Термодинамические параметры состояния воды и водяного пара

Термодинамические свойства и процессы воды и водяного пара

Водяной пар является реальным газом. В зависимости от состояния он может быть сухим насыщенным, влажным и перегретым.

Насыщенный пар находится в термическом и динамическом равновесии с жидкостью, из которой он образуется. Температура и давление пара в состоянии насыщения называются параметрами насыщения (или кипения).

Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара однозначно определяется одним параметром – давлением или температурой насыщения. Остальные параметры сухого насыщенного пара (удельный объем , энтальпия , энтропия ) находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Влажный пар – это равновесная смесь кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. Состояние влажного пара определяется его давлением или температурой , а также степенью сухости x. Степень сухости пара x – это массовая доля сухого насыщенного пара во влажном паре, т. е. . Очевидно, что значение x = 0 соответствует воде в состоянии кипения, а x = 1 – сухому насыщенному пару. Параметры влажного пара вычисляются по формулам

(8.1)

где – параметры кипящей жидкости при давлении влажного пара

Перегретый пар – пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении. Для характеристики перегретого пара необходимо знать два его параметра – давление и температуру, давление и объем и т. д. Остальные параметры и функции находятся по таблицам или диаграмме h–s (см. прил. 2, 3).

Внутренняя энергии пара в любом состоянии рассчитывается исходя из определения энтальпии . Откуда

. (8.2)

На рис. 8.1 представлены p–v и T–s диаграммы для водяного пара. Здесь показаны области различных состояний воды и водяного пара. На левой ветви пограничной кривой (нижней пограничной кривой) находятся точки, соответствующие началу кипения воды, на правой ветви (верхней пограничной кривой) – сухому насыщенному пару. Обе пограничные кривые сходятся в критической точке К, здесь исчезают различия в свойствах жидкости и пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара. Для воды параметры критического состояния следующие:

.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар при постоянном давлении, называют удельной теплотой парообразования r. Удельная теплота парообразования находится как

. (8.3)

Рис. 8.1. p–v и T–s диаграммы для водяного пара

Для практических расчетов и определения параметров воды и водяного пара используют два вида таблиц термодинамических свойств: «Состояние насыщения» (например, по температурам) (прил. 2, табл. П.2.1), где приводятся свойства кипящей жидкости и сухого насыщенного пара и «Свойства воды и перегретого пара» (прил. 2, табл. П.2.2).

Кроме этого, широко используется h–s диаграмма (рис. 8.2). Изобары в области влажного пара являются расходящимися прямыми линиями, затем, пересекая верхнюю пограничную кривую, изобары без излома отклоняются вверх. Изохоры (показаны штриховыми линиями) имеют такой же вид, как и изобары, но являются более крутыми. Изотермы в области влажного пара совпадают с изобарами, а в области перегретого пара отклоняются с изломом вправо, выходя на горизонталь при удалении от верхней пограничной кривой.

Затененная часть диаграммы редко используется при расчете циклов паросиловых установок, поэтому для удобства пользования ее отбрасывают, что существенно уменьшает размеры диаграммы.

Рис. 8.2. h–s диаграмма для водяного пара

Рис. 8.3. Изохорный и изобарный процессы водяного пара

Рис. 8.4. Изотермический и адиабатный процессы водяного пара

Термодинамические процессы водяного пара

Процесс	v = const	p = const	T = const	s = const
q		h2 – h1	T(s2 – s1)
l	p(v2 – v1)	q – Δu
l’	v(p1–p2)	q – Δh

Задачи

8.1. Вода, находящаяся при давлении 15 бар, нагрета до 190 о С. Началось ли кипение воды?

Источник

Термодинамические параметры состояния воды и водяного пара

Инженерные расчеты процессов изменения состояния воды и водяного пара и паровых циклов осуществляются по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара [11]. Эти таблицы составлены на основании надежных экспериментальных данных с согласованием результатов экспериментов и расчетных величин в мировом масштабе.

В нашей стране утвержденным стандартом являются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара, составленные М.П.Вукаловичем, С.Л.Ривкиным, А.А.Александровым [11].

Они включают в себя данные по термодинамическим свойствам воды и водяного пара в диапазоне изменений давления от 0,0061 до 1000 бар и температуры от 0 до 1000 0 С.

Необходимо отметить, что в качестве определяющего параметра в табл. 1 и 2 можно использовать любой из параметров (v’, v», h’, h», s’, s»), а не только давление и температуру насыщения. Поскольку в инженерной практике Р и t выступают чаще всего в качестве определяющих параметров, их и поместили в левой колонке.

В табл. 3 в качестве определяющих, кроме Р и t, может выступать любая пара параметров: Р, t, v, h, s.

При ориентации в фазовых состояниях воды и пара с использованием таблиц необходимо помнить:

1) при Р = const:

2) при t = const:

Источник

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Водяной пар

Промежуточное состояние вещества между состоянием реального газа и жидкостью принято называть парообразным или просто паром. Превращение жидкости в пар представляет собой фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе наблюдается скачкообразное изменение физических свойств вещества.

Примерами таких фазовых переходов является процесс кипения жидкости с появлением влажного насыщенного пара и последующим переходом его в лишенный влаги сухой насыщенный пар или обратный кипению процесс конденсации насыщенного пара.

Одно из основных свойств сухого насыщенного пара заключается в том, что дальнейший подвод теплоты к нему приводит к возрастанию температуры пара, т. е. перехода его в состояние перегретого пара, а отвод теплоты — к переходу в состояние влажного насыщенного пара. В

Фазовые состояния воды

Рисунок 1. Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах.

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кри Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

Критическая точка К имеет параметры:

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Процесс получения водяного пара из воды

На рисунках 2 и 3 изображены процессы нагрева воды до кипения, парообразования и перегрева пара в p, v— и T, s-диаграммах.

Начальное состояние жидкой воды, находящейся под давлением p₀ и имеющей температуру 0 °С, изображается на диаграммах p, v и T, s точкой а. При подводе теплоты при p = const температура ее увеличивается и растет удельный объем. В некоторый момент температура воды достигает температуры кипения. При этом ее состояние обозначается точкой b. При дальнейшем подводе теплоты начинается парообразование с сильным увеличением объема. При этом образуется двухфазная среда — смесь воды и пара, называемая влажным насыщенным паром. Температура смеси не меняется, так как тепло расходуется на испарение жидкой фазы. Процесс парообразования на этой стадии является изобарно-изотермическим и обозначается на диаграмме как участок bc. Затем в некоторый момент времени вся вода превращается в пар, называемый сухим насыщенным. Это состояние обозначается на диаграмме точкой c.

Рисунок 2. Диаграмма p, v для воды и водяного пара.

Рисунок 3. Диаграмма T, s для воды и водяного пара.

При дальнейшем подводе теплоты температура пара будет увеличиваться и будет протекать процесс перегрева пара c — d. Точкой d обозначается состояние перегретого пара. Расстояние точки d от точки с зависит от температуры перегретого пара.

Индексация для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и пара:

Процесс парообразования при более высоком давлении p₁ > p₀ можно отметить, что точка a, изображающая начальное состояние воды при температуре 0 °С и новом давлении, остается практически на той же вертикали, так как удельный объем воды почти не зависит от давления.

Точка b′ (состояние воды при температуре насыщения) смещается вправо на p, v-диаграмме и поднимается вверх на T,s-диаграмме. Это потому, что с увеличением давления увеличивается температура насыщения и, следовательно, удельный объем воды.

Точка c′ (состояние сухого насыщенного пара) смещается влево, т. к. с увеличением давления удельный объем пара уменьшается, несмотря на увеличение температуры.

Соединение множества точек b и c при различных давлениях дает нижнюю и верхнюю пограничные кривые ak и kc. Из p, v-диаграммы видно, что по мере увеличения давления разность удельных объемов v″ и v′ уменьшается и при некотором давлении становится равной нулю. В этой точке, называемой критической, сходятся пограничные кривые ak и kc. Состояние, соответствующее точке k, называется критическим. Оно характеризуется тем, что при нем пар и вода имеют одинаковые удельные объемы и не отличаются по свойствам друг от друга. Область, лежащая в криволинейном треугольнике bkc (в p, v-диаграмме), соответствует влажному насыщенному пару.

Состояние перегретого пара изображается точками, лежащими над верхней пограничной кривой kc.

На T, s-диаграмме площадь 0abs′ соответствует количеству теплоты, необходимого для нагрева жидкой воды до температуры насыщения.

Количество подведенной теплоты, Дж/кг, равное теплоте парообразования r, выражается площадью s′bcs, и для нее имеет место соотношение:

Количество подведенной теплоты в процессе перегрева водяного пара изображается площадью s″cds.

На T, s-диаграмме видно, что по мере увеличения давления теплота парообразования уменьшается и в критической точке становиться равной нулю.

Обычно T, s-диаграмма применяется при теоретических исследованиях, так как практическое использование ее сильно затрудняется тем, что количества теплоты выражаются площадями криволинейных фигур.

По материалам моего конспекта лекций по термодинамике и учебника «Основы энергетики». Автор Г. Ф. Быстрицкий. 2-е изд., испр. и доп. — М. :КНОРУС, 2011. — 352 с.

Источник

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

is (hs)-диаграмма состояния воды и водяного пара

Размер: 3070х3995 пикселей

Диаграмма цветная — степени сухости, температура, давление и объем выделены разными цветами, что делает работу с диаграммой очень удобной.

Большой размер позволит распечатать диаграмму на формате А3 и больше.

is-диаграмма применяется для практических расчетов процессов водяного пара. На ней теплота и энтальпия измеряются линейными отрезками.

is-диаграмма обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс, и решать другие задачи.

Так же вы можете использовать очень удобную и наглядную программу.

Описание is-диаграммы

На is-диаграмме изображены термодинамические процессы:

Степень сухости и паросодержание (х) — розовые линии. Жирная розовая линия — степень сухости х=1. Все что ниже этой линии — зона влажного пара.

Ось «Х» — энтропия, ось «Y» — энтальпия.

Семейство изобар в области насыщения представляет собой пучок расходящихся прямых, начинающихся на нижней и оканчивающихся на верхней пограничной кривой. Чем больше давление, тем выше лежит соответствующая изобара. Переход изобар из области влажного насыщенного в область перегретого пара происходит без перелома на верхней пограничной кривой.

В i, s-диаграмме водяного пара наносятся также линии постоянного паросодержания (x = const) и линии постоянного удельного объема (v = const). Изохоры идут несколько круче, чем изобары.

Состояние перегретого пара обычно определяется в технике давлением p и температурой t. Точка, изображающая это состояние, находится на пересечении соответствующей изобары и изотермы. Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением p и паросодержанием x.

Точка, изображающее это состояние, определяется пересечением изобары и линии x = const.

Как пользоваться is-диаграммой

Для описания воспользуемся небольшой задачей. Возьмем с потолка условие.

Пусть начальные параметры пара будут: давление пара р = 120 бар, температура пара t = 550°С. Пар адиабатно расширяется в турбине до температуры, например, 400 °С.

Для примера этого будет достаточно.

Адиабатный процесс на is-диаграмме — это вертикальная линия (горизонтальная линия — дросселирование). Это для справки.

Итак, начальное давление и температура у нас есть. Найдем эту точку на is-диаграмме:

Нам нужна изобара, соответствующая давлению 120 бар и изотерма, соответствующая температуре 550 °С. На их пересечении и будет точка, соответствующая начальным параметрам пара в нашей задаче.

Найдя эту точку, мы уже можем определить в ней энтальпию и энтропию. Опустив на оси проекции найденной точки, узнаем значения энтальпии (ось «Y») и энтропии (ось «Х»).

3480 кДж/кг, S = 6,65 кДж/(кг•К)

Далее нам нужно узнать параметры пара после адиабатного расширения. Мы знаем, что по поставленным нами условиям, пар расширился и его температура в точке 2 = 400 °С. Я уже упоминал, что на is-диаграмме адиабатный процесс изображается в виде вертикальной линии. Проведем эту линию из точки 1 (начальные параметры) до пересечения с изотермой 400 °С.

Получена точка 2. Через эту точку проходит изобара. Она соответствует давлению 50 бар. Энтропия у нас не изменилась, так как процесс адиабатный, а вот энтальпия стала равна i = 3200 кДж/кг.

Вот и все. Дальше остаются только расчеты: определение изменения внутренней энергии (Δu), работы (l, l’) и т. д. Все это считается по формулам (формулы можете найти в статье «Основные термодинамические процессы»), а значения и график процесса расширения пара у вас уже есть.

Источник

Расчет термодинамических процессов водяного пара

Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара

Для определения параметров состояния воды и водяного пара служат таблицы термодинамических (теплофизических) свойств воды и водяного пара. Современные таблицы составлены с использованием Международной системы единиц СИ. В таблицах приняты следующие обозначения физических величин и их размерности:

p – давление, Па: 1 МПа = 10 3 кПа = 10 6 Па = 10 бар;

t – температура, о С:

v – удельный объем, м 3 /кг;

h – удельная энтальпия, кДж/кг;

s – удельная энтропия, кДж/(кг×град).

В термодинамических расчетах принято параметры (кроме p и t) обозначать для жидкости при температуре насыщения (кипения) индексом «штрих» (v‘, h‘, s‘), для сухого насыщенного пара индексом «два штриха» (v», h», s»), а для влажного насыщенного пара индексом «х» (v_х, h_х, s_х). В таблицах приводятся также значения удельной теплоты парообразования r = h» – h‘ и разности энтальпии в состоянии насыщения s» и s‘.

Для влажного насыщенного пара (степень сухости 0

Причем, v‘ t_н параметры воды и пара находятся по таблице перегретого пара

При p £ p_кр = 22,115 МПа таблица поделена горизонтальной линией на две части: верхняя – для области жидкости; нижняя – для перегретого пара. Граница раздела этих областей проходит при t = t_н.

При p > p_кр нет видимого фазового перехода воды в пар и вещество остается однородным (жидкость или пар). Условная граница между жидкостью и паром в этом случае может приниматься по критической изотерме.

Внутренняя энергия для воды и водяного пара в таблицах не приводится, она определяется по формуле:

Если u и h имеют размерность кДж/кг, то давление должно быть выражено в кПа, а удельный объем в м 3 /кг.

Диаграмма h – S(энтальпия – энтропия) находит широкое применение при расчетах паровых процессов и циклов теплоэнергетических установок.

Для практических целей диаграмма h – s выполняется не для всех фазовых областей воды, а только для ограниченной области водяного пара (рис. 2.17).

На рабочей диаграмме h – s наносится густая сетка изобар, изохор, изотерм и линий постоянной степени сухости х. Как уже отмечалось, в области влажного насыщенного пара изотерма совпадает с изобарой, причем геометрически это прямые линии. Чем выше давление, тем изобара круче и ближе к оси ординат.

На практике расчету подлежат четыре основных термодинамических процесса изменения состояния воды и водяного пара: изобарный (p = const), изохорный (v = const), изотермический (Т = const), адиабатный (dq = 0). Изображение указанных процессов в диаграммах p – v и T – s показано на рис. 2.15 и 2.16.

Состояние влажного насыщенного пара определяется в технике давлением р и степенью сухости х. Точка, изображающая этот состояние, находится на пересечении изобары и линии х = const. Состояние перегретого пара определяется давлением р и температурой t. Точка, изображающая состояние перегретого пара лежит на пересечении соответствующей изобары и изотермы.

Рис. 2.17 Рабочая h–s диаграмма водяного пара

Расчеты основных процессов водяного пара можно проводить как аналитическим, так и графическим методом, с применением h – s диаграммы. Аналитический метод сложен из-за громоздкости уравнений состояния водяного пара.

В таблице 2.4 приведены расчетные формулы для определения количества теплоты, работы изменения объема, и изменения внутренней энергии для основных термодинамических процессов.

Таблица 2.4: Расчетные формулы основных термодинамических процессов

Источник