В каких устройствах получают водяной пар. Области применения пара

Тема 2. Основы теплотехники.

Теплотехника - это наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических веществ, называемых топливом.

Основы теплотехники составляют:

1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие виды энергии (например: тепловая энергия в механическую, хими­ческую и т. д.)

2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносите­лями через поверхность нагрева.

Рабочим телом является теплоноситель (водяной пар или горячая вода), который способен передавать теплоту.

В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой 150°С или водяной пар с температурой до 250°С. Для отопления жилых и обще­ственных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее темпера­туры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с тем­пературой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах ото­пления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.

Параметры рабочего тела

Теплоноситель, получая или отдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.

Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар, ко­торый имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в па­роводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсат. Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конден­сата понижается.

Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.

t, P- определяется приборами: манометрами, термометрами.

Удельный объем и плотность является расчетной величиной.

1. Удельный объем - объем занимаемый единицеймассы вещества при

0°С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. (при нормальных условиях)

где: V- объем (м 3); m- масса вещества (кг); стандартное условие: Р=760мм р.ст. t=20 о С

2. Плотность - отношение массы вещества к его объему. каждое вещество имеет свою плотность:

В практике применяется относительная плотность – отношение плотности данного газа к плотности стандартного вещества (воздуха) при нормальных условиях (t° = 0°С: 760 мм. рт.ст.)

Сравнивая плотность воздуха с плотностью метана, мы можем определить из каких мест брать пробу на наличие метана.

получаем,

газ легче воздуха, значит, он заполняет верхнюю часть любого объема, проба берется из верхней части топки котла, колодца, камер, помещения. Газоанализаторы устанавливаются в верхней части помещений.

(мазут легче, занимает верхнюю часть)

Плотность угарного газа почти, такая как у воздуха, поэтому проба на угарный газ берется в 1.5 метров от пола.

3. Давление - эта сила, действующая на единицу площади поверхности.

Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверх­ности 1м 2 принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м 2) в системе СИ (сейчас в школах, в книгах все идет в Па, приборы тоже стали в Па).

Величина Па мала по значению, пример: если взять 1 кг воды разлить на 1 метр получаем 1 мм.в.ст. ,поэтому вводятся множители и приставки- МПа, КПа…

В технике применяются более крупные единицы измерения

1кПа=10 3 Па; 1МПа=10 б Па; 1ГПа=10 9 Па.

Вне системные единицы измерения давления кгс/м 2 ; кгс/см 2 ;мм.в.ст;мм.р.ст.

1 кгс/м 2 = 1 мм.в ст =9,8 Па

1 кгс/см 2 = 9,8 . 10 4 Па ~ 10 5 Па = 10 4 кгс/м 2

Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах.

Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при н.у.

1атм = 1,01325 . 10 5 Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см 2 .

Техническая атмосфера- давление вызываемое силой в 1кгс равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью в 1см 2 .

1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см 2

1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного сто­лба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.

1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.

В технических характеристиках насосов вместо давления употреб­ляется термин напор. Единицей измерения напора является м. вод. ст. Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.

Виды давления : избыточное, вакуум (разрежение, тяга), абсолютное, атмосферное .

Если стрелка отклоняется в строну большую нуля то это избыточное давление, в меньшую – разряжение.

Абсолютное давление:

Р абс =Р изб +Р атм

Р абс =Р вак +Р атм

Р абс =Р атм -Р разр

где: Р атм =1 кгс/см 2

Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° = 0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.

Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме). В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р изб. измеряется приборами манометрами.

Вакуум (Разрежение) - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением. Разрежение измеряется приборами тягомерами.

Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с уче­том атмосферного давления.

По назначению давление бывает:

1). Русловное - наибольшее давление при t=20 o С

2). Ррабочее – максимально избыточное давление в котле, при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации (указывается в производственной инструкции).

3). Рразрешенное - максимально допустимое давление, установленное по результатам технического освидетельствования или контрольного расчета на прочность.

4). Ррасчетное – максимально избыточное давление, на котором производится расчет прочность элементов котла.

5). Рпробное - избыточное давление, при котором производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (один из видов технического освидетельствования).

4. Температура - это степень нагретости тела, измеряется в градусах. Определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому те­лу.

Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие.

Используются две шкалы: международная - Кельвина и практическая Цельсия t °С.

За ноль в этой шкале принята температура плавления льда, за сто градусов – температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).

За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.

1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия

Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К

Т=t + 273; t = T-273

Температура кипения зависит от давления.

Например, При Р аб c = 1,7 кгс/см 2 . Вода кипит при t = 115°С.

5. Теплота - энергия, которая может передаваться от более нагретого те­ла к менее нагретому.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 кал. - количество теплоты необходимое для нагрева 1 г Н 2 О на 1°С при

Р = 760 мм. рт.ст.

1 кал. =4,19Дж

6.Теплоемкость – способность тела поглощать теплоту. Для того чтобы два различных вещества с одинаковой массой нагреть до одинаковой температуры, нужно затратить различное количество теплоты.

Удель­ная теплоемкость воды – количество тепла которое необходимо сообщить единицей вещества чтобы повысить его t на 1°С, равна 1 ккал/кг град.

Способы передачи теплоты.

Различают, три способа переноса теплоты:

1.теплопроводность;

2.излучение (радиация);

3.конвекция.

Теплопроводность-

Перенос теплоты вследствие теплового движе­ния молекул, атомов и свободных электронов.

Каждое вещество имеет свою теплопроводность, она зависит от хими­ческого состава, структуры, влажности материала.

Количественной характеристикой теплопроводности является коэф­фициент теплопроводности этоколичество теплоты, передаваемые через единицу поверхности нагрева в единицу времени при разности t в о С и толщине стенки в 1 метр.

Коэффициент теплопроводности ( ):

Медь = 330 ккал . м/м 2. ч . град

Чугун = 5 4 ккал . м/м 2. ч . град

Сталь =39 ккал . м/м 2. ч . град

Видно что: хорошей теплопроводностью обладают металлы, лучше всего медь.

Асбест =0,15 ккал . м/м 2. ч . град

Сажа =0,05-0, ккал . м/м 2. ч . град

Накипь =0,07-2 ккал . м/м 2. ч . град

Воздух =0,02 ккал . м/м 2. ч . град

Слабо проводят теплоту пористые тела (асбест, сажа, накипь).

Сажа затрудняет передачу тепла от топочных газов к стенке котла (проводит тепло хуже стали в 100 раз), что приводит к перерасходу топлива, снижению выработки пара или горячей воды. При наличии сажи повышается температура уходящих газов. Все это ведет и уменьшению КПД котла. При работе котлов ежечасно по приборам (логометр) контролируется t ух.газов, значения которых указаны в режимной карте котла. Если t ух.газов повысилась то производится обдувка поверхности нагрева.

Накипь образуется внутри труб (в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь), тем самым уменьшает теплопередачу от стенки котла к воде, в резуль­тате стенки перегреваются, деформируются, разрываются (разрыв труб котла). На­кипь в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь

Конвекция -

Перенос теплоты перемешиванием или перемещением частиц между собой (характерна только для жидкостей и газов). Различают конвекцию естественную и принудительную.

Естественная конвекция - свободное движение жидкости или газов за счет разности плотностей неравномерно нагретых слоев.

Принудительная конвекция - вынужденное движение жидкости или газов за счет давления или разрежения, создаваемых насосами, дымосо­сами и вентиляторами.

Способы увеличения конвективного теплообмена:

§ Увеличение скорости потока;

§ Турбулизация (завихрение);

§ Увеличение поверхности нагрева (за счет установки ребер);

§ Увеличение разности температур между греющей и нагреваемой средами;

§ Противоточное движение сред (противоток) .

Излучение (радиация)-

Теплообмен между телами находящимися на расстоянии друг от друга за счет лучистой энергии, носителями которой являются электромагнитные колебания: происходит превращение тепловой энергии в лучистую и наоборот, из лучистой в тепловую.

Излучение наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если изучающее тело имеет высокую температуру, а лучи на­правлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Для улучшения теплообмена излучением в топках котлов выкладываются из огнеупорных материалов специальные щели, которые одновременно являются излучателями теплоты и стабилизаторами горения.

Поверхность нагрева котла – поверхность, с которой с одной стороны омывается газами с другой стороны водой.

Рассмотренные выше 3 вида теплообмена в чистом виде встреча­ются редко. Практически один вид теплообмена сопровождается другим. В котле присутствуют все три вида теплообмена, который называется сложным теплообменом.

В топке котла:

А) от факела горелки к внешней поверхности труб котла- излучением.

Б) от образующихся дымовых газов к стенке –конвекцией

В) от внешней поверхности стенки трубы к внутренней- теплопроводностью.

Г) от внутренней поверхности стенки трубы к воде, циркуляцией вдоль поверхности – конвекцией.

Перенос теплоты от одной среды к другой через разделительную стенку называется теплопередачей.

Вода, водяной пар и его свойства

Вода простейшая устойчивая в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, наибольшая плотность воды 1000кг/м 3 при t=4 о С.

Вода, как и всякая жидкость, подчиняется гидравлическим законам. Она почти не сжимается, поэтому обладает способностью передавать давление, оказываемое на нее во все стороны с одинаковой силы. Если несколько сосудов разной формы соединить между собой, то уровень воды будет одинаковый везде (закон сообщающихся сосудов).

Похожая информация.

До настоящего времени объектом наших исследований были идеальные газы, т.е. такие газы, где отсутствуют силы межмолекулярных взаимодействий и пренебрегается размерами молекул. На самом деле размеры молекул и силы межмолекулярных взаимодействий имеют большое значение, особенно при низких температурах и больших давлениях.

Одним из представителей реальных газов, применяемых в практике пожарного дела и широко применяемых в промышленном производстве, является водяной пар.

Водяной пар чрезвычайно широко применяется в различных отраслях промышленности, главным образом в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах и как рабочее тело в паросиловых установках. Это объясняется повсеместным распространением воды, ее дешевизной и безвредностью для здоровья человека.

Имея высокое давление и относительно низкую температуру, пар, используемый на практике близок к состоянию жидкости, поэтому пренебрегать силами сцепления между его молекулами и их объемом, как в идеальных газах, нельзя. Следовательно, не представляется возможным использовать для определения параметров состояния водяного пара уравнения состояния идеальных газов, т. е. для пара pv≠RT, ибо водяной пар есть реальный газ.

Попытки ряда ученых (Ван-дер-Ваальса, Бертло, Клаузиуса и др.) уточнить уравнения состояния реальных газов путем введения поправок в уравнение состояния для идеальных газов не увенчались успехом, так как эти поправки относились только к объему и силам сцепления между молекулами реального газа и не учитывали ряда других физических явлений, происходящих в этих газах.

Особую роль играет уравнение, предложенное Ван-дер-Ваальсом в 1873 г., (P + a/ v 2)( v - b) = RT . Являясь приближенным при количественных расчетах, уравнение Ван-дер-Ваальса качественно хорошо отображает физические особенности газов, так как позволяет описать общую картину изменения состояния вещества с переходом его в отдельные фазовые состояния. В этом уравнении а и в для данного газа являются постоянными величинами, учитывающими: первая - силы взаимодействия, а вторая - размер молекул. Отношение а/v 2 характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами. Величина в учитывает уменьшение объема, в котором движутся молекулы реального газа, вследствие того, что они сами обладают объемом.

Наиболее известны в настоящее время уравнение, разработанное в 1937-1946 гг. американским физиком Дж. Майером и независимо от него советским математиком Н. Н. Боголюбовым, а также уравнение предложенное советскими учеными М. П. Вукаловичем и И. И. Новиковым в 1939 г.

Ввиду громоздкости эти уравнения рассматриваться не будут.

Для водяного пара все параметры состояния для удобства пользования сведены в таблицы и представлены в приложении 7.

Итак, водяным паром называется получающийся из воды реальный газ с относительно высокой критической температурой и близкий к состоянию насыщения.

Рассмотрим процесс превращения жидкости в пар, называемый иначе процессом парообразования . Жидкость может превращаться в пар при испарении и кипении.

Испарением называется парообразование, происходящее только с поверхности жидкости и при любой температуре . Интенсивность испарения зависит от природы жидкости и ее температуры. Испарение жидкости может быть полным, если над жидкостью находится неограниченное пространство. В Природе процесс испарения жидкости осуществляется в гигантских масштабах в любое время года.

Суть процесса испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовое действие соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают из жидкости в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает, так как увеличиваются скорость и энергия молекул и уменьшаются силы их взаимодействия. При испарении температура жидкости снижается, так как из нее вылетают молекулы, обладающие сравнительно большими скоростями, вследствие чего уменьшается средняя скорость оставшихся в ней молекул.

При сообщении жидкости теплоты повышаются ее температура и интенсивность испарения. При некоторой вполне определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей ее массе . При этом устенок сосуда и внутри жидкости образуются пузырьки пара. Это явление называется кипением жидкости. Давление получающегося при этом пара такое же, как и среды, в которой происходит кипение.

Процесс, обратный парообразованию называется конденсацие й . Этот процесс превращения пара в жидкость так же происходит при постоянной температуре, если давление остается постоянным. При конденсации хаотично движущиеся молекулы пара, соприкасаясь с поверхностью жидкости попадают под влияние межмолекулярных сил воды, остаются там, вновь преобразуясь в жидкость. Т.к. молекулы пара имеют большую по сравнению с молекулами жидкости скорость, то при конденсации температура жидкости увеличивается. Жидкость, образующаяся при конденсации пара, называется конденсатом .

Рассмотрим процесс парообразования более подробно.

Переход жидкости в пар имеет три стадии:

1. Нагревание жидкости до температуры кипения.

2. Парообразование.

3. Перегрев пара.

Остановимся на каждой стадии более подробно.

Возьмём цилиндр с поршнем, поместим туда 1 кг воды при температуре 0°С, условно принимая, что удельный объём воды при этой температуре минимален 0.001 м 3 /кг. На поршень положен груз, который вместе с поршнем оказывает на жидкость постоянное давление Р. Этому состоянию соответствует точка 0. Начнём подводить к этому цилиндру тепло.

Рис. 28. График изменения удельного объёма парожидкостной смеси при давлении насыщения P s .

1. Процесс подогрева жидкости . В этом процессе, осуществляемом при постоянном давлении за счёт теплоты, сообщаемой жидкости, происходит её нагрев от 0 °С до температуры кипения t s . Т.к. вода имеет сравнительно небольшой коэффициент термического расширения, то удельный объём жидкости изменится незначительно и увеличится от v 0 до v¢. Этому состоянию соответствует точка 1, а процессу – отрезок 0-1.

2. Процесс парообразования . При дальнейшем подводе тепла вода будет кипеть и переходить в газообразное состояние, т.е. водяной пар. Этому процессу соответствует отрезок 1-2 и увеличение удельного объёма от v¢ до v¢¢. Процесс парообразования происходит не только при постоянном давлении, но и при постоянной температуре, равной температуре кипения. При этом вода в цилиндре будет находиться уже в двух фазах: пара и жидкости. Вода присутствует в виде жидкости, сосредоточенной внизу цилиндра и в виде мельчайших капелек, равномерно распределённой по всему объёму.

Процесс парообразования сопровождается и обратным процессом, называемым конденсацией. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то в системе наступает динамическое равновесие. Пар в этом состоянии имеет максимальную плотность и называется насыщенным. Следовательно, под насыщенным понимают пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он образуется . Основное свойство этого пара состоит в том, что он имеет температуру, являющуюся функцией его давления, одинакового с давлением той среды, в которой происходит кипение. Поэтому температура кипения иначе называется температурой насыщения и обозначается t н.Давление, соответствующее t н, называется давлением насыщения (обозначается р н или просто p. Пар образуется до тех пор, пока не испарится последняя капля жидкости. Этому моменту будет соответствовать состояние сухого насыщенного (или просто сухого ) пара. Пар, получаемый при неполном испарении жидкости, называется влажным насыщенным паром или просто влажным . Он является смесью сухого пара с капельками жидкости, распространенными равномерно во всей его массе и находящимися в нем во взвешенном состоянии. Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости или массовым паросодержанием и обозначается через х. Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности и обозначается через у. Очевидно, что у = 1 - х. Степень сухости и степень влажности выражают или в долях единицы, или в %: например, если х = 0.95 и у = 1 - х = 0.05, то это означает, что в смеси находится 95% сухого пара и 5% кипящей жидкости.

3. Перегрев пара. При дальнейшем подводе тепла температура пара будет повышаться (соответственно увеличивается удельный объём от v¢¢ до v¢¢¢). Этому состоянию соответствует отрезок 2-3. Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым . Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрев а .

Поскольку удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара (так как р= const, t пер > t н), то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным. По своим физическим свойствам перегретый пар приближается к газам и тем больше, чем выше степень его перегрева.

Из опыта найдены положения точек 0 - 2 при других, более высоких давлениях насыщения. Соединив соответствующие точки при различных давлениях, получим диаграмму состояния водяного пара.

Рис. 29. pv – диаграмма состояния водяного пара.

Из анализа диаграммы видно, что по мере увеличения давления удельный объём жидкости уменьшается. На диаграмме этому уменьшению объёма с ростом давления соответствует линия СД. Температура насыщения, и, следовательно, удельный объём увеличиваются, что и продемонстрировано линией АК. Также быстрее происходит испарение воды, что ясно видно из линии ВК. При увеличении давления уменьшается разность между v¢ и v¢¢, постепенно сближаются линии АК и ВК. При некотором вполне определённом для каждого вещества давлении эти линии сходятся в одной точке К, называемой критической. Точка К, одновременно принадлежащая линии жидкости при температуре кипения АК и линии сухого насыщенного пара ВК, соответствует некоторому предельному критическому состоянию вещества, при котором отсутствует различие между паром и жидкостью. Параметры состояния называются критическими и обозначаются Т к, P к, v к. Для воды критические параметры имеют значения: Т к =647.266К, Р к = 22.1145МПа, v к =0.003147 м 3 /кг.

Состояние, в котором могут находиться в равновесии все три фазы воды, называется тройной точкой воды. Для воды: Т 0 = 273.16К, Р 0 = 0.611 кПа, v 0 = 0.001 м 3 /кг. В термодинамике удельные энтальпия, энтропия и внутренняя энергия в тройной точке принимается равной нулю, т.е. i 0 = 0, s 0 = 0, u 0 = 0.

Определим основные параметры водяного пара

1. Подогрев жидкости

Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг жидкости от 0 °С до температуры кипения называется удельнойтеплотой жидкости . Теплота жидкости является функцией давления, принимающей максимальное значение при критическом давлении.

Величина её определяется:

q = с р (t s -t 0) ,

где с р – средняя массовая изобарная теплоёмкость воды в интервале температур от t 0 = 0 °С до t s , берётся по справочным данным

т.е. q = с р t s

Удельная теплота измеряется в Дж/кг

Величина q выражается как

где i¢ - энтальпия воды при температуре кипения;

i - энтальпия воды при 0 °С.

Согласно первому закону термодинамики

i = u 0 + P s v 0 ,

где u 0 – внутренняя энергия при 0 °С.

i¢ = q + u 0 + P s v 0

Примем условно, как и в случае идеальных газов, что u 0 = 0. Тогда

i¢ = q + P s v 0

Эта формула позволяет вычислить величину i¢ по найденным из опыта величинам Р s , v 0 и q.

При невысоких давлениях Р s , когда для воды величина Р s v 0 мала по сравнению с теплотой жидкости, можно приближённо принять

Теплота жидкости с увеличением давления насыщения увеличивается и в критической точке достигает максимальной величины. Учитывая, что i=u+ Pv (1), можно написать следующее выражение для внутренней энергии воды при температуре кипения:

u¢ = i¢ + P s v¢

Изменение энтропии в процессе подогрева жидкости

Допуская, что энтропия воды при 0

Эта формула позволяет вычислить энтальпию жидкости при температуре кипения.

2. Парообразование

Количество теплоты, необходимое для перевода 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения, в сухой насыщенный пар в изобарном процессе называется удельной теплотой парообразования (r) .

Теплота парообразования определяется:

i¢¢ = r + i¢ по найденной из опыта теплоте парообразования и энтальпии воды при температуре кипения i¢. Учитывая (1), можно записать:

r = (u¢¢-u¢)+P s (v¢¢-v¢),

где u¢ и u¢¢ - внутренняя энергия воды при температуре кипения и сухого насыщенного пара. Это уравнение показывает, что теплота парообразования состоит из двух частей. Одна часть (u¢¢-u¢) затрачивается на увеличение внутренней энергии образующегося из воды пара. Она называется внутренней теплотой парообразования и обозначается буквой r. Другая часть P s (v¢¢-v¢) затрачивается на внешнюю работу, совершаемую паром в изобарном процессе кипения воды, и называется внешней теплотой парообразования (y).

Теплота парообразования уменьшается с увеличением давления насыщения и в критической точке равна нулю. Теплота жидкости и теплота парообразования образуют полную теплоту сухого насыщенного пара l¢¢.

Внутренняя энергия сухого насыщенного пара u¢¢ равна

u¢¢=i¢¢-P s v¢¢

Изменение энтропии пара в процессе парообразования определяется выражением

Это выражение позволяет определить энтропию сухого насыщенного пара s¢¢.

Влажный насыщенный пар между граничными величинами удельных объёмов v¢ и v¢¢ состоит из сухого насыщенного пара и воды. Количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного насыщенного пара называется степенью сухости , или паросодержанием . Эта величина называется буквой x . Величина (1-x) называется степенью влажности пара .

Если учесть степень сухости, то удельный объём влажного насыщенного пара v x

v x = v¢¢x + v¢(1-x)

Теплота парообразования r x , энтальпия i x , полная теплота l x , внутренняя энергия u x и энтропия s x для влажного насыщенного пара имеет следующие величины:

r x = rx; i x = i¢ + rx; l x = q + rx; u x = i¢ + rx – p s v s ; s x = s¢ + rx/T s

3. Процесс перегрева пара

Сухой насыщенный пар перегревается при постоянном давлении от температуры кипения t s до заданной температуры t ; при этом удельный объём пара увеличивается от v¢ до v . Количество теплоты, которое затрачивается на перегрев 1 кг сухого насыщенного пара от температуры кипения до данной температуры, называется теплотой пароперегрева. Теплоту пароперегрева можно определить:

где - с p средняя массовая теплоёмкость пара в интервале температур t s – t (определяется по справочным данным).

Для величины q п можно записать

q п = i – i¢ ,

где I – энтальпия перегретого пара.

Водяной пар получают в паровых котлах при постоянном давлении и постоянной температуре. Сначала происходит нагрев воды до температуры кипения(она остается постоянной) или температурой насыщения. . При дальнейшем нагреве кипящая вода превращается в пар и ее температура до полного испарения воды остается постоянной. Кипение есть процесс парообразования во всем объеме жидкости. Испарение - па­рообразование с поверхности жидкости.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием , а из газообразного состояния в жидкое конденсацией . Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превра­щения ее из жидкого состояния в парообразный при температуре кипения, называется теплотой испарения .

Количество теплоты необходимое для нагрева 1 кг воды на 1 0 С назы­вается теплоемкостью воды . = 1 ккал/кг. град.

Температура кипения воды зависит от давления (имеются специальные таблицы):

Р абс = 1 кгс/см 2 = 1 атм, t к = 100°С

Р абс = 1,7 кгс/см 2 , t к = 115°С

Р абс = 5 кгс/см 2 , t к = 151°С

Р абс =10 кгс/см 2 , t к = 179°С

Р абс = 14 кгс/см 2 , t к = 195°С

При температуре воды в котельных на выходе 150°С и обратной t во-

ды 70°С каждый кг воды переносит 80 ккал теплоты.

В системах пароснабжения 1 кг воды превращенный в пар переносна около 600 ккал теплоты.

Вода практически не сжимается. Наименьший объем занимает при t= +4°С. При t выше и ниже +4°С объем воды увеличивается. Температура, при которой начинается конденсация избыточного кол-ва водяных паров называется t «точки росы».

Различают пар насыщенный и перегретый. При испарении часть молекул вылетает с поверхности жидкости и образуют над ней пар. Если поддерживать температуру жидкости постоянной, т. е. непрерывно подво­дить к ней теплоту, то число вылетающих молекул будет наростать, при этом из-за хаотичного движения молекул пара, одновременно с образова­нием пара происходит обратный процесс - конденсация при которой часть молекул пара возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то количество пара будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равновесие, т. е. коли­чество жидкости и пара станет постоянным.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью и имеющий одинаковые с ней температуру и давление, называется насыщен­ным паром.

Влажным насыщенным паром , называется пар, в котором имеются ка­пельки котловой воды; насыщенный пар, неимеющий капелек воды назы­вается сухим насыщенным паром .

Доля сухого насыщенного пара во влажном паре называется степенью сухости пара (x). При этом влажность пара будет равна 1 - х. Для сухого насыщенного пара х = 1. Если сообщать теплоту сухому насыщенному па­ру при постоянном давлении, то получается перегретый пар. Температура перегретого пара выше температуры котловой воды. Получают перегретый пар из сухого насыщенного пара в пароперегревателях, которые устанав­ливаются в газоходах котла.

Применение влажного насыщенного пара не желательно, т. к. при его перемещении по паропроводам возможны гидравлические удары (резкие толчки внутри труб) конденсата, скапливающегося в арматуре, на закруг­лениях и в пониженных местах паропроводов, а также в паровых насосах. Очень опасно резкое снижение давления в паровом котле до атмосферного которое может произойти в результате аварийного нарушения прочности котла, т. к. температура воды до такого изменения давления была выше 100°С, то избыточное количество тепла расходуется на парообразование, которое происходит практически мгновенно. Количество пара резко воз­растает что приводит к мгновенному повышению давления в котле и к серьезным разрушениям. Чем больше объем воды в котле и выше ее тем­пература, тем значительнее последствия таких разрушений. Объем пара в 1700 раз больше объема воды.

Перегретый пар- пар имеющий более высокую температуру, чем насыщенный при том же давлении - влаги не имеет. Перегретый пар получают в специальном устройстве- пароперегревателе, где сухой насыщенный пар нагревается дымовыми газами. В отопительных котельных перегретый пар не используется,поэтому нет пароперегревателя.

Основные свойства насыщенного пара:

1) t насыщ. пара = t кип. воды при данном Р

2) t кип. воды зависит от Рпара в котле

3) насыщенный пар конденсируется.

Основные свойства перегретого пара:

1) перегретый пар на конденсируется

2) t перегретого пара не зависит от давления пара в котле.

(Схема получения пара в паровом котле)(карт на стр 28 не обязательно)

Для окружающей нас природы водяной пар имеет огромное значение. Он присутствует в атмосфере, используется в технике, служит неотъемлемой составной частью процесса происхождения и развития жизни на Земле.

В учебниках физики говорится, что водяной пар - это Его может наблюдать каждый, поставив чайник на огонь. Через некоторое время из его носика начинает вырываться струя пара. Обусловлено такое явление тем, что вода может находиться в разных, как определяют физики, агрегатных состояниях - газообразном, твердом, жидком. Такие свойства воды и объясняют ее всеобъемлющее присутствие на Земле. На поверхности - в жидком и твердом состоянии, в атмосфере - в газообразном.

Такое свойство воды и последовательный переход ее в разные состояния создают в природе. Жидкость испаряется с поверхности, поднимается в атмосферу, переносится в другое место в виде водяного пара и там выпадает в виде дождя, обеспечивая необходимой влагой новые места.

По сути дела, работает своеобразная паровая машина, источником энергии для которой является Солнце. При рассмотренных процессах водяной пар дополнительно обогревает планету благодаря отражению им теплового излучения Земли обратно к поверхности, вызывая парниковый эффект. Если бы не было такой своеобразной «подушки», то температура на поверхности планеты была бы на 20°С ниже.

В качестве подтверждения изложенного можно вспомнить о солнечных днях зимой и летом. В теплое время года высокая, и атмосфера, как в парнике, согревает Землю, зимой же в солнечную погоду бывают порой самые значительные холода.

Как и все газы, водяной пар обладает определенными свойствами. Одним из параметров, определяющим таковые, будет плотность водяного пара. По определению, это количество водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха. По сути, так определяется последнего.

Количество в воздухе воды постоянно меняется. Оно зависит от температуры, от давления, местности. Содержание влаги в атмосфере - чрезвычайно важный для жизни параметр, и за ним постоянно наблюдают, для чего пользуются специальными приборами - гигрометром и психрометром.

Изменение влажности вызвано тем, что содержание воды в окружающем пространстве изменяется из-за процессов испарения и конденсации. Конденсация - это явление, обратное испарению, в данном случае пар начинает превращаться в жидкость, и она выпадает на поверхность.

При этом в зависимости от окружающей температуры может образоваться туман, роса, иней, гололед.

Когда теплый воздух, воды, соприкасается с холодной землей, образуется роса. В зимнее время, при отрицательных температурах, будет образовываться иней.

Немного другой эффект происходит, когда приходит холодный, или начинает охлаждаться нагретый за день воздух. В этом случае образуется туман.

Если температура поверхности, на которую конденсируется пар, отрицательная, то возникает гололед.

Таким образом, многочисленные природные явления, такие, как туман, роса, иней, гололед, обязаны своим образованием водяному пару, содержащемуся в атмосфере.

В этой связи стоит упомянуть об образовании облаков, которые тоже самым непосредственным образом участвуют в формировании погоды. Вода, испаряясь с поверхности и превращаясь в водяной пар, поднимается вверх. При достижении высоты, где начинается конденсация, она превращается в жидкость, и происходит образование облаков. Они могут быть нескольких типов, но в свете рассматриваемого вопроса важно, что они участвуют в создании парникового эффекта и переносе влаги в новые места.

В изложенном материале показано, что собой представляет водяной пар, описано его влияние на жизненные процессы, происходящие на Земле.

Реки, болота, озера, ледники, моря, океаны – все это вода (рис. 50). Все живое и неживое: любые почвы и горные породы на нашей планете, все предметы, тела, организмы – содержат ее. Например, в человеческом теле на долю воды приходится 60–80 % массы. Для многих живых организмов вода служит средой обитания. Жизнь на Земле зародилась в воде и без воды невозможна. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию солнечного света.

Рис. 50. Вода – самое необыкновенное вещество на Земле

С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы: она прозрачна, бесцветна, без запаха и вкуса, обладает текучестью, встречается в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном.

Летом вы неоднократно отмечали, что земля уже нагрелась, а вода еще долго остается холодной. Входя в воду, вы ощущаете, что ее температура неодинаковая: верхние слои значительно теплее, чем нижние. Перемешивание верхних и нижних слоев производит ветер, вызывающий волнение на поверхности, – чем глубже, тем вода холоднее. Почему вода в рядом расположенных слоях имеет различную температуру?

Чтобы ответить на этот вопрос, поставим следующий опыт.

Возьмем пробирку, положим в нее кусочек льда. Чтобы он не всплывал, можно придавить его сверху маленьким кусочком металла. Затем нальем в пробирку воды. Держа пробирку прищепкой для белья и немного наклонив, нагреваем ту ее часть, где нет льда. Одновременно наблюдаем, что происходит со льдом. Он долго сохраняет твердое состояние. Почему же лед не тает? Вода вокруг кипит, а лед не тает.

Поставленный опыт позволяет сделать вывод: вода не очень быстро передает тепло.

Передача тепла от более нагретой части тела к другой, менее нагретой, называется теплопроводностью. Так как теплопроводность воды не очень большая, то лед в нашем опыте долгое время находится в твердом состоянии.

У воды есть и другое замечательное свойство: нагретая солнечными лучами, она способна долгое время сохранять полученное тепло. Вода как бы накапливает его в себе и удерживает. Она медленно нагревается и медленно остывает. Летом вода в приморских районах, нагреваясь медленнее, чем суша, охлаждает окружающий воздух, а зимой теплое море постепенно остывает, отдавая тепло воздуху и смягчая мороз.

Когда температура опускается ниже 0 °С, вода замерзает и переходит в твердое состояние – лед (рис. 51).

Рис. 51. Лед – твердая вода в природе

Мы знаем, что вода обладает текучестью. Оказывается, и лед при определенных условиях может «течь». На Земле существуют огромные «ледяные реки», медленно стекающие с высоких гор. Их называют ледниками.

Почему же ледники движутся? Оказывается, под огромной тяжестью (толщина некоторых ледников достигает 3–4 км) лед у поверхности Земли начинает подтаивать и превращается в жидкость. Образовавшаяся вода облегчает скольжение, она выступает в роли смазки.

Мы уже говорили, что вода может находиться в газообразном состоянии, т. е. в состоянии водяного пара. Можно ли увидеть водяной пар?

Белое облако, которое образуется по ночам и рано утром в низинах и над водоемами; белый дымок, который вырывается из носика чайника, или белые видимые клубы над сосудом, где закипает вода, – все это не водяной пар, а туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе (рис. 52).

Рис. 52. Туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе при конденсации водяного пара

Нет никакой разницы между туманом и облаком в небе. Туманы чаще бывают осенью, когда воздух охлаждается быстрее, чем земля или вода. При соприкосновении прохладного воздуха с теплым и образуется туман.

Чем отличается туман от водяного пара? Пар – это газ, прозрачный и невидимый. Видеть водяной пар (воду в газообразном состоянии) невозможно, как нельзя видеть воздух при конденсации водяного пара. Но можно доказать, что водяной пар содержится в воздухе. Например, в воздухе комнаты. Если подержать небольшое зеркало 10–20 мин на улице (при температуре -5 °C или ниже), а потом внести его в теплую комнату, то через несколько минут оно покроется капельками воды. Капельки воды – это бывший водяной пар, который сконденсировался из комнатного воздуха на холодном стекле зеркала. Вода из газообразного состояния – водяного пара, который содержится в комнатном воздухе, от охлаждения при соприкосновении с холодным стеклом зеркала перешла в жидкое состояние.

Количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара в нем.

Вода в жидком, твердом и газообразном состоянии образует на Земле оболочку – гидросферу.

1. Как вы думаете, что будет более эффективным в качестве грелки: 2 кг песка при температуре +60 °C или 2 л воды при той же температуре? Ответ объясните.

2. Почему туман образуется по ночам или рано утром?