3. Водяной пар. Паросиловые установки

В технике большое применение имеет водяной пар, являющийся рабочим телом паровых двигателей, отопительных и других устройств. Процесс парообразования протекает обычно в паровых котлах при постоянном давлении (р = const). В начале процесса парообразования имеется только жидкость, в конце – только пар, а в течение процесса рабочее тело находится в двух фазах: часть – в жидком состоянии, часть – в состоянии сухого насыщенного пара.

Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, из которой он образуется, называют влажным насыщенным или просто насыщенным паром; если он не содержит жидкой фазы, его называют сухим насыщенным. Повышение температуры пара сверх температуры насыщения называют перегревом пара, а пар в этом состоянии – перегретым. Чтобы судить о содержании во влажном паре воды и сухого насыщенного пара, используют понятие «степень сухости пара». Степень сухости пара «х» - это массовая доля сухого пара в смеси сухого пара с кипящей жидкостью. Все состояния сухого пара могут быть представлены на р-v диаграмме (рис. 14). Кривой I соответствует вода при 0 ⁰С, кривой II – вода при температуре кипения (насыщения), кривая III характеризует состояние сухого насыщенного пара. II – нижняя пограничная кривая, III – верхняя пограничная кривая. Между кривыми II и III находится область влажного насыщенного пара. Область правее кривой III определяет состояние перегретого пара, К – критическая точка, она характеризует состояние, при котором исчезает различие в свойствах пара и жидкости. Критические параметры водяного пара следующие: t_кр=374,15 ⁰С, р_кр=22,129 МПа, v_кр=0,00326 м³/кг.

Рис. 14

В табл. 9 приведены формулы, необходимые для выполнения практических расчетов, связанных с изменением состояния водяного пара.

Таблица 9

Основные параметры и термодинамические величины водяного пара

Определяемая величина	Состояние пара
	Вода на линии насыщения	Влажный насыщенный	Сухой насыщенный	Перегретый
Параметры, характеризующие состояние вещества	или	р или Т, х	или	и
Степень сухости пара	x=0	x=0÷1	x=1	x=1
Энтальпия, кДж/кг		, или		По таблице
Внутренняя энергия, кДж/кг
Энтропия, кДж/ (кгК)		, или		По таблице
Удельный объем, м3/кг	v/	, или (при х0,5)	v//	По таблице

Здесь Т_н – температура насыщения (кипения).

Основным циклом паросиловых установок (ПСУ) является цикл Ренкина. Схема ПСУ приведена на рис. 16. Пар из парового котла (ПК) поступает в пароперегреватель (ПП), откуда он направляется в турбину (Т), где совершает полезную работу, и далее – в конденсатор К. В конденсаторе с помощью охлаждающей воды, подаваемой циркуляционным насосом (ЦН), от пара отводится теплота и он конденсируется. Образовавшийся конденсат питательным насосом (ПН) подается в котел, и весь цикл повторяется вновь.

Цикл Ренкина в р-v, T-s, i-s диаграммах представлен на рис. 15, а,б,в.

Точка 1 характеризует состояние пара, поступившего в турбину; 1-2 – адиабатное расширение пара в турбине; точка 2 характеризует состояние отработавшего пара; 2-3 – процесс в конденсаторе; точка 3 характеризует состояние воды на выходе из конденсатора; 3-4 – процесс повышения давления в питательном насосе; 4-5 – подогрев воды в паровом котле до температуры кипения; точка 5 характеризует состояние воды при температуре насыщения; 5-6 – процесс парообразования в котле; 6-1 – перегрев пара.

Рис. 15

Рис. 16

В T-s и i-s диаграммах в связи с тем, что в процессе адиабатического сжатия жидкости в насосе 3-4 температура ее (и, следовательно, энтальпия) повышается незначительно, точки 3 и 4 совмещаются, а изобара 4-5 совпадает с нижней пограничной кривой. Термический к.п.д. цикла Ренкина находится из выражения

,

где i₁ и i₂ – начальное и конечное значения энтальпии пара в процессе адиабатного расширения его в турбине; i₃ - энтальпия кипящей жидкости (конденсата) при давлении р₂.

Все величины, входящие в формулу (_t), легко могут быть определены по i-s диаграмме (рис. 15,г). При решении задач, связанных с изменением состояния водяного пара, необходимые величины целесообразно находить с помощью таблиц термодинамических свойств воды и пара и i-s диаграммы, так как они значительно упрощают расчеты. В таблицах для насыщенного пара приведены температура насыщения, давление, значения удельных объемов, энтальпия и энтропия жидкости и сухого пара, теплота парообразования. В таблицах перегретого пара даны для различных давлений и температур величины основных параметров: удельный объем, энтальпия и энтропия.

На i-s диаграмме по оси абсцисс откладывается удельная энтропия, по оси ординат – удельная энтальпия, наносятся сетки изотерм, изобар и изохор. Кроме того, наносятся пограничные кривые, а в области двухфазного состояния «жидкость - насыщенный пар» - линии постоянного паросодержания. Такая диаграмма удобна для определения изменения энтальпии в процессе s=const. Следует отметить, что на i-s диаграмме изохора и изобара пересекаются под острым углом. Это затрудняет точное определение удельных объемов, поэтому целесообразно определять объемы перегретого пара в зависимости от p и t по таблице перегретого пара, а в области влажных паров – по расчетным формулам (табл. 9).

Для перегретого пара начальное состояние определяется точкой 1, которая находится в пересечении изотермы t₁ и изобары p₁. Для влажного пара начальное состояние определяется точкой в пересечении изобары p₁ и линии постоянной степени сухости х₁ , для сухого насыщенного – в пересечении изобары p₁ и верхней пограничной кривой.

Энтальпия, соответствующая точке 1, – i₁. Точка 2 находится на пересечении адиабаты, проведенной из точки 1, и изобары p₂ (p₂ – давление в конденсаторе); этой точке соответствует энтальпия i₂. Энтальпию конденсата i₃ находят при температуре насыщения, соответствующей конечному давлению p₂. Поскольку в области влажного пара изотермы и изобары совпадают, то для нахождения t_н необходимо по изобаре p₂ подняться до верхней пограничной кривой (точка 3), определить значение проходящей через эту точку изотермы t₃ и соответствующее ей значение энтальпии i₃. Величина i₁-i₂=h₀ называется располагаемым теплоперепадом. Удельный расход пара при осуществлении рассмотренного цикла находят по формуле

, кг/(кВтч).