Давление насыщенного пара при нагревании возрастает гораздо быстрее

Молекулярная физика. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Насыщенный пар.

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температу­ре это число приблизительно равно 10 22 молекул за 1 с на 1 см 2 площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара .

При сжатии насыщенного пара, температура которого под­держивается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восста­новится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление р, при котором жидкость находит­ся в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением р эта зависимость выражается равенством:

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следова­тельно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость p(T) отличается от зави­симости (p=nkT) для идеального газа.

С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального га­за (участок кривой АВ на рисунке). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку A (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет. Поэтому, согласно формуле (p=nkT), давление насы­щенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в из­менении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (молекулярно-кинетическая теория идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок ВС кривой на рисунке выше).

Ненасыщенный пар.

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Источник

Что такое насыщенный и перегретый пар

Термины насыщенный пар и перегретый пар относятся к термодинамическому состоянию воды. Вода и пар являются средами, используемыми для теплообмена в котловых установках благодаря своей доступности и высокой теплоемкости. Особенно эффективно передавать тепло посредством испарения и конденсации воды, которая обладает большой скрытой теплоты испарения.

Насыщенный пар (НП) и перегретый пар (ПП) относятся к определенному давлению среды. Первый НП может существовать во влажном и сухом состоянии, а перегретый ПП – только в сухом, поскольку не может содержать в своем составе частиц воды.

Чаще всего эти понятия применяются в теплоэнергетике, для расчета термодинамических циклов в контуре парового котла и в паровых турбинах, генерирующих электрическую энергию на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и АЭС.

Что такое насыщенный пар

Водяной пар, пребывающий в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Это формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение

В котлоагрегатах парообразование протекает при постоянном давлении и подводе тепла к котловой воде от уходящих газов. Этот процесс базируется на следующих последовательных стадиях: подпитка котла водой, подогрев ее до температуры точки насыщения, и образование сухого насыщенного пара, когда вся жидкость испаряется из него.

В паровых котлах питательная вода, пройдя через экономайзер, попадает в барабан. Из него более холодные потоки под воздействием силы тяжести опускаются по необогреваемым трубам, а поднимаются по подъёмным топочным экранам обогреваемые более горячими дымовыми газами.

Здесь начинается процесс парообразования, поскольку температура воды достигает значения точки насыщения при рабочем давлении в котлоагрегате.

Плотность пароводяной смеси в экранных пакетах уменьшается и становится ниже плотности воды в опускных трубах, что создает напор для движения пароводяной смеси по экранам в барабан, где смесь сепарируется на воду и пар.

В закрытой поверхности нагрева при не меняющейся температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и водяным паром. Число молекул пара, выделяющихся из поверхности воды за определенное время, будет равняться числу молекул сконденсированного пара, которые перейдут обратно в воду в барабане котла.

Давление насыщенного пара

Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в равновесном термодинамическом состоянии. При росте давления, пар сжимается и баланс нарушается. Плотность пара первоначально несколько возрастает, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.

Поскольку количество молекул, переходящих из воды в единицу времени связано исключительно с температурой, то сжатие паровой среды не будет влиять на изменение этого числа.

Процесс будет протекать пока не возникнет термодинамическое равновесие, а следовательно, и концентрация возвращающихся молекул не достигнет первоначального уровня. Таким образом, Тнп напрямую зависит от давления насыщения в котле.

Таблица насыщенного пара

Характеристики сухого НП, приводятся в Таблице водяного пара. В ней указывают Т (С), при точке кипения котловой воды и давление (кПа и мм. рт.ст.) при которой этот процесс протекает.

Дополнительно в таблице могут указываться и другие параметры пара:

• eдельный объем, м3/кг;
• плотность, кг/м3;
• удельная энтальпия, кДж/кг
• удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность насыщенного пара

Плотность НП определяют по формуле.

D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273))

• D st — плотность насыщенного пара в кг / м3;
• P- абсолютное давление пара в барах;
• t — температура в градусах Цельсия;
• Z st — коэффициент сжимаемости насыщенного пара при Р и t.

В этом уравнении символ «Z st» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютной величине давления насыщенного водяного пара P, бар. Это удобное уравнение действительно для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар, с соответствующим диапазоном температур насыщения от 10 до 360 С.

Влажность насыщенного пара

Когда котлоагрегат нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся через слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель паров воды. В этом случае соотношение может составлять от 0 до 1. Если пар имеет 20 % воды по объему — он считается сухим на 80% или имеет долю сухости 0,8.

Таблицы НП содержит значения, такие как температура, энтальпия и удельный объем для сухого НП, но не для влажного. Для того чтобы их определить потребуется воспользоваться формулами, учитывая соотношение двух сред:

Удельный объем (v) мокрого пара

v = X * v g + (1 — X) * v f

• X = сухость (% / 100);
• v f = удельный объем жидкости;
• v g = удельный объем НП.

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

• X = сухость (%);
• h f = удельная энтальпия жидкости;
• h fg = удельная энтальпия НП.

Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплосодержание, энтальпия и энтропия. Таким образом сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.

Задачей теплоэнергетиков является организация процессов парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов устанавливают специальные сепарационные устройства, отделяющие пар от воды.

Перегретый пар

Перегретый пар — это пар с температурой, превышающей его температуру кипения при абсолютном давлении, при котором проводились измерение температуры. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, поскольку температура может увеличиваться, в то время как давление остается постоянным.

Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts представлен на рисунке между состоянием E и кривой насыщенного пара. Чтобы оценить тепловую эффективность цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.

Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла особого теплообменника, называемого пароперегревателем.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению, как температуры, так и удельного объема. Наибольшее значение перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции для движения лопастей турбины, создающих вращательное движение вала.

Температура перегретого пара

Характеристики перегретого пара (ПП) аналогичны идеальному газу, но не равны насыщенному пару. Поскольку ПП не обладает зависимостью между температурой и давлением, при конкретном давлении он может вырабатываться в широком температурном диапазоне, что будет зависеть от площади нагрева пароперегревателя.

Перегретый пар отличается от насыщенного такими преимуществами:

• gри равном давлении насыщения он обладает намного большей температурой;
• обладает большим удельным объемом, что дает экономию энергоресурсов при использовании;
• при снижении он не конденсируется, пока температура не упадет ниже точки насыщения при давлении среды.

Методы регулирования температуры перегретого пара

Довольно часто для технологических процессов, требуется получение перегретого пара строго определенной температуры. Для того чтобы снять ее излишки, обычно используют три метода воздействия на температуру ПП:

• cмешивание разных температурных потоков, когда в ПП впрыскивают котловую воду или паровой теплоноситель меньшего теплосодержания;
• поверхностное охлаждение, заключается в перенаправление ПП через систему специальных теплообменных аппаратов, выполняющих роль охладителей;
• изменение тепловосприятия потока, реализуется через изменение температуры или расхода уходящих котловых газов.

В теплоэнергетике в котлах высокого давления наиболее часто применяют первый метод, путем впрыскивания в поток ПП питательной воды или конденсата от турбогенератора. Впрыском насыщенного пара, как правило, регулируют температуру вторичного перегрева пара.

Получение перегретого пара

Пароперегреватель устройство, устанавливаемый в котлоагрегате, вырабатывает перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к особо критичным котловым элементам, поскольку из-за высоких температур ПП металл конструкции функционирует в предельно-допустимых условиях.

Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления и промежуточного типа, которые направляют пар отработанный в турбине для промперегрева.

Кроме того пароперегреватели классифицируются по тепловосприятию на конвективные, установленные в конвективной части котла, радиационные — расположены около топочных экранов и ширмовые — установленные в верхней части топки. По направлению движения потоков ПП и уходящих котловых газов выпускают ПП : прямоточные, противоточные и смешанные.

Использование перегретого пара в технике

В современных паровых турбинах применяют ПП с температурой перегретого пара существенно выше критической (374C).

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другое использование перегретого пара:

• Пищевые технологии.
• Технологии очистки.
• Катализ / химическая обработка.
• Технологии поверхностной сушки.
• Технологии отверждения.
• Энергетика.
• Нанотехнологии.

Котлы перегретого пара

В России применяется ГОСТ 3619-76 на паровые котлоагрегаты, в котором установлены параметры насыщенного и перегретого пара, а также паровая производительность и температура воды для питания котла.

Современная российская энергетика использует котлоагрегаты производительностью вырабатывающих 1000/1650/2650/3950 т/ч пара для турбогенераторов соответствующей мощностью 300/500/800/1200 МВт, работающих на сверхкритических параметрах по давлению 25,5 МПа и Тпп=545С.

Энергетические котлы классифицируются по давлению пара — высокого от 10 до 14 МПа и сверхкритического свыше 25,5 МПа. Котлоагрегаты сверхвысокого давления, обычно, выполняют с вторичным перегревом пара.

Паровые котлоагрегаты малой и средней паропроизводительности используются для производства насыщенного и перегретого пара с характеристиками до 3,9 МПа и Т=450 С. Они эксплуатируются на промпредприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве для производственно-технологических нужд и в системах центрального теплоснабжения.

Типичными представителями агрегатов данной категории являются котел Е (ДЕ) производительностью пара от 1 до 25 т/ч, Е (КЕ) производительностью пара до 25 т/ч с газомазутной горелкой и ДКВР производительностью до 20 т/ч. Их применение – источники тепловой энергии для центрального теплоснабжения с параметрами насыщенного и перегретого пара.

Источник