната точкаu, iиsза вода се счита за тройна точкаTT(p0=611 Pa, t0=0.01 0 C, v0=0.00100 m 3 /kg).
Пренебрегвайки влиянието на налягането върху промяната в обема на водата, за всички състояния на линиятаIv0=0.00100 m 3 /kg,u0=0,i0=0 иs0=0.
Крайното състояние на водата в етапа на нагряване (точкаb) се определя от достигането при дадено налягане на точката на кипене, която зависи от налягането. От диаграматаpvследва, че с увеличаване на налягането точката на кипене се повишава. Тази зависимост се установява емпирично.
Състоянията на кипяща вода за различни налягания ще съответстват на линиятаII, която се нарича крива на долната граница. Изобразява зависимостта на специфичните обеми вряща вода от налягането. На долната гранична крива степента на сухотаx= 0.
Параметрите на кипящата вода са дадени в таблиците в зависимост от тяхното налягане или температура. Количеството топлина, необходимо за завиране на водата, е:
По-нататъшното подаване на топлина към врящата вода, което се извършва в изпарителната верига на парогенератора, е придружено от бързо изпаряване вътре в течността и прехода на част от водата в пара. Така участъкътb—сще съответства на равновесното състояние на сместа от течност и пара (влажна наситена пара). Във всяка точка от този процес водата ще се характеризира с масовата част на сухата наситена пара, съдържаща се в нея (степен на сухотаx).
Крайно състояние на този етапхарактеризиращ се с пълното превръщане на течността в пара, която ще има температура, равна на температурата на насищане (tc=tн) при дадено налягане. Такава пара, както вече беше споменато, се нарича суха наситена пара.
Процесът на изпарениеb—се както изобарен (p=p1=const), така и изотермичен (T=T1=const). В този случай изразходваната топлина не се изразходва за повишаване на температурата, а само за преодоляване на силите на привличане между молекулите и за работата на разширяването на парата.
Като се има предвид, че има недвусмислена връзка между температурата на насищанеtnи наляганетор, състоянието на сухата наситена пара ще се определя само от един параметър - налягане или температура.
Състоянията на сухата наситена пара при различни налягания ще съответстват на линиятаIII, която се нарича горна гранична крива. Съвсем очевидно е, че на горната гранична крива във всяка точка степента на сухота еx=1.
Трябва да се отбележи, че в процеса на изпаряване специфичният обем на водата рязко се увеличава. И така, за вода приp= 0,1 MPa, специфичният обем на кипяща водаv=0,001043 m 3 /kg, докато специфичният обем на сухата наситена пара е 1,696 m 3 /kg. С увеличаване на налягането тази разлика намалява и в критичната точкаKспецифичните обеми вода и пара са равни на 0,00326 m 3 /kg. В този случайtcr=374.150 С, иpcr=221.29 bar. При високи критични налягания и температури процесът на изпаряване отсъства. Има преход на вода в пара в пресечната точка наTcrизобара.
Парни маси
За идеалните газове връзката между параметритеp, vиTсе установява от уравнението на състояниетоp·v=R·T.
Освен това два от тези параметриеднозначно определят третото. Прегрятите и наситените пари се различават значително по свойствата си от идеалните газове. Следователно връзката между параметритеp, vиTна прегрятите и наситените пари е много по-сложна от уравнението на състоянието за идеален газ.
За наситените пари налягането е функция на температурата (p=f(T)). По този начин за наситените пари две променливиpиTне определят състоянието. Освен това, специфичният обемvxсе определя от степента на сухота на паратаx. Специфичният обемvxе функция на параметритеpиxилиTиx. Обемитеvbиvcса функции на температурата или налягането (фиг. 6.2). Следователно, за да се определи състоянието на наситената пара, е необходимо да се установят зависимости от видаp=f(T), vb=j(p), vc=f(p).
Понастоящем са известни множество уравнения на състоянието на прегрята водна пара. Тези уравнения свързват основните параметриp, vиT.
Едно от най-точните уравнения на състоянието на водната пара е уравнението на Вукалович–Новиков. Но такива уравнения, включително уравненията на М. П. Вукалович и И. И. Новиков, имат много сложна форма и изчисленията по тях отнемат изключително време. Ето защо при практическите изчисления на параметрите на парите се използват специални таблици и диаграми, съставени въз основа на експериментални и теоретични данни. Те дават съответните стойностиp, T, vb, vc, ib, ic, r, sbиsc.
Понастоящем са съставени подробни таблици за прегрята и наситена водна пара до температури от 1000 ° C и налягане от 98 MPa. Таблиците са съставени с висока степен на точност. Има три вида таблици:
1) термодинамични свойства на водата и водатапара в състояние на насищане (по температура);
2) термодинамични свойства на водата и водната пара в състояние на насищане (чрез налягане);
3) термодинамични свойства на вода и прегрята пара.
Първата таблица показва температурите на сухата наситена пара и кипящата вода (в Целзий и Келвин) и съответното им налягане, енталпии, ентропии, топлина на изпарение и специфични обеми.
Втората таблица показва налягането на суха наситена пара и вряща вода и съответните им температура, енталпии, ентропии, топлина на изпарение и специфични обеми.
В третата таблица за различни комбинации от температури и налягания са дадени съответните енталпия, ентропия и специфичен обем вода или прегрята пара.