Критические параметры водяного пара
Основные параметры водяного пара. Влажный, сухой перегретый пар. Критические давление и температура.
Сухой насыщенный пар представляет собой пар, не содержащий капель жидкости и имеющий температуру насыщения (t=tн) при данном давлении.
Влажный насыщенный пар – это равновесная смесь, состоящая из капель жидкости, находящейся при температуре кипения, и сухого насыщенного пара. Отношение массы сухого насыщенного пара mс.п. к массе влажного насыщенного пара mв.п. называется степенью сухости х влажного пара, то есть
Для жидкости х=0, для сухого насыщенного пара х=1. Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить теплоту, то его температура увеличится. Пар, температура которого при данном давлении больше, чем температура насыщения (t>tн), называется перегретым. Другими словами, перегретый пар – это пар, находящийся при температуре, превышающей температуру кипения жидкости при давлении, равном давлению перегретого пара. Величина превышения температурой пара температуры кипения жидкости называется степенью перегрева пара.
Критическая точка-точка на линии насыщения в которой исчезает различие между жидкой и газовой фазами.
Критическая точка является конечной точкой линии фазового перехода жидкость-пар, начинающейся в тройной точке.
Ркр и Ткр являются максимальными для области двухфазного состояния жидкость-пар.
Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 17 ; Нарушение авторских прав
Критическая точка (термодинамика)
Из Википедии — свободной энциклопедии
 Внешние изображения | |
|---|---|
 | 1 Критическая кривая для системы пропан — изопентан [1] |
| 2 Кривая расслоения в системе с нижней критической точкой вода — 4-метил-3-этилпиридин, в которой достижению верхней критической точки препятствует кипение смеси [2] |
| 3 Примеры сложных фазовых диаграмм с верхней и нижней критическими точками расслоения [3] |
| 4 Критическая кривая расслоения k1K в системе из трёх жидкостей, две из которых ограниченно растворяются друг в друге [4] |
| 5 Пример критической кривой на пространственной диаграмме состояния [5] |
Синие — изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них — метастабильные состояния.
где ρcrit — критическая плотность вещества, г/см³; M — молярная масса вещества, г/моль; Vcrit — критический удельный объём вещества, см³/моль.
При температуре выше критической газ невозможно перевести в жидкое состояние ни при каком давлении.
У смесей или растворов следует различать критическую точку равновесия жидкость — пар и критическую точку равновесия фаз различного состава, находящихся в одном агрегатном состоянии (жидкость — жидкость, газ — газ). В связи с этим критическая точка смесей (растворов) дополнительно характеризуется критической концентрацией компонентов. В результате увеличения числа параметров, определяющих состояние системы, у смесей имеется не одна критическая точка, а совокупность критических точек, образующих кривую критических точек [6] (критическую кривую [7] [8] ). Пример такой кривой приведён на внешнем изображении 1.
Параметры и функции состояния водяного пара
Здравствуйте! Водяной пар может быть трех видов: влажным насыщенным, сухим насыщенным, перегретым. Рассмотрим все три вида.
Влажный насыщенный пар. Удельный объем влажного насыщенного пара находится из выражения
где υ» — удельный объем сухого насыщенного пара; υ’ — удельный объем воды при температуре парообразования и том же давлении, что и объем υ».
Двумя штрихами в технической термодинамике принято обозначать параметры и функции состояния сухого насыщенного пара, а одним штрихом — величины, характеризующие состояние воды при температуре парообразования.
При небольших давлениях (p 0,8 объем жидкости υ'(1—х) можно не учитывать и приближенно определять удельный объем влажного насыщенного пара из соотношения υ ≈ υ»x. В процессе парообразования при постоянном давлении для получения 1 кг влажного насыщенного пара к 1 кг кипящей жидкости необходимо подвести количество теплоты
Так как в процессе при р = const количество теплоты равно изменению энтальпии, то величину энтальпии i влажного насыщенного пара можно определить из выражения
q = rx = i—i’ или i=i’+rx. (2)
Энтальпия i’ кипящей воды при температуре парообразования и теплота парообразования г соответствуют тому же давлению, что и энтальпия i. Так как величина энтальпии при 273 К принимается за нуль, то энтальпию i’ кипящей воды можно найти из выражения
где сm — средняя массовая теплоемкость воды в интервале температур от 273 К до Тн.
Энтальпия i’ кипящей воды, как следует из выражения (3), численно равна количеству теплоты, которая затрачивается для нагревания 1 кг воды от 0° С до температуры кипения tн при р = const.
В соответствии с уравнением первого закона термодинамики q = ∆u+l имеем
Анализ этого выражения показывает, что теплота парообразования r складывается из внутренней теплоты парообразования u»- u’, затрачиваемой на изменение внутренней энергии (преодоление сил притяжения между молекулами), и внешней теплоты парообразования p (u»- u’), равной работе против внешних сил. Для давлений меньше 20 МПа внешняя теплота парообразования незначительна и не превышает 13% от величины r.
Энтропию влажного насыщенного пара найдем из выражения
Так как в процессе парообразования при p=const T=const, то с учетом уравнения (1) получим
где s’— энтропия воды при температуре парообразования и том же давлении, что и величины s, г и Tн.
Величину s’ можно определить из соотношения
Пределы интегрирования в выражении (4) приняты в соответствии с условием, что при 273 К энтропия равна нулю.
Сухой насыщенный пар.
Состояние сухого насыщенного пара определяется значением одного параметра, например давления или температуры парообразования, так как другой параметр состояния — степень сухости — имеет определенное значение х=1. Параметры и функции состояния сухого насыщенного пара можно определить по выведенным выше формулам (1), (2) для влажного пара при условия х = 1.
Перегретый пар.
Для получения перегретого пара в котельном агрегате устанавливают специальный теплообменник (пароперегреватель), в котором происходит перегрев влажного насыщенного пара. Для характеристики состояния перегретого пара должны быть известны два любых параметра состояния пара, например давление и температура. Вместо параметров могут быть заданы функции состояния (энтальпия или энтропия).
Энтальпия перегретого пара находится из выражения
где сpm—массовая средняя изобарная теплоемкость пара в интервале температур от Tн до Т.
Энтропия перегретого пара определяется следующим образом
В уравнения (5) и (6) необходимо подставлять значения величин i», s» и cpm при том же давлении, для которого определяются энтальпия i и энтропия s. Исп.литература: 1) Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий, Н.М. Никифорова, Москва, «Высшая школа», 1981. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.
Диаграммы водяного пара
Здравствуйте! Определять параметры и функции состояния по формулам зачастую бывает затруднительно вследствие сложной зависимости теплоемкости водяного пара и теплоты парообразования от температуры и давления. Поэтому для водяного пара, на основании экспериментальных исследований составлены таблицы, отражающие зависимости важнейших параметров водяного пара. Пользуясь ими, к примеру, по известному давлению сухого насыщенного пара можно определить все остальные параметры.
Так как состояние сухого насыщенного пара однозначно определяется его давлением р или температурой насыщения Тн, то таблицы составляются по давлению или температуре. По одному из этих параметров из таблиц можно определить другие величины, характеризующие состояние сухого насыщенного пара. В таблицах перегретого пара приводятся его параметры и функции состояния в зависимости от температуры и давления пара.
Расчет процессов изменения состояния пара упрощается при переходе к графическому методу, основанному на использовании диаграмм состояния. В этом случае не требуется проводить большой объем вычислений и расчет сводится к определению параметров с помощью диаграмм. Графическим методом легко определить не только начальные и конечные параметры пара в процессе, но и все промежуточные параметры состояния, что существенно упрощает инженерные расчеты.
Преимуществом графического метода является возможность сравнительно просто проследить связь между различными величинами, это делает его незаменимым при теоретическом анализе различных процессов в тепловых двигателях. С помощью диаграммы, как и по таблицам, можно определить параметры и функции состояния водяного пара, в том числе и влажного насыщенного пара.
Наибольшее распространение получили Ts- и is-диаграммы состояния водяного пара. Так как с помощью Ts-диаграммы легко определить количество теплоты в процессе, то она и применяется в основном для теоретического анализа экономичности тепловых двигателей. При расчетах различных процессов изменения состояния используется главным образом is- диаграмма водяного пара.
На рис. 1 в координатах Ts изображен процесс парообразования при р = const (процесс abcd). Кривая аКс является пограничной кривой, а точка К — критической точкой. Начало отсчета энтропии соответствует ее значению при 273 К. Площадь под кривой процесса на is-диаграмме соответствует количеству теплоты.
Следовательно, площадь под изобарой ab эквивалентна энтальпии воды i’ при температуре парообразования Tн. На изобарном участке bс, совпадающем с изотермой, происходит процесс парообразования, и площадь под прямой bс соответствует теплоте парообразования г. В изобарном процессе перегрева cd температура пара повышается до значения Т, и к пару подводится количество теплоты срm (Т—Тн). Линии постоянной степени сухости х=const, как и на всех диаграммах, сходятся в критической точке К.
На рис. 2 показаны различные процессы изменения состояния водяного пара на is-диаграмме. Область диаграммы, расположенная левее пограничной кривой еК, соответствует состоя-нию жидкости. Пограничная кривая пара Kf делит диаграмму на две области. Выше этой кривой расположена область перегретого пара, а ниже — область влажного пара. На пограничной кривой Kf пар является сухим насыщенным (х=1). Изобарный процесс изображен линией abc, изотермический — abd (в области влажного пара изотерма и изобара совпадают), изохорный — υ=const и адиабатный — gh. Кроме того, на этом рисунке показаны линии постоянной степени сухости х = const. В таблицах и на диаграммах не приводятся значения внутренней энергии газа, которую можно определить из соотношения u = i—pυ.
На рис. 3 приведена is-диаграмма водяного пара. При графическом расчете процессов по любым двум известным величинам (р, υ, Т; х, i, s) находят на диаграмме точку, соответствующую начальному состоянию пара, и все неизвестные параметры. Конечное состояние пара можно определить также по двум известным параметрам состояния. Если задан только один конечный параметр состояния, то необходимо знать еще характер процесса. В этом случае точку, характеризующую конечное состояние, находят на пересечении заданной кривой процесса и соответствующей изопараметрической кривой, например изобары.
Пример. Определить количество теплоты, сообщаемой 1 кг пара в пароперегревателе котельного агрегата. Начальные параметры пара p1 = 5 МПа и x1=0,95. Известно также, что после адиабатного расширения пара в турбине х2 = 0,87, а конечное давление пара р2=0,01 МПа.
Решение. Так как в пароперегревателе к пару подводится теплота при постоянном давлении, то количество ее равно разности начальной энтальпии i1 и энтальпии i2 пара после пароперегревателя: q=i2—i1. По начальным параметрам пара p1 и x1 на is-диаграмме находим точку А (рис. 3), которой соответствует значение энтальпии i1=2720 кДж/кг. Точку В, соответствующую состоянию пара на выходе из пароперегревателя, находим на пересечении изобары p1=5 МПа и адиабаты ВС, которая проходит через точку С. Положение точки С определяется параметрами пара р2 и x2. Энтальпия пара в точке В i2 = 3600 кДж/кг.
Количество подведенной к 1 кг пара теплоты равно q = 3600—2720=880 кДж/кг. Рассмотренный пример показывает, что is-диаграмма значительно упрощает расчеты процессов для водяного пара. Исп.литература: 1) Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий, Н.М. Никифорова, Москва, «Высшая школа», 1981. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.
Что такое насыщенный и перегретый пар
Термины насыщенный пар и перегретый пар относятся к термодинамическому состоянию воды. Вода и пар являются средами, используемыми для теплообмена в котловых установках благодаря своей доступности и высокой теплоемкости. Особенно эффективно передавать тепло посредством испарения и конденсации воды, которая обладает большой скрытой теплоты испарения.
Насыщенный пар (НП) и перегретый пар (ПП) относятся к определенному давлению среды. Первый НП может существовать во влажном и сухом состоянии, а перегретый ПП – только в сухом, поскольку не может содержать в своем составе частиц воды.
Чаще всего эти понятия применяются в теплоэнергетике, для расчета термодинамических циклов в контуре парового котла и в паровых турбинах, генерирующих электрическую энергию на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и АЭС.
Что такое насыщенный пар
Водяной пар, пребывающий в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Это формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение
В котлоагрегатах парообразование протекает при постоянном давлении и подводе тепла к котловой воде от уходящих газов. Этот процесс базируется на следующих последовательных стадиях: подпитка котла водой, подогрев ее до температуры точки насыщения, и образование сухого насыщенного пара, когда вся жидкость испаряется из него.
В паровых котлах питательная вода, пройдя через экономайзер, попадает в барабан. Из него более холодные потоки под воздействием силы тяжести опускаются по необогреваемым трубам, а поднимаются по подъёмным топочным экранам обогреваемые более горячими дымовыми газами.
Здесь начинается процесс парообразования, поскольку температура воды достигает значения точки насыщения при рабочем давлении в котлоагрегате.
Плотность пароводяной смеси в экранных пакетах уменьшается и становится ниже плотности воды в опускных трубах, что создает напор для движения пароводяной смеси по экранам в барабан, где смесь сепарируется на воду и пар.
В закрытой поверхности нагрева при не меняющейся температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и водяным паром. Число молекул пара, выделяющихся из поверхности воды за определенное время, будет равняться числу молекул сконденсированного пара, которые перейдут обратно в воду в барабане котла.
Давление насыщенного пара
Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в равновесном термодинамическом состоянии. При росте давления, пар сжимается и баланс нарушается. Плотность пара первоначально несколько возрастает, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.
Поскольку количество молекул, переходящих из воды в единицу времени связано исключительно с температурой, то сжатие паровой среды не будет влиять на изменение этого числа.
Процесс будет протекать пока не возникнет термодинамическое равновесие, а следовательно, и концентрация возвращающихся молекул не достигнет первоначального уровня. Таким образом, Тнп напрямую зависит от давления насыщения в котле.
Таблица насыщенного пара
Характеристики сухого НП, приводятся в Таблице водяного пара. В ней указывают Т (С), при точке кипения котловой воды и давление (кПа и мм. рт.ст.) при которой этот процесс протекает.
Дополнительно в таблице могут указываться и другие параметры пара:
Плотность насыщенного пара
Плотность НП определяют по формуле.
D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273))
В этом уравнении символ «Z st» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютной величине давления насыщенного водяного пара P, бар. Это удобное уравнение действительно для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар, с соответствующим диапазоном температур насыщения от 10 до 360 С.
Влажность насыщенного пара
Когда котлоагрегат нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся через слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель паров воды. В этом случае соотношение может составлять от 0 до 1. Если пар имеет 20 % воды по объему — он считается сухим на 80% или имеет долю сухости 0,8.
Таблицы НП содержит значения, такие как температура, энтальпия и удельный объем для сухого НП, но не для влажного. Для того чтобы их определить потребуется воспользоваться формулами, учитывая соотношение двух сред:
Удельный объем (v) мокрого пара
Удельная энтальпия пара сухостью Х:
Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплосодержание, энтальпия и энтропия. Таким образом сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.
Задачей теплоэнергетиков является организация процессов парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов устанавливают специальные сепарационные устройства, отделяющие пар от воды.
Перегретый пар
Перегретый пар — это пар с температурой, превышающей его температуру кипения при абсолютном давлении, при котором проводились измерение температуры. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, поскольку температура может увеличиваться, в то время как давление остается постоянным.
Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts представлен на рисунке между состоянием E и кривой насыщенного пара. Чтобы оценить тепловую эффективность цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.
Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла особого теплообменника, называемого пароперегревателем.
В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению, как температуры, так и удельного объема. Наибольшее значение перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции для движения лопастей турбины, создающих вращательное движение вала.
Температура перегретого пара
Характеристики перегретого пара (ПП) аналогичны идеальному газу, но не равны насыщенному пару. Поскольку ПП не обладает зависимостью между температурой и давлением, при конкретном давлении он может вырабатываться в широком температурном диапазоне, что будет зависеть от площади нагрева пароперегревателя.
Перегретый пар отличается от насыщенного такими преимуществами:
Методы регулирования температуры перегретого пара
Довольно часто для технологических процессов, требуется получение перегретого пара строго определенной температуры. Для того чтобы снять ее излишки, обычно используют три метода воздействия на температуру ПП:
В теплоэнергетике в котлах высокого давления наиболее часто применяют первый метод, путем впрыскивания в поток ПП питательной воды или конденсата от турбогенератора. Впрыском насыщенного пара, как правило, регулируют температуру вторичного перегрева пара.
Получение перегретого пара
Пароперегреватель устройство, устанавливаемый в котлоагрегате, вырабатывает перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к особо критичным котловым элементам, поскольку из-за высоких температур ПП металл конструкции функционирует в предельно-допустимых условиях.
Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления и промежуточного типа, которые направляют пар отработанный в турбине для промперегрева.
Кроме того пароперегреватели классифицируются по тепловосприятию на конвективные, установленные в конвективной части котла, радиационные — расположены около топочных экранов и ширмовые — установленные в верхней части топки. По направлению движения потоков ПП и уходящих котловых газов выпускают ПП : прямоточные, противоточные и смешанные.
Использование перегретого пара в технике
В современных паровых турбинах применяют ПП с температурой перегретого пара существенно выше критической (374C).
Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другое использование перегретого пара:
Котлы перегретого пара
В России применяется ГОСТ 3619-76 на паровые котлоагрегаты, в котором установлены параметры насыщенного и перегретого пара, а также паровая производительность и температура воды для питания котла.
Современная российская энергетика использует котлоагрегаты производительностью вырабатывающих 1000/1650/2650/3950 т/ч пара для турбогенераторов соответствующей мощностью 300/500/800/1200 МВт, работающих на сверхкритических параметрах по давлению 25,5 МПа и Тпп=545С.
Энергетические котлы классифицируются по давлению пара — высокого от 10 до 14 МПа и сверхкритического свыше 25,5 МПа. Котлоагрегаты сверхвысокого давления, обычно, выполняют с вторичным перегревом пара.
Паровые котлоагрегаты малой и средней паропроизводительности используются для производства насыщенного и перегретого пара с характеристиками до 3,9 МПа и Т=450 С. Они эксплуатируются на промпредприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве для производственно-технологических нужд и в системах центрального теплоснабжения.
Типичными представителями агрегатов данной категории являются котел Е (ДЕ) производительностью пара от 1 до 25 т/ч, Е (КЕ) производительностью пара до 25 т/ч с газомазутной горелкой и ДКВР производительностью до 20 т/ч. Их применение – источники тепловой энергии для центрального теплоснабжения с параметрами насыщенного и перегретого пара.