1.1.7 Понятие о водяном паре

Реальные газы отличаются от идеальных газов тем, что молекулы этих газов имеют объемы и связаны между собой силами взаимодействия, которые уменьшаются с увеличением расстояния между молекулами. При практических расчетах различных свойств реальных газов наряду с уравнением состояния применяется отношение P·/(R·T)=c, которая называется коэффициентом сжимаемости.

Одним из самых распространенных реальных газов, являющимся рабочим телом в паровых турбинах, машинах, а также теплоносителем в различных теплообменниках, является водяной пар.

Пар - газообразное тело в состоянии, близкое к кипящей жидкости. Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное. Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре.

Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называется сублимацией. Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называется десублимацией.

При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром.

Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называется влажным паром. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – х.

х = m_сп / m_вп ,

m_сп - масса сухого пара во влажном; m_вп - масса влажного пара. Массовая доля жидкости во влажном паре нызвается степенью влажности – у.

1.1.8 Основные параметры атмосферного воздуха

Газовая оболочка земли - атмосфера - является частью биосферы. Она имеет массу 5,14·10¹⁵ т и состоит из:

78% азота,

21 % кислорода

1 % инертных и прочих газов.

Соотношение количеств этих компонентов в атмосферном воздухе стабильно. Кроме того, в атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяных паров, которое может изменяться в значительных пределах. Смесь сухого газа с водяным паром называют влажным газом или влажным воздухом. Каждый газ, в том числе и пар, входящий в состав смеси, занимает тот же объем, что и вся смесь, имеет температуру смеси и находится под своим парциальным давлением р_i, Па, которое определяют по уравнению Клапейрона:

где M_i - масса i-ro газа, кг;

R - универсальная газовая постоянная [в системе единиц СИ R = 8,314·10³ Дж/(кмоль·К)];

Т - температура смеси, К;

V - объем смеси, м³; μ_i - молекулярная масса газа; кг/кмоль;

v_i - количество молей i-го газа, входящего в состав смеси .

Сумма парциальных давлений газовых компонентов смеси равна полному давлению смеси (закон Дальтона):

где n - число компонентов смеси.

Барометрическим давлением атмосферного воздуха р₆ называют сумму парциальных давлений сухой его части (р_с.в) и водяного пара (р_в.п):

Барометрическое давление измеряют в Паскалях. Значение парциального давления компонента смеси в состоянии полного насыщения называют парциальным давлением насыщения р_н, или упругостью насыщенного пара.

Смесь, состоящую из сухого воздуха и перегретого водяного пара, называют ненасыщенным влажным воздухом, а смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного пара, - насыщенным влажным воздухом.

Относительная влажность φ, %, паровоздушной смеси представляет собой отношение концентрации водяного пара ненасыщенного воздуха к концентрации водяного пара насыщенного воздуха при одинаковых температурах и давлениях:

где ω_п - концентрация водяного пара ненасыщенного воздуха, кг/м³;

ω_п.н - концентрация водяного пара насыщенного воздуха, кг/м³;

р_п и р_п.н - соответственно парциальные давления ненасыщенного и насыщенного пара при температуре паровоздушной смеси.

Для насыщенного воздуха φ = 100 %. Относительную влажность воздуха в помещении нормируют; для общественных и жилых помещений она считается допустимой в диапазоне 30...70 %.

Количество водяного пара, приходящегося на 1 кг сухой части влажного воздуха, называют влагосодержанием воздуха d, г/кг, сухого воздуха:

где М_в.п - масса водяных паров, г;

М_с.в - масса сухого воздуха.

Используя уравнение Клапейрона и соответствующие преобразования, можно записать:

т.е. на влагосодержание воздуха влияет барометрическое давление, при котором находится воздушно-паровая смесь.

Плотность влажного воздуха р, кг/м³, представляет собой отношение массы воздушно-паровой смеси М, кг, к объему этой смеси V, м³:

Плотность газа прямо пропорциональна его давлению и обратно пропорциональна температуре. Плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого воздуха, так как молекулярная масса пара меньше молекулярной массы воздуха.

Удельная массовая теплоемкость влажного воздуха (при постоянном давлении) представляет собой количество теплоты, которое нужно затратить для того, чтобы нагреть на один градус 1 кг сухой части влажного воздуха и приходящееся на его долю количество водяных паров:

где с_с.в - удельная массовая теплоемкость сухого воздуха, равная 1,0048 кДж/(кг·К) (средняя для температур в интервале 0... 100°С);

с_в.п - удельная массовая теплоемкость водяного пара, равная 1,8068 кДж/(кг·К);

d - влагосодержание воздуха, г/кг.

Удельное теплосодержание сухого воздуха, Дж/кг,

где Т - температура воздуха, К.

Удельное теплосодержание насыщенного пара, Дж/кг,

где l_Ж - удельное теплосодержание жидкости, Дж/кг;

r - удельная теплота испарения, Дж/кг;

с_ж - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

Т_ж - температура жидкости, К.

Удельную теплоту испарения, кДж/кг, определяют по эмпирической формуле М. И. Фильнеева:

r = 2500 - 2,38 Т_ж.

В системе единиц СИ основное уравнение для определения удельного теплосодержания (энтальпии) влажного воздуха имеет вид

*

В 1918 г. Л. К. Рамзин, используя уравнение (*), предложил l - d-диаграмму, которую успешно применяют до настоящего времени для определения удельного теплосодержания влажного воздуха в зависимости от температуры и количества влаги в нем. Диаграмма, пересчитанна Л.В.Петровым применительно к системе единиц СИ. За начало отсчета удельного теплосодержания влажного воздуха (l_вл = 0) условно принято удельное теплосодержание воздуха при температуре 0°С. Это означает, что при температуре ниже 0 °С его удельное теплосодержание может иметь отрицательное значение.

Точкой росы t_p влажного воздуха называют температуру, до которой нужно охладить ненасыщенный воздух, чтобы он стал насыщенным при сохранении постоянного влагосодержания.

Температурой мокрого термометра t_M называют температуру, которую имеет влажный воздух на стадии полного насыщения в процессе испарения воды без подвода теплоты извне при постоянном теплосодержании.