8 Водяной пар

В технике большое применение находит 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. 7).

Рис. 7

Кривой I соответствует вода при 0 ºС, 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 ºС, р_кр=22,129 МПа, v_кр=0,00326 м³/кг.

В таблице 5 приведены формулы, необходимые для выполнения практических расчетов, связанных с изменением состояния водяного пара. Параметры кипящей жидкости помечены одним штрихом, параметры сухого насыщенного пара – двумя штрихами, параметры влажного пара – индексом «х», а параметры перегретого пара оставлены без индексов и штрихов.

Таблица 5

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 Тн, х	или	,
Степень сухости пара	x=0	x=0÷1	x=1	x=1
Энтальпия, кДж/кг
Внутренняя энергия, кДж/кг
Энтропия, кДж/(кгК)
Удельный объем, м3/кг	v/	(при х0,5)	v//	ν

Здесь Т_н – температура насыщения (кипения);

r – теплота парообразования; она определяет количество тепла, необходимое для перевода 1 кг кипящей жидкости в пар при постоянном давлении.

, (8.1)

где – энтальпия воды на линии насыщения;

– энтальпия сухого насыщенного пара на линии насыщения.

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 приведены 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 р и t по таблице перегретого пара, а в области влажных паров – по расчетным формулам (таблица 5).