Лабораторная работа № 4 изучение работы испарительного циркуляционного контура

4.1. Цель работы

Изучение процессов, происходящих в паровом котле.

4.2. Задачи работы

Определение кратности циркуляции в контуре. Определение движущего напора циркуляционного контура. Работа с таблицами и диаграммами водяного пара.

4.3. Теоретические сведения.

Водяной пар широко применяется на тепловых и атомных электростанциях в качестве рабочего тела для паротурбинных установок. Кроме того, вода и водяной пар являются самыми распространенными теплоносителями в теплообменных аппаратах, в энергетических и технологических системах, а также в системах теплоснабжения и отопления.

Для анализа процессов изменения состояния воды и водяного пара обычно используют диаграммы p-v (см. рис. П1 [Приложение]) и T-s (см. рис. П2 [Приложение]), а для расчета процессов – диаграмму h-s (см. рис. П3 [Приложение]) и таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара (Приложения 6 и 7) [2].

В таблицах параметры кипящей жидкости – удельный объем, энтальпия, энтропия – обозначены, соответственно, v^/, h^/, s^/, а параметры сухого насыщенного пара – v^//, h^//, s^//. Параметры влажного насыщенного пара обычно обозначают v_x, h_x и s_x и определяют по следующим формулам как для смеси кипящей воды и сухого пара:

v_x = v˝∙x+v΄(1–x), м³/кг (4.1)

h_x = h˝ x+h΄(1–x), кДж/кг (4.2)

s_x = s˝∙x+ s΄(1–x), кДж/(кг∙К) (4.3)

Параметры перегретого пара обозначают без каких-либо штрихов и индексов, т. е. v, h и s.

Водяной пар для промышленных целей получают в парогенераторах (паровых котлах) различного типа, общим для которых является то, что процесс получения пара является изобарным. Температура кипения воды и образующегося из нее пара является при этом постоянной, она зависит только от давления парогенератора и называется температурой насыщения T_н.

Пар, температура которого равна температуре насыщения, называется насыщенным (пар находится в термодинамическом равновесии с кипящей жидкостью). Насыщенный пар, не содержащий примеси жидкости, называют сухим насыщенным паром. Смесь сухого насыщенного пара и кипящей жидкости называется влажным насыщенным паром. Массовая доля сухого насыщенного пара в этой смеси называется степенью сухости и обозначается х. Для сухого насыщенного пара х=1, для кипящей жидкости х = 0, для влажного насыщенного пара 0<х<1.

Поскольку водяной пар получают в изобарном процессе, то количество теплоты, подводимой к рабочему телу, можно подсчитать как разность энтальпий в конце и начале процесса. Это очень удобно, т.к. позволяет обойтись без теплоемкости, которая в данном случае (реальный газ) зависит не только от температуры, но и от давления.

Под теплотой парообразования r понимают количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей жидкости при постоянном давлении (следовательно, и при постоянной температуре) в сухой насыщенный пар.

Теплота парообразования, учитывая сказанное, равна:

r = h^// – h^/ (4.4)

Внутренняя энергия пара находится через его энтальпию из выражения:

u = h – pv. (4.5)

На диаграммах p-v, T-s и h-s водяного пара показаны нижняя пограничная кривая (х=0) или линия кипящей жидкости и верхняя пограничная кривая (х=1) или линия сухого насыщенного пара. Пограничные кривые соединяются в критической точке К, обозначающей критическое состояние воды, когда нет различия между кипящей жидкостью и сухим паром. Параметры критического состояния:

Р_К =221,5 бар, t_К = 374,12 ⁰С; v_К = 0,003147 м³/кг,

s_K = 4,4237 кДж/(кг∙К); h_К = 2095, 2 кДж/кг

Пограничные линии делят диаграммы на области капельной жидкости (воды), влажного насыщенного пара и перегретого пара.

На T-s-диаграмме водя­ного пара (см. рис. П2 [Приложение]) в области на­сыщенного пара изобары совпадают с изотерма­ми. В области перегре­того пара изобары и изо­хоры представляют собой логарифмические кривые разной кривизны. На T-s-диаграмме процесс паро­образования при р=const изображен кривой а—b-с—d.

На практике широко пользуются h-s-диаграммой водяного пара (см. рис.П3 [Приложение]). За начало координат принято состояние воды в тройной точке (соответствует случаю, когда одновременно в равновес­ном состоянии находятся пар, вода и лед (р₀= 611 Па; Т₀= 273,15 К; v₀=0,001 м³/кг)) и (s₀=0, h₀=0). Пограничные кривые строятся по точкам h^/ и s^/ для кривой x=0 и по точкам h^// и s^//—для кривой х=1. Термодинамические параметры воды, доведенной до кипения (х=0), и сухого насыщенного пара берут из таблиц теплофизических свойств воды и водяного пара.

В области влажного пара изобары и изотермы совпадают и изображаются расходящимися линиями. От пограничной кривой х=1 изотермы идут плавными кри­выми вправо, а при больших степенях перегрева они практически параллельны оси 0-s.

Для практических расчетов обычно выделяют рабочую область диаграммы h-s выше и правее точки К и выполняют ее в большем масштабе. Для любой точки в диаграмме h-s можно определить p, v, t, h и s.