Какое свойство водяного пара используется в теплообменниках
Вода — однородное химическое соединение, молекула которой состоит из трех атомов, принадлежащих двум химическим элементам — водороду и кислороду. Вода является прекрасным растворителем, поэтому все природные воды представляют собой растворы, содержащие разнообразные вещества — соли, газы.
Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили наибольшее применение в промышленности. Это объясняется широким распространением воды в природе, а также тем, что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками.
Так, теплоемкость воды выше теплоемкости многих других жидкостей и твердых тел и в пределах от 0 до 100 °С при атмосферном давлении она равна 4,19 кДж/(кг- К), или 4,19 кДж/(кг °С). Теплопроводность воды Вт/(м-К), в отличие от теплопроводности других жидких и твердых тел с повышением температуры до 120… 140°С увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры — уменьшается. Плотность воды изменяется с температурой. Наибольшей плотностью вода обладает при 4 °С.
Процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное (пар) называется испарением, а из газообразного в жидкое — конденсацией. Превращение воды в пар может протекать как при испарении, так и при кипении. Испарение — это процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. При испарении молекулы воды отрываются от поверхности жидкости, имея относительно большие скорости. Вследствие этого средняя скорость движения молекул в массе воды уменьшается и температура жидкости понижается.
При подводе теплоты в процессе нагревания температура жидкости и интенсивность ее испарения увеличиваются, и при определенных температуре и давлении жидкость закипает.
Кипение — это процесс интенсивного парообразования во всей массе жидкости, который получает развитие при ее нагревании, т.е. подводе к системе определенного количества теплоты. При атмосферном давлении температура кипения составляет приблизительно 100 °С. С повышением давления температура кипения возрастает и, наоборот, в условиях пониженного давления (высоко в горах) температура кипения снижается.
Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превращения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования г. С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается (табл. 1.1).
Ранее было отмечено, что конденсация — это процесс превращения пара в жидкость, называемую конденсатом.
Таблица 1.1 Свойства воды и сухого насыщенного пара
Абсолютное давление | Температура кипения, °С | Плотность пара, кг/м3 | Удельный объем пара, м3/кг | Энтальпия. кДж/кг | Скрытая теплота парообразования, кДж/кг | ||
МПа | кгс/см2 | кипящей воды | пара | ||||
0,02 | 0,2 | 59,67 | 0,129 | 7,789 | 250,7 | 2617,0 | 2366,3 |
0,04 | 0,4 | 75,42 | 0,246 | 4,066 | 316,7 | 2643,9 | 2327,2 |
0,06 | 0,6 | 85,45 | 0,360 | 2,782 | 359,1 | 2660,7 | 2301,6 |
0,08 | 0,8 | 92.99 | 0,471 | 2,125 | 390,6 | 2672,9 | 2282,3 |
0,10 | 1,0 | 99,09 | 0,580 | 1,725 | 416,6 | 2682,9 | 2266,3 |
0,12 | 1,2 | 104,5 | 0,687 | 1,455 | 438,5 | 2691,0 | 2252,5 |
0,17 | 1,7 | 115,00 | 0,956 | 1,044 | 483,0 | 2709,0 | 2226,0 |
0,20 | 2,0 | 119,62 | 1,109 | 0,902 | 499,8 | 2714,5 | 2210,9 |
0,50 | 5,0 | 151.11 | 2,620 | 0,382 | 554,8 | 2756,5 | 2117,6 |
0,90 | 9,0 | 174,33 | 4,456 | 0.219 | 741,3 | 2781,7 | 2040,4 |
1,40 | 14,0 | 194,13 | 6,974 | 0,143 | 828,7 | 2798,0 | 1969,4 |
2,00 | 20,0 | 211,38 | 9,852 | 0,102 | 906,8 | 2807,7 | 1909,9 |
4,00 | 40,0 | 249,18 | 19,700 | 0,051 | 1085,3 | 2809,8 | 1724,5 |
5,00 | 50,0 | 262,70 | 25,000 | 0,040 | 1149,3 | 2795,6 | 1646,3 |
6,00 | 60,0 | 274,29 | 30,300 | 0,033 | 1208,4 | 2786,8 | 1578,4 |
7,00 | 70,0 | 284,48 | 35,714 | 0,028 | 1266.6 | 2775,5 | 1513,8 |
8,00 | 80.0 | 293,62 | 41,667 | 0,024 | 1311,1 | 2762,0 | 1451,0 |
9,00 | 90,0 | 301,92 | 47,619 | 0,021 | 1357,1 | 2747,0 | 1389.8 |
10,00 | 100,0 | 309,53 | 55,556 | 0,018 | 1401,1 | 2730,2 | 1329,1 |
Количество теплоты, выделяющееся при конденсации 1 кг пара и численно равное г, называется теплотой конденсации пара.
Пар, имеющий максимальную плотность при конкретном давлении, называется насыщенным. Насыщенный водяной пар может быть влажным и сухим. Насыщенным является пар, полученный при кипении воды и имеющий с ней одинаковую температуру при том же давлении. В объеме влажного насыщенного пара в виде мельчайших капелек находится вода, которая образуется при разрыве оболочек паровых пузырьков. Сухой насыщенный пар, имея температуру насыщения, влаги не содержит.
Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур перегретого и сухого насыщенного пара при том же давлении называется перегревом пара.
Важной характеристикой влажного насыщенного водяного пара является степень его сухости X которая определяет долю пара в пароводяной смеси. Соответственно Y — доля жидкости, т.е.
Х= 1-Y
Отделение капель воды от пара называется сепарацией, а устройства, предназначенные для этой цели, — сепараторами.
Энтальпия влажного насыщенного пара ∆hx, кДж/кг, выражается через степень сухости следующим образом:
∆hx = ∆h’ + rХ;
где ∆h’ — энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг; r — скрытая теплота парообразования, кДж/кг.
Энтальпия перегретого пара ∆hn.n, кДж/кг, равна
∆hn.n = ∆h» + сп(tп.п-tн.п),
где ∆h» — энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг; сп — удельная теплоемкость пара, кДж/(кг-°С); tп.п, tн.п — температура перегретого и насыщенного пара, °С.
В табл. 1.1 приведены изменения отдельных показателей воды и водяного пара с повышением давления.
Для того чтобы понять, как работает конденсатор, регенеративные и сетевые подогреватели, ядерные реакторы и многие другие элементы ТЭС, ТЭЦ и АЭС, необходимо знать некоторые свойства воды и водяного пара, который является рабочим телом паротурбинных установок (ПТУ). Их свойства в значительной степени определяют конструкцию паровой турбины и других элементов ПТУ.
Вода — это практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах ее плотность изменяется очень мало.
Если воду нагреть в открытом сосуде (рис. 1.1), то при определенной температуре начинается ее кипение и образование над ее поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны в процессе всего выкипания жидкости. Если описанный выше опыт поставить при атмосферном давлении (760 мм рт. сг.), то кипение и испарение будут происходить при 100 °С.
Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают /н. Последнее название связано с тем, что при спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар — пар, в котором отсутствуют капельки воды. Если темпера- туру сухого насыщенного пара снизить (а это можно сделать только путем одновременного снижения давления), то часть пара сконденсируется и в нем появятся капельки воды. Такой пар называется влажным. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым по отношению к состоянию насыщения.
Рис. 1.1. Образование сухого насыщенного пара
Если снизить давление в сосуде, то кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в так называемых вакуумных деаэраторах, установленных в системах подпитки теплосети: достаточно в сосуде (деаэраторе) создать давление в 0,5 кгс/см2 * 50 кПа, и она закипит всего при температуре 81 °С.
Наоборот, если повысить давление в сосуде, то она закипит и начнет испаряться при более высокой температуре.
Это свойство широко используют в больницах для стерилизации мединст- рументов при повышенной температуре в автоклавах, для быстрого приготовления пищи и т.д. Оно очень широко используется в различном оборудовании ТЭС. Например, в стандартном деаэраторе поддерживается давление 6 кгс/см2 * 0,6 МПа, и вода в нем закипает при нагреве до 159 °С.
В барабане барабанных котлов поддерживается давление 140 кгс/см2 =
Рис. 1.2. Связь между температурой и давлением кипения (конденсации, испарения) с указанием областей работы:
/ — конденсаторы паровых турбин; 2 — сетевые подогреватели; 3 — парогенераторы АЭС; 4 — барабаны современных котлов
= 13,7 МПа, и поэтому в нем генерируется насыщенный пар с температурой примерно 335 °С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа, и поэтому температура образующегося насыщенного пара составляет 275,6 °С.
Важно четко усвоить, что температура насыщения однозначно определяется давлением над ее поверхностью. Эта однозначная связь представлена на рис. 1.2.
Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на ее испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают большей энергией на величину удельной теплоты парообразования г, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина г в кДж/кг или ккал/кг.
Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность пара. При давлении р = = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения /н = /кр = 374,12 °С, а теплота парообразования г = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами — критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они, по существу, неразличимы.
Рассмотренный опыт по испарению и образованию сухого насыщенного пара можно провести в обратном порядке.
Рис. 1.3. Принцип работы теплообменников тепловых электростанций, использующих теплоту конденсации пара
Представим себе, что в сосуд, показанный на рис. 1.3, а, некоторое время подается насыщенный пар при открытом в атмосферу вентиле I, после чего вентили / и 2 закрываются и сосуд оказывается под некоторым давлением пара. Если теперь этот сосуд начать охлаждать, поместив его в среду с достаточно низкой температурой, то пар будет конденсироваться, отдавая тепловую энергию через стенку сосуда окружающей среде. При этом давление пара над зеркалом воды в сосуде будет уменьшаться и всегда совпадать с давлением насыщения, соответствующем температуре образующейся жидкости. Это соответствие определяется связью между давлением и температурой насыщения, представленной на рис. 1.2. Если, например, изначально через сосуд протекал сухой насыщенный пар с температурой 100 °С (и соответственно с давлением 1 кгс/см2 * 100 кПа), а затем сосуд вместе с содержащимся в нем паром охладили до 81 °С, то часть пара сконденсируется и в сосуде установится давление 0,5 кгс/см2 * « 50 кПа, т.е. вакуум.
Пар превращается в воду потому, что от него отбирается теплота конденсации, равная теплоте парообразования г. В результате конденсации пара на дне сосуда образуется конденсат, а над зеркалом конденсата — насыщенный водяной пар. Чем сильнее будет охлажден пар в сосуде, тем больше образуется конденсата на его дне и тем более глубокий вакуум будет получен.
На рис. 1.3,6 показана принципиальная схема установки для непрерывной конденсации постоянного поступающего пара. Если в сосуде установить змеевик, по которому пропускать относительно холодную воду, то пар, поступающий в сосуд, будет встречать на своем пути холодную поверхность змеевика и конденсироваться на ней. Если для удаления образующегося конденсата имеется какое-либо устройство, например насос, то будет происходить непрерывная конденсация поступающего пара, а внутри сосуда будет поддерживаться давление, соответствующее температуре образующегося конденсата, примерно равного температуре охлаждающей воды. На описанном принципе основана работа конденсатора, сетевых и регенеративных подогревателей, парогенераторов АЭС и многих других устройств, области работы которых показаны на рис. 1.2.
В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенных на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыщения (при этом же давлении) на значение А?п.
Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определенной точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным — смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины (точнее — за ее последними вращающимися лопатками) для ее надежной работы не должно превышать 10 — 13 %. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, имеющую температуру насыщения.
Теплофизические свойства водяного пара при различных температурах на линии насыщения
В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.
Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.
Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его динамическая вязкость увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.
Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара Cp при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).
В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:
- давление пара при указанной температуре p·10-5, Па;
- плотность пара ρ″, кг/м3;
- удельная (массовая) энтальпия h″, кДж/кг;
- теплота парообразования r, кДж/кг;
- удельная теплоемкость пара Cp, кДж/(кг·град);
- коэффициент теплопроводности λ·102, Вт/(м·град);
- коэффициент температуропроводности a·106, м2/с;
- вязкость динамическая μ·106, Па·с;
- вязкость кинематическая ν·106, м2/с;
- число Прандтля Pr.
Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.
Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).
Теплопроводность водяного пара при различных температурах и давлениях
В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 0,1 до 500 атм. Размерность теплопроводности Вт/(м·град).
Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. По данным таблицы видно, что значение коэффициента теплопроводности воды и водяного пара увеличивается по мере роста давления.
Примечание: теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность водяного пара при высоких температурах
В таблице приведены значения теплопроводности диссоциированного водяного пара в размерности Вт/(м·град) при температурах от 1400 до 6000 K и давлении от 0,1 до 100 атм.
По данным таблицы, теплопроводность водяного пара при высоких температурах заметно увеличивается в области 3000…5000 К. При высоких значениях давления максимум коэффициента теплопроводности достигается при более высоких температурах.
Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!
Источники:
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.
- Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.
Изучение теплофизических свойств воды и водяного пара помогает понять, почему происходит испарение. Благодаря динамическому равновесию газообразного и жидкого состояния Н2О осуществляется круговорот воды в природе. Атмосфера планеты служит защитным колпаком, в ней происходят те же термодинамические процессы, что и в закрытой емкости с водой. Зависимость давления пара от температуры, плотности соответствует уравнению Менделеева-Клапейрона. С помощью формул можно вычислить, чему будет равна плотность пара в пузырьках, поднимающихся к поверхности воды, или при какой температуре закипит вода, если подняться на гору, где давление воздуха ниже.
Вода превращается в пар при температуре
Понятие «водяной пар» характеризует свойство жидкости
улетучиваться. Начало испарения — отрыв частичек воды от поверхности воды. Из
жидкого агрегатного состояния молекулы переходят в газообразное. Превращение в
газовую фазу происходит до момента насыщения, когда возникает равновесие между
жидкой или твердой субстанцией и газом. Молекула воды не в силах оторваться от
поверхности, если плотность достигает максимальной величины, газ становится
насыщенным. Определить величину давления насыщения водяного пара можно для
любой температуры. Даже лёд обладает способностью испаряться.
Когда говорят об испарении, уточняют градусы Цельсия, при которых начинается парообразование. При 100°С жидкость закипает только при атмосферном давлении 760 мм рт. столба. Чем ниже давление, тем свободнее отрываются частицы воды от поверхности, насыщая воздух. Снижение давления до 0,006 атмосфер (тройная точка) приводит к тому, что вода одновременно присутствует в трех фазовых состояниях: жидком, твердом, газообразном. Кипение воды в лабораторных условиях достигается без перехода в жидкое состояние. Происходит вскипание твердой фазы, процесс называется возгонкой. Лед трансформируется в газообразное состояние при температуре –0,1°С под давлением ниже тройной точки. Величину давления и плотности насыщенного водяного пара при различной температуре устанавливают экспериментальным путем.
Способность паров насыщать воздух характеризуется
влажностью. Упругость водяного пара определяют прибором для измерения
влажности, он называется психрометром. Измеряется парциальное давление водяных
паров, находящихся в атмосферном воздухе.
Насыщенный водяной пар
Вернемся к эксперименту. Итак, у нас в закрытой банке
жидкость. Что происходит? Испарение воды. Процесс начинается при низкой
плотности воздуха. Благодаря пару, давление на поверхность жидкости возрастает,
оно препятствует движению молекул. Их все меньше и меньше отрывается от воды.
Наступает момент, когда образуются капли влаги. Этот процесс называется
«конденсация». Когда скорость образования пара равна скорости конденсации,
возникает термодинамическое равновесие. Пар в этот момент считается насыщенным.
Жидкость и газ уравновешивают друг друга. Такое состояние достигается при
определенных условиях, важные параметры:
- Температура, изменение на долю градуса нарушает равновесие. При повышении парообразование ускоряется, при понижении увеличивается процесс конденсации влаги.
- Давление, при его понижении молекулы жидкой фазы свободнее передвигаются, отрываются от поверхности, начинается испарение воды.
Почему не учитывается объем банки? Он не меняет термодинамических свойств воды и водяного пара в состоянии насыщения. Допустим, крышка экспериментальной банки опустилась ниже, объем уменьшился. К чему это приведет? Пар будет ускоренно конденсироваться до момента равновесия. При увеличении объема ускорится парообразование, но замкнутая система опять придет в равновесное состояние.
Изучая термодинамику, легко понять, почему пар обжигает
сильнее воды той же температуры. Что такое кипение? Состояние, при котором
жидкая фаза активно превращается в парообразное состояние. Следовательно,
происходит обратный процесс конденсации, он сопровождается выделением теплоты.
За счет этого ожог от пара сильнее.
Удельная теплоемкость возрастает, если повышается температура
воды. Процесс парообразования виден в момент кипения. При повышении давления
температура газов достигает 200°С, это свойство используется в теплотехнике,
горячим, вязким паром заполняют теплообменники.
Давление насыщенного водяного пара
Формула p=nkT указывает на прямую зависимость давления
идеального газа (p) и его температуры (Т). Параметр n –число молекул,
содержащихся в заданном объеме, характеризует плотность пара. Постоянная
Больцмана k устанавливает взаимосвязь температуры с энергией образования
вещества (энтальпия).
Пар нельзя сравнивать с идеальным газом. Его давление при
повышении температуры растет быстрее из-за повышения плотности. Концентрация
частиц в неизменном объеме возрастает. Эти особенности свойств водяного пара
необходимо учитывать при расчетах давления насыщенного водяного пара. Если в
идеальном газе возрастает энергия ударов молекул о стенки сосуда, то в
насыщенном паре существенно возрастает число ударов за счет увеличения
концентрации активных частиц.
Плотность насыщенного водяного пара
Плотностью называется отношение массы вещества к его объему.
Этот параметр характеризует расстояние между отдельными молекулами. В жидкой
фазе они сцепляются между собой, в твердой расположены симметрично относительно
друг друга. В газообразном находятся на произвольном удаленном расстоянии, чем
объясняется отличие плотности водяного пара от плотности воды.
Теперь подробно рассмотрим, какое влияние оказывает на
плотность насыщенных водяных паров изменение температуры. Она непостоянна из-за
изменения массы газообразной фазы:
- при повышении температуры она возрастает за счет
ускорения испарения; - при понижении – падает, вода активно
конденсируется.
По сути, она должна постоянно меняться, так как частицы воды
непрерывно движутся, переходят из одного агрегатного состояния в другое. Но при
динамическом равновесии концентрация неизменна: сколько молекул испарится,
столько же конденсируется. Показатели устанавливаются экспериментально для
каждой температуры. Их значения сведены в таблицы.