Водяной пар — газообразное состояние воды. Вода и водяной пар

Водяной пар - рабочее тело в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоноситель в различных теплообменниках.

Пар - газообразное тело в состоянии, близком к кипящей жидкости.

Парообразование - процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное.

Испарение - парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

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

Процесс, обратный парообразованию, называется конденсацией . Конденсация, как и парообразование, 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.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления(то есть когда жидкость перестаёт испаряться) 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 - степень сухости х :

х=m сп /m вп , (6.7)

где m сп - масса сухого пара во влажном; m вп - масса влажного пара.

Массовая доля у жидкости во влажном паре - степень влажности :

у = 1–x = 1– m сп /m вп = ( m вп – m сп )/m вп . (6.8)

6.4. Характеристики влажного воздуха

Атмосферный воздух, в основном состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом . Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара.

Смесь, состоящую из сухого воздуха и насыщенного водяного пара,называют насыщенным влажным воздухом . В этом случае во влажном воздухе находится максимально возможное для данной температурыколичество водяного пара. При охлаждении этого воздуха будет происходить конденсация водяного пара. Парциальное давление водяного пара в этой смеси равно давлению насыщения при данной температуре.

Если влажный воздух содержит при данной температуре водяной пар в перегретом состоянии, то он называется ненасыщенным . Так как в нем находится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, то он способен к дальнейшему увлажнению. Такой воздух используют в качестве сушильного агента в различных сушильных установках.

По закону Дальтона давление р влажного воздуха есть сумма парциальных давлений сухого воздуха р в и водяного парар п :

р = р в + р п . (6.9)

Максимальное значение p п при данной температуре влажного воздуха представляет собой давление насыщенного водяного пара p н .

Для нахождения парциального давления пара пользуются специальным прибором - гигрометром . С помощью этого прибора определяют точку росы , то есть температуру t p , до которой нужно охладить при постоянном давлении воздух, чтобы он стал насыщенным.

Зная точку росы, можно по таблицам определить парциальное давление пара в воздухе как давление насыщения p н , соответствующее точке росы t p .

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяных паров, находящихся в 1 м 3 влажного воздуха. Абсолютная влажность равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре воздуха t н .

Отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре называется относительной влажностью воздуха

φ=с п /с н или φ= (с п /с н )·100%, (6.10)

Для сухого воздуха φ =0, для ненасыщенного φ <1, для насыщенного φ =1 (100%).

Рассматривая водяной пар как идеальный газ,можно, по закону Бойля-Мариотта, отношение плотностей заменить отношением давлений. Тогда:

φ=ρ п /ρ н или φ= p п / p н ·100%. (6.11)

Плотность влажного воздуха слагается из масс сухого воздуха и водяных паров, содержащихся в 1 м 3 объёма:

ρ=ρ в +ρ п = p в / (R в T )+φ/ v ′′ . (6.12)

Молекулярную массу влажного воздуха определяют по формуле:

μ =28,95–10,934φ∙ p н / p . (6.13)

Значения p н и v ′′ при температуре воздуха t берут из таблицы водяного пара, φ - по данным психрометра, p - по барометру.

Влагосодержание представляет собой отношение массы пара к массе сухого воздуха:

d=М п /М в , (6.14)

где М п , М в - массы пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

Связь между влагосодержанием и относительной влажностью:

d =0,622φ· p н ·/(p - φ· p н ). (6.15)

Газовая постояннаявоздуха:

R =8314/μ =8314/(28,95–10,934·μ· p н / p ). (6.16)

Справедлива также формула:

R = (287+462d )/(1+d ).

Объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

V вл.в = R·T/ p . (6.17)

Удельный обьем влажного воздуха:

v =V вл.в /(1+d ). (6.17a)

Удельная массовая теплоемкость паровоздушной смеси:

с см = с в +d·с п . (6.18)

Какие еще вещества, кроме газов, входят в состав воздуха?

1. Распространение водяного пара в воздухе. После дождя вы все наблюдали, как крыши домов, стволы деревьев и листья намо­кают, везде образуются лужи. После рассеивания туч появляется Солнце, и все вокруг высыхает. Куда исчезает бесследно дождевая вода? Она превращается в водяной пар. Так как он бесцветен, как воздух, то мы его не видим.
В любом воздухе содержится определенное количество воды в виде водяного пара. Частицы воды в виде пара содержатся также в составе воздуха комнаты. Заметить это нетрудно. Зимой обратите внимание на металлические предметы (замок портфеля, коньки и др.), занесенные домой с улицы. Через некоторое время они начинают «потеть». Это значит, что теплый воздух в комнате, соприкаса­ясь с холодным предметом, выделяет капельки воды.
Влага земной поверхности испаряется из почвы, болот, рек, озер, морей и океанов в виде водяного пара в атмосферу. Большое коли­чество воды (86%) испаряется из океанов и морей.
В природе водяной пар находится в непрерывном круговороте. Водяной пар, поднимаясь над океанами и поверхностью суши, попа­дает в атмосферу. Воздушные течения уносят его с собой в другие места. Водяной пар, в свою очередь, охлаждаясь, превращается в об­лака, и в виде осадков он снова возвращается на поверхность Земли.

2. Зависимость водяного пара в воздухе от температуры. Со­держание водяного пара в воздухе зависит от состояния испаряе­мой поверхности и температуры. Над океаном в воздухе водяного пара много, а над сушей - мало. Кроме того, чем выше температу­ра, тем больше содержание водяного пара в воздухе.

Как видно из таблицы, воздух может содержать водяной пар со­ответственно при определенной температуре. Если воздух содержит такое количество водяного пара, какое он при данной температуре может содержать, то его называют насыщенным. Например, для на­сыщения 1м3 воздуха водяным паром при температуре +30°С необ­ходимо 30 г водяного пара. Если количество водяного пара состав­ляет всего 25 г, то воздух будет ненасыщенным, сухим.
При повышении температуры насыщенный воздух становится не­насыщенным. Например, для насыщения 1м3 воздуха при темпера­туре 0°С необходимо 5 г водяного пара. Если температура воздуха поднимается до +10°С, то для насыщения воздуха не будет хватать 4 г водяного пара.

3.Абсолютная и относительная влажность. Содержание водяного пара в воздухе определяется абсолютной и относительной влажностью.
Абсолютная влажность - количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха (г/м3).
Относительная влажность - отношение количества влаги, имеющейся в 1 м3 воздуха, к тому количеству водяного пара, который насыщает воздух при данной температуре. Относительная влажность выражается в процентах.
Относительная влажность показывает степень насыщения возду­ха водяным паром. Например, 1 м3 воздуха может содержать 1 г водяного пара при температуре -20°С. В воздухе содержится 0,5 г влаги. Тогда относительная влажность равна 50%. При насыщении воздуха водяным паром относительная влажность достигает 100%.

4.Конденсация водяного пара. После насыщения воздуха водя­ным паром, остальное количество пара превращается в капельки воды. Если в 1 м3 воздуха при температуре -10°С вместо 2 г водяно­го пара собралось 3 г, то лишний 1 г пара превращается в капельки воды. Когда понижается температура насыщенного воздуха, он не может удержать такое количество водяного пара. Например, для на­сыщения 1 м3 воздуха при +10°С нужно 9 г водяного пара. Если тем­пература понизится до 0°, то воздух вмещает только 5 г водяного пара, лшшние 4 г превращаются в капельки воды.
При определенных условиях переход водяного пара в жидкое сос­тояние (капельки воды) называют конденсацией (По-латыни конденсацио - сгущение). При температуре 0°С водяной пар перехо­дит в твердое состояние, т.е. превращается в кристаллики льда.

5. Измерение влажности воздуха. Относительная влажность из­меряется с помощью прибора - волосяного гигрометра (по-гречески гигрос - влажный, метр - мера). В этом приборе ис­пользуется свойство волоса человека, удлиняющегося при повыше­нии влажности. Когда влажность уменьшается, волос укорачивает­ся. Волос крепится на стрелку циферблата, при удлинении или уко­рачивании волоса стрелка, двигаясь вдоль циферблата, показывает относительную влажность в процентах (рис. 54).

Рис. 54. Волосяной гигрометр.

Гигрометр так же, как термометр, помещается в метеорологичес­кую будку.
На метеостанциях влажность воздуха определяется на более точ­ных приборах и с помощью специальных таблиц.

1. Почему над экватором содержание водяного пара в воздухе больше, чем в умерен­ном поясе?

2. Что происходит с водяным паром в воздухе с изменением высоты?
3. Температура воздуха +10°С. Абсолютная влажность 6 г/м3. При каких условиях произойдет насыщение воздуха водяным паром? (Решите 2 способами.)
4. Ознакомьтесь со строением гигрометра и измерьте относительную влажность.

5*. Температура воздуха равна +30°С, а абсолютная влажность - 20 г/м3. Вычислите относительную влажность.

Водяной пар

Среди реальных газов особое место занимает водяной пар. Он получил весьма широкое распространение во многих областях техники и используется в качестве теплоносителя в энергетических установках. Водяной пар обычно используется при таких давлениях и температурах, когда его необходимо рассматривать как реальный газ. Получить водяной пар можно двумя способами: при испарении и кипении воды.

Испарением называется процесс образования пара из воды, происходящий только со свободной поверхности. Этот процесс протекает при любой температуре. При испарении с поверхности воды отрываются молекулы, имеющие наибольшую кинетическую энергию, и вылетают в окружающее пространство. В результате над жидкостью образуется водяной пар. Интенсивность процесса испарения возрастает при повышении температуры.

Кипение – это процесс образования водяного пара во всем объеме жидкости. При нагревании до определенной температуры внутри жидкости образуются пузырьки пара, которые, соединяясь между собой, вылетают в окружающее пространство. Для того, чтобы пузырек пара мог образоваться и затем расти, необходимо, чтобы процесс парообразования происходил внутри пузырьков, а это возможно только, если кинетическая энергия молекул воды имеет достаточную для этого величину. Так как кинетическая энергия молекул определяется температурой жидкости, следовательно, кипение при данном внешнем давлении может начаться только при вполне определенной температуре. Такая температура называется температурой кипения или температурой насыщения и обозначается t н. Температура кипения при данном давлении остается постоянной, пока вся жидкость не превратиться в пар.

Пар, образующийся над поверхностью кипящей жидкости, называется насыщенным паром. Насыщенный пар может быть сухим или влажным. Сухим насыщенным паром называется такой пар, который, находясь над поверхностью кипящей жидкости, не содержит взвешенных капелек жидкости. Влажным насыщенным паром, или просто влажным паром, называется механическая смесь сухого насыщенного пара и кипящей жидкости. Характеристикой влажного пара является его степень сухости х. Степенью сухости называется доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т.е. отношение массы сухого насыщенного пара во влажном паре к массе влажного пара. Величина 1–х называется степенью влажности или влажностью влажного насыщенного пара, т.е. массовая доля кипящей жидкости во влажном воздухе. Параметрами, полностью определяющими состояние сухого насыщенного пара или кипящей жидкости, являются температура или давление и степень сухости.

Если к сухому насыщенному пару при отсутствии кипящей жидкости подводить тепло при том же давлении, что и давление сухого насыщенного пара, то он будет переходить в перегретый пар. Температура его начнет повышаться. Перегретым паром называется пар, имеющий более высокую температуру при данном давлении, чем сухой насыщенный пар. Температура перегретого пара обозначается буквой t, а разность температур t–t н называют степенью перегрева, или перегревом пара. С ростом перегрева пара его объем будет увеличиваться, будет расти расстояние между молекулами и, следовательно, уменьшаться силы взаимного притяжения, т.е. перегретый пар при высоких степенях перегрева будет приближаться по своим свойствам к идеальному газу. Параметрами, определяющими состояние перегретого пара, будут давление и температура (или удельный объем).

Процесс, обратный парообразованию, т.е. процесс перехода пара в жидкость, называется процессом конденсации.

ВОДЯНОЙ ПАР . Паром называется газообразное тело, получающееся из жидкости при соответствующих температуре и давлении. Все газы м. б. обращены в жидкое состояние, и поэтому трудно провести границу между газами и парами. В технике паром считают газообразное тело, состояние которого недалеко от обращения в жидкость. Т. к. в свойствах газов и паров имеются значительные различия, то это различие терминов вполне целесообразно. Водяные пары являются важнейшими из паров, применяемых в технике. Они употребляются, как рабочее тело, в паровых двигателях (паровых машинах и паровых турбинах) и для целей нагревания и отопления. Свойства пара чрезвычайно различны, смотря по тому, находится ли пар в смеси с той жидкостью, из которой получается, или он отделен от нее. В первом случае пар называется насыщенным, во втором случае - перегретым . В технике первоначально применялся почти исключительно насыщенный пар, в настоящее время в паровых двигателях находит самое широкое применение перегретый пар, свойства которого поэтому тщательно изучаются.

I. Насыщенный пар . Процесс испарения лучше уясняется графическими изображениями, например, диаграммой в координатах р, v (удельное давление в кг/см 2 и удельный объем в м 3 /кг). На фиг. 1 изображен схематически процесс испарения для 1 кг воды. Точка а 2 изображает состояние 1 кг воды при 0° и давлении р 2 , причем абсцисса этой точки изображает объем этого количества, ордината - давление, под которым находится вода.

Кривая а 2 аа 1 показывает изменение объема 1 кг воды при повышении давления. Давления в точках а 2 , а, а 1 соответственно равны р 2 , р, р 1 кг 1см 2 . Фактически это изменение чрезвычайно мало, и в технических вопросах можно считать удельный объем воды не зависящим от давления (т. е. линию а 2 аа 1 можно принимать за прямую, параллельную оси ординат). Если нагревать взятое количество воды, сохраняя давление постоянным, то температура воды повышается, и при некоторой величине ее начинается испарение воды. При нагревании воды удельный объем ее, теоретически говоря, несколько увеличивается (по крайней мере, начиная с 4°, т. е. от температуры наибольшей плотности воды). Поэтому точки начала испарения при разных давлениях (р 2 , р, р 1) будут лежать на некоторой другой кривой b 2 bb 1 . Фактически это увеличение объема воды при повышении температуры незначительно, и потому при невысоких давлениях и температурах можно принимать удельный объем воды за постоянную величину. Удельные объемы воды в точках b 2 , b, b 1 обозначаются соответственно через v" 2 , v", v" 1 ; кривая b 2 bb 1 называется нижней предельной кривой. Температура, при которой начинается испарение, определяется тем давлением, под которым находится нагреваемая вода. За все время испарения эта температура не изменяется, если давление остается постоянным. Отсюда следует, что температура насыщенного пара есть функция только давления р. Рассматривая какую-либо линию, изображающую процесс испарения, например bcd, видим, что объем смеси пара и жидкости в процессе испарения возрастает по мере увеличения количества испарившейся воды. В некоторой точке d вся вода исчезает, и получается чистый пар; точки d для разных давлений образуют некоторую кривую d 1 dd 2 , которая называется верхней предельной кривой , или кривой сухого насыщенного пара ; пар в этом состоянии (когда только что закончилось испарение воды) называется сухим насыщенным паром . Если продолжать нагревание после точки d (по направлению к некоторой точке е), оставляя давление постоянным, то температура пара начинает повышаться. В этом состоянии пар называется перегретым. Таким образом получаются три области: правее линии d 1 dd 2 - область перегретого пара, между линиями b 1 bb 2 и d 1 dd 2 - область насыщенного пара и левее линии b 1 bb 2 - область воды в жидком состоянии. В какой-либо промежуточной точке с имеется смесь пара и воды. Для характеристики состояния этой смеси служит количество х содержащегося в ней пара; при весе смеси в 1 кг (равном весу взятой воды) эта величина х называется пропорцией пара в смеси , или паросодержанием смеси ; количество воды в смеси будет равно (1-x) кг. Если v" м 3 /кг - удельный объем сухого насыщенного пара при температуре t и давлении р кг/см 2 , а объем воды при тех же условиях v", то объем смеси v найдется по формуле:

Объемы v" и v", а следовательно, и их разность v"-v" суть функции давления р (или температуры t).

Вид функции, определяющей зависимость р от t для водяного пара, очень сложен; существует много эмпирических выражений для этой зависимости, которые все, однако, годятся лишь для некоторых ограниченных интервалов независимой переменной t. Реньо для температур от 20 до 230° дает формулу:

В настоящее время часто пользуются формулой Дюпре-Герца (Dupre-Hertz):

где k, m и n - постоянные.

Шюле дает эту формулу в следующем виде:

причем для температуры:

а) между 20 и 100°

(р - в кг/см 2 , Т - абсолютная температура пара);

б) между 100 и 200°

в) между 200 и 350°

Характер кривой давления р пара как функции температуры виден на фиг. 2.

В практике пользуются непосредственно таблицами, дающими связь между р и t. Таблицы эти составляются на основании точных опытов. Для нахождения удельных объемов сухого насыщенного пара имеется теоретически выводимая формула Клапейрон-Клаузиуса. Можно пользоваться также эмпирической формулой Молье:

Количество тепла q, необходимое для нагревания 1 кг воды от 0 до t° (начала испарения), выражается так:

где с - теплоемкость воды, в широких пределах мало отличающаяся от единицы; поэтому пользуются приближенной формулой:

Однако уже Реньо убедился в заметном возрастании с при высоких температурах и дал для q выражение:

В новейшее время для с даются такие данные (формула Дитеричи):

Для средней теплоемкости с m в интервале от 0 до t° дано выражение:

Несколько отклоняются от этой формулы данные опытов германского физико-технического института, наблюдения которого дают следующие значения с:

Для обращения в пар воды, нагретой до температуры, нужно еще затратить некоторое количество тепла r, которое называется скрытой теплотой испарения . В настоящее время эту затрату теплоты разделяют на 2 части: 1) теплоту Ψ, идущую на внешнюю работу увеличения объема при переходе воды в пар (внешнюю скрытую теплоту испарения), и 2) теплоту ϱ, идущую на внутреннюю работу разъединения молекул, происходящую при испарении воды (внутреннюю скрытую теплоту испарения). Внешняя скрытая теплота испарения

где А = 1/427 - тепловой эквивалент механической работы.

Таким образом

Для r дается следующая формула (основанная на опытах германского физико-технического института):

Полная теплота испарения λ, т. е. количество тепла, необходимое для обращения воды, взятой при 0°, в пар при температуре t, равна, очевидно, q+r. Реньо дал для λ следующую формулу:

эта формула дает результаты, близкие к новейшим опытным данным. Шюле дает:

Внутренняя энергия u воды при 0° принимается равной нулю. Для нахождения приращения ее при нагревании воды нужно выяснить характер изменения удельного объема воды при изменении давления и температуры, т. е. вид кривых а 2 аа 1 и b 2 bb 1 (фиг. 1). Простейшим предположением будет принятие этих линий за прямые, и притом совпадающие друг с другом, т. е. принятие удельного объема воды v" за постоянную величину, не зависящую ни от давления, ни от температуры (v" = 0,001 м 3 /кг). При этом предположении вся теплота, идущая на нагревание жидкости, т. е. q, идет на повышение внутренней энергии (так как внешней работы при этом нагревании не совершается). Это предположение годится, однако, только для сравнительно невысоких давлений (таблицы Цейнера даны до давлений в 20 кг/см 2). Современные таблицы (Молье и др.), доходящие до критического давления (225 кг/см 2) и температуры (374°) не могут, конечно, игнорировать изменения объема воды (удельный объем воды при критическом давлении и критической температуре равен 0,0031 м 2 /кг, т. е. в три с лишним раза больше, чем при 0°). Но Стодола и Кноблаух показали, что приведенная у нас выше формула Дитеричи для величины q дает именно величины изменения внутренней энергии (а не величины q); впрочем, разница между этими величинами до давления в 80 кг/см 2 незначительна. Поэтому полагаем для воды внутреннюю энергию равной теплоте жидкости: u" = q. За период испарения внутренняя энергия повышается на величину внутренней скрытой теплоты испарения ϱ, т. е. энергия сухого насыщенного пара будет: (фиг. 3).

Для смеси с пропорцией пара х получим следующее выражение:

Зависимость теплоты испарения и давления от температуры графически дана на фиг. 3.

Молье ввел в техническую термодинамику термодинамическую функцию i, определяемую уравнением и называемую теплосодержанием . Для смеси с пропорцией пара х это даст:

или, после приведения:

для воды (x = 0) получается:

для сухого насыщенного пара:

Величина произведения APv" очень мала по сравнению даже с величиной q (и тем более по сравнению с величиною q + r = λ); поэтому можно принять

В таблицах Молье даются поэтому не величины q и λ, а величины i" и i" в функции р или t°. Энтропия насыщенного пара находится по своему дифференциалу выражение dQ для всех тел имеет вид:

Для насыщенного водяного пара

Первый член представляет собой приращение энтропии воды при ее нагревании, второй член - приращение энтропии смеси во время испарения. Полагая

получим или, интегрируя:

Заметим, что при вычислении s" изменением удельного объема v" обыкновенно тоже пренебрегают и полагают Для решения всех вопросов, касающихся насыщенных паров, пользуются таблицами. В прежнее время в технике находили применение таблицы Цейнера, в настоящее время они являются устарелыми; можно пользоваться таблицами Шюле, Кноблауха или Молье. Во всех этих таблицах давления и температуры доведены до критического состояния. В таблицы включены следующие данные: температура и давление насыщенного пара, удельный объем воды и пара и удельный вес пара, энтропия жидкости и пара, теплосодержание воды и пара, полная скрытая теплота испарения, внутренняя энергия, внутренняя и внешняя скрытая теплота. Для некоторых вопросов (касающихся, например, конденсаторов) составляются специальные таблицы с малыми интервалами давлений или температуры.

Из всех изменений пара особенный интерес представляет адиабатическое изменение; оно м. б. изучено по точкам. Пусть дана (фиг. 4) начальная точка 1 адиабаты, определяемая давлением р 1 и пропорцией пара x 1 ; требуется определить состояние пара в точке 2, лежащей на адиабате, проходящей через точку 1 и определяемой давлением р 2 . Для нахождения х 2 выражают условие равенства энтропий в точках 1 и 2:

В этом уравнении величины s" 1 , r 1 /T 1 , s" 2 и r 2 /T 2 находятся по данным давлениям р 1 и р 2 , пропорция пара х 1 задана, и неизвестен только х 2 . Удельный объем v -2 в точке 2 определится по формуле:

Величины v"" 2 и v" 2 находятся из таблиц. Внешняя работа рассматриваемого адиабатического изменения находится по разности внутренних энергий вначале и конце изменения:

Для упрощения вычислений часто пользуются при изучении адиабатического изменения эмпирическим уравнением Цейнера, который выражает адиабату как политропу:

Показатель степени μ выражается через начальную пропорцию пара х 1 так:

Формула эта применима в пределах от x 1 = 0,7 до x 1 = 1. Адиабатическое расширение при начальной высокой пропорции пара, выше 0,5, сопровождается обращением части пара в воду (уменьшением x); при начальных пропорциях пара, меньших 0,5, адиабатическое расширение сопровождается, наоборот, испарением части воды. Формулы для остальных случаев изменения насыщенного пара находятся во всех учебниках технической термодинамики.

II. Перегретый пар . Внимание к перегретому пару привлечено было еще в 60-х годах прошлого столетия в результате опытов Гирна, показавших значительную выгоду при применении перегретого пара в паровых машинах. Но особенного распространения перегретый пар достиг после создания В. Шмитом особых конструкций перегревателей специально для получения пара высокого перегрева (300-350°). Эти перегреватели нашли широкое приложение сначала (1894-95 гг.) в стационарных паровых машинах, затем в паровозных машинах и в 20 веке - в паровых турбинах. В настоящее время почти ни одна установка не обходится без применения перегретого пара, причем перегрев доводится до 400-420°. Для возможности рационального применения столь высокого перегрева самые свойства перегретого пара были тщательно изучены. Первоначальная теория перегретого пара дана была Цейнером; она опиралась на немногочисленные опыты Реньо. Ее основные положения: 1) особый вид уравнения состояния, отличающегося от уравнения для идеальных газов добавочным членом, который является функцией только давления; 2) принятие для теплоемкости с р при постоянном давлении постоянного значения: с р = 0,48. Оба эти предположения не подтвердились в опытах над свойствами перегретого пара, произведенных в более широких пределах. Особое значение получили обширные опыты Мюнхенской лаборатории технической физики, начатые около 1900 г. и продолжающиеся и в настоящее время. Новая теория перегретого пара была дана в 1900-1903 гг. Каллендером в Англии и Молье в Германии, но и она не явилась окончательной, так как выражение для теплоемкости при постоянном давлении, получаемое из этой теории, не вполне согласуется с новейшими опытными данными. Поэтому появился целый ряд новых попыток построения уравнения состояния для перегретого пара, которое бы более согласовалось с результатами опытов. Из этих попыток известность получило уравнение Эйхельберга. Окончательное завершение эти попытки нашли в новой теории Молье (1925-1927 гг.), поведшей к составлению его последних таблиц. Молье принимает очень выдержанную систему обозначений, которой мы отчасти пользовались выше. Обозначения Молье: Р - давление в кг/м 2 абс., р - давление в кг/см 2 абс., v - удельный объем в м 3 /кг, γ = 1/v удельный вес в кг/м 3 , t - температура от 0°, Т = t° + 273° - абсолютная температура, А = 1/427 - тепловой эквивалент механической работы, R = 47,1 - газовая постоянная (для паров воды), s - энтропия, i - теплосодержание в Cal/кг, u = i–APv - внутренняя энергия в Cal/кг, ϕ = s – i/T, с р - теплоемкость при постоянном давлении, c ii p = 0,47 – предельная величина c p при p = 0.

Значки " и " относятся собственно к воде и к сухому насыщенному пару. Из уравнения Молье

при помощи формул, вытекающих из I и II закона термодинамики, получаются все важнейшие величины, характеризующие перегретый пар, т. е, s, i, u и с р. Молье вводит следующие вспомогательные функции температуры:

При помощи этих функций получаются следующие выражения:

Формулы для нахождения удельного объема и прочих величин для перегретого пара довольно сложны и неудобны для вычислений. Поэтому новейшие таблицы Молье заключают в себе вычисленные значения важнейших величин, характеризующих перегретый пар в функции от давления и температуры. При помощи таблиц Молье довольно просто и с достаточной точностью решаются все задачи, касающиеся перегретого пара. Надо еще заметить, что для адиабатического изменения перегретого пара в известных пределах (до 20-25 кг/см 3) сохраняет свое значение уравнение политропического вида: pv 1,3 = Const. Наконец, многие вопросы, касающиеся перегретого пара, м. б. решены при помощи графических приемов, особенно при помощи диаграммы IS Молье. На этой диаграмме помещены кривые постоянных давлений, постоянных температур и постоянных объемов. Т. о. можно прямо из диаграммы получать значения v, s, i в функции давления и температуры. Адиабаты изображаются на этой диаграмме прямыми линиями, параллельными оси ординат. Особенно просто находятся разности величин теплосодержания, соответствующие началу и концу адиабатического расширения; эти разности необходимы для нахождения скоростей истечения пара.

Водяной пар и его свойства

Водяной пар получают в паровых котлах при постоянном давлении и постоянной температуре. Сначала происходит нагрев воды до температуры кипения(она остается постоянной) или температурой насыщения. . При дальнейшем нагреве кипящая вода превращается в пар и ее температура до полного испарения воды остается постоянной. Кипение есть процесс парообразования во всем объеме жидкости. Испарение - па­рообразование с поверхности жидкости.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а из газообразного состояния в жидкое конденсацией . Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превра­щения ее из жидкого состояния в парообразный при температуре кипения, называется теплотой испарения .

Количество теплоты необходимое для нагрева 1 кг воды на 1 0 С назы­вается теплоемкостью воды . = 1 ккал/кг. град.

Температура кипения воды зависит от давления (имеются специальные таблицы):

Р абс = 1 кгс/см 2 = 1 атм, t к = 100°С

Р абс = 1,7 кгс/см 2 , t к = 115°С

Р абс = 5 кгс/см 2 , t к = 151°С

Р абс =10 кгс/см 2 , t к = 179°С

Р абс = 14 кгс/см 2 , t к = 195°С

При температуре воды в котельных на выходе 150°С и обратной t во-

ды 70°С каждый кг воды переносит 80 ккал теплоты.

В системах пароснабжения 1 кг воды превращенный в пар переносна около 600 ккал теплоты.

Вода практически не сжимается. Наименьший объем занимает при t= +4°С. При t выше и ниже +4°С объем воды увеличивается. Температура, при которой начинается конденсация избыточного кол-ва водяных паров называется t «точки росы».

Различают пар насыщенный и перегретый. При испарении часть молекул вылетает с поверхности жидкости и образуют над ней пар. Если поддерживать температуру жидкости постоянной, т. е. непрерывно подво­дить к ней теплоту, то число вылетающих молекул будет наростать, при этом из-за хаотичного движения молекул пара, одновременно с образова­нием пара происходит обратный процесс - конденсация при которой часть молекул пара возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то количество пара будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равновесие, т. е. коли­чество жидкости и пара станет постоянным.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью и имеющий одинаковые с ней температуру и давление, называется насыщен­ным паром.

Влажным насыщенным паром , называется пар, в котором имеются ка­пельки котловой воды; насыщенный пар, неимеющий капелек воды назы­вается сухим насыщенным паром .

Доля сухого насыщенного пара во влажном паре называется степенью сухости пара (x). При этом влажность пара будет равна 1 - х. Для сухого насыщенного пара х = 1. Если сообщать теплоту сухому насыщенному па­ру при постоянном давлении, то получается перегретый пар. Температура перегретого пара выше температуры котловой воды. Получают перегретый пар из сухого насыщенного пара в пароперегревателях, которые устанав­ливаются в газоходах котла.

Применение влажного насыщенного пара не желательно, т. к. при его перемещении по паропроводам возможны гидравлические удары (резкие толчки внутри труб) конденсата, скапливающегося в арматуре, на закруг­лениях и в пониженных местах паропроводов, а также в паровых насосах. Очень опасно резкое снижение давления в паровом котле до атмосферного которое может произойти в результате аварийного нарушения прочности котла, т. к. температура воды до такого изменения давления была выше 100°С, то избыточное количество тепла расходуется на парообразование, которое происходит практически мгновенно. Количество пара резко воз­растает что приводит к мгновенному повышению давления в котле и к серьезным разрушениям. Чем больше объем воды в котле и выше ее тем­пература, тем значительнее последствия таких разрушений. Объем пара в 1700 раз больше объема воды.

Перегретый пар- пар имеющий более высокую температуру, чем насыщенный при том же давлении - влаги не имеет. Перегретый пар получают в специальном устройстве- пароперегревателе, где сухой насыщенный пар нагревается дымовыми газами. В отопительных котельных перегретый пар не используется,поэтому нет пароперегревателя.

Основные свойства насыщенного пара:

1) t насыщ. пара = t кип. воды при данном Р

2) t кип. воды зависит от Рпара в котле

3) насыщенный пар конденсируется.

Основные свойства перегретого пара:

1) перегретый пар на конденсируется

2) t перегретого пара не зависит от давления пара в котле.

(Схема получения пара в паровом котле)(карт на стр 28 не обязательно)