2.1. Процессы получения и изменения состояния водяного пара

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,υ и T,S, а для расчета процессов – диаграмму i,s и таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

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.

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.

Уравнение состояния для реальных газов, в том числе и для водяного пара, является сложным и, вследствие этого, неудобным для практических расчетов. Поэтому для расчетов широкое применение нашли таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, при составлении которых наряду с уравнением состояния и аналитическими выражениями для энтропии и энтальпии использовались также и экспериментальные данные.

Существуют три вида таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара. В таблицах первого вида (прил.4) приводятся термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения как функции температуры (по температурам), а в таблицах второго вида (прил. 5) те же самые свойства даются как функции давления (по давлениям).

Использование таблиц первого или второго вида определяется в зависимости от того, что задано: температура или давление насыщенного пара. В таблицах третьего вида приводятся термодинамические свойства (υ, .i, s) воды и перегретого пара в зависимости от давления и температуры.

Во всех трех видах таблиц водяного пара используется абсолютное давление.

В прил. 4,5. параметры кипящей жидкости - удельный объём, энтальпия, энтропия - обозначены соответственно, υ^,, i^,, s^,, а параметры сухого насыщенного пара- υ^,,, i^,,, s^,,. Параметры влажного насыщенного пара обычно обозначают υ_х, i_х, s_х и определяют по следующим формулам как для смеси кипящей воды и сухого пара:

, (2.1)

(2.2)

. (2.3)

Параметры перегретого пара обозначают без каких либо штрихов и индексов υ, i, s.

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.

Теплота парообразования, учитывая сказанное, равна:

(2.4)

Учитывая последнее, можно преобразовать выражения (2.2) и (2.3):

(2.5)

. (2.6)

Теплота q_п, затраченная на перегрев 1 кг пара, равна:

(2.7)

где i – энтальпия перегретого пара, кДж/кг, i’’ – энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг.

Внутренняя энергия пара находится через его энтальпию из выражения:

u = i – pυ. (2.8)

При использовании этой формулы необходимо иметь в виду, что если i – в кДж/кг, υ –в м³/кг, то давление p нужно подставлять в кПа. В этом случае внутреннюю энергию получим в кДж/кг.