Влажный пар или сухой пар: о роли паросодержания
Знаете ли вы, что пар, генерируемый котлами, не является на 100% насыщенным (влажным)? Когда в паровом котле нагревается вода, сквозь её поверхность пробиваются пузырьки, содержащие в себе крошечные капли пара. И, если только не используется перегреватель, это приводит к тому, что подаваемый пар из добавленной жидкости становится частично влажным (влажный пар).
Коэффициент сухости пара
Коэффициент сухости пара используется для определения доли воды в паре. Если пар содержит 10% воды, он считается сухим на 90%, т.е. его коэффициент сухости равен 0.9.
Сухость пара важна ещё и потому, что непосредственно влияет на общее количество передаваемой энергии, содержащейся в паре (как правило, скрытой теплоты), которая в свою очередь определяет эффективность и качество подогрева.
Например, насыщенный пар (сухой на 100%) при данном давлении содержит 100% скрытой теплоты. В насыщенной воде с сухостью 0% нет скрытого тепла, а есть только контактное.
Сухость пара = 100% — [% удерживаемой воды] (по массе)
Рассчитать общее количество тепла влажного пара
Расчетные таблицы обычно содержат такие показатели, как энтальпия (h), удельный объем (ν), энтропия (s) и т.д. для насыщенного пара (сухого на 100%) и для насыщенной воды (с сухостью 0%), но не для влажного пара.
Расчеты производятся просто на основе соотношения пара к воде, как показано в приведенных ниже уравнениях:
Удельный объем (ν) влажного пара
ν = X • νg + (1 — X) • νf
- где:
- X ＝ сухость (% / 100)
- νf = удельный объем насыщенной воды
- νg = удельный объем насыщенного пара
Удельная энтальпия (h) влажного пара
h = hf + X • hfg
- где:
- X ＝ сухость (% / 100)
- hf = удельная энтальпия насыщенной воды
- hfg = удельная энтальпия насыщенного пара — удельная энтальпия насыщенной воды
Удельная энтропия (s) влажного пара
s = sf + X • sfg
- где:
- X ＝ сухость (% / 100)
- sf = удельная энтропия насыщенной воды
- sfg = удельная энтропия насыщенного пара — удельная энтропия насыщенной воды
Чем влажнее пар, тем меньше будут удельный объем, энтальпия и энтропия, т.к. процент сухости — это фактор 100% состояния. И поскольку паросодержание существенно влияет на все эти величины, для обеспечения большей тепловой эффективности важно подавать пар, сухость которого будет максимально приближаться к 100%.
Взаимосвязь между паросодержанием и энтальпией
С увеличением количества воды в паре латентное тепло снижается, а значит пар передает рабочему процессу нагревания или нагреваемому продукту всё меньше и меньше тепла.
Уменьшение паросодержания в процессе транспортировки
В процессе транспортировки потери лучистого нагрева из трубопровода заставляют пар расстаться с частью его латентного тепла и обратно превращают его в воду, тем самым уменьшая коэффициент содержания пара.
Капли воды, содержащиеся в паре
Следует принять соответствующие меры для сброса всего конденсата в трубопроводе, в т.ч. и капелек воды, попавших с потоком пара.
Поскольку влажный пар влияет не только на эффективность теплопередачи, но также может вызвать эрозию трубопровода и критического оборудования, такого как лопасти турбины, настоятельно рекомендуется принять соответствующие профилактические меры и использовать пароотделитель для удаления унесенного потоком конденсата, а также следовать советам следующих статей:
- Рекомендации по удалению конденсата из паропроводов
Полезно знать
Может ли коэффициент пара быть больше 100%? Хоть это и может показаться маловероятным, но на самом деле может. Когда сухость пара превышает 100%, его называют перегретым паром. Такой тип пара получают путем добавления тепла, превышающего порог насыщенного пара. Добавленное тепло поднимает температуру пара выше точки его насыщения, что позволяет легко определить перегрев, просто измерив температуру.
См. таблицу «Перегретый пар» от TLV
-
Основные параметры влажного насыщенного пара
Влажный
насыщенный пар – это двухфазная смесь,
представляющая собой пар со взвешенными
в нем капельками жидкости. Поэтому
значения удельного объема влажного
пара vx
находятся
между значениями v
и v
и зависят от давления и степени сухости
пара х:
,
или
(7.28)
Состояние
влажного насыщенного пара характеризуется
двумя параметрами: давлением (или
температурой насыщения при этом давлении)
и степенью сухости х.
Разность v
— v
выражает приращение объема пара в
процессе парообразования. При малых
давлениях удельный объем сухого
насыщенного пара во много раз больше
удельного объема воды. Например, при Р
= 0,1 МПа удельный объем сухого насыщенного
пара v
в 1630 раз больше удельного объема воды
при температуре кипения v,
а при Р
= 0,005 МПа – в 28000 раз. Поэтому при невысоких
давлениях (ниже в 3 МПа) и больших
степенях сухости (х
8), объемом воды (1-х)v
можно пренебречь, и тогда:
,
(7.29)
т.е.
удельный объем влажного насыщенного
пара приближенно равен произведению
удельного объема сухого пара того же
давления на степень сухости.
Плотность
влажного пара определяется по формуле:
(7.30)
Таким
образом, плотность влажного пара
приближенно равна отношению плотности
сухого пара к степени сухости.
Энтальпия
влажного пара определяется по правилу
аддитивности уравнением:
(7.31)
С
учетом (7.18) имеем:
(7.32)
Внутренняя
энергия влажного пара определяется по
уравнению:
(7.33)
С
учетом соотношения (7.30) уравнение (7.33)
преобразуется к виду:
(7.34)
С
другой стороны, для влажного пара, как
и для любого состояния вещества,
справедлива зависимость:
,
отсюда:
(7.35)
Энтропию
влажного пара можно определить по
правилу аддитивности:
(7.36)
или
(7.37)
В
выражении (7.37) первое слагаемое
характеризует приращение энтропии при
нагревании 1 кг воды до температуры
кипения, второе – приращение энтропии
при испарении х
кг жидкости.
Степень
сухости определяется по формуле:
(7.38)
Теплота
парообразования влажного пара определяется
следующими соотношениями:
(7.39)
Значения
u,
u,
i,
i,
v,
v,
r,
s,s
приводятся
в таблицах насыщенного пара.
-
Диаграмма sTдля водяного пара
При
вычислении удельной энтропии водяного
пара ее условно принимают равной
нулю (
=
0) в тройной точке для жидкой фазы (Т
= 273,16 К для воды). Следовательно, в системе
координат sT
(рис. 7.3) тройная точка находится на оси
температур при значении Т0
= 273,16 К
(0,01С).
Рис.
7.3. sT-диаграмма
водяного пара
Приращение
удельной энтропии жидкости при повышении
ее температуры вдоль пограничной кривой
от температуры ТА
= 273,16 К до температуры Ts
определяется по формуле:
следовательно,
в координатах sT
нижняя пограничная кривая изображается
логарифмической кривой, берущей свое
начало из точки с координатами s0
= 0; Т
= 273,16 К.
При
приближении к критическим параметрам
удельная теплоемкость начинает с ростом
температуры возрастать и при критической
температуре стремится к бесконечности.
В связи с этим нижняя пограничная кривая
начинает отклоняться от логарифмической
кривой (делается более пологой) и,
наконец, вблизи критической точки меняет
вогнутость.
Изобара
жидкости по характеру (и по месту
расположения) очень близка к нижней
пограничной кривой.
Площадь
численно
равна теплоте парообразования
.
В
изобарном, одновременно являющимся
изотермическим процессе парообразования
приращение удельной энтропии находят
по формуле:
и
удельную энтропию сухого насыщенного
пара – по формуле:
Откладывая
от нижней пограничной кривой горизонтальные
отрезки, равные
,
получаем ряд точек, принадлежащих
верхней пограничной кривой. Следовательно,
очертание верхней пограничной кривой
зависит, , от удельной теплоты
парообразованияr,
от температуры насыщения Ts
и от формы
нижней пограничной кривой.
Изменение
удельной энтропии в равновесном изобарном
процессе перегрева пара:
,
следовательно,
изобара перегрева пара изображается
логарифмической кривой.
Площадь
численно
равна теплоте перегрева
.
-
si-диаграмма
водяного пара
Для
изучения и расчетов различных
термодинамических процессов удобно
пользоваться si-диаграммой
(рис. 7.4).
Рис.
7.4. si-диаграмма
водяного пара
В
системе координат si
наносят
пограничные кривые, изобары и изотермы
(иногда и изохоры). За начало координат
принимают состояние воды в тройной
точке, где s0
= 0, i0
= 0. Состояние воды изображается точками
на соответствующих изобарах, которые
практически сливаются с пограничной
кривой жидкости. Линии изобар в области
влажного пара являются прямыми наклонными
линиями, расходящимися веером от
пограничной кривой сухого пара.
Угловой
коэффициент наклона изобары к оси
абсцисс численно равен абсолютной
температуре данного состояния, т.к. в
области влажного пара изобара совпадает
с изотермой, то, согласно последнему
уравнению, изобары влажного пара являются
прямыми линиями:
di
= Tds,
а
это и есть уравнение прямой линии.
В
области перегретого пара изобары имеют
кривизну с выпуклостью вниз.
В
области влажного пара наносится сетка
линий постоянной сухости пара (x
= const),
которые сходятся в критической точке
К.
Изотермы
в области влажного пара совпадают с
изобарами. В области перегретого пара
они расходятся: изобары поднимаются
вверх, а изотермы представляют собой
кривые линии, обращенные выпуклостью
вверх. При низких давлениях изотермы
близки к горизонтальным прямым. С
повышением давления кривизна изотермы
увеличивается.
На
диаграмму наносится сетка изохор,
которые имеют вид кривых, поднимающихся
более круто вверх по сравнению с
изобарами.
Обратимый
адиабатный процесс в is-диаграмме
изображается вертикальными прямыми.
Соседние файлы в папке Термодинамика
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Здравствуйте! Водяной пар может быть трех видов: влажным насыщенным, сухим насыщенным, перегретым. Рассмотрим все три вида.
Влажный насыщенный пар. Удельный объем влажного насыщенного пара находится из выражения
υ = υ»x+υ'(1— х),
где υ» — удельный объем сухого насыщенного пара; υ’ — удельный объем воды при температуре парообразования и том же давлении, что и объем υ».
Двумя штрихами в технической термодинамике принято обозначать параметры и функции состояния сухого насыщенного пара, а одним штрихом — величины, характеризующие состояние воды при температуре парообразования.
При небольших давлениях (p < 3 МПа) удельный объем υ’ воды очень мал по сравнению с удельным объемом υ» сухого насыщенного пара. Поэтому при х>0,8 объем жидкости υ'(1—х) можно не учитывать и приближенно определять удельный объем влажного насыщенного пара из соотношения υ ≈ υ»x. В процессе парообразования при постоянном давлении для получения 1 кг влажного насыщенного пара к 1 кг кипящей жидкости необходимо подвести количество теплоты
q=rx (1)
Так как в процессе при р = const количество теплоты равно изменению энтальпии, то величину энтальпии i влажного насыщенного пара можно определить из выражения
q = rx = i—i’ или i=i’+rx. (2)
Энтальпия i’ кипящей воды при температуре парообразования и теплота парообразования г соответствуют тому же давлению, что и энтальпия i. Так как величина энтальпии при 273 К принимается за нуль, то энтальпию i’ кипящей воды можно найти из выражения
(3)
где сm — средняя массовая теплоемкость воды в интервале температур от 273 К до Тн.
Энтальпия i’ кипящей воды, как следует из выражения (3), численно равна количеству теплоты, которая затрачивается для нагревания 1 кг воды от 0° С до температуры кипения tн при р = const.
В соответствии с уравнением первого закона термодинамики q = ∆u+l имеем
r = u» — u’ + p*(u» — υ’).
Анализ этого выражения показывает, что теплота парообразования r складывается из внутренней теплоты парообразования u»- u’, затрачиваемой на изменение внутренней энергии (преодоление сил притяжения между молекулами), и внешней теплоты парообразования p (u»- u’), равной работе против внешних сил. Для давлений меньше 20 МПа внешняя теплота парообразования незначительна и не превышает 13% от величины r.
Энтропию влажного насыщенного пара найдем из выражения
Так как в процессе парообразования при p=const T=const, то с учетом уравнения (1) получим
где s’— энтропия воды при температуре парообразования и том же давлении, что и величины s, г и Tн.
Величину s’ можно определить из соотношения
(4)
или
Пределы интегрирования в выражении (4) приняты в соответствии с условием, что при 273 К энтропия равна нулю.
Сухой насыщенный пар.
Состояние сухого насыщенного пара определяется значением одного параметра, например давления или температуры парообразования, так как другой параметр состояния — степень сухости — имеет определенное значение х=1. Параметры и функции состояния сухого насыщенного пара можно определить по выведенным выше формулам (1), (2) для влажного пара при условия х = 1.
Перегретый пар.
Для получения перегретого пара в котельном агрегате устанавливают специальный теплообменник (пароперегреватель), в котором происходит перегрев влажного насыщенного пара. Для характеристики состояния перегретого пара должны быть известны два любых параметра состояния пара, например давление и температура. Вместо параметров могут быть заданы функции состояния (энтальпия или энтропия).
Энтальпия перегретого пара находится из выражения
(5)
где сpm—массовая средняя изобарная теплоемкость пара в интервале температур от Tн до Т.
Энтропия перегретого пара определяется следующим образом
(6)
В уравнения (5) и (6) необходимо подставлять значения величин i», s» и cpm при том же давлении, для которого определяются энтальпия i и энтропия s. Исп.литература: 1) Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий, Н.М. Никифорова, Москва, «Высшая школа», 1981. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.
Удельный объем — влажный пар
Cтраница 1
Удельный объем влажного пара vx со степенью сухости X определяют, учитывая следующие условия. Если объем сухого пара и и в 1 кг влажного пара со степенью сухости X содержится X частей сухого пара, то объем, занимаемый им, составляет v X. Остальную часть ( 1 — X) занимает вода, объем которой равен v ( 1 — X), где v — удельный объем воды.
[1]
Удельный объем влажного пара зависит от соотношения масс его составных частей: сухого насыщенного пара и жидкости в смеси массой 1 кг. Массовая доля пара х в смеси называется степенью сухости, а массовая доля жидкости ( 1-я) — степенью влажности.
[2]
В этой формуле и — искомый удельный объем влажного пара; и — удельный объем сухого насыщенного пара того же давления, что и искомый, а х-заданная степень сухости пара.
[4]
Из соотношений ( 150) и ( 151) следует, что удельный объем влажного пара меньше удельного объема сухого насыщенного пара, а следовательно, удельный вес влажного пара больше удельного веса сухого насыщенного пара.
[5]
В современных паротурбинных установках давление в конденсаторе поддерживается в интервале 0 0035 — 0 005 МПа, поэтому удельный объем влажного пара uj, поступающего в компрессор, во много раз превышает объем жидкости. В связи с этим компрессор получается громоздким и на него расходуется большое количество металла. Кроме того, на сжатие влажного пара затрачивается чрезмерно большая работа, составляющая значительную часть работы, совершаемой паром в турбине.
[6]
Если процесс развивается в обогреваемом канале, то dv 0, так как при подводе тепла и одновременном снижении температуры удельный объем влажного пара обязательно должен возрастать, в противном случае, как это ясно из расположения изохор в диаграмме Т — s, тепло-подводу сопутствовало бы уменьшение энтропии. Остальные слагаемые в правой части соотношения положительны. Таким образом, когда выражение, заключенное в скобки, меньше нуля, местная скорость звука растет вдоль канала; при положительном же знаке суммы акустическая скорость убывает.
[7]
Здесь прежде всего устанавливаются понятия о насыщенных и перегретых парах, верхней и нижней пограничной кривой в системе координат р — У, степени сухости влажного пара. Затем даются формула удельного объема влажного пара и формула, выражающая зависимость между давлением и температурой насыщенных паров.
[8]
В этом случае сжатию от давления р2 до давления pt подлежит не влажный пар малой плотности, а вода. По сравнению с удельным объемом влажного пара в точке 3 ( см. Т, s — диаграмму на рис. 11 — 2) удельный объем воды весьма мал, а ее сжимаемость пренебрежимо мала по сравнению со сжимаемостью влажного пара. Для перемещения воды из конденсатора в котел с одновременным повышением ее давления применяются не компрессоры, а насосы, компактные и простые по устройству, потребляющие весьма мало энергии для своего привода.
[9]
В последнем случае не выделяется скрытая теплота испарения. Разность температур столь велика, что удельный объем влажного пара при равновесном расширении существенно больше, чем переохлажденного.
[10]
Пока вся вода не испарится, температура воды остается постоянной Ti const. Поэтому изобара 4 — 1 одновременно является и изотермой. Процесс 1 — 2 соответствует адиабатическому расширению пара в турбине. После турбины пар поступает в конденсатор. При давлении ръ const и Тг — const тепло q % отводится. Линия 2 — 3 изобара и изотерма. Процесс 3 — 4 соответствует сжатию в компрессоре. Точку 3 выбирают с таким расчетом, чтобы сжатие осуществлялось по адиабате. Однако, практически цикл Карно неосуществим, так как в точке 3 ( начало адиабатического сжатия) удельный объем влажного пара при давлении pz и Т2 настолько велик, что для сжатия его в компрессоре больших размеров потребуется значительная затрата работы.
[12]
Страницы:
1