 |
Теплота парообразования.
|
|
|
|
Это количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг жидкости. Рассмотрим процесс парообразования на диаграмме P-V (рис. 5.1).
Допустим, что при заданном давлении p 1 и температуре 00 С удельный объем жидкости V 0΄ (точка a 1 на диаграмме). Так как процесс нагрева жидкости и
парообразования протекает при постоянном давлении, то линия его является изобарой от точки a 1 вправо. Допустим, что в момент начала кипения, когда температура жидкости равна ts, состояние её определится точкой b 1; в этот момент объем жидкости увеличится до υ´. При дальнейшем подводе теплоты будет получаться влажный насыщенный пар, а когда вся жидкость испарится, он станет сухим насыщенным (точка с 1).Так как в процессе получения насыщенного пара
температура его остается постоянной, то участок изобары b1- c1 является
одновременно и изотермой.
Рисунок 5.1. Процессы парообразования, протекающие
при постоянном давлении в осях p-v.
Итак, точка b1 показывает начало, а точка с1 - конец кипения, поэтому в точке b1 степень сухости x =0, а в точке с1 x =1. Все промежуточные точки относятся к влажному пару. При сообщении сухому насыщенному пару теплоты он переходит в перегретый пар, состояние которого определяется точкой d1. При увеличении давления температура кипения ts повышается и при давлении р2 точки b и c перемещаются выше. При давлении р3 получим точки a3, b3, c3. Если через одноименные точки провести плавные линии, то получим линию AB удельных объемов жидкости при 00С, а также линии МК и NK, сходящиеся в точке К.
Линия МК, характеризует состояние кипящей жидкости, а линия NK геометриче- ское место точек, характеризующих состояние сухого насыщенного пара. Таким образом, линии МК и NK разделяют всю диаграмму на три области: область жидкости, лежащая между линиями AB и МК, область влажного насыщенного пара, расположенную между пограничными линиями МК и NK, и область перегретого пара, расположенную правее линии NK. Линия МК называется пограничной кривой жидкост и и пара, а линия NK- пограничной кривой пара. В точке К кипящая жидкость и сухой насыщенный пар имеют одинаковы параметры p кр, tкр,vкр,
|
|
|
называемые критическими, а сама точка К – критической. В настоящее время принято считать для воды: критическое давление p кр= 22,129 МПа, критическая температура tкр =374, 150 С и критический объём vкр = 0,00326 м3/кг.
5.2 Диаграмма состояния воды и водяного пара i-s
Диаграммы P-V и T-S являются наглядными при исследовании, связанными с подводом и отводом тепла. Однако в расчетной работе они неудобны так как нужно измерять площадь в тех случаях, когда линии процесса являются кривыми. Поэтому в теплотехнике для расчетов пользуются энтропийной диаграммой, в которой по оси ординат отложены значения удельной энтальпии i, а по оси ординат энтропия s.
Эта диаграмма получила название i - s диаграмма (рис 5.2).
Пограничная кривая (линия K-C-N) жидкости и пара в указанной системе
координат строится по точкам i’ и s’, которые находят по таблицам параметров сухого насыщенного пара или по уравнению
S’ = 2,3 lg (TS/273) + r/TS
Линии (b-d, d’-d’ и т.д) изобары - P=const, штрих- пунктирные линии постоянного удельного объема (V=const); линии (C- e, C’-e’ и т.д.) – изотермы- постоянной температуры; линии (х1,х2,,х3) – линии паросодержания или степени сухости. Переходя пограничную кривую K-N изобары и изохоры расходятся при повышении температуры. Промежуточные точки этих изобар находят по уравнениям
iX = i’+xr и SX = 2,3 lg (TS/273) + x r/TS
На практике обычно мало используют очень влажный пар, поэтому для расчетов
применяют в большинстве случаев только верхнюю часть диаграммы.
Пример 5.1. Найти по is- диаграмме температуру насыщеного пара, имеющего давление 1,5 МПа.
|
|
|
Решение. Находим на диаграмме точку, определяющую состояние сухого насыщен- ного пара давление 1,5 МПа на пересечении с кривой сухого насыщенного пара и прочитаем температуру на изотерме, идущей от этой точки; она будет равна 2000 С
Рисунок 5.2. Схема диаграммы i-s воды и водяного пара.
. 5.2. Циклы паросиловых установок (цикл Ренкина).
В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары различ- ных жидкостей (воды, ртути и др.), но чаще всего – водяной пар. Простейшая схема паросиловой установки представлена на рис 6.1.
Рассмотрим схему и цикл паросиловой установки (П.С.У.).
Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую осуществляется посредством водяного пара в паросиловых установках (п.с.у.).
Рассмотрим схему и цикл идеального п.с.у.
За исходное состояние принята вода с параметрами в точке 3. эта вода с помощью насоса 5 подается в котельный агрегат 1, называемый парогенератором. Данный процесс вследствие несжимаемости воды протекает при постоянном
объёме. В парогенераторе осуществляется нагрев воды до температуры ТН и происходит процесс парообразования (процесс 4-5; 5-6) сухой насыщенный пар с параметрами в точке 6 поступает в пароперегреватель 2, где в результате подвода тепла q2 осуществляется его перегрев при постоянном давлении (процесс 5-3)
(рис. 5.3 – 5.4).
Перегретый пар, имеющий высокие параметры (давление, температуру) поступает на турбину 3, где осуществляется адиабатное (изоэнтропное) расширение пара и превращение энергии потока пара в кинетическую энергию, а затем во
вращательное движение ротора турбины и вала электрогенератора 6 (процесс 1-2).
.
Рисунок 5.3. Схема паросиловой установки.
Рисунок 5.4. Диаграмма P-V цикла Ренкина
Рисунок 5.5. Диаграмма T-S цикла Ренкина.
Влажный насыщенный пар после турбины поступает в конденсатор 4 (рис.5.1).
Конденсатор 4 представляет собой трубчатый теплообменник, внутри трубок которого движется холодная вода. В результате отбора у пара тепла парообразования q3 происходит полная конденсация пара (процесс2-3), после чего цикл повторяется. Такой цикл ПСУ называется простым конденсационным циклом или циклом Ренкина.
|
|
|
Определим к.п.д. цикла Ренкина
Подвод тепла осуществляется в процесса 4,5,6,1 при P=const, поэтому
qПОДВ = i 1- i2
Отводится тепло в процессе 2-3
qОТВ= i2 –i3,
поэтому к.п.д цикла Ренкина будет
,
i1 – энтальпия пара после пароперегревателя, кДж/кг;
i2 – энтальпия пара после турбины, кДж/кг;
i3 – энтальпия конденсата, кДж/кг.
Рассмотрим влияние различных параметров на величину к.п.д. цикла Ренкина. На основании идеального цикла Карно следует, что для увеличения к.п.д. необходимо повысить среднюю температуру подвода тепла или понизить среднюю температуру отвода тепла. Повышение средней температуры возможно двумя способами.
1.Повышение начального давления пара перед соплом турбины.
2. Повышение температуры пара перед соплами.
Повышение начального давления приведет к повышению температуры насыщения
и увеличению полезно использованного тепла. Но в свою очередь, это приведет к дополнительному увеличению массы ПСУ, удорожанию её и уменьшению степени сухости пара после сопла. Повышение температуры пара также может повысить к.п.д, но предъявит дополнительные требования к жаропрочности конструкции.
Поэтому в настоящее время для повышения к.п.д. осуществляют как увеличение температуры, так и повышение давления перед турбиной.
Для уменьшения температуры отвода тепла необходимо понижать давление в конденсаторе. При температуре охлаждающей воды порядка 20-300С (вода естест-
венных водоемов), давление в конденсаторе составляет Р2 = 0,002 ÷ 0,004 МПа, т.е. ниже атмосферного.
Поэтому для поддержания высокого к.п.д. необходимо поддержание глубокого
вакуума в конденсаторе, позволяющего снижать давление пара на выходе из турбины и повышающий общий теплоперепад в проточной части турбины.
Лекция № 6
Раздел 6
Влажный воздух
Атмосферный воздух является смесью сухого воздуха и водяных паров и может быть назван влажным воздухом.
Во многих технических устройства и технологических процессах в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух. Например, в воздушных холодильниках, сушильных аппаратах, в двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, в топках котлов и печей и пр. Во всех этих случаях содержание влаги может изменяться в самых широких пределах.
|
|
|
Эти примеры показывают необходимость знания технических свойств влажного воздуха. Одной из таких характеристик является влагосодержание d.
Это отношение массы паров воды, содержащихся во влажном воздухе к массе сухого воздуха:
d = m П/mВ,
где m П – масса паров воды, кг; mВ – масса сухого воздуха, кг. Влажный воздух можно рассматривать как смесь идееальных газов и применять к нему закон Дальтона, согласно которому
р = рВ + рП,
где р – давление влажного воздуха, Па; рВ и рп -парциальные давления соответственно воздуха и пара, Па. Под парциальным давлением понимается давление какого-либо компонента, если бы он занимал весь объём.
(Парциальное давление какого-либо компонента – это доля давления этого компонента от общего давления смеси).
Рассмотрим состояние водяного пара во влажном воздухе на диаграмме P-V. Точка А находится в области перегретого пара. Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром (точка А) называется ненасыщенным влажным воздухом.
При увеличении парциального давления водяных паров при постоянной температуре (процесс АВ) в точке В пар становится сухим насыщенным и дальнейщее увеличение парциального давления водяных паров приведет к конденсации водяных паров. При этом количество водяных паров во влажном воздухе остается постоянным и неизменным. Поэтому в точке В находится максимальное содержание водяных паров во влажном воздухе при данной температуре. Это содержание определяется парциальным давлением РН (давление насыщения).
Рисунок 6.1 Диаграмма P – V состояния ненасыщенного влажного воздуха.
Смесь сухого воздуха с сухим насыщенным паром (точка В) называется насыщенным влажным воздухом.
Влажный насыщенный воздух может быть получен при охлаждении ненасыщенного влажного воздуха при постоянном содержании водяных паров (при Р = const). Этому состоянию соответствует точка С. Температура, до которой необходимо охладить ненасыщенный влажный воздух при постоянном давлении, чтобы он стал насыщенным, называется температурой точки росы tP.
Для определения состояния влажного воздуха используют абсолютную и относительную влажность и влагосодержание.
Абсолютной влажностью называется отношение массы водяного пара к объёму влажного воздуха – ( ρП).
ρП = 
Так как водяной пар занимает весь объём влажного воздуха, поэтому VВ.В. = VП, а абсолютная влажность представляет собой плотность водяных паров при данных условиях.
|
|
|
Относительной влажностью называют отношение плотности пара при заданном давлении к максимально возможной плотности (абсолютной влажности) его при том же давлении (φ).
Относительная влажность изменяется в пределах от 0 до 100 %. Ноль соответствует сухому воздуху; 100% - насыщенному влажному воздуху. Значение Рн определяют по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара в зависимости от температуры влажного воздуха.
В процессе нагревания или охлаждения влажного воздуха содержание водяных паров изменяется, а количество сухого воздуха остается неизменным. Поэтому удобно выражать состав влажного воздуха, отнеся массу водяных паров к массе сухого воздуха.
Влагосодержанием влажного воздуха называется отношение массы водяных паров к 1 кг сухого воздуха – (d).
Рассмотрим уравнения состояния для сухого воздуха и водяного пара:
PС.В. ·V = mС.В. ·RС.В.· TС.В;
PПАР ·V = mПАР ·RПАР· TПАР..
Так как VП = VС.В.;
ТПАР = ТС.ВЗД.,
Тогда после подстановки значений RВОЗД = 287,1 Дж/(кг·К) и RПАРА=461,50 Дж/(кг·К) из табл. получим
,
Или РС.В./РП = 0,622·(mВ /mП). Так как РП = φ·РН,
РС.В.= РБАР – РП = РБАР - φ·РН, тогда
.
Плотность влажного воздуха представляет собой сумму плотностей сухого воздуха и водяных паров
ρВ.В= ρС.В + ρП = ρС.В.·(1+d).
Энтальпией влажного воздуха рассчитывается на 1 кг сухого воздуха или (1+d) кг влажного воздуха.
IВ.В. = iС.В. + iП ·d = CP··tС.В + d·iПАРА.
Для приближенных расчетов принимаем СР=1 кДж/(кг·К),
iП = 2499 +1,974·tВ.В,
Так как tП= tВ.В = tС.В, то
I = t + 0.001·(2500 + 1,974·t)·d, кДж/кг,
где t- температура насыщения при парциальном давлении пара.
При сушке различных продуктов нагретым воздухом влагосодержание его увеличивается за счет испарения воды.
Этот процесс называется адиабатным испарением воды, если теплоту, необходимую для испарения, берем только из окружающего воздуха. Температура воздуха при этом понижается, причем если этот процесс продолжается до полного насыщения воздуха, то температура его понижается до так называемой температуры адиабатного насыщения воздуха, известной под названием истинной температуры мокрого термометра.
На практике для определения относительной влажности воздуха часто пользуются психрометром – прибором, состоящим из двух термометров. Шарик одного из них обернут влажной тканью, вследствие чего показания сухого и мокрого термометра различны. Температура, показываемая
мокрым термометром психрометра, не равна истинной температуре мокрого термометра, а всегда несколько выше её. Объясняется это притоком теплоты через выступающий столбик ртути и восприятием шариком термометра теплоты, излучаемой окружающими предметами. Для исключения этого влияния необходимо омывать мокрый шарик потоком воздуха, имеющего большую скорость или защищать его от восприятия внешней теплоты от окружающих предметов.
Истинная температура мокрого термометра tМ определяется из формулы
где 
- показания мокрого термометра;
tС - показания сухого термометра;
-психрометрическая разность;
х – поправка к показаниям мокрого термометра в %,
определяемая по специальной диаграмме.
Технические расчеты процессов с влажным воздухом производят чаще всего по id диаграмме влажного воздуха.
|
|
|
