Фрагмент

Вопрос 1.

Рассматривая влажный пар как механическую смесь сухого насыщенного пара и жидкости той же температуры, т. е. температуры насыщения, его объем можно представить как сумму объемов указанных компонентов. Непосредственно отсюда вытекает формула для определения удельного объема влажного пара
, где х– степень сухости пара.

Здесь первое слагаемое представляет собой объем жидкости, содержащейся в 1 кг влажного пара, а второе – объем содержащегося в нем сухого насыщенного пара.

Для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при

p = const ему необходимо сообщить определенное и различное для разных давлений количество тепла, называемое теплотой парообразования. Эта величина обозначается буквой r и, как легко видеть, может быть определена по формуле .

Часть теплоты парообразования расходуется на увеличение внутренней энергии, связанное с совершением работы против сил взаимного притяжения молекул. Она называется внутренней теплотой парообразования и обозначается буквой ρ.

Остальная часть теплоты парообразования расходуется на работу расширения, не связанную с наличием сил молекулярного взаимодействия и равную  . Она называется внешней теплотой парообразования. Таким образом, получаем .

Внутренняя теплота парообразования всегда значительно больше внешней. Например, для воды при нормальном давлении по табличным данным из полной теплоты парообразования на долю внутренней приходится около 93%, а на долю внешней – только около 7 %.

Связь между теплотой парообразования и давлением может быть установлена следующим образом.

Рассмотрим элементарный цикл Карно a-b-c-d, в котором на участке a-b давление рни температура Тн постоянны, а на участках b-c и d-a они изменяются соответственно на dpнdTн. Точка а лежит на нижней пограничной кривой, а точка b – на верхней, поэтому тепло, подводимое на участке a-b, равно теплоте парообразования при давлении рн, т.е. q1= r, работа же данного цикла  .

Таким образом, для термического к.п.д. рассматриваемого цикла можно написать выражения

Приравнивая правые части этих выражений, находим

С повышением температуры плотность пара будет возрастать, а с понижением температуры часть пара превратится в воду (сконденсируется), и оставшийся пар будет иметь плотность, соответствующую новой температуре.

Свойство насыщенного пара — с понижением температуры превращаться в воду, т. е. конденсироваться, является его большим недостатком. Соприкасаясь, например, с холодными стенками цилиндров, конденсируется и в цилиндрах скопляется вода. Конденсация вызывает большие потери тепла при протекании пара в паропроводах и цилиндрах, а скопление воды может повлечь повреждения деталей машины.

Если насыщенный пар, полученный в котле паровоза, продолжать нагревать в отдельном объеме, не имеющем воды, то получится перегретый пар. При этом сначала испарится влага, содержащаяся в паре, а затем начнется повышение температуры и увеличение удельного его объема. Перегретый пар обладает следующими основными свойствами и преимуществами:

а) при одинаковом давлении с насыщенным паром имеет значительно большую температуру и теплосодержание;

б) имеет больший удельный объем в сравнении с насыщенным паром, т. е. объем 1 кг перегретого пара при том же давлении больше объема 1 кг насыщенного пара. Поэтому при тех же размерах цилиндров машины для получения необходимой мощности потребуется перегретого пара по массе меньше, что дает экономию в расходе воды и топлива;

в) перегретый пар при охлаждении не конденсируется, в связи с чем уменьшается теплообмен со стенками цилиндров; конденсация наступает лишь тогда, когда температура перегретого пара упадет до температуры насыщенного пара при данном давлении.

Чем выше температура перегрева пара, тем экономичнее работает паровоз. Считают, что повышение температуры перегрева пара на 10° С дает примерно 1% экономии топлива. На современных паровозах температура перегрева пара колеблется в пределах 360-450° С.

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется паросодержанием или степенью сухости и обозначается буковой «х». Значение «х» обычно дают в сотых долях. Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды. При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Один килограмм воды при своем испарении дает один килограмм пара; объем получающегося пара зависит от его давления, а следовательно, и от температуры. В противоположность воде, которая по сравнению с газами почти несжимаема, пар может сжиматься и расширяться в очень широких пределах.

Удельный объем, то есть объем 1 кг пара, при давлении 1 ата для сухого насыщенного пара равен 1,425 м3, то есть в 1725 раз больше объема 1 килограмма воды. При повышении давления удельный объем пара уменьшается, та как пар как упругое тело сжимается; так, при давлении 5 ата объем 1 кг сухого насыщенного пара уже равен только 0,3816 м3.

Энтальпия пара(теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 00 С, если нагрев происходит при постоянном давлении.

Понятно, что при одной и той же температуре энтальпии пара значительно больше, чем энтальпия воды. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 1000 С, нужно затратить приблизительно 100 ккал тепла, так как теплоемкость воды равна приблизительно единице. Для того же, чтобы превратить эту воду в сухой насыщенный пар, нужно сообщить воде добавочно значительное количество теплоты, которое расходуется на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами воды при переходе ее из жидкого состояния в парообразное и на совершение внешней работы расширения пара от начального объема v/ (объем воды) до объема v// (объема пара).

Это добавочное количество теплоты называется теплота парообразования.

Следовательно, энтальпия сухого насыщенного пара будет определяться так:

i//=i/+r, ккал/кг,

где i// — полная теплота (энтальпия пара); i/ — энтальпия воды при температуре кипения; r – теплота парообразования.

Преимущества насыщенного водяного пара:

— высокий коэффициент теплоотдачи a от пара к стенке;

— большое количество теплоты, выделяющейся при конденсации пара;

— равномерность обогрева (Tконд = const);

— возможность регулирования температуры путем изменения давления;

— возможность передачи на большие расстояния.

Недостатки насыщенного водяного пара:

— увеличение давления с увеличением температуры (основное).

— постепенное увеличение в системе содержания неконденсированных газов (N2, O2, CO2, и т.д.).

При нагревании насыщенным водяным паром различают острый и глухой пар.

Острый пар – пар, конденсирующийся непосредственно в нагреваемой среде, глухой пар – пар, отдающий свою теплоту через разделяющую твердую стенку.