Вязкость перегретого пара при давлении и температуре

Параметры пара

Свойства пара определяются его параметрами, то есть величинами, характеризующими состояние пара (давление, температура, степень сухости, энтальпия, теплосодержание и т. д.). Тепловая энергия подводится к паровой турбине при помощи водяного пара, являющегося носителем тепловой энергии (теплоносителем).

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100 0 С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100 0 С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления – понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,2 0 С, а при давлении 10 ата при 179 0 С.

Температура пара над водой, из которой он получается (рис. 1), всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар.

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

В (таблице 1) приводится зависимость между температурой и давлением насыщенного пара.

Измерив термометром температуру насыщенного пара, можно по этой таблице определить его давление или, измерив давление, определить температуру.

При образовании пара в паровое пространство котла всегда попадают частицы воды, увлекаемые выделяющимся паром; особенно сильное увлажнение пара происходит в современных мощных котлах при работе их с большой нагрузкой. Кроме того, насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре. Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар. Так же как и у сухого насыщенного пара, температура влажного пара всегда соответствует его давлению.

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется или 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 м 3 , 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 м 3 .

Энтальпия пара(теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 0 0 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 100 0 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.

Например, при давлении 3 кг/см 3 теплосодержание 1 кг кипящей воды равно 133,4 ккал, а теплота парообразования равна 516,9 ккал/кг; отсюда энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 3 кг/см 2 будет:

i // =133,4+516,9=650,3 ккал/кг (табл 2)

в сильной степени зависит от его степени сухости; с уменьшением степени сухости пара его энтальпия уменьшается.

Энтальпия влажного пара равна:

Эту формулу легко уяснить себе на следующем примере: допустим, что давление пара 5 кг/см 2 и степень сухости 0,9 иначе говоря, 1 кг этого пара содержит 0,1 кг воды и 0,9 кг сухого пара. По (табл 2) находим, что энтальпия воды при давлении 5 кг/см 2 равна округленно 152 ккал/кг, а энтальпия сухого пара 656 ккал/кг; так как влажный пар состоит из смеси сухого пара и воды, то энтальпия влажного пара в данном случае будет равна:

Следовательно, энтальпия влажного пара будет в этом случае примерно на 50 ккал/кг меньше, чем сухого насыщенного пара того же давления.

Перегретый пар

Если насыщенный пар отвести от поверхности испарения воды в котле и продолжать нагревать его отдельно, то температура пара будет подниматься и объем его увеличиваться. Устройство, в котором пар подогревается (пароперегреватель), сообщается с паровым пространством котла (рис 2). Пар, температура которого выше температуры кипения воды при том же давлении, называется . Если давление пара равно 25 ата, а температура его 425 0 С, то он прегрет на 425 – 222,9 = 202,1 0 С, так как давлению 25 ата соответствует температура насыщенного пара, равная 222,9 0 С (табл 2)

Энтальпия перегретого пара

Следовательно, она превышает энтальпию сухого насыщенного пара того же давления на величину, выражающую собой количество теплоты, дополнительно сообщенное пару при перегреве; это количество теплоты равно:

а=ср(t2 – t1), ккал/кг,

где ср – средняя теплоемкость 1 кг пара при постоянном давлении. Ее величина зависит от давления и температуры пара; в (табл. 3) даны значения ср для некоторых температур и давлений;

t1 – температура насыщенного пара; t2 – температура перегретого пара.

Энтальпии перегретого пара для некоторых давлений и температур приведены в (табл. 4).

Перегревая свежий пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоты, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Это приводит к увеличению использованного теплопадения и повышению экономического к.п.д. установки работающей на перегретом паре. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние. Отсутствие конденсации свежего пара особенно важно для паровых турбин, вода, скопившаяся в паропроводе и увлеченная паром в турбину, легко может разрушить лопатки турбины.

Преимущество перегретого пара настолько значительны и выгодность его применения настолько велика, что современные турбинные установки работают почти исключительно перегретым паром.

В настоящее время большинство тепловых электростанций строится с параметрами пара свыше 130 – 150 ата и свыше 565 0 С. В дальнейшем для самых мощных блоков предполагается по мере освоения новых жаростойких сталей повысить параметры до 300 ата и 656 0 С.

При расширении перегретого пара его температура понижается, по достижении температуры насыщения перегретый пар проходит через состояние сухого насыщенного пара и превращается во влажный пар.

Источник

Таблицы перегретого пара

В табл. III приведены термодинамические свойства воды и перегретого пара. По этим таблицам для заданных давлений и температур можно найти удельный объем, энтальпию и энтропию однофазной среды – воды и перегретого пара.

В первом столбце указаны температуры перегретого пара, расположенные в порядке их возрастания, начиная от 0 до 1000 о С. Для каждой температуры даются значения v, h и s, расположенные в последующих столбцах при различных давлениях перегретого пара.В строках по горизонтали указаны давления начиная от 1 кПа до 100 МПа. Таким образом, эта таблица дает возможность непосредственно или интерполяцией найти значения указанных в ней параметров, не прибегая к вычислениям.

По табл. IV можно определить истинную массовую изобарную теплоемкость воды и водяного пара в зависимости от давления и температуры. В табл. V определяется скорость звука в воде и водяном паре. Пользуясь табл. VI, можно определить поверхностное натяжение воды σ, изобарную теплоемкость , теплопроводность λ, динамическую вязкость µ, число Прандтля Pr для воды и пара в состоянии насыщения. В табл.VII–IX определяется динамическая вязкость µ, теплопроводность λ и число Прандтля Pr воды и водяного пара.

Рис. 6.4. Термодинамические свойства воды и перегретого пара

6.3. sT-диаграмма

Для изображения в системе sT-координат процесса парообразования необходимо пользоваться такими соотношениями для этого процесса, которые были бы выражены через параметры s и Т. При построении sT-диаграммы для первой стадии парообразования – нагрева 1 кг воды от 0 о С до температуры кипения – пользуются уравнением:

, (6.1)

в котором Т ≤ и s ≤ .

Если Т равно 273 К (т.е. 0 о С), как видно из уравнения, s = 0 и, следовательно, точка, определяющая это состояние воды, должна лежать на оси ординат. Обозначим эту точку через А (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Изображение процесса парообразования при постоянном давлении

Если воду подогреть до температуры, положим, Т₁, то энтропия, увеличиваясь, станет равной s₁, и состояние воды будет определяться точкой 1. Если подогреть воду больше, то температура ее будет возрастать, принимая значения Т₂, Т₃ и т.д. до температуры , когда вода начнет кипеть. При этом энтропия воды будет также все время увеличиваться и принимать значения соответственно s₂, s₃и, наконец, s’ (при температуре, равной ).

Состояние пара при указанных значениях температуры и энтропии будет на диаграмме определяться точками 2, 3 и т.д. точкой В. Если через все эти точки провести плавную кривую, то она будет графически изображать характер изменения энтропии при нагревании воды от 0 о С до .

При дальнейшем подводе теплоты вода начнет превращаться в пар, энтропия будет продолжать увеличиваться, но температура не будет изменяться, поэтому линия процесса для этой стадии парообразования изобразится в виде прямой ВС, параллельной оси абсцисс. Точка С определяет состояние, в котором вся вода превратилась в пар (состояние сухого пара). Изменение энтропии в процессе парообразования, т.е. от точки В до точки С, может быть подсчитано по уравнению

. (6.2)

При дальнейшем подводе теплоты пар перейдет в область перегрева, при этом будут возрастать энтропия и температура его. Линия процесса для данной стадии парообразования CD строится по уравнению

= 2,3 lg . (6.3)

Таким образом, весь процесс получения перегретого пара изобразится ломаной линией ABCD.

Значение энтропии пара в точке С может быть подсчитано по уравнению

. (6.4)

Изменение энтропии изобразится на диаграмме суммой отрезков и ВС; следовательно,

ВС, (6,5)

откуда следует, что

ВС = . (6.6)

Если процесс парообразования не доводить до конца, т.е. остановиться на какой-нибудь точке Е, которая будет определять состояние влажного пара степени сухости х, то изменение энтропии можно подсчитать по уравнению

. (6.7)

ВЕ, (6.8)

откуда следует, что

ВЕ = . (6.9)

Деля уравнение (6.9) на уравнение (6.6), получим

= х.

Следовательно, отношение равно степени сухости пара. Если повысить давление воды, из которой был получен перегретый пар, то очевидно, что при температуре, соответствующей точке В, кипение еще не наступит; для того чтобы вода закипела, ее необходимо подогреть до более высокой температуры, при этом увеличится и энтропия. Момент начала кипения определится точкой , расположенной на продолжении линии АВ, а состояние сухого пара – (рис. 6.2).

Если же давление воды понизить, то момент начала кипения изобразится какой-нибудь точкой В₁, лежащей также на прямой АВ, но ниже точки В. При этом давлении состояние сухого пара изобразится точкой С₁.

Беря разные значения давлений воды, получим ряд точек: В₁, В₂, В₃ и т.д., соответствующих началу кипения воды, и ряд точек: С₁, С₂, С₃ и т.д., соответствующих состоянию сухого пара. Если через эти точки провести плавные линии, то на диаграмме получатся две кривые АК и DК: первая из них будет являться кривой жидкости, разделяющей области жидкости и влажного насыщенного пара, разделяющей области влажного и перегретого паров. Как видно на чертеже, эти линии сходятся и точка пересечения их, очевидно, является критической точкой К, о которой уже говорилось раньше.

Если на линиях ВС, В₁ С₁, В₂ С₂ и т.д. нанести точки Е, Е₁, Е₂, Е₃ и т.д., соответствующие какому-нибудь значению степени сухости, и провести через них плавную кривую, то получим так называемую линию постоянной степени сухости (или постоянного паросодержания) КЕ₄ .

Рис. 6.2. sT ― диаграмма водяного пара (схема)

Таких линий для различных значений степени сухости можно нанести на диаграмме несколько; тогда получим ряд кривых, также сходящихся в критической точке.

В sT-диаграмме площадь, ограниченная линией процесса, осью абсцисс и крайними ординатами, определяет количество теплоты, участвующей в процессе. Применим это свойство sT-диаграммы к процессу парообразования, который изобразим линией Ааbс (рис. 6.3).

Процесс превращения кипящей воды в пар при этом изобразится линией ab. Согласно указанному свойству площадь прямоугольника abmn должна определять теплоту парообразования r. Действительно, для конечной точки этого процесса – точки b, когда пар превратится в сухой, значение энтропии находят по уравнению:

.

.

Рис. 6.3. Изображение в осях sT теплоты в процессе парообразования

На рис. 6.3 значение температуры определяется отрезком an, т.е. высотой прямоугольника abmn, а – отрезком nm, равным основанию этого прямоугольника.

Для других стадий парообразования площадь 0Aan определяет количество теплоты , которое требуется подвести к воде, взятой при 0 о С, чтобы довести ее до кипения, а площадь mbcf – количество теплоты, затрачиваемый на перегрев.

Понятно, что сумма площадей 0Aan и nabm представляет величину полной теплоты сухого пара . Если же к эти двум площадям прибавить еще и площадь mbcf, то получим графическое изображение величины полной теплоты перегретого пара λ. Для влажного пара, состояние которого определяется, например, точкой е, теплота будет равна сумме площадей 0Aan и naet. Обратное протекание процесса от точки с к точке А связано с уменьшением энтропии, а следовательно, и с отводом теплоты от рабочего тела. При этом указанные площади будут представлять собой количества отведенной теплоты.

6.4. hs-диаграмма

sT-диаграмма является очень наглядной при различных исследованиях, связанных с теплотой. Однако в расчетной работе эта диаграмма неудобна тем, что для нахождения по ней количества теплоты, участвующей в процессе, нужно измерять площадь. В тех случаях, когда линия процесса является кривой, это представляет некоторые затруднения. Поэтому в теплотехнических расчетах часто пользуются диаграммой, в которой по оси ординат отложены величины энтальпии, а по оси абсцисс – изменение энтропии. Для того чтобы найти величину энтальпии по такой диаграмме, а следовательно, и количество теплоты, необходимо измерить лишь длину соответствующего отрезка по оси ординат, что, конечно, гораздо проще, чем измерять площадь. Эта диаграмма получила название
si-диаграммы.

Рис. 6.4. si-диаграмма водяного пара (схема)

На нее наносятся обычно те же линии, что и в sT-диаграмме, т.е. кривые жидкости и сухого насыщенного пара, линии постоянных давлений и линии постоянных степеней сухости. Кроме того, на si-диаграмме наносятся линии постоянных температур, которые в sT-диаграмме имеют вид горизонтальных линий. АК – линия жидкости, КВ – линия сухого пара.

На практике обычно не приходится иметь дела с очень влажными парами, область которых находится в нижней части si-диаграммы. Поэтому для практических целей пользуются только правой верхней ее частью, что дает возможность выполнить ее в более крупном масштабе и сделать более подробной и удобной для пользования. Такая диаграмма построена профессором Вукаловичем.

Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 7018 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник