Степень сухости пара
Глава 2.2 Что такое пар? Часть 2. Инженерия применяет разнообразные единицы измерений механических и тепловых свойств веществ.
Пар, имеющий температуру насыщения при данном давлении, называют сухим насыщенным паром. Получение абсолютно сухого пара в промышленном котле практически невозможно, пар обычно содержит влагу.
На практике испаряющиеся пузырьки вызывают турбулентность, формируя смесь пара и влаги при выходе из котла.
Если 5% массы пара составляет вода, говорят, что пар сухой на 95% и имеет степень сухости 0,95.
Пар, произведённый в жаротрубном котле (см. Раздел 3), в котором тепло передаётся только воде и в котором пар все время соприкасается с поверхностью воды, обычно содержит около 5% массовой доли воды.
Фактическая энтальпия испарения влажного пара представляет собой произведение степени сухости () и удельной энтальпии (hfg), значение которой взято из таблиц водяного
пара. Влажный пар обладает более низкой полезной тепловой энергией, чем сухой насыщенный пар.
Следовательно:
Поскольку удельный объём воды на несколько порядков величины ниже, чем удельный объём пара, содержащиеся во влажном паре капельки воды занимают лишь незначительное пространство.
Поэтому удельный объём влажного пара будет меньше, чем удельный объём насыщенного пара:
Где vg – удельный объём сухого насыщенного пара.
Пример. 2.2.2
Пар при давлении 6 бари имеет степень сухости 0,94 и обладает энтальпией, равной 94% энтальпии испарения сухого насыщенного пара при давлении 6 бари.
В приведённых ниже вычислениях используются значения, взятые из таблиц водяного пара.
Фактическая полная энтальпия = 697,5 кДж/кг + (2066,0 кДж/кг х 0,94)= 2639,5 кДж/кг
Фактический удельный объём = 0,272 м3/кг х 0,94=0,256м3/кг
Диаграмма состояния пара
Данные, приведённые в таблицах водяного пара, можно также выразить в графической форме. На Рисунке 2.2.3 показано соотношение между энтальпией и температурой различных состояний воды и пара. Эту диаграмму называют диаграммой состояния.
Когда вода нагревается с 0ºС до температуры насыщения, ее состояние меняется вдоль линии насыщенной воды до тех пор, пока не приобретает соответствующую полную энтальпию жидкости hf (A – B).
Если продолжать нагрев, вода меняет состояние и превращается в пароводяную смесь. Ее энтальпия продолжает увеличиваться, а температура остаётся на уровне температуры насыщения – hfg (В – С).
По мере увеличения степени сухости пароводяной смеси эта смесь меняет состояние, двигаясь от линии насыщенной жидкости к линии насыщенного пара. Поэтому в точке, расположенной точно посередине между этими двумя состояниями степень сухости () будет равна 0,5. Зато на линии насыщенного пара пар будет сухим на 100%.
Приобретя полную энтальпию испарения, смесь достигает линии насыщенного пара. Если после этого продолжить нагрев, давление будет оставаться постоянным, а температура пара
начнёт повышаться. Происходит перегрев (C – D).
Насыщенная вода и пар ограничивают область существования влажного пара. В области слева от линии насыщенной воды находится только вода, справа — только перегретый пар.
Точка, в которой сходятся линии насыщенной воды и перегретого пара, называется критической точкой. По мере повышения давления и приближения его к критической точке
энтальпия испарения уменьшается до тех пор, пока в критической точке не станет равной нулю. Это означает, что в критической точке вода превращается сразу в насыщенный пар.
Газообразное состояние вещества
В области над критической точкой пар можно считать газом. Газообразное состояние: молекулы свободны, объем неограничен, давление обратно пропорционально объему.
Критической точке соответствует самая высокая температура, при которой еще может существовать вода. Любое сжатие при постоянной температуре выше температуры критической точки не будет приводить к изменению состояния.
Сжатие при постоянной температуре ниже температуры критической точки будет приводить к превращению пара в жидкость. (на диаграмме это соответствует переходу из области перегретого пара в область влажного пара).
В критической точке для пара температура составляет 374,15ºС, а давление – 221,2 бара. При более высоком давлении пар называют паром сверхкритического давления. В этой области нет точно определённой точки кипения.
Пар вторичного вскипания
Пар вторичного вскипания — пар, выделяемый конденсатными баками и конденсатоотводчиками.
Каким же образом из воды образуется пар без добавления тепла?
Вторичное вскипание возникает при резком падении давления сверхнагретой воды. Наоборот, если температура воды, находящейся при высоком давлении, ниже, чем температура насыщения, пар вторичного вскипания образоваться не может. Когда конденсат проходит через конденсатоотводчик, температура на входе, как правило, достаточно высока, чтобы мог образоваться пар вторичного вскипания. См. рисунок 2.2.4.
Пример
Рассмотрим один килограмм конденсата при давлении 5 бари и температуре насыщения 159ºС. При проходе через конденсатоотводчик давление этого падает до 0 бари. Количество энергии в одном килограмме конденсата при температуре насыщения и давлении 5 бари равно 671 кДж.
В соответствии с первым законом термодинамики, количество содержащейся в среде энергии после конденсатоотводчика, где давление мало, равно количеству энергии до конденсатоотводчика, где давление велико. Это обусловлено принципом сохранения энергии.
Следовательно, тепло, содержащееся в одном килограмме жидкости, находящейся при низким давлени- ем, также равно 671 кДж. Однако вода при давлении 0 бари может содержать только 419 кДж. Таким образом, появляется дисбаланс: тепла на стороне низкого давления на (671 – 419) = 251 кДж больше. Эту энергию можно рассматривать как излишек тепла в воде.
Этот излишек тепла и приводит к вскипанию части конденсата, в результате чего образуется так называемый пар вторичного вскипания, а сам процесс такого кипения называется вторичным вскипанием. Таким образом, один килограмм конденсата, представлявший собой один килограмм жидкости (воды) до конденсатоотводчика, за конденсатоотводчиком при низком давлении состоит частично из воды, а частично – из пара. Количество пара вторичного вскипания, производимого при конечном давлении (Р2) можно определить при помощи уравнения 2.2.5:
Где:
Р1 = Начальное давление Р2 = Конечное давление
hf = Энтальпия жидкости (кДж/кг)
hfg = Энтальпия испарения (кДж/кг)
Пример 2.2.3 Случай, в котором температура конденсата, находящегося при высоком давлении, выше, чем температура насыщения при низком давлении.
Рассмотрим воду при давлении 5 бари, содержащую при температуре насыщения 159ºС 671 кДж/кг тепловой энергии. Если давление уменьшить до атмосферного (0 бари), вода сможет существовать только при температуре 100ºС и содержать только 419 кДж/кг тепловой энергии. Эта разница (671
– 419) = 252 кДж/кг тепловой энергии при атмосферном давлении приведёт к образованию пара вторичного вскипания.
Таким образом:
Количество пара вторичного вскипания = (671 – 419)/2257
Всего пара вторичного вскипания=0,112 кг пара/кг воды(или 11,2%)
Пропорциональную часть образовавшегося пара вторичного вскипания можно рассматривать как соотношение между избыточной энергией и энтальпией испарения при конечном давлении.
Пример 2.2.4 Случай, в котором температура конденсата, находящегося при высоком давлении, ниже, чем температура насыщения при низком давлении.
Рассмотрим ту же ситуацию, что мы рассматривали в Примере 2.2.3, но с одним исключением: тем- пература конденсата, находящегося при высоком давлении, составляет 90ºС, то есть, она ниже, чем температура насыщения при атмосферном давлении (100ºС). Примечание: такое сильное уменьшение температуры конденсата по сравнению с температурой насыщения на практике применять не рекомендуется (в данном случае – со 159ºС до 90ºС). Этот пример просто должен показать, что в таком случае пар вторичного вскипания не образуется.
В данном случае из таблиц состояния воды видно, что энтальпия жидкости (одного килограмма конденсата) при давлении 5 бари и температуре 90ºС составляет 377 кДж. Поскольку это значение меньше, чем энтальпия одного килограмма насыщенной воды при атмосферном давлении (419 кДж), излишка тепла не наблюдается, а значит, пар вторичного вскипания не образуется. Конденсат просто протекает через конденсатоотводчик, оставаясь в жидком состоянии при той же температуре, но более низком давлении (в данном случае – при атмосферном давлении). См. рисунок 2.2.5.
Давление пара в воде при температуре 90ºС составляет 0,7 бара. В случае если низкое давление конденсата будет меньше этого значения, образуется пар вторичного вскипания.
Принципы сохранения энергии массы между двумя состояниями
Принципы сохранения энергии и массы позволяют рассмотреть явление вторичного вскипания с другой стороны.
Рассмотрим условия, приведённые в Примере 2.2.3.
1 кг конденсата при давлении 5 бари и температуре 159ºС приводит при атмосферном давлении к образованию 0,112 кг пара вторичного вскипания. Это можно изобразить схематически (рисунок 2.2.5). Общая масса пара вторичного вскипания и конденсата по-прежнему составляет 1 кг.
Принцип сохранения энергии утверждает, что полная энергия в состоянии при низком давлении должна быть равна полной энергии в состоянии при высоком давлении. Поэтому количество тепла в паре вторичного вскипания и конденсате должно быть равно количеству тепла в первоначальном конденсате (671 кДж).
В таблицах водяного пара можно найти следующую информацию:
Полная энтальпия насыщенной воды при атмосферном давлении (hf) = 419 кДж/кг
Полная энтальпия насыщенного пара при атмосферном давлении (hg) = 2675 кДж/кг
Таким образом, в состоянии низкого давления (0 бари)
Полная энтальпия воды = 0,888 кг х 419 кДж/кг = 372 кДж (А) Полная энтальпия пара = 0,112 кг х 2675 кДж/кг = 299 кДж (В)
Полная энтальпия конденсата и пара при низком давлении = А + В = 671 кДж.
Таким образом, согласно таблицам водяного пара, энтальпия при низком давлении равна энтальпии при высоком давлении, что еще раз доказывает верность принципа сохранения энергии.
Читать материал далее: Глава 2.1 Технические единицы измерения – ООО “НОСТ-СОЛЮШЕНС”
Читать статьи на Яндекс.Дзен: Nost Solutions | Дзен