Как найти перегретый пар

Термины насыщенный пар и перегретый пар относятся к термодинамическому состоянию воды. Вода и пар являются средами, используемыми для теплообмена в котловых установках благодаря своей доступности и высокой теплоемкости. Особенно эффективно передавать тепло посредством испарения и конденсации воды, которая обладает большой скрытой теплоты испарения.

Насыщенный пар (НП) и перегретый пар (ПП) относятся к определенному давлению среды. Первый НП может существовать во влажном и сухом состоянии, а перегретый ПП – только в сухом, поскольку не может содержать в своем составе частиц воды.

Чаще всего эти понятия применяются в теплоэнергетике, для расчета термодинамических циклов в контуре парового котла и в паровых турбинах, генерирующих электрическую энергию на ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и АЭС.

Что такое насыщенный пар

Водяной пар, пребывающий в термодинамическом равновесии с котловой водой, является насыщенным. Это формулировка дает понимание того, что давление насыщенного пара при температуре может иметь только одно значение

В котлоагрегатах парообразование протекает при постоянном давлении и подводе тепла к котловой воде от уходящих газов. Этот процесс базируется на следующих последовательных стадиях: подпитка котла водой, подогрев ее до температуры точки насыщения, и образование сухого насыщенного пара, когда вся жидкость испаряется из него.

В паровых котлах питательная вода, пройдя через экономайзер, попадает в барабан. Из него более холодные потоки под воздействием силы тяжести опускаются по необогреваемым трубам, а поднимаются по подъёмным топочным экранам обогреваемые более горячими дымовыми газами.

Здесь начинается процесс парообразования, поскольку температура воды достигает значения точки насыщения при рабочем давлении в котлоагрегате.

Плотность пароводяной смеси в экранных пакетах уменьшается и становится ниже плотности воды в опускных трубах, что создает напор для движения пароводяной смеси по экранам в барабан, где смесь сепарируется на воду и пар.

В закрытой поверхности нагрева при не меняющейся температуре в точке насыщения устанавливается термодинамическое равновесие между котловой водой и водяным паром. Число молекул пара, выделяющихся из поверхности воды за определенное время, будет равняться числу молекул сконденсированного пара, которые перейдут обратно в воду в барабане котла.

Давление насыщенного пара

Давление насыщения в котле зависит от температуры котловой воды в равновесном термодинамическом состоянии. При росте давления, пар сжимается и баланс нарушается. Плотность пара первоначально несколько возрастает, и из паровой среды в котловую воду будет переходить больше молекул конденсата, чем наоборот.

Поскольку количество молекул, переходящих из воды в единицу времени связано исключительно с температурой, то сжатие паровой среды не будет влиять на изменение этого числа.

Процесс будет протекать пока не возникнет термодинамическое равновесие, а следовательно, и концентрация возвращающихся молекул не достигнет первоначального уровня. Таким образом, Тнп напрямую зависит от давления насыщения в котле.

Таблица насыщенного пара

Характеристики сухого НП, приводятся в Таблице водяного пара. В ней указывают Т (С), при точке кипения котловой воды и давление (кПа и мм. рт.ст.) при которой этот процесс протекает.

Дополнительно в таблице могут указываться и другие параметры пара:

• eдельный объем, м3/кг;
• плотность, кг/м3;
• удельная энтальпия, кДж/кг
• удельная теплота парообразования, кДж/кг.

Плотность насыщенного пара

Плотность НП определяют по формуле.

D st = 216,49 * P / (Z st * (t + 273))

Где:

• D st — плотность насыщенного пара в кг / м3;
• P- абсолютное давление пара в барах;
• t — температура в градусах Цельсия;
• Z st — коэффициент сжимаемости насыщенного пара при Р и t.

В этом уравнении символ «Z st» обозначает коэффициент сжимаемости насыщенного пара при абсолютной величине давления насыщенного водяного пара P, бар. Это удобное уравнение действительно для диапазона давления пара от 0,012 до 165 бар, с соответствующим диапазоном температур насыщения от 10 до 360 С.

Влажность насыщенного пара

Когда котлоагрегат нагревает воду, пузырьки, прорывающиеся через слой воды, захватываются паром. Влажный пар определяется как пар, в котором вода присутствует в виде микрокапель паров воды. В этом случае соотношение может составлять от 0 до 1. Если пар имеет 20 % воды по объему — он считается сухим на 80% или имеет долю сухости 0,8.

Таблицы НП содержит значения, такие как температура, энтальпия и удельный объем для сухого НП, но не для влажного. Для того чтобы их определить потребуется воспользоваться формулами, учитывая соотношение двух сред:

Удельный объем (v) мокрого пара

v = X * v g + (1 — X) * v f

Где:

• X = сухость (% / 100);
• v f = удельный объем жидкости;
• v g = удельный объем НП.

Удельная энтальпия пара сухостью Х:

h = h f + X * h fg

Где:

• X = сухость (%);
• h f = удельная энтальпия жидкости;
• h fg = удельная энтальпия НП.

Чем влажнее пар, тем ниже значения удельного объема, теплосодержание, энтальпия и энтропия. Таким образом сухость пара оказывает существенное влияние на все эти значения.

Задачей теплоэнергетиков является организация процессов парообразования в котле с сухостью 100%. Для этого в барабанах котлов устанавливают специальные сепарационные устройства, отделяющие пар от воды.

Перегретый пар

Перегретый пар — это пар с температурой, превышающей его температуру кипения при абсолютном давлении, при котором проводились измерение температуры. Давление и температура перегретого пара не зависят друг от друга, поскольку температура может увеличиваться, в то время как давление остается постоянным.

Процесс перегрева водяного пара на диаграмме Ts представлен на рисунке между состоянием E и кривой насыщенного пара. Чтобы оценить тепловую эффективность цикла, энтальпия должна быть получена из таблиц перегретого пара.

Процесс перегрева — единственный способ увеличить пиковую температуру цикла Ренкина и повысить эффективность без увеличения давления в котле. Это требует добавления в конструкцию котла особого теплообменника, называемого пароперегревателем.

В пароперегревателе дальнейший нагрев при фиксированном давлении приводит к увеличению, как температуры, так и удельного объема. Наибольшее значение перегретого пара заключается в его огромной внутренней энергии, которая может быть использована для кинетической реакции для движения лопастей турбины, создающих вращательное движение вала.

Температура перегретого пара

Характеристики перегретого пара (ПП) аналогичны идеальному газу, но не равны насыщенному пару. Поскольку ПП не обладает зависимостью между температурой и давлением, при конкретном давлении он может вырабатываться в широком температурном диапазоне, что будет зависеть от площади нагрева пароперегревателя.

Перегретый пар отличается от насыщенного такими преимуществами:

• gри равном давлении насыщения он обладает намного большей температурой;
• обладает большим удельным объемом, что дает экономию энергоресурсов при использовании;
• при снижении он не конденсируется, пока температура не упадет ниже точки насыщения при давлении среды.

Методы регулирования температуры перегретого пара

Довольно часто для технологических процессов, требуется получение перегретого пара строго определенной температуры. Для того чтобы снять ее излишки, обычно используют три метода воздействия на температуру ПП:

• cмешивание разных температурных потоков, когда в ПП впрыскивают котловую воду или паровой теплоноситель меньшего теплосодержания;
• поверхностное охлаждение, заключается в перенаправление ПП через систему специальных теплообменных аппаратов, выполняющих роль охладителей;
• изменение тепловосприятия потока, реализуется через изменение температуры или расхода уходящих котловых газов.

В теплоэнергетике в котлах высокого давления наиболее часто применяют первый метод, путем впрыскивания в поток ПП питательной воды или конденсата от турбогенератора. Впрыском насыщенного пара, как правило, регулируют температуру вторичного перегрева пара.

Получение перегретого пара

Пароперегреватель устройство, устанавливаемый в котлоагрегате, вырабатывает перегретый пар с параметрами, превышающими температуру насыщения в барабане котла. Он относится к особо критичным котловым элементам, поскольку из-за высоких температур ПП металл конструкции функционирует в предельно-допустимых условиях.

Пароперегреватели бывают основного типа, работающие в зоне сверхкритического давления и промежуточного типа, которые направляют пар отработанный в турбине для промперегрева.

Кроме того пароперегреватели классифицируются по тепловосприятию на конвективные, установленные в конвективной части котла, радиационные — расположены около топочных экранов и ширмовые — установленные в верхней части топки. По направлению движения потоков ПП и уходящих котловых газов выпускают ПП : прямоточные, противоточные и смешанные.

Использование перегретого пара в технике

В современных паровых турбинах применяют ПП с температурой перегретого пара существенно выше критической (374C).

Перегретый пар используется в турбинах для повышения теплового КПД. Другое использование перегретого пара:

• Пищевые технологии.
• Технологии очистки.
• Катализ / химическая обработка.
• Технологии поверхностной сушки.
• Технологии отверждения.
• Энергетика.
• Нанотехнологии.

Котлы перегретого пара

В России применяется ГОСТ 3619-76 на паровые котлоагрегаты, в котором установлены параметры насыщенного и перегретого пара, а также паровая производительность и температура воды для питания котла.

Современная российская энергетика использует котлоагрегаты производительностью вырабатывающих 1000/1650/2650/3950 т/ч пара для турбогенераторов соответствующей мощностью 300/500/800/1200 МВт, работающих на сверхкритических параметрах по давлению 25,5 МПа и Тпп=545С.

Энергетические котлы классифицируются по давлению пара — высокого от 10 до 14 МПа и сверхкритического свыше 25,5 МПа. Котлоагрегаты сверхвысокого давления, обычно, выполняют с вторичным перегревом пара.

Паровые котлоагрегаты малой и средней паропроизводительности используются для производства насыщенного и перегретого пара с характеристиками до 3,9 МПа и Т=450 С. Они эксплуатируются на промпредприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве для производственно-технологических нужд и в системах центрального теплоснабжения.

Типичными представителями агрегатов данной категории являются котел Е (ДЕ) производительностью пара от 1 до 25 т/ч, Е (КЕ) производительностью пара до 25 т/ч с газомазутной горелкой и ДКВР производительностью до 20 т/ч. Их применение – источники тепловой энергии для центрального теплоснабжения с параметрами насыщенного и перегретого пара.

В промышленности, на производстве и в быту используются разные типы водяного пара для эффективной работы различных устройств.

В статье рассказывается, что такое перегретый водяной пар. Описаны его характеристики, свойства, формула для расчета параметров и основные отличия от насыщенного пара.

Что такое перегретый водяной пар?

Перегретый пар – это пар, имеющий температуру, которая выше температуры кипения воды, из которой пар образован без изменения давления. Его основой является насыщенный пар, но нагретый до состояния испарения влаги, которая в нем находится.

Для образования перегретого пара необходимо нагревать насыщенный пар в отдельном объеме. После полного выпаривания воды пар становится перегретым и сухим.

Чем отличается от насыщенного?

У перегретого и насыщенного пара есть ряд отличий:

1. Теплосодержание и температура насыщенного пара меньше. Эти условия важны для сохранения влажности и термодинамического равновесия.
2. По удельному объему, перегретый тип пара больше. Прослеживается зависимость от величины насыщения водой. Чем воды меньше, тем больше объем пара.
3. В перегретом нет влаги. Влага испаряется при температуре от 125 градусов. Используется именно самая маленькая разница в 25 градусов. Более малый коэффициент разницы температуры требует больших затрат на топливо.
4. Отсутствует конденсация в перегретом пару. Конденсация прекращается по причине наличия прогрева стен емкости пароперегревателя.

Главным отличием является температура образования. Перегретый и сухой пар образуется при сверхкритической для воды температуре 374 градуса и давлении 2,25 Мпа.

У образованного при таких экстремальных условиях пара не прослеживается зависимости от давления и температуры.

О насыщенном и перегретом паре расскажет видео:

Температура

Перегретый высокотемпературный пар получают в пароперегревателях. В этих установках образования данного типа пара происходит при температурах от +374 до +600 градусов. Такой пар используется для работы паровых турбин, котельных, систем осушения.

Температуры более +600 градусов увеличивают скорость парообразования, но требуют более устойчивых к нагреву материалов.

Максимально высокой температурой образования перегретого пара является +1000 градусов. Но этот нагрев использовался только в качестве эксперимента.

Самой нижней границей образования перегретого пара является температура +125 градусов. Разница в 25 градусов позволяет осушить пар, нарушив термодинамическое равновесие насыщенного пара.

Свойства

У перегретого пара есть ряд основных свойств, которые делают его востребованным в промышленности:

1. Обладает высокой степенью теплосодержания.
2. Является полностью сухим.
3. Обладает высоким удельным объемом по сравнению с насыщенным паром.
4. Не подвержен конденсации. Конденсация перегретого пара наступает только на момент стабилизации термодинамического равновесия при охлаждении.
5. Теплоемкость такого газа не имеет зависимости от давления при температуре от 500 градусов.
6. При повышении давления перегретый пар, при стабильной температуре, переходит из газообразного в жидкое состояние.

Еще одним свойством является его зависимость от давления. Чем выше давление перегретого пар, тем больше его плотность.

Ниже приведена таблица зависимости температуры перегретого пара от его давления:

Кроме зависимости давления от температуры, перегретому пару свойственно увеличение теплосодержания. Именно за это свойство его часто используют для передачи тепла.

Как образуется?

Для образования перегретого водяного пара используются специальные установки – пароперегреватели. Образование происходит за счет увеличения температуры насыщенного пара.

Во время нагревания насыщенного пара происходит следующее:

1. Увеличивается его температура. При этом температура воды остается неизменной. Нагрев осуществляется в отдельной камере.
2. Происходит нарушение термодинамического равновесия с нагреваемой водой. Перегрев приводит к прекращению конденсации.

   Для этого применяется нагрев поверхности паровой емкости.

3. Полностью испаряется влага из пара.
4. Увеличивается температура.
5. Повышается удельный объем газа.

С повышением температуры увеличивается теплосодержание. Свойство образования перегретого пара из насыщенного применяется для передачи тепла на большие расстояния.

Насыщенный пар доставляется до места назначения и только там начинается его нагрев. Тем самым удается обеспечить стабильность температуры и снизить затраты на горючее.

Формула и правила расчета

Для перегретого пара основными единицами измерения является: насыщенность, давление и теплосодержание (энтальпия). Далее приведены формулы расчета этих параметров.

Энтальпия рассчитывается по формуле: H=u+p*v.

Выражение состоит из:

• «h» — Единица теплосодержания (энтальпия);
• «u» — энергия пара;
• «p» — давление;
• «v» — объем.

Теплосодержание также зависит от скорости образования газа и стабильности температуры пароперегревателя.

Давление рассчитывается по формуле Менделеева-Клапейрона: pV=vRT.

Состоит формула из следующих значений:

• «p» — давление (Па);
• «V» — объем (м3);
• «v» — количество вещества (моль);
• «T» — температура пара;
• «R» — газовая постоянная (табличная величина).

Насыщенность рассчитывается по формуле:

Выражение состоит из:

• «Pн» — плотность насыщенного пара (кг/м3);
• «Pп» — плотность перегретого пара (кг/м3);
• «Vн» — объем насыщенного (кг/м3);
• «Vп» — объем перегретого (кг/м3).

При расчетах также учитывается скорость парообразования и вместительность котла, в котором он образуется. Степень насыщенности перегретого пара используется для расчета потребления топлива, которое будет израсходовано на образование газа.

Применение знаний в быту

За счет своих свойств и температуры, перегретый пар нашел бытовое применение. Основная доля его использования приходится на систему парового отопления. Существуют также системы вентиляции, которые отапливают помещения перегретым паром, без насыщения влагой.

Используют его и для приготовления пищи. В современных скороварках есть функция приготовления пищи на перегретом пару. Это значительно увеличивает скорость приготовления.

Перегретый пар применяется для обеззараживания одежды. Некоторые модели утюгов имеют такую функцию. Перегретый пар помогает убить бактерии, насекомых и их личинки.

Видео по теме статьи

Перегретый пар, видео-эксперимент:

Заключение

Основная сфера применения перегретого пара — это транспорт и энергетика. Этот тип энергии используется для работы парогазовых турбин, которые являются приводами электрических генераторов.

Перегретый пар также применяется для отопительных промышленных котлов. Подобные устройства не используются в быту, по причине опасности разгерметизации.

Насыщенный и перегретый пар и их параметры

Насыщенным
называется пар, находящийся в равновесном
состоянии с жидкостью.
Температура такого пара зависит от
давления, т.е. определённому
давлению насыщенного пара соответствует
определённая температура.

Насыщенный
пар может быть сухим
и влажным.
Сухой
пар не
содержит жидкости.
Влажный
насыщенный пар – это смесь пара с
жидкостью, равномерно распределённой
по его массе.

Состояние
сухого
насыщенного пара
определяется только одним
параметром – давлением или температурой.

Состояние
влажного
насыщенного пара
определяется двумя
параметрами: давлением или температурой
и степенью сухости.

Степенью
сухости (Х)
– называется массовая доля сухого пара
в составе водяного пара.

Теплосодержание
(энтальпия)
насыщенного пара слагается из тепла
нагрева жидкости до температуры испарения
С_В
(t_К
— t_Н)
и скрытой
теплоты парообразования или теплоты
испарения (r).

I_Н
= С_В (t_К
— t_Н)
+ r
[кДж/кг ^о
С].

Теплота
парообразования
r,
характеризуется количеством теплоты,
необходимым для превращения 1 кг воды
в сухой
насыщенный пар.

При температуре
374^оС
и давлении 2,25 МПа вся масса воды мгновенно
превращается в пар без дополнительной
затраты теплоты, т.е. образуется перегретый
пар, температура
которого выше температуры насыщенного
пара того же давления. Этот
пар не имеет определённой зависимости
между температурой и давлением.

Разность
температур перегретого и насыщенного
пара того же давления называется
степенью
перегрева.

Теплосодержание
(энтальпия)
перегретого пара – это сумма теплосодержания
насыщенного пара и теплоты перегрева.

I_П
= I_Н
+С_П (t_П
— t_Н)
[кДж/кг ^о
С],

где С_П
– теплоёмкость перегретого пара; (t_П
— t_Н)
– температура перегрева
(степень
перегрева); t_Н
– температура
насыщенного пара.

Для тепловой
обработки тяжёлого бетона рекомендуется
применять влажный или сухой насыщенный
пар. Такой пар создаёт в камере
паровоздушную среду со 100% относительной
влажностью (φ,
%), в которой практически не происходит
испарения влаги из бетона, т.к. пар легко
конденсируется на поверхности изделия
и нагревает его.

Конденсация
перегретого пара наступает после того,
когда он потеряет теплоту перегрева,
т.е. когда
его температура понизится до температуры
насыщенного пара.
В результате перехода перегретого пара
в состояние насыщенного пара происходит
удаление
влаги из бетона, т.е. – сушка,
а это не
допустимо.
При этом бетон теряет часть влаги,
которая участвует в физико-химических
процессах гидратации клинкерных
минералов (С₃S,
C₂S,
C₃A,
C₄AF),
что существенно снижает прочность
изделий.

Параметры влажного воздуха

Тепловая
обработка бетона обычно производится
во влажном воздухе, состоящим из смеси
сухого воздуха и водяного пара, которые
образуют паровоздушную
смесь,
подчиняющуюся закону Дальтона: если
в одном и том же объёме заключены два
различных газа, то каждый газ заполняет
весь объём, как если бы другого газа не
было.

Давление любого
из этих газов называется парциальным
давлением,
а общее
давление смеси газов равно сумме их
парциальных давлений

Р = Р_В
+ Р_П,

где Р_В
и
Р_П
– соответственно
парциальные
давления воздуха и пара.

При тепловой
обработке бетона важное значение имеет
степень насыщения воздуха паром, которая
определяется относительной
влажностью φ
(%), т.к. от этого показателя зависит
интенсивность испарения влаги из бетона.

Относительной
влажностью
называется отношение массы водяного
пара, содержащегося в 1м³
воздуха ρ_П,
к предельному его содержанию ρ_Н
при том же
объёме, температуре и давлении

φ = ρ_П
/ ρ_Н
× 100 %.

Максимально
возможное количество водяных паров в
воздухе называется состоянием
насыщения
ρ_Н,
а температура, при которой происходит
насыщение – точкой
росы, или
температурой
насыщения t_Н.

Лекция 2

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

В начале процесса нагрева воды, при достижении температуры 100°С на дне емкости (сосуда, прибора, котла) постепенно образуются пузырьки пара, которые поднимаясь вверх, не достигая поверхности, конденсируются в верхних более холодных, еще не прогретых до 100°С слоях воды. Через некоторое время, когда температура всего объема воды в сосуде повышается до 100°С, пузырьки пара начинают достигать верхнего слоя воды. То есть начинает происходить процесс кипения и испарения. При этом температура исходящего пара также составляет 100°С.

При увеличении подвода тепловой энергии интенсивность парообразования будет увеличиваться (количество пузырьков пара станет больше), но температура воды и выделяющегося пара будет прежней — 100°С, т.к. атмосферное давление останется неизменным. Напомним, что при атмосферных условиях (давление 1013 мбар) вода имеет температуру испарения 100°С. Но для простоты расчетов принято округлять значение давления до 1 бар (1000 мбар).

Вода на стадии испарения (при достижении температуры 100°С в атмосферных условиях) не может более принимать энергию, не изменив свое агрегатное состояние. Энтальпия (теплосодержание) воды, находящейся в данном состоянии определяется, как ее тепловая энергия насыщения и обозначается как h’.

Если нагреваемый сосуд — закрытого типа, вода и пар могут находиться в состоянии динамического равновесия, при котором число молекул воды, превращающихся в пар, равно числу молекул, конденсирующихся обратно в воду (скорости процессов парообразования и конденсации одинаковы). При этом пар, находящийся в данном состоянии, называется насыщенным.
Чтобы продолжить процесс испарения и добиться полного испарения воды, необходимо передать ей больше энергии, чем тепловая энергия насыщения. Указанная энергия – это теплота парообразования r. Общая энтальпия полученного пара обозначается h” и определяется как:

h”=h’+r

1 кг пара при температуре 100°С обладает тепловой энергией примерно в 6 раз большей, чем 1 кг воды при 100°С. Когда пар с температурой 100°С отдает тепловую энергию, образуется конденсат. То есть процесс конденсации 1 кг пара, имеющего температуру 100°С, будет сопровождаться высвобождением тепловой энергии, которая будет в 6 раз больше, чем присутствует в воде с теми же параметрами. Количество теплоты, выделяемое при конденсации пара, называется тепловой энергией парообразования. Полученный при этом конденсат имеет такую же температуру, как и пар, из которого он был получен.

Значение температуры насыщения пара находится в прямой зависимости от давления пара в сосуде. От давления пара также зависят такие величины, как тепловая энергия насыщения и парообразования, энтальпия и удельный объем. Значения указанных параметров, соответствующих определенному давлению пара, приведены в Таблице насыщенного пара.

В таблице представлены следующие данные:
— температура насыщенного пара (ts, С), которая определяет точку кипения воды при определенном давлении. Значение указанной температуры также определяет температуру конденсации пара;
— удельный объем (v”, м3/кг) — объем, занимаемый единицей массы вещества. Величина удельного объема находится в обратной зависимости от увеличения давления пара;
— удельный вес (po, кг/м3), который показывает массу пара, выраженного в килограммах, содержащегося в 1 м3 объема. Удельный вес увеличивается при увеличении давления;
— энтальпия насыщения (h’, кДж/кг) – показатель количества тепловой энергии, которая необходима для доведения до кипения 1 кг воды при определенном давлении или количество тепловой энергии, которое содержит конденсат, сконденсированный из 1 кг пара при том же давлении. Чем выше давление пара, тем больше тепловой энергии несет конденсат;
— суммарная энтальпия пара (h”, кДж/кг);
— тепловая энергия парообразования (конденсации) (r, кДж/кг) – показатель количества тепловой энергии, требуемой для полного испарения 1 кг воды при определенном давлении или количество тепловой энергии, высвобождаемое при конденсации насыщенного пара при этом же давлении. При повышении давления количество тепловой энергии, которая требуется для полного испарения воды, уменьшается. А при конденсации такого насыщенного пара, соответственно, выделяется меньше энергии.

Для наглядности приведем пример расчета:

Сколько тепловой энергии необходимо, чтобы нагреть 10 м3 (10 000 кг) воды температурой 15°С до 90°С и какое количество пара необходимо для этого, при давлении пара в теплообменнике — 6 бар?

Удельная теплоемкость воды – 4,2 кДж/кг х К.

Сделаем расчет требуемого количества тепловой энергии:

А) Количество среды х перепад температуры х удельная теплоемкость = 10 000 х (90-15) х 4,2 = 3150000 кДж. При давлении 6 бар тепловая энергия конденсации — 2085 кДж/кг.

Б) Требуемое количество пара для нагрева воды: 3150000 / 2085 = 1511 кг. При этом температура конденсата, который будет отводиться через конденсатоотводчик из паровой сети, составит 159°С.

Пар, который имеет температуру и энтальпию при определенном давлении выше указанного в Таблице насыщенного пара, называется перегретым. Например, пар с давлением 9 бар и температурой 190°С является перегретым. Перегретый пар обладает меньшими теплопередающими свойствами по сравнению с насыщенным паром. Если перегретый пар используется в качестве теплоносителя, то значительная часть поверхности теплообмена будет использована для его охлаждения до температуры насыщенного пара. Как правило, перегретый пар используется в качестве энергоносителя паровых турбин.

При равном давлении удельный объем насыщенного пара значительно меньше, чем перегретого. Поэтому при переходе пара из насыщенного состояния в перегретое необходимо обращать внимание на уменьшение пропускной способности трубопроводов. Редуцируя (снижая) давление, насыщенный пар с давлением меньше 31 бар может перейти в перегретое состояние. При этом обмена тепловой энергии не происходит и никакая работа не производится.

С помощью h-t-p диаграммы, представленной ниже можно наглядно показать процессы испарения, конденсации, парообразования и т.д

К примеру, рассмотрим процесс редуцирования давления пара со 120 до 50 бар. Согласно диаграмме точка пересечения с линией давления 50 бар находится в зоне парообразования/конденсации. Часть пара будет конденсироваться, т.к. энтальпия насыщенного пара при давлении 120 бар — 2689,2 кДж/кг меньше, чем энтальпия пара с давлением 50 бар -2794,2 кДж/кг. Пересечение находится в зоне линии х=0,9 — значит 10% пара будет сконденсировано и пар станет «влажным».

Параметры пара

— насыщенный пар

— паросодержание или степень сухости

— энтальпия пара

— теплота парообразования

— перегретый пар

Свойства пара определяются его параметрами, то есть величинами, характеризующими состояние пара (давление, температура, степень сухости, энтальпия, теплосодержание и т. д.). Тепловая энергия подводится к паровой турбине при помощи водяного пара, являющегося носителем тепловой энергии (теплоносителем).

Насыщенный пар

Если нагревать воду в открытом сосуде, то температура ее будет постепенно повышаться, пока не достигнет примерно 100⁰ С; после этого дальнейшее повышение температуры прекращается и начинается кипение воды, то есть бурный переход ее в парообразное состояние. Температура воды во время кипения остается одной и той же, так же как температура получающегося над водой пара; она равна точно 100⁰ С при нормальном атмосферном давлении, равном давлению ртутного столба 760 мм высотой. Искусственно изменяя давление, можно изменять температуру кипения в очень широких пределах; при увеличении давления температура кипения повышается, при уменьшении давления – понижается.

Так, при давлении 0,02 ата (0,02 от атмосферного давления) вода кипит при 17,2⁰ С, а при давлении 10 ата при 179⁰ С.

Температура пара над водой, из которой он получается (рис. 1), всегда равна температуре этой воды. Получающийся над водой пар называется насыщенный пар.

Определенной температуре насыщенного пара всегда соответствует определенное давление, и наоборот, определенному давлению всегда соответствует строго определенная температура.

В (таблице 1) приводится зависимость между температурой и давлением насыщенного пара.

Измерив термометром температуру насыщенного пара, можно по этой таблице определить его давление или, измерив давление, определить температуру.

При образовании пара в паровое пространство котла всегда попадают частицы воды, увлекаемые выделяющимся паром; особенно сильное увлажнение пара происходит в современных мощных котлах при работе их с большой нагрузкой. Кроме того, насыщенный пар обладает тем свойством, что при самом незначительном отнятии теплоты часть пара обращается в воду (конденсируется); вода в виде мельчайших капелек удерживается в паре. Таким образом, практически мы всегда имеем смесь сухого пара и воды (конденсата); такой пар называется влажный насыщенный пар. Так же как и у сухого насыщенного пара, температура влажного пара всегда соответствует его давлению.          

Состав влажного пара принято выражать в весовых частях пара и воды. Вес сухого пара в 1 кг влажного пара называется паросодержанием или степенью сухости и обозначается буковой «х». Значение «х» обычно дают в сотых долях. Таким образом, если говорят, что у пара «х»=0,95, то это значит, что во влажном паре содержится по весу 95% сухого пара и 5% воды. При «х»=1 насыщенный пар носит название сухого насыщенного пара.

Один килограмм воды при своем испарении дает один килограмм пара; объем получающегося пара зависит от его давления, а следовательно, и от температуры. В противоположность воде, которая по сравнению с газами почти несжимаема, пар может сжиматься и расширяться в очень широких пределах.

Удельный объем, то есть объем 1 кг пара, при давлении 1 ата для сухого насыщенного пара равен 1,425 м³, то есть в 1725 раз больше объема 1 килограмма воды. При повышении давления удельный объем пара уменьшается, та как пар как упругое тело сжимается; так, при давлении 5 ата объем 1 кг сухого насыщенного пара уже равен только 0,3816 м³.

Энтальпия пара(теплосодержание) – практически определяется как количество тепла, которое нужно для поучения 1 кг пара данного состояния из 1 кг воды при 0⁰ С, если нагрев происходит при постоянном давлении.

Понятно, что при одной и той же температуре энтальпии пара значительно больше, чем энтальпия воды. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 0 до 100⁰ С, нужно затратить приблизительно 100 ккал тепла, так как теплоемкость воды равна приблизительно единице. Для того же, чтобы превратить эту воду в сухой насыщенный пар, нужно сообщить воде добавочно значительное количество теплоты, которое расходуется на преодоление внутренних сил сцепления между молекулами воды при переходе ее из жидкого состояния в парообразное и на совершение внешней работы расширения пара от начального объема v^/ (объем воды) до объема v^// (объема пара).

Это добавочное количество теплоты называется теплота парообразования.

Следовательно, энтальпия сухого насыщенного пара будет определяться так:

i^//=i^/+r, ккал/кг,

где i^// — полная теплота (энтальпия пара); i^/ — энтальпия воды при температуре кипения; r – теплота парообразования.

Например, при давлении 3 кг/см³ теплосодержание 1 кг кипящей воды равно 133,4 ккал, а теплота парообразования равна 516,9 ккал/кг; отсюда энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 3 кг/см² будет:

i^//=133,4+516,9=650,3 ккал/кг (табл 2)

Энтальпия влажного насыщенного пара в сильной степени зависит от его степени сухости; с уменьшением степени сухости пара его энтальпия уменьшается.

Энтальпия влажного пара равна:

i_вл=i^/(1-x)+ i^//x, ккал /кг.

Эту формулу легко уяснить себе на следующем примере: допустим, что давление пара 5 кг/см² и степень сухости 0,9 иначе говоря, 1 кг этого пара содержит 0,1 кг воды и 0,9 кг сухого пара. По (табл 2) находим, что энтальпия воды при давлении 5 кг/см² равна округленно 152 ккал/кг, а энтальпия сухого пара 656 ккал/кг; так как влажный пар состоит из смеси сухого пара и воды, то энтальпия влажного пара в данном случае будет равна:

I_вл=(152*0,1)+(656*0,9)=605,6 ккал/кг.

Следовательно, энтальпия влажного пара будет в этом случае примерно на 50 ккал/кг меньше, чем сухого насыщенного пара того же давления.

Перегретый пар

Если насыщенный пар отвести от поверхности испарения воды в котле и продолжать нагревать его отдельно, то температура пара будет подниматься и объем его увеличиваться. Устройство, в котором пар подогревается (пароперегреватель), сообщается с паровым пространством котла (рис 2). Пар, температура которого выше температуры кипения воды при том же давлении, называется перегретый пар. Если давление пара равно 25 ата, а температура его 425⁰ С, то он прегрет на 425 – 222,9 = 202,1⁰ С, так как давлению 25 ата соответствует температура насыщенного пара, равная 222,9⁰ С (табл 2) 

Энтальпия перегретого пара 

I=i^/+a=i^/+r+a, ккал/кг.

Следовательно, она превышает энтальпию сухого насыщенного пара того же давления на величину, выражающую собой количество теплоты, дополнительно сообщенное пару при перегреве; это количество теплоты равно:

а=ср(t2 – t1), ккал/кг,

где ср – средняя теплоемкость 1 кг пара при постоянном давлении. Ее величина зависит от давления и температуры пара; в (табл. 3) даны значения ср для некоторых температур и давлений;

t1 – температура насыщенного пара; t2 – температура перегретого пара.

Энтальпии перегретого пара для некоторых давлений и температур приведены в (табл. 4).

Перегревая свежий пар, мы сообщаем ему дополнительную теплоты, то есть увеличиваем начальную энтальпию. Это приводит к увеличению использованного теплопадения и повышению экономического к.п.д. установки работающей на перегретом паре. Кроме того, перегретый пар при движении в паропроводах не конденсируется в воду, так как конденсация может начаться только с момента, когда температура перегретого пара понизиться на столько, что он перейдет в насыщенное состояние. Отсутствие конденсации свежего пара особенно важно для паровых турбин, вода, скопившаяся в паропроводе и увлеченная паром в турбину, легко может разрушить лопатки турбины.

Преимущество перегретого пара настолько значительны и выгодность его применения настолько велика, что современные турбинные установки работают почти исключительно перегретым паром.

В настоящее время большинство тепловых электростанций строится с параметрами пара свыше 130 – 150 ата и свыше 565⁰ С. В дальнейшем для самых мощных блоков предполагается по мере освоения новых жаростойких сталей повысить параметры до 300 ата и 656⁰С.

При расширении перегретого пара его температура понижается, по достижении температуры насыщения перегретый пар проходит через состояние сухого насыщенного пара и превращается во влажный пар.

         Далее  ► ► ►

                             Наверх

                              Главная страница