1. Базовые понятия о паре

    

   1. Особенности пара

2.  

   1. Фазовая диаграмма воды

       

      На рис. 1.1 показано графическое отображение форм воды при атмосферном давлении. Рисунок иллюстрирует содержимое, описанное в разделе “«Фазовые состояния воды»”. Горизонтальная ось отображает удельную энтальпию, а вертикальная — температуру. Фазовая диаграмма демонстрирует изменение температуры и состояния в зависимости от удельной энтальпии, содержащейся в молекулах воды.

       

      

      Рисунок 1.1 Фазовая диаграмма воды при атмосферном давлении

      На приведенном выше рис. представлены следующие элементы: физическая теплота (энтальпия температуры насыщения, h) до того, как вода нагреется от 0 °C до 100 °C, общее количество теплоты, когда вся насыщенная вода становится паром (энтальпия ”насыщенного пара h), и необходимая скрытая теплота для испарения (энтальпия испарения r = h” –h’). Пар в состоянии, в котором испаряется насыщенная вода, называется влажным насыщенным паром, а после ее испарения — сухим насыщенным паром. При повторном нагревании сухого насыщенного пара температура повышается. Пар с температурой, намного превышающей температуру насыщения, называется перегретым паром, а разница температур между перегретым паром и насыщенным паром называется перегревом.

      Далее энтальпия воды будет называться «физической теплотой», энтальпия испарения — «скрытой теплотой», а теплота, которую получает пар — «скрытой теплотой» а теплота пара — «общей теплотой»

   2. Энергия пара

       

      Как упоминалось ранее, пар изменяет фазовое состояние и превращается в конденсат после того, как используется для нагрева, и теряет свою скрытую теплоту. Температура в этой точке такая же, как у пара. Скрытая теплота с таким свойством является чрезвычайно эффективной энергией в процессах, требующих стабильной термической обработки при постоянной температуре, например, стерилизации и т. д. Пар является отличным носителем энергии, поскольку это обычное вещество, способное нести очень большое количество скрытой теплоты.

        Проверить количество скрытой теплоты в насыщенном паре можно в таблице насыщенного пара. Таблица 1.2 представляет собой выдержку из таблицы насыщенного пара. Например, в случае атмосферного давления (манометрическое давление 0,0 МПа) значения будут следующими (с округлением до одного десятичного знака).

       

       

      Физическая теплота насыщенной воды ｈ＝419 кДж/кг
      Общая теплота пара: ｈ”＝2,676 кДж/кг
      Скрытая теплота: r＝ｈ”－ｈ＝2,257 кДж/кг

       

      Таким образом,

       

      доля общей теплоты пара＝2257／2676＝0,8434≒84%

      （количество скрытой теплоты, удерживаемой паром, по отношению к физической теплоте）＝2,257／419＝5,3866≒5,39

      Таким образом, пар при атмосферном давлении имеет 84% общей теплоты в виде скрытой теплоты, или, другими словами, его скрытая теплота в 5,39 раза превышает физическую теплоту.

      В таблице 1.1 показано сравнение термодинамических свойств воды, аммиака, метанола и этанола. Можно увидеть, что вода имеет сравнительно большую долю скрытой теплоты.

       

      Таблица 1.1 Термодинамические свойства обычных веществ при атмосферном давлении

      Вещество	Точка плавления (℃)	Точка кипения (℃)	Скрытая теплота плавления (кДж/кг)	Скрытая теплота (кДж/кг)
      Вода	0	100	333.5	2,257
      Аммиак	-77.8	-33.4	338	1,371
      Метанол	-97.7	64.7	99.2	1,190
      Этанол	-114.1	78.6	109	855

       

      По мере повышения давления для достижения насыщения требуется больше тепловой энергии, и температура также повышается без смены фазового состояния. Другими словами, увеличивается физическая теплота и температура насыщения. На рис. 1.2 данное соотношение показано в виде кривой давления насыщенного пара. На этой кривой вода и пар могут сосуществовать при идентичной температуре насыщения. Ниже кривой находится вода, еще не достигшая температуры насыщения, а выше кривой — перегретый пар.

       

      

      Рисунок 1.2 Кривая давления насыщенного пара

      Как меняется теплоемкость насыщенного пара и насыщенной воды при повышении давления? На рис. 1.3 представлена диаграмма, показывающая эти соотношения. Из графика становятся очевидными следующие факты.

      1. Физическая теплота насыщенной воды увеличивается по мере повышения давления воды.

      2. Скрытая теплота пара уменьшается по мере повышения давления.

      Полная теплота пара (сумма «1. физической теплоты» и «2. скрытой теплоты») почти постоянна по сравнению с ее составляющими, хотя несколько увеличивается в диапазоне низкого давления. (Однако она, наоборот, уменьшается примерно с 3,2 МПа, и при достижении критической точки скрытая теплота становится равной нулю.)

       

      

       

       

       

      Рисунок 1.3 Зависимость между количеством теплоты и давлением для пара и насыщенной воды

       

      Здесь следует отметить, что скрытая теплота, необходимая для испарения, уменьшается с повышением давления. Это значит, что чем выше давление пара, тем меньше скрытой теплоты. Например, как показано в Таблице 1.2 для насыщенного пара, скрытая теплота при давлении 0,5 МПа и 1,0 МПа, r составляет соответственно 2085 кДж/кг и 1998 кДж/кг. Таким образом, скрытая теплота при давлении 1,0 МПа ниже, чем при 0,5 МПа, и оба значения ниже 2257 кДж/кг — скрытой теплоты при атмосферном давлении (0,0 МПа).

      Далее на рис. 1.4 показана зависимость между удельным объемом пара и давлением пара. Как видно из рисунка, удельный объем обратно пропорционален, сильно меняется в диапазоне низких давлений и уменьшается при повышении давления. Чем выше давление, тем меньше скрытая теплота на единицу массы (1 кг), и тем меньше ее объем, что приводит к увеличению скрытой теплоты на единицу объема (1 м<SUP>3</SUP>). Следовательно, повышая давление пара, можно передавать больше энергии по паропроводу относительно небольшого размера. Это один из важных аспектов, который следует учитывать при проектировании паропроводных систем.

       

      

      Рисунок 1.4 Зависимость между давлением пара и удельным объемом

       

      Таблица 1.2 Таблица насыщенного пара (на основе манометрического давления)

      Манометрическое давление (МПа)	Температура насыщения (℃)	Удельный объем (м3/кг)		Соотношение массы и объема  (м3/кг)	Скрытая теплота (кДж/кг)
      		Насыщенная вода	Насыщенный пар		Физическая теплота	Общая	Скрытая теплота
      		v’	v”		h’	h”	ｒ=h”-h’
      0.0	100.00	0.0010437	1.67300	0.5977	419.06	2676.0	2256.9
      0.1	120.44	0.0010610	0.87999	1.1364	505.58	2706.6	2201.0
      0.5	158.93	0.0011096	0.31482	3.1764	670.79	2755.6	2084.7
      1.0	184.12	0.0011331	0.17718	5.6440	781.36	2779.7	1998.3

   3. Сухая фракция

       

      Пар вырабатывается в промышленном котле, а затем транспортируется в любое место для использования. Произвести полностью сухой пар в промышленном котле практически невозможно, поэтому он всегда содержит капли воды. Пар, содержащий жидкую воду, называется влажным паром. Однако для большинства паровых систем требуется полностью сухой пар. Та часть влажного пара, которая фактически является паром, а не водой, называется сухой фракцией или просто сухостью. Чем больше сухая фракция, тем выше качество пара.

       

      Коэффициент сухости (Х) — это массовое отношение сухого пара к влажному пару. Например, если пар содержит 5% воды, коэффициент сухости составляет 0,95. Величину (1-Х) называют влажной фракцией. Коэффициент сухости пара на выходе из котла обычно составляет 0,95–0,98. Количество теплоты (удельная энтальпия, h), которым обладает влажный насыщенный пар, можно описать с помощью следующей формулы с символами на рис. 1.1.

      h＝（1－χ）h’＋χh”＝h’＋χr

   4. Вторичный пар

       

      Термин «вторичный пар» обычно используется для описания пара, поступающего из вентиляционных отверстий конденсатоприемника и открытых линий слива конденсата после конденсатоотводчиков. Почему пар образуется без добавления тепла? Вторичный пар возникает, если давление воды со сравнительно высокой температурой снизится настолько, что температура насыщения при новом давлении воды окажется ниже исходной температуры воды.

       

      Когда температура насыщения воды падает ниже ее фактической температуры, часть воды начинает испаряться. Ниже приведен пример прохождения конденсата через конденсатоотводчик. На стороне первичного контура почти всегда сохраняется достаточно высокая для образования вторичного пара температура.

       

      

       

      Рисунок 1.5　Производство вторичного пара

       

      На рис. 1.5 давление в первичном контуре конденсатоотводчика составляет 0,5 МПа (что означает температуру насыщения около 159 °C –— предполагаемая температура воды для данного примера), а конденсат (предполагаемой массой 1 кг для удобства последующих расчетов) сливается в открытую линию слива.

       

      Как показано в таблице 1.2, физическая теплота в 1 кг конденсата при температуре насыщения 0,5 МПа составляет 671 кДж. Согласно первому закону термодинамики полная теплоемкость жидкости между контурами высокого и низкого давления конденсатоотводчика равна, что в целом соответствует закону сохранения энергии (теплопотери за счет рассеивания тепла и гидравлическое сопротивление в конденсатоотводчике не учитываются). Следовательно, 1 кг воды, поступающей в контур низкого давления, имеет теплоемкость 671 кДж. Однако вода при 0 МПа с температурой насыщения (100 °С) имеет физическую теплоту всего 419 кДж, что означает наличие дисбаланса 671-419=252 кДж. С точки зрения воды это избыточное тепло, однако оно становится скрытой теплотой и кипятит часть конденсата, преобразуя его в пар. Этот пар называется вторичным паром, а сам процесс называется взрывным испарением.

      Таким образом, 1 кг конденсата, который находится в жидком состоянии в контуре высокого давления конденсатоотводчика, в контуре низкого давления будет присутствовать в виде жидкости и частично в виде пара.

       

      Количество образующегося вторичного пара можно рассчитать по следующей формуле.

       

      

       

      Таким образом, количество вторичного пара, образующегося на 1 кг конденсата, составляет 0,11 кг.

      Доля вторичного пара, образующегося при сбросе давления, представляет собой отношение избыточного тепла к скрытому теплу при конечном давлении.

       

      Важно отметить, что вторичный пар — это не только явление, которое происходит естественным образом в паровой системе, но и эффект, который намеренно используется и рассчитывается для максимально эффективного использования пара. Типичным устройством для использования вторичного пара является расширительный бак.

   5. Прочие свойства

       

      Как описано выше, популярность пара как носителя энергии, заключается в том, что он удерживает большое количество скрытой теплоты, а воды на Земле много и ее применение выгодно экономически. Также следует учитывать следующее.

       
      • Пар экологически безопасен для человека.
      • Пар — это неагрессивное, негорючее, стабильное химическое вещество.
      • Пар равномерно нагревается по сравнению с другими источниками тепла.
      • Температуру насыщения можно регулировать путем изменения рабочего давления. Следовательно, требуемую температуру нагрева можно обеспечить путем регулирования давления.
      • Ввиду большой разницы удельных объемов между паром и конденсатом новый пар подается, как только пар конденсируется.
       

      Ниже перечислены проблемы, связанные с использованием пара.

      • Если паровая система не разработана и не обслуживается с конкретной целью обеспечить отсутствие воздуха (что требует больших усилий), смешивание воздуха и (при наличии) других газов с паром неизбежно. Смешивание сильно снижает эффективность теплообмена.
      • Вода, используемая для производства пара, никогда не бывает чистой. В воде всегда есть различные примеси, которые могут вызвать различные проблемы с производством или качеством пара. Сырая вода, используемая для производства пара, не очищена от примесей, вызывающих окисление и коррозию. Примеси невозможно полностью удалить в процессе производства пара.

 

В зависимости от места установки конденсатоотводчика могут потребоваться меры по предотвращению замерзания, поскольку температура замерзания воды составляет 0 °C.