3. Водяной пар и его свойства
3.1. Водяной пар. Основные понятия и определения.
Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, 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 называетсякипением . Обратный процесс парообразования называетсяконденсацией . Она также протекает при постоянной температуре. Процесс перехода твердого вещества непосредственно в пар называетсясублимацией . Обратный процесс перехода пара в твердое состояние называетсядесублимацией . 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 называетсянасыщенным паром . Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называетсяперегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называетсястепенью перегрева . Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар являетсяненасыщенным паром . В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуетсясухой насыщенный пар . Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением. Механическая смесь сухого и мельчайших капелек жидкости называетсявлажным паром . Массовая доля сухого пара во влажном паре называетсястепенью 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 нызваетсястепенью влажности –у .
у = 1 – .
Для кипящей жидкости при температуре насыщения = 0, для сухого пара – = 1.
3.2 Влажный воздух. Абсолютная и относительная влажность.
Атмосферный воздух широко используется в технике: в качестве рабочего тела (в воздушных холодильных установках, кондиционерах, теплообменниках и сушильных устройствах) и составной части для горения топлива (в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, в парогенераторах).
Сухим воздухом называется воздух, не содержащий водяных паров. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.
Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.
В теплотехнике некоторые газообразные тела принято называть паром. Так, например, вода в газообразном состоянии называется водяным паром, аммиак – аммиачным паром.
Рассмотрим более подробно термодинамические свойства воды и водяного пара. (1-6).
Образование пара из одноименной жидкости происходит посредством испарения и кипения . Между данными процессами существует принципиальное различие. Испарение жидкости происходит лишь с открытой поверхности. Отдельные молекулы, имеющие большую скорость, преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости. Сущность кипения состоит в том, что генерация пара происходит в основном в объеме самой жидкости за счет испарения ее внутрь пузырьков пара. Различают следующие состояния водяного пара:
влажный пар;
сухой насыщенный пар;
перегретый пар.
Атмосферный воздух (влажный воздух) может быть:
пересыщенный влажный воздух;
насыщенный влажный воздух;
ненасыщенный влажный воздух.
Пересыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и влажного водяного пара. Явление в природе – туман.Насыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и сухого насыщенного водяного пара.Ненасыщенный влажный воздух – смесь сухого воздуха и перегретого водяного пара.
Следует отметить принципиально разные значения термина “влажный” применительно к пару и к воздуху. Пар называется влажным, если содержит мелкодисперсную жидкость. Влажный воздух во всех представляющих интерес для техники случаях содержит перегретый или сухой насыщенный водяной пар. В общем случае влажный воздух может содержать и влажный водяной пар (например, облака), но этот случай технического интереса не представляет и далее не рассматривается.
В атмосферном (влажном) воздухе каждый компонент находится под своим парциальным давлением, имеет температуру, равную температуре влажного воздуха и равномерно распределен по всему объему.
Термодинамические свойства влажного воздуха как газовой смеси сухого воздуха и водяного пара определяются по закономерностям, характерным для идеальных газов.
Расчет процессов с влажным воздухом обычно проводится при условии, что количество сухого воздуха в смеси не изменяется. Переменной величиной является количество содержащегося в смеси водяного пара. Поэтому удельные величины, характеризующие влажный воздух, относятся к 1 кг сухого воздуха.
Давление влажного воздуха определяется по закону Дальтона:
Р=Рв+Рп, (3.1)
Где Рв – парциальное давление сухого воздуха, кПа; Рп – парциальное давление водяного пара, кПа.
Запишем уравнение Клапейрона - Менделеева
влажный воздух PV=MRT; (3.2)
сухой воздух P B V=M B R B T; (3.3)
водяной пар Р П V=M П R П Т, (3.4)
где V – объем влажного воздуха, м 3 ; М, М В, М П – масса соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кг; R, R В, R П – газовая постоянная соответственно влажного, сухого воздуха и водяного пара, кДж/(кгК); Т – абсолютная температура влажного воздуха, К.
Абсолютная влажность воздуха – количество водяного пара, содержащееся в 1 м 3 влажного воздуха. Она обозначается через П и измеряется в кг/м 3 или г/м 3 . Иначе говоря, она представляет собой плотность водяного пара в воздухе: П =Р П /(R П Т). Очевидно, что
П =М П /V, где V – объем влажного воздуха массой М.
Относительной влажностью воздуха называется отношение абсолютной влажности воздуха в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного воздуха (Н) при той же температуре.
Можно отметить два характерных состояния воздуха по величине :<100 %, при этом Р П <Р Н и водяной пар перегретый, а влажный воздух ненасыщенный;=100 %, при этом Р П =Р Н и водяной пар сухой насыщенный, а влажный воздух насыщенный. Температура, до которой необходимо охлаждать ненасыщенный влажный воздух, чтобы содержащийся в нем перегретый пар стал сухим насыщенным, называется температурой точки росы t Н.
3.3 i d – диаграмма влажного воздуха
Впервые id - диаграмма для влажного воздуха была предложена проф. Л.К. Рамзиным. В настоящее время она применяется в расчетах систем кондиционирования, сушки, вентиляции и отопления. Вid – диаграмме по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздухаi, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых наid - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к оси ординат.
При таком расположении осей координат линии i=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.
Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на id.-диаграмме наносят изотермы t С =const, t M =const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности (начиная от.=5% до=100%). Линии постоянных значений относительной влажности=const строят только до изотермы 100° , т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р П =Р влагосодержание d=const.
Кривая постоянной относительной влажности =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии=100% - область насыщенного влажного воздуха.
Так как при =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t C =t M , то изотермы t C =t M =const пересекаются на линии=100%..
Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.
Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по id - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность -, энтальпию воздуха -i; парциальное давление пара – Р П, температуру точки росы – t М.
Вопрос 1. В каких агрегатных состояниях может находиться вода?
1) Твёрдое – лед, 2) Жидкое – вода, 3) Газообразное – пар.
Вопрос 2. Чем отличаются агрегатные состояния друг от друга?
Агрегатное состояние вещества определяется расположением, характером движения и взаимодействия молекул.
Вопрос 3. Могут ли выпадать осадки не из облаков?
Нет, так как осадки – это вода в жидком или твёрдом состоянии, выпадающая из облаков или осаждающаяся из воздуха на земную поверхность и какие-либо предметы.
Вопрос 4. Почему туман возникает чаще либо рано утром, либо вечером?
Он связан с холодным потоком воздуха, который опускается на теплые поверхности суши или воды.
Вопрос 5. Что такое водяной пар?
Водяной пар - это молекулы воды. То есть водяной пар - это газ.
Вопрос 6. Что такое облако?
Облако - это скопление мелких капель воды или кристалликов льда в атмосфере.
Вопрос 7. Какие существуют виды облаков?
Основными видами облаков являются: слоистые, кучевые, перистые.
Вопрос 8. Перечислите виды атмосферных осадков.
Дождь, ливень, морось, снег, туман, град, роса, иней.
Вопрос 9. Всегда ли осадки выпадают из облаков?
Осадки могут выпадать из воздуха в виде инея, росы при соприкосновении теплого воздуха с холодной поверхностью.
Вопрос 10. Что такое влажность воздуха?
Влажность воздуха - это величина, характеризующая содержание водяных паров в атмосфере Земли.
Вопрос 11. Как образуется водяной пар?
Водяной пар образуется молекулами воды при её испарении.
Вопрос 12. В чём заключается главная закономерность распределения влаги на поверхности Земли?
Поскольку влажность воздуха зависит от температуры воздуха, то воздух над экватором и над океанами всегда более влажный, чем воздух над полюсами и материками.
Вопрос 13. Почему при прочих равных условиях тёплый воздух содержит больше водяного пара, чем холодный?
Потому что при повышении температуры, процесс испарение ускоряется.
Вопрос 14. В чём заключается суть процесса возникновения тумана?
Туман образуется при конденсации. Под утро поверхность Земли сильно охлаждается. Остывает и воздух над ней. При остывании воздух, как и другие вещества, сжимается. Молекулам водяного пара становится тесно, они сближаются всё сильнее и сильнее. Наконец они начинают сталкиваться друг с другом и образуют мельчайшие капельки. Они так малы, что каждую в отдельности мы не можем видеть, но вместе они образуют туман.
Вопрос 15. При каких условиях в природе происходит конденсация водяного пара?
Конденсация - это превращение водяного пара в капельное (жидкое) состояние. Конденсация происходит при охлаждении воздуха.
Вопрос 16. Чем отличается облако от тучи?
Количество воды в тучах превосходит количество воды в облаках, вследствие чего избыток влаги выпадает в виде различных осадков: дождя, снега или града.
Вопрос 17. Составьте схему классификации осадков на основе текста параграфа.
Вопрос 18. Используя данные, приведённые в таблице, рассчитайте годовое количество осадков.
Количество осадков за год: 10+15+ 20+25+15+10+5+5+15+20+25 +20=185 мм.
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.
Тема 2. Основы теплотехники.
Теплотехника - это наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических веществ, называемых топливом.
Основы теплотехники составляют:
1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие виды энергии (например: тепловая энергия в механическую, химическую и т. д.)
2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносителями через поверхность нагрева.
Рабочим телом является теплоноситель (водяной пар или горячая вода), который способен передавать теплоту.
В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и общественных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее температуры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с температурой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах отопления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.
Параметры рабочего тела
Теплоноситель, получая или отдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.
Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар, который имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в пароводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсат. Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конденсата понижается.
Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.
t, P- определяется приборами: манометрами, термометрами.
Удельный объем и плотность является расчетной величиной.
1. Удельный объем - объем занимаемый единицеймассы вещества при
0°С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. (при нормальных условиях)
где: V- объем (м 3); m- масса вещества (кг); стандартное условие: Р=760мм р.ст. t=20 о С
2. Плотность
- отношение массы вещества к его объему. 
каждое вещество имеет свою плотность:
В практике применяется относительная плотность – отношение плотности данного газа к плотности стандартного вещества (воздуха) при нормальных условиях (t° = 0°С: 760 мм. рт.ст.)
Сравнивая плотность воздуха с плотностью метана, мы можем определить из каких мест брать пробу на наличие метана.
получаем,
газ легче воздуха, значит, он заполняет верхнюю часть любого объема, проба берется из верхней части топки котла, колодца, камер, помещения. Газоанализаторы устанавливаются в верхней части помещений.
(мазут легче, занимает верхнюю часть)
Плотность угарного газа почти, такая как у воздуха, поэтому проба на угарный газ берется в 1.5 метров от пола.
3. Давление - эта сила, действующая на единицу площади поверхности.
Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверхности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ (сейчас в школах, в книгах все идет в Па, приборы тоже стали в Па).
Величина Па мала по значению, пример: если взять 1 кг воды разлить на 1 метр получаем 1 мм.в.ст. ,поэтому вводятся множители и приставки- МПа, КПа…
В технике применяются более крупные единицы измерения
1кПа=10 3 Па; 1МПа=10 б Па; 1ГПа=10 9 Па.
Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 ;мм.в.ст;мм.р.ст.
1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па
1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2
Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах.
Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при н.у.
1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .
Техническая атмосфера- давление вызываемое силой в 1кгс равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью в 1см 2 .
1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2
1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного столба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.
1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.
В технических характеристиках насосов вместо давления употребляется термин напор. Единицей измерения напора является м. вод. ст. Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.
Виды давления : избыточное, вакуум (разрежение, тяга), абсолютное, атмосферное .
Если стрелка отклоняется в строну большую нуля то это избыточное давление, в меньшую – разряжение.
Абсолютное давление:
Р абс =Р изб +Р атм
Р абс =Р вак +Р атм
Р абс =Р атм -Р разр
где: Р атм =1 кгс/см 2
Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.
Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме). В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р изб. измеряется приборами манометрами.
Вакуум (Разрежение) - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением. Разрежение измеряется приборами тягомерами.
Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с учетом атмосферного давления.
По назначению давление бывает:
1). Русловное - наибольшее давление при t=20 o С
2). Ррабочее – максимально избыточное давление в котле, при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации (указывается в производственной инструкции).
3). Рразрешенное - максимально допустимое давление, установленное по результатам технического освидетельствования или контрольного расчета на прочность.
4). Ррасчетное – максимально избыточное давление, на котором производится расчет прочность элементов котла.
5). Рпробное - избыточное давление, при котором производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (один из видов технического освидетельствования).
4. Температура - это степень нагретости тела, измеряется в градусах. Определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому телу.
Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие.
Используются две шкалы: международная - Кельвина и практическая Цельсия t °С.
За ноль в этой шкале принята температура плавления льда, за сто градусов – температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).
За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.
1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия
Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К
Т=t + 273; t = T-273
Температура кипения зависит от давления.
Например, При Р аб c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.
5. Теплота - энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому.
В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).
1 кал. - количество теплоты необходимое для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при
Р = 760 мм. рт.ст.
1 кал. =4,19Дж
6.Теплоемкость – способность тела поглощать теплоту. Для того чтобы два различных вещества с одинаковой массой нагреть до одинаковой температуры, нужно затратить различное количество теплоты.
Удельная теплоемкость воды – количество тепла которое необходимо сообщить единицей вещества чтобы повысить его t на 1°С, равна 1 ккал/кг град.
Способы передачи теплоты.
Различают, три способа переноса теплоты:
1.теплопроводность;
2.излучение (радиация);
3.конвекция.
Теплопроводность-
Перенос теплоты вследствие теплового движения молекул, атомов и свободных электронов.
Каждое вещество имеет свою теплопроводность, она зависит от химического состава, структуры, влажности материала.
Количественной характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности этоколичество теплоты, передаваемые через единицу поверхности нагрева в единицу времени при разности t в о С и толщине стенки в 1 метр.
Коэффициент теплопроводности ( ):
Медь = 330 ккал . м/м 2. ч . град
Чугун = 5 4 ккал . м/м 2. ч . град
Сталь =39 ккал . м/м 2. ч . град
Видно что: хорошей теплопроводностью обладают металлы, лучше всего медь.
Асбест =0,15 ккал . м/м 2. ч . град
Сажа =0,05-0, ккал . м/м 2. ч . град
Накипь =0,07-2 ккал . м/м 2. ч . град
Воздух =0,02 ккал . м/м 2. ч . град
Слабо проводят теплоту пористые тела (асбест, сажа, накипь).
Сажа затрудняет передачу тепла от топочных газов к стенке котла (проводит тепло хуже стали в 100 раз), что приводит к перерасходу топлива, снижению выработки пара или горячей воды. При наличии сажи повышается температура уходящих газов. Все это ведет и уменьшению КПД котла. При работе котлов ежечасно по приборам (логометр) контролируется t ух.газов, значения которых указаны в режимной карте котла. Если t ух.газов повысилась то производится обдувка поверхности нагрева.
Накипь образуется внутри труб (в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь), тем самым уменьшает теплопередачу от стенки котла к воде, в результате стенки перегреваются, деформируются, разрываются (разрыв труб котла). Накипь в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь
Конвекция -
Перенос теплоты перемешиванием или перемещением частиц между собой (характерна только для жидкостей и газов). Различают конвекцию естественную и принудительную.
Естественная конвекция - свободное движение жидкости или газов за счет разности плотностей неравномерно нагретых слоев.
Принудительная конвекция - вынужденное движение жидкости или газов за счет давления или разрежения, создаваемых насосами, дымососами и вентиляторами.
Способы увеличения конвективного теплообмена:
§ Увеличение скорости потока;
§ Турбулизация (завихрение);
§ Увеличение поверхности нагрева (за счет установки ребер);
§ Увеличение разности температур между греющей и нагреваемой средами;
§ Противоточное движение сред (противоток) .
Излучение (радиация)-
Теплообмен между телами находящимися на расстоянии друг от друга за счет лучистой энергии, носителями которой являются электромагнитные колебания: происходит превращение тепловой энергии в лучистую и наоборот, из лучистой в тепловую.
Излучение наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если изучающее тело имеет высокую температуру, а лучи направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.
Для улучшения теплообмена излучением в топках котлов выкладываются из огнеупорных материалов специальные щели, которые одновременно являются излучателями теплоты и стабилизаторами горения.
Поверхность нагрева котла – поверхность, с которой с одной стороны омывается газами с другой стороны водой.
Рассмотренные выше 3 вида теплообмена в чистом виде встречаются редко. Практически один вид теплообмена сопровождается другим. В котле присутствуют все три вида теплообмена, который называется сложным теплообменом.
В топке котла:
А) от факела горелки к внешней поверхности труб котла- излучением.
Б) от образующихся дымовых газов к стенке –конвекцией
В) от внешней поверхности стенки трубы к внутренней- теплопроводностью.
Г) от внутренней поверхности стенки трубы к воде, циркуляцией вдоль поверхности – конвекцией.
Перенос теплоты от одной среды к другой через разделительную стенку называется теплопередачей.
Вода, водяной пар и его свойства
Вода простейшая устойчивая в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, наибольшая плотность воды 1000кг/м 3 при t=4 о С.
Вода, как и всякая жидкость, подчиняется гидравлическим законам. Она почти не сжимается, поэтому обладает способностью передавать давление, оказываемое на нее во все стороны с одинаковой силы. Если несколько сосудов разной формы соединить между собой, то уровень воды будет одинаковый везде (закон сообщающихся сосудов).
Похожая информация.
При слове "пар", я вспоминаю времена, когда ещё учился в начальных классах. Тогда, приходя из школы домой, родители начинали готовить обед, и ставили кастрюлю с водой на газовую плиту. И уже через десять минут, в кастрюльке начинали появляться первые пузырьки. Этот процесс всегда меня завораживал, мне казалось, что я могу смотреть на это вечно. А потом, через некоторое время после появления пузырьков, начинал идти сам пар. Однажды, я спросил маму: "А откуда идут эти белые тучки?" (Так раньше я их называл). На что она мне отвечала: "Это всё происходит из-за нагрева воды". Хотя ответ и не давал полного представления о процессе возникновения пара, на уроках школьной физики я узнал о паре всё, что хотел. Итак...
Что же есть водяной пар
С научной точки зрения, водяной пар - просто одно из трёх физических состояний самой воды . Он, как известно, возникает при нагревании воды. Как и она сама, пар не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Но не все знают, что клубы пара обладают своим давлением, которое зависит от его объёма. А выражается оно в паскалях (в честь небезызвестного учёного).
Водяной пар окружает нас не только, когда мы варим что-нибудь на кухне. Он постоянно содержится в уличном воздухе и атмосфере. И его процент содержания называется "абсолютной влажностью".
Факты о водяном паре и его особенности
Итак, несколько интересных моментов:
- чем выше температура , которая действует на воду, тем быстрее идёт процесс испарения;
- помимо этого, скорость испарения увеличивается с размерами площади поверхности, на которой эта вода находится. Другими словами, если мы начнём нагревать небольшой водный слой на широкой металлической чашке, то испарение пройдет весьма быстро;
- для жизни растений нужна не только жидкая вода, но и газообразная . Объяснить этот факт можно тем, что с листьев любого растения постоянно идут испарения, охлаждающие его. Попробуйте в знойный день потрогать лист дерева – и вы заметите, что он прохладный;
- то же самое касается человека, с нами работает та же система, что и с растениями выше. Испарения охлаждают нашу кожу в жаркий день . Удивительно, но даже при небольших нагрузках, наш организм покидает около двух литров жидкости в час. Что уж тут говорить про усиленные нагрузки и знойные летние деньки?
Вот таким образом можно описать сущность пара и его роль в нашем мире. Надеюсь, вы открыли для себя много интересного!
