Исследование кривой насыщения водяного пара

Цель работы: углубить знания по разделу «Реальные газы и пары»; найти графическую зависимость между температурой и давлением насыщенного пара; рассчитать на основании экспериментальных данных теплоту парообразования и выяснить степень отклонения свойств водяного пара от свойств идеального газа.

1. Теория рассматриваемого вопроса

1.1. Основные понятия

Во всех областях промышленного производства широко используются пары различных веществ (воды, аммиака, углекислоты и др.). Из них наибольшее распространение получил водяной пар, который как рабочее тело используется в теплосиловых установках и как теплоноситель в теплообменниках.

Водяной пар, имея высокое давление и относительно низкую температуру, близок к состоянию жидкости. Поэтому в паре нельзя пренебрегать силами взаимодействия между молекулами и объёмом самих молекул, как в идеальном газе. Следовательно, законы идеальных газов к пару не применимы и водяной пар рассматривают, как реальный газ.

Превращение воды в пар может происходить двумя способами (процессами): испарением и кипением, различными по интенсивности и характеру протекания. Испарением называется процесс образования пара только с поверхности жидкости и при любой температуре.

Кипение (парообразование) – это процесс образования пара во всей массе жидкости. Получающийся в процессе кипения пар имеет давление среды, в которой происходит процесс кипения.

Процесс, обратный парообразованию, называют конденсацией.

При парообразовании в ограниченном пространстве одновременно происходит и конденсация пара. Если скорость конденсации и парообразования одинаковы, то наступает динамическое равновесие между жидкостью и паром. Пар при этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром. Следовательно, под насыщенным паром понимают пар, находящийся в термическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Основным свойством этого пара является то, что он имеет одинаковую температуру с жидкостью, которая называется температурой насыщения, и одинаковое с ней давление, называемое давлением насыщения. При этом температура пара является функцией давления.

В насыщенном паре над поверхностью воды всегда находятся мелкие капельки жидкости, равномерно распределённые по всей массе пара. Механическая смесь этих капелек жидкости и сухого пара называется влажным насыщенным паром.

Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости и обозначается буквой x .

Массовая доля влаги в сухом паре называется степенью влажности и обозначается выражением ( 1 - x ).

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар, состояние которого определяется только одним параметром: или давлением, или удельным объёмом, или температурой.

Перегретым паром называется пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления.

1.2. Процесс водяного парообразования

Фазовая p-v диаграмма (рис. 4.1) системы, состоящей из жидкости и пара, представляя собой график зависимости удельных объёмов воды и пара от давления, делится нижней пограничной кривой BK и верхней пограничной кривой KC на три области. Влево от кривой BK до нулевой изотермы воды (линия AE ) располагается область жидкости. Вправо от кривой KC и вверх от точки K располагается область перегретого пара. В области, ограниченной нижней и верхней пограничными кривыми, располагается двухфазная система, состоящий из смеси воды и пара (влажный пар). Обе кривые сливаются в одной точке K , которая называется критической точкой.

В критической точке исчезает различие между жидкостью и паром. Выше критической точки двухфазное состояние системы невозможно.

Линия AE представляет собой точки, в которых вода имеет температуру 0 С при различных давления. Область графика, заключённая между изотермой воды при температуре 0 С (линия AE ) и осью p, представляет собой среду равновесного существования жидкой и твёрдой фаз воды.

Линия BK – это место точек, характеризующих воду в состоянии кипения при разных давлениях.

Линия KC показывает зависимость удельного объёма сухого насыщенного пара от давления.

В технике (в паровых котлах) пар из воды образуется при постоянном давлении, поэтому термодинамическую сторону процесса парообразования можно рассмотреть так же при постоянном давлении: p = const.

Если рассмотреть процесс образования перегретого пара при давлении p (см. рис. 4.1), то можно выделить три последовательно осуществляемых физических процесса:

1. Подогрев жидкости от температуры 0 С до температуры кипения

(температуры насыщения) T – отрезок a b .

2. Парообразование при постоянной температуре T – отрезок b с .

3. Перегрев пара (нагревание пара от температуры T до T ) – отрезок с d .

Количество теплоты, необходимое для превращения в сухой насыщенный пар (точка с ) 1 кг воды, нагретой до температуры насыщения при заданном давлении p (точка b ), называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой r. Вся энергия, подводимая в виде теплоты к пару в этом процессе, расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами (работу дисгрегации) и расширение пара, поэтому при постоянном давлении температура влажного пара остаётся также постоянной.

p

T T T T

E

p K

1

p d

a b c

p a b c c

d

2 T

A B C T

x = const

0 v

v

v

v

v

v

Рис. 4.1. Диаграмма состояния водяного пара

Из p-v диаграммы видно, что каждому давлению соответствует своя температура насыщения (линия KC). Характер зависимости между давлением насыщенного пара p и температурой насыщения T (кривая насыщения) представлен на рис. 4.2.

p

p 2

p

p 1

t t t

t

Рис. 4.2. Кривая насыщения

Каждому веществу соответствует своя кривая насыщения. Поскольку для насыщенного пара его давление и температура однозначно определяют друг друга, любой процесс, протекающий в двухфазной области, изображается

на p-v диаграмме линией, совпадающей с кривой насыщения.

Связь между термическими и калорическими величинами в процессе парообразования устанавливает уравнение Клапейрона – Клаузиуса:

= , (4.1)

где p – давление насыщенных паров, Па;

T – абсолютная температура насыщения, К;

– производная, взятая на кривой фазового перехода;

r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

v – удельный объём кипящей жидкости, м /кг;

v – удельный объём сухого насыщенного пара, м /кг.

Степень отклонения свойств насыщенного пара от идеально-газового состояния определяется отличием от единицы коэффициента сжимаемости водяного пара, определяемого по формуле:

= , (4.2)

где R – газовая постоянная для водяного пара (R = 462 Дж/кг град).

Таким образом, если на основе опытных данных построить зависимость

p = f(T ), то можно графически определить производную от давления по температуре ( ), и, используя формулу (4.1), рассчитать скрытую теплоту парообразования:

r = T ( v - v ) = T ( v - v ) , Дж/кг (4.3)

Используя опытные значения p и T , по формуле (4.2) определяют степень отличие пара от идеального газа. При этом численные значения объёмов v и v определяются по термодинамическим таблицам для водяного пара (см. табл. 4.1).

Уравнение состояния для водяного пара, как для реального газа, весьма сложно и в расчётной практике не применяется. Вследствие этого для практических целей при определении параметров пара и воды на линии насыщения используются справочные таблицы и диаграммы, составленные на основе экспериментальных и теоретических исследований. В этих справочных данных приведены температуры насыщения ( t ), давления ( p ) , удельные объёмы ( v и v ), скрытая теплота парообразования ( r ) и другие параметры (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1. Параметры насыщенного пара и воды на линии насыщения

Давление насыщения (абсолютное), p , кг/см	Температура насыщения, t , С	Удельный объём		Скрытая теплота, r
		кипящей жидкости, v , м /кг	сухого пара (насыщенного), v , м /кг	ккал/кг	кДж/кг
0,2	59,67	0,001017	7,789	563,4	2358
0,4	75,42	0,001026	4,066	554,1	2318
0,6	85,45	0,001033	2,782	548,0	2293
0,8	92,99	0,001038	2,125	543,3	2273
1,0	99,09	0,001043	1,725	539,6	2258
1,2	104,25	0,001046	1,455	536,3	2244
1,4	108,74	0,001050	1,259	533,4	2232
1,6	112,73	0,001054	1,111	530,8	2221
1,8	116,33	0,001057	0,9954	528,5	2211
2,0	119,62	0,001060	0,9018	526,4	2202
2,2	122,65	0,001063	0,8248	524,3	2193
2,4	125,46	0,001065	0,7603	522,4	2185
2,6	128,08	0,001068	0,7055	520,7	2178
2,8	130,55	0,001070	0,6581	518,9	2171
3,0	132,88	0,001072	0,6169	517,3	2164

В настоящей работе процесс парообразования осуществляется в области влажного пара при постоянном объёме (изохорный процесс): v – const. Этот процесс на p-v диаграмме (рис. 4.1) представлен линией 1-2 .