5 Водяной пар. Диаграмма h,s водяного пара. Исследование паровых процессов по диаграмме h,s

Вода и. водяной пар широко применяются в энергетике, в отоплении, вентиляции, горячем водоснабжении.

Водяной пар - реальный газ. Он может быть влажным, сухим насыщенным и перегретым. Уравнения состояния реальных газов сложны, поэтому в теплотехнических расчетах предпочитают использовать таблицы и диаграммы. Особое значение для технических расчетов процессов с водяным паром имеет h,s -диаграмма водяного пара.

В диаграмме h,S нанесена (рис. 5.1), верхняя пограничная кривая (степень сухости пара X=1) соответствующая сухому насыщенному пару. Выше этой кривой располагается область перегретого пара.

а) б)

Рисунок 5.1 Диаграмма h,S водяного пара

Ниже влажного насыщенного пара. В область влажного насыщенного пара нанесены кривые сухости ( X=0,95; Х=0,90; X=0.85 и т.д.)

В координатных, осях h,S (рис.5.1..) нанесены кривые простейших процессов р=сonst (изобары); v= сonst (изохоры); t =сonst (изотермы); любая вертикальная линия (рис.5.2.) изображает адиабатный процесс (S=const ).

В области влажного насыщенного пара изотермы (t =сonst )совпадают с кривыми изобары (р=сonst), так как парообразование происходит при постоянном давлении и при постоянной температуре. На верхней пограничной кривой направление изотермы меняется и в пограничной кривой направление изотермы меняется и области перегретого пара изотермы отклоняются вправо и не совпадают с изобарами.

Практически применяется часть диаграммы h,S , когда X 0,5 , которая заключена в рамку. Эта часть диаграммы приведена в приложении и на рис.5.2.

Состояние перегретого пара на диаграмме h,S определяется двумя параметрами (р₁ и t₁ или р₁ и v₁ ), а влажного насыщенного пара - одним параметром и степенью сухости пара Х. По 2 заданным параметрам р₁ и t₁ в области перегретого пара находим точку I (рис. 5.2.), соответствующую заданному состоянию водяного пара. Для этого состояния из диаграммы можно найти все другие параметры (h₁,s₁,v₁).

Значение внутренней энергии подсчитывается по формуле

5.1

Зная вид термодинамического процесса, двигаются по нему до пересечения с заданным конечным параметром и находят на диаграмме конечное состояние пара. Определив параметры конечного состояния, можно рассчитывать показатели процесса (работу, теплоту, изменение параметров)

Изменение внутренней энергии и работу в любом процессе подсчитывают по формулам

Рассмотрим основные задачи, решаемые по h,S диаграмме.

Изохорный процесс (v= const)

Количество теплоты, участвующая в процессе определяется по формуле 5.2 для определения изменения внутренней энергии.

Работа изохорного процесса равна нулю.

Изобарный процесс (р=сonst), количество теплоты, участвующая в процессе определяется по формуле:

5.4

Изменение внутренней энергии по формуле 5.2

Р аботу изобарного процесса можно сравнить

5.5

или по формуле 5.3

Изотермный процесс (T =сonst ).

Теплоту и работу процесса находят по формуле:

5.6

Адиабатный процесс . На рис. 5.2. представлен адиабатный процесс, протекающий без теплообмена с внешней средой. В адиабатном процессе энтропия не изменяется и очень часто этот процесс называется изоэнтропным.

Работа процесса происходит за счет изменения внутренней .

П роцесс при постоянной степени сухости (Х=сonst) решается также по диаграмме h,S (рисунок5.2)

Приблизительное количество определяется по формуле

5.7

Изменение внутренней энергии в процессе находят обычным способом по формуле 5.2

Работа процесса определяется по формуле 5.3. Рисунок 5.2 Диаграмма h,S водяного пара

Теоретический паросиловой цикл (цикл Ренкина).

Для определения основных величин цикла - термического кпд, работы I кг пара, удельных расходов пара и теплоты - достаточно на диаграмме изобразить линию расширения пара в паровой турбине (линия 1-2 на рис.5.2.).

Термический кпд цикла

5.8

-энтальпия конденсатора

Работа I кг пара

Удельный расход пара в кг на 1 кВт∙ч

5.9

Удельный расход теплоты в КДж на I кВт∙ч

5.10

Истечение и дросселирование.

Процесс истечения пара считается адиабатным процессом, который представлен на рис.5.2.

Теоретическую скорость истечения можно определить по формуле

-энтальпии пара начального и конечного состояния, в кДж/кг.

Расход пара определяется из уравнения неразрывности потока

5.11

где А- истечение сечения сопла, м²;

- плотность пара на выходе из сопла, кг/м³, определяется по диаграмме h,S водяного пара.

Если же истечение пара происходит - при то теоретическая скорость пара в устье суживающего сопла будет равна критической и определяется по уравнению

5.12

где - энтальпия пара при критическом – давлении.

Расход пара в этом случае будет максимальным и определяется по уравнению

5.13

где V_кр- удельный объем пара при критическом давлении.

П лощадь минимального сечения сопла при определяется по формуле

5.14

Для получения скорости пар выше критической применяется комбинированное сопло или сопло Лаваля (рис.5.4)

Рисунок 5.4 Схема сопла Лаваля

П лощадь выходного сечения сопла

5.15

Д лина расширяющейся части сопла определяется по уравнению

5.16

- соответственно диаметры выходного и минимального сечений;

- угол конусности расширяющейся части сопла.

Действительная скорость истечения всегда

Меньше теоретической, так как процесс истечения связан с наличием трения.

5.17

где - коэффициент потери энергии в сопле; Рисунок 5.5

- скоростной коэффициент сопла.

Пользуясь диаграммой h,S можно определить параметры в конце расширения.

Если дана начальная точка I (рис.5.5.) и коэффициент (или ), то, проводя адиабату 1-2, откладываем от точки 2 вверх отрезок 2 и проводя через точку 2 горизонталь до пересечения с конечной изобарой р₂ получаем точку Д, характеризующую состояние рабочего тела в конце действительного процесса истечения.

Если же даны начальное 1 и конечное Д состояния пара, то потери работы определяем проводя через точку Д горизонталь до пересечения с адиабатой. Отношение отрезков 2g - 2/I-2 дает значение коэффициента потери энергии, а следовательно, и скоростного коэффициента.

Дросселирование - это необратимый процесс понижения давления в потоке при проходящем им местного сужения сечении. Процесс дросселирования считается адиабатным процессом и справедливо равенством.

5.18

Практически всегда можно обеспечить и тогда , т.е. энтальпия пара в начальном и конечном состояниях одинакова.

З адачи, связанные с дросселированием пара, обычно сводятся к определению параметров состояния пара после дросселирования. Так как в начальном и конечном состояниях энтальпия одинакова, то конечное состояние определяется пересечением горизонтали, проходящей через начальную точку I (рис.5,6) с изобарой конечного давления р₂ .

Рисунок 5.6. Процесс дросселирования на диаграмме h,S водяного пара