Розділ Водяна пара І її властивості icon

Розділ Водяна пара І її властивості




Скачати 126.88 Kb.
НазваРозділ Водяна пара І її властивості
Дата28.07.2012
Розмір126.88 Kb.
ТипДокументи





Розділ 5. Водяна пара і її властивості



Пароутворення. Водяна пара. Рівняння Ван-дер-Ваальса


Ідеальний термодинамічний цикл Карно


Цикли паросилових установок


Контрольні запитання



5.1. Пароутворення. Водяна пара. Рівняння Ван-дер-Ваальса

Водяна пара застосовується в різних галузях промисловості, головним чином як теплоносій у теплообмінних апаратах і робоче тіло в паросилових установках. У промисловості будівельних матеріалів водяна пара використовується для тепловологісної обробки силікатної цегли, теплоізоляційних матеріалів, бетонних, залізобетонних та інших виробів, для розпилення мазуту при його спалюванні за допомогою форсунок; у парових сушарках; в установках для одержання деревоволокнистої маси і т.д.

Маючи високий тиск і відносно малу температуру, водяна пара за своїми властивостями близька до води. Тому не можна нехтувати силами зчеплення між її молекулами і їхнім об'ємом, як для ідеального газу. Отже характеристичне рівняння для водяної пари не може бути застосоване. У всіх перерахованих вище випадках водяна пара – реальний газ.

Властивості реальних робочих тіл описуються відповідними емпіричними рівняннями. Найбільш простим з них, що якісно правильно відбиває поводження реального робочого тіла – водяної пари, є рівняння Ван-дер-Ваальса (1873 р.):

, (5.1)

де a й b – експериментально отримані константи; –поправка на сили молекулярної взаємодії; b – поправка на об'єм молекул газу.

Величина характеризує внутрішній тиск і має, наприклад, для рідких тіл досить великі значення (так, для води при  С становить 1050 МПа).

Рівняння (5.1) можна подати у вигляді



, (5.2)

розв’язками якого при є ізотерми, представлені в координатах на рис.  5.1 і відомі як ізотерми Ван-дер-Ваальса.

У дійсності в області 2 (рис. 5.1) ізотерми протікають при у вигляді прямих m-n, побудова яких виконується за умови рівності площадок, обмежених кривими, розташованими вище й нижче даної прямої m-n.

З'єднавши точки m, k, n плавною кривою, отримаємо межі різних агрегатних станів робочого тіла: 1 – перегріта пара; 2 – волога пара; 3 – рідина.

Відмінність характеру ізотерм, розташованих вище і нижче ізотерми , дозволило визначити її як критичну, де ^ К – критична точка з параметрами робочого тіла PK, ТK (t) і , які можуть бути отримані експериментально та визначають величини коефіцієнтів a і b рівнянь (5.1), (5.2).

Російськими вченими М.П. Вукаловичем і І.І. Новиковим в 1939 р. було одержане рівняння для реальних газів з урахуванням асоціації і дисоціації їхніх молекул

, (5.3)

де А і В – експериментальні коефіцієнти.

Рівняння (5.3) на практиці застосовувати складно. З його допомогою обчислені значення основних фізичних величин перегрітої водяної пари при різних значеннях P і T. Складені таблиці й побудована діаграма в і-S координатах, на підставі яких проводяться розрахунки процесів зміни стану водяної пари.

Водяна пара буває перегрітою і насиченою, яка, у свою чергу, ділиться на суху й вологу.

Для з'ясування властивостей водяної пари і її стану розглянемо процес перетворення рідини в пару – процес пароутворення: випаровування і кипіння.

Випаровування процес пароутворення, що відбувається тільки з поверхні рідини і при будь-якій температурі. Випаровування буде повним, якщо над рідиною знаходиться необмежений об'єм.

Зі збільшенням температури інтенсивність випаровування зростає, тому що зростає швидкість і енергія молекул, сили їхньої взаємодії зменшуються. Температура рідини при випаровуванні падає, що пов'язано зі зменшенням середньої швидкості залишених молекул при вильоті молекул, які мають більші швидкості.

При певній величині температури, яка залежить від природи і тиску рідини, починається пароутворення у всій її масі, що супроводжується утворенням бульбашок, – кипіння рідини. Тиск пари, що утворюється при цьому, такий же, як і в оточуючого середовища




Рис.5.1 - Рівняння стану водяної пари в P-V координатах
Процес, зворотний випаровуванню, називається конденсацією. Це перетворення пари в рідину, що відбувається при постійній температурі, якщо .

При рівності швидкості конденсації і швидкості випаровування в системі настає динамічна рівновага. Пара в такому стані має максимальну густину і називається насиченою. Основна властивість насиченої пари (пари, що перебуває в стані рівноваги з рідиною, з якої вона утворюється) – наявність температури, що є функцією тиску, рівного тиску того середовища, в якому відбувається кипіння.

Тому температура кипіння називається температурою насичення ( , ), а тиск – тиском насичення ().

Якщо об'єм насиченої пари зростає при , то деяка кількість рідини переходить у пару (випаровування > конденсація). У протилежному випадку – частина пари переходить в рідину (конденсація < випаровування). Але в обох випадках тиск залишається постійним.

Момент, при якому випарується остання крапля рідини, відповідає стану сухої насиченої пари.

Пара, отримана при неповному випаровуванні рідини, називається вологою насиченою парою. Вона являє собою суміш сухої пари з крапельками рідини, які поширені рівномірно у всій його масі й перебувають в ньому в завислому стані.

Масова частка сухої пари у вологій парі називається ступенем сухості або масовим паровмістом (x).

Масова частка рідини у вологій парі називається ступенем вологості або масовим вологовмістом (y). Вони зв'язані співвідношенням

,

де x і y – виражаються в частках одиниці (%), наприклад, , , тобто %, %.

Якщо температура пари більша за температуру насиченої пари того ж тиску, то така пара називається перегрітою. Оскільки при , то, . Тому перегріта пара є ненасиченою і за своїми властивостями наближається до газів тим більше, чим вище ступінь перегріву.

У парогенеруючих установках пара з води, як правило, утворюється при . Тому термодинамічну сторону процесу пароутворення розглянемо в P-V діаграмі (рис. 5.2), де т. а К, тиск , питомий об'єм ;

a-b – ізобарне підведення тепла ( і );

т. b: при обраному тиску вода закипає і при подальшому підведенні теплоти (b-c) випаровується, але температура рідини і пари , тобто ізобара й ізотерма процесу кипіння води співпадають;

т. с – повне викіпання води при ;

b-c (області ) – суміш води й пари, яку називають вологою насиченою (рівноважний стан); у т. b вся кількість речовини є рідиною при (температура насичення, кипіння, конденсації) ; у т. с вся кількість води википіла і перейшла в пару, яка називається сухою насиченою ( );

c-d – подальше підведення тепла до сухої насиченої пари: і , пара в т. d – перегріта.

При більшому тиску описаний процес пароутворення може бути представлений залежністю a-b-c-d, a-b-c-d і т.д. Побудувавши також залежності для декількох значень тиску і з'єднавши т. b та c між собою, отримуємо границі:

1 – нижня пригранична крива між киплячою рідиною та вологою насиченою парою, що характеризується нульовим ступенем сухості ( );

2 – верхня пригранична крива, що відповідає параметрам сухої насиченої пари ( ) – границя між вологою та перегрітою парою.

При певному тиску , що називається критичним, ці криві зливаються в критичній точці К. Тут кипляча рідина миттєво переходить у суху пару, оскільки ділянка пароутворення відсутня (для води: МПа, м3/кг; К). Поняття критичної температури ТК уперше ввів у 1860 р. Д. І. Мендєлєєв. ТК – це температура, вище якої газ не може бути переведений в рідину, який би високий тиск до нього не прикладався.


frame2

Відзначимо такі основні параметри стану водяної пари

Суха насичена пара. Теплота пароутворення r – кількість теплоти, витрачена на пароутворення 1 кг води при температурі кипіння до сухої насиченої пари:

, (5.4)

де – внутрішня теплота паротворення;

 – зовнішня теплота паротворення.

Ентальпія сухої насиченої пари

, (5.5)

де – ентальпія киплячої рідини.

Внутрішня енергія сухої насиченої пари

. (5.6)

Суха насичена пара визначається одним параметром: тиском або температурою.

Волога насичена пара. Питомий об'єм вологої пари – об'єм суміші, що складається з () кг киплячої води та кг сухої пари і визначається як

. (5.7)

Ентальпія вологої пари

. (5.8)

Внутрішня енергія вологої пари

. (5.9)

Перегріта пара. Теплота перегріву qП – кількість теплоти, яку необхідно затратити на перегрів 1 кг сухої пари до необхідної температури при постійному тиску.

Ентальпія


; (5.10)

. (5.11)

Внутрішня енергія

. (5.12)

Аналітичні залежності між параметрами водяної пари надто складні, щоб ними можна було користуватися в інженерних розрахунках; тому по них складені таблиці й діаграми для визначення параметрів стану водяної пари.

Найчастіше параметри стану водяної пари визначаються за і-S діаграмою. Якщо говорити про загальний метод дослідження, то він містить у собі визначення таких основних величин:

Зміни внутрішньої енергії

. (5.13)

Визначення кількості теплоти:

в ізохорному процесі

; (5.14)

в ізобарному процесі

; (5.15)

в ізотермічному процесі

; (5.16)

зовнішньої роботи

. (5.17)

^ 5.2. .Термодинамічні цикли. Ідеальний цикл Карно


Термодинамічний цикл – круговий процес, що здійснюється термодинамічною системою. Може бути оборотним і необоротним. Оборотний цикл утворюється тільки оборотними процесами. При вивченні термодинамічних газових процесів необхідно виявити, по-перше, закономірність зміни основних параметрів; по-друге, особливості реалізації умов першого закону термодинаміки.

Таким чином, кілька послідовних термодинамічних процесів, наприклад 1-D-2 і 2-С-1 (рис.5.3), складають замкнутий термодинамічний процес, який називається круговий процес або цикл. Тобто термодинамічний цикл – круговий процес, який здійснюється термодинамічною системою.

Цикл називається прямим, якщо лінія розширення в РV діаграмі розташовані вище лінії стиску (робота віддається зовнішньому споживачу ) 1D2С1 і зворотній, якщо лінія стиску вище лінії розширення (робота здійснюється від стороннього джерела енергії) - 1С2D1.

Таким чином, будь –який елементарний процес, що входить до циклу, здійснюється при підводі ( dS >0) або відводі (dS < 0 ) теплоти dQ, супроводжується здійсненням (при dV >0 ) або витратою (при dV <0 ) роботи dА, збільшенням (при dТ >0 ) або зменшенням (при dТ <0 ) внутрішньої енергії, але завжди при виконанні умов першого закону термодинаміки dQ = dU + dA, інтегрування якого по замкнутому контуру дає , dA = Aц , тому що dU=0.

Тут qц та Aц відповідно теплота, яка перетворена у циклі в работу, та робота, яка здійснилась робочим тілом (різниця / А1 / - /А2/ позитивних і негативних робот елементарних процесів циклу ). На рис. 5.3 А1 характери-зується площею під процесом 1D2, А2 – 2С1. Отже, Ац визначається площиною, яку займає цикл. Якщо сума підведеної теплоти у циклі / q1 /, то

Ац = qц = /q1/ - / q2/ (5.18)




Рис. 5.3 - Зображення циклу на P – V діаграмі.

Для здійснення циклу 1D2С1 (рис. 5.3) необхідни два джерела теплоти: один з високою температурою Т1 , другий - з низькою Т2 . При цьому не все тепло q1 перетворюється в роботу, тому що q2 передається холодному джерелу. У зв’язку з цим, для другого закону термодинаміки можна дати ще кілька формулювань:

  • передача теплоти від холодного джерела теплоти до гарячого неможливо без витрати роботи;

  • неможливо виконати періодично діючу машину , яка здійснює механічну роботу і відповідно охолоджує тепловий резервуар (постулат Томсона);

  • природа прагне до переходу від менш ймовірних станів до більш ймовірних (Больцман).

Економічність будь – якого двигуна тим вище, чим більше робота Ац, яка отримана при заданому підводі теплоти q1 , та оцінюється термічним коефіцієнтом корисної дії.


Термічний к.к.д. – відношення корисно використаної у циклі теплоти qц (або отриманої роботи Ац) до всієї кількості теплоти, витраченому на цикл .

(5.19)

або

ή =1 - . (5.20)

Цикл, розглянутий вище (рис.5.3), є прямим циклом – циклом двигуна, який здійснює позитиву роботу 1 > А2). Йому відповідає зворотній цикл 1C2D1, у якому за рахунок витрати зовнішньої роботи / q1/ - / q2/ = - Ац теплота передається від холодного джерела до гарячого. За такими зворотними циклами працюють холодильні машини, економічність роботи яких оцінюється холодильним коефіцієнтом

(5.21)


Вивчення ідеальних кругових процесів має істотне значення для аналізу роботи теплоенергетичних машин.


^ Цикл Карно – ідеальний цикл теплових машин, оборотний круговий процес, у якому здійснюється повне перетворення теплоти в роботу (або роботи в теплоту). Запропонован у 1824 році французьким фізиком С.Карно.

Складається з двох ізотермних (T1 = const 1-2 та T2 = const 3-4) процесів (T1 > T2 ) та двох адіабатних (dq = 0 2-3 и 4-1), які в PV та TS координатах представлені на рис.5.4.



Рис.5.4.- Цикл Карно в TS - і PV- координатах.


Відповідно до першого закону термодинаміки

= +

= + .

Внутрішня енергія при постійной температурі не змінюється ( = 0; = 0). Зміна внутрішньої енергії в адіабатних процесах 2-3 та 4-1, які протікають в одному і тому ж інтервалі температур, одна і та сама ( = ).

Таким чином, робота циклу Карно дорівнює




і термічний ККД

ή = 1 - (5.22).

Згідно з T-S діаграмою теплота циклу Карно дорівнює:


, а

коефіцієнт корисної дії

ή = 1 - , (5.23)

тобто визначається відношенням температур гарячого і холодного джерел.

Цикл Карно складається з оборотних процесів та являється оборотним. при цьому холодильний коефіцієнт :

(5.24)

Цикл Карно має максимально можливі значення коефіцієнтів та при заданих Т1 та Т2, які не залежать від фізичних властивостей робочого тіла.


^ 5.3. Цикли паросилових установок

Головним робочим тілом теплових електричних станцій є водяний пар. Його властивості, які розглянуто в 5.2.1., не дозволяють реалізувати ідеальний цикл Карно. Тому, основним термодинамічним циклом, що реалізується в ТЕС, є цикл Ренкина.

Цикл Карно (рис. 5.4). не можна реалізувати на практиці по наступній причині. В т.4 (рис.5.4), де закінчується стиснення по ізотермі 3-4 (конденсація), стан пару відповідає вологому пару деякої ступені сухості Х. Об’єм пари при низьких значеннях Р і Т дуже великий, тому для його стискання по ізоентропі 4-1 потрібний компресор (насос) великих розмірів. Тому в паросилових установках набув застосування цикл, який запропонував Ренкін, – ідеальний замкнутий цикл зміни стану робочого тіла, що представлено у TS діаграмі на рис. 5.5



Рис. 5.5 - Цикл Ренкіна


Особливістю циклу Ренкіна є те, що стиснення пари продовжено в ізотермічному процесі до повної конденсації пари, тобто до нижчої прикордонної кривої (х=0). В цьому випадку у насосі відбувається стиснення конденсату, а не пари, що приводить до суттєвого зменшення об’єму циліндру насосу та роботи, яка витрачується на його привід.

Вода, що поступає у котел, нагрівається завдяки теплоті q1, яка отримається при спалюванні палива в топці (процес 4-5, рис.5.5), досягає температури насичення при заданому тиску Р. При наступному підводі питомої кількості теплоти r отримується спочатку суха насичена пара (процес 5-6), а потім перегріта (процес 6-1), яка подається у турбіну , де відбувається процес 1-2 адіабатного розширення. Точка 2 знаходиться в області вологої насиченої пари. Відпрацьована у турбіні пара поступає до конденсатора, у якому охолоджувальною водою від неї відбирається теплота q2, пара конденсується (процесс 2-3) та перетворюється у воду (т.3) . Одержаний конденсат насосом повертається в котел (точка 4).

Вода розглядається у якості нестисливої рідини, нижча погранична крива розташована поблизу процесу 3-4. Завдяки цьому процес подачі води насосом приймається ізохорним. Часто процеси стиснення у насосі та підігрів води у котлі до стану кипіння сполучають (процес 3-5) . Утворений таким чином термодинамічний цикл є циклом Ренкіна, питома витрата пари та теплоти при здійсненні якого, визначаються як ; , де і1 – і2 = h0 - розташований теплоперепад.


Контрольні запитання


  1. Процес пароутворення. Випаровування, кипіння, конденсація.

  2. Властивості водяної пари. Рівняння та ізотерми Ван-дер-Ваальса.

  3. Зображення процесу пароутворення в робочій (P-V) і тепловій (T-S) діаграмах.

  4. Ступінь сухості і вологості. Суха і волога насичена пара. Перегріта пара.

  5. Термодинамічні цикли. Ідеальний цикл Карно. Тепловий і холодильний ККД циклу Карно.

  6. Цикли паросилових установок. Термодинамічний цикл Ренкіна.




Схожі:

Розділ Водяна пара І її властивості iconПрограма фахового іспиту
Отримання деревної волокнистої сировини. Технологічний процес виготовлення паперу. Структурно-розмірні властивості. Механічні властивості....
Розділ Водяна пара І її властивості iconПрограма фахового іспиту
Отримання деревної волокнистої сировини. Технологічний процес виготовлення паперу. Структурно-розмірні властивості. Механічні властивості....
Розділ Водяна пара І її властивості iconЗміст розділ загальні положення 2 розділ 2 виробничі та трудові відносини 3 розділ 3 відпустки 7 розділ 4 забезпечення продуктивної зайнятості 9 розділ 5 оплата праці 11 розділ 6 охорона праці 15
Додаток 2 Положення про порядок обрання та прийняття на роботу науково-педагогічних працівників Доннту
Розділ Водяна пара І її властивості icon31 мфі 31 меі 31 мі 32 мі субота, 11. 12. 2010 1 пара 00 20 2 пара 30 10. 50 Комплексний аналіз (лекція)

Розділ Водяна пара І її властивості iconІv пара: 1210-1320 V пара: 1340-1450

Розділ Водяна пара І її властивості iconРозділ пружні властивості твердих тіл основні поняття. Види деформації
Це сили пружності – результат міжмолекулярної (міжатомної) взаємодії у деформованих тілах
Розділ Водяна пара І її властивості iconРозклад занять на 17. 09. 2012р. Понеділок 1 курс «Практична психологія» 2 пара Іноземна мова викл. Коціпак М. М. 3 пара Основи анатомії та фізіології нс (лекція)

Розділ Водяна пара І її властивості iconРозклад дзвінків 1-а пара 8: 00-8: 40 8: 45-9: 25 2-а пара

Розділ Водяна пара І її властивості icon10. 20-11. 50 перша пара 12. 00-13. 30 друга пара 13. 30-14. 15

Розділ Водяна пара І її властивості icon10. 20-11. 50 перша пара 12. 00-13. 30 друга пара 13. 30-14. 15

Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи